轉爐塵泥回收利用技術現(xiàn)狀及前景研究
1. 概述
轉爐煉鋼是目前各國廣泛采用的煉鋼方法，尤其在我國，轉爐煉鋼產量占全部鋼產量的80%以上。轉爐塵泥的發(fā)生量（干重量）約為鋼產量的2%，目前我國轉爐污泥的產生量為每噸鋼15kg～20kg，全國轉爐污泥發(fā)生量為700 萬t/a～950 萬t/a。轉爐在吹氧冶煉過程中，鋼液翻騰及熔體表面氣流爆裂，使一定量的鐵和鐵的氧化物蒸發(fā)并隨爐氣逸出，加料過程中散料的細微顆粒也被爐氣帶入煙道。煙氣加水潤濕被捕集后經濃縮成為轉爐塵泥。轉爐塵泥具有含鐵高、含鈣高、含水高（可達20%～50%）、粒度細、粘度大、活性高、雜物多（含有Mg、 Si、Al、P、Mn、C、S 等）等性質，是一種良好的二次資源[1-5]。
2. 轉爐塵泥組分及性質
轉爐塵泥含有 Fe、Ca、Mg、Al、Si、S、P、C、Pb、Zn 等多種元素，根據(jù)地區(qū)和生產工藝的不一樣，元素含量和物化性質也有一定的差別，但是都具有，含鐵高、含鈣高、粒度細，粘度高，雜質多、孔隙大的基本特點。
從化學元素分析結果可以明顯的看出，轉爐塵泥中的鐵主要以二價鐵的形式存在，由于較高的鐵含量（42.71%～55.99%）和可觀的鈣含量（4.63%～19.92%），所以轉爐塵泥回收起來是一種很好的冶煉工業(yè)原材料。
轉爐塵泥中的Fe，CaO 及酸不溶物都均勻的分布在所有的粒度級別上，因此，運用簡單的選別技術來分選Fe 或者CaO 是很難達到的[7]。粒級以及元素的分布。
轉爐塵泥樣品X 射線衍射分析圖譜。X 射線衍射分析是用來區(qū)分樣品中不同的礦物晶相的[8]。從以下三種樣品：（1）塊樣，（2）950℃下煅燒過的塊樣，（3）磁選精礦的波峰來分析，分別包含有：赤鐵礦、石英、方鐵礦、方解石和金屬鐵。
但是不同鋼鐵廠由于原料、工藝、設備不盡相同，其轉爐塵泥的化學成分組成、性質相差很大，即使同一個鋼鐵廠當操作因素發(fā)生變化時，轉爐塵泥的化學成分組成也不同[9,10]。
3. 轉爐塵泥回收利用方法及現(xiàn)狀
3.1 轉爐塵泥返回煉鋼方法
3.1.1 直接燒結法
在有燒結廠的企業(yè)中,將轉爐塵泥作為原料，把干、濕塵泥直接與燒結原料混合進入燒結，是最簡單的一種方法。這種方法國內外的許多企業(yè)都在使用,其優(yōu)點是：投入少、見效快。
但同時也有一些不利因素。加入一定量的轉爐塵泥，有利于混合料制粒，但隨著塵泥量的增加，因其粒度細而易粘糊成塊而各自成團，影響混合料制粒和燒結效果[11-13]。
3.1.2 小球燒結法
直接燒結法是利用比較粗的塵泥與礦石團礦而成，但對于塵泥的細度過細而使燒結性能變差，為此最近幾年小球燒結法被廣泛使用。其工藝是：濕泥漿在料場經自然干燥后送人料倉，將泥漿與粘結劑混勻送入圓盤造球機造成2～8mm 的小球，送到成品槽作燒結原料。該工藝寶鋼從日本引進，現(xiàn)在國內許多鋼廠使用[14]。
3.1.3 煉鐵法
將轉爐塵泥造塊用來生產金屬化球團，返回高爐是國外處理轉爐塵泥較為普遍的一種方法。金屬化球團的典型工藝為：含鐵塵泥經濃縮、過濾、干燥后，再粉碎、磨細，加入添加劑造球、干燥后，由回轉窯焙燒制成金屬化球團塊[15]。
高爐用轉爐塵泥金屬化球團的生產，也有用冷固結法，或加粘結劑壓團法，這些方法均需加入含碳物(焦粉，煤炭)，以減少冶金焦的消耗。
3.1.4 煉鋼法
將轉爐塵泥造塊返回煉鋼工藝，用做煉鋼的冷卻劑是轉爐塵泥回收利用的又一途徑，國內許多企業(yè)已使用該方法[16]。
由于轉爐塵泥塊中含有很高的CaO、FeO，用于煉鋼工藝種可起到一定的造渣劑、助熔劑的作用。煉鋼工藝的特點對塵泥塊的強度要求相對較低，因此，用于煉鋼的塵泥造塊多選用冷固結、加粘結劑壓團、熱壓團或中溫固結壓團[17]等工藝。
3.1.5 轉底爐
轉爐塵泥經濃縮、脫水(含水30%左右)、烘干(含水1%左右)后與各種除塵灰和粘結劑按比例配料(主要控制碳含量在14%以下)。經潤磨、造球、篩分，合格生球(粒徑Φ6～Φ16 mm)再經干燥(生球含水量由11%降到1%以下)后均勻布到轉底爐 (RHF) [18]環(huán)形臺車上,在還原性氣氛和1000~1300℃高溫下鐵被還原,高溫球團從RHF 排出經還原性氣氛冷卻到300℃，形成金屬化球團；鋅被還原成氣態(tài)隨高溫廢氣從RHF 排出，經余熱鍋爐、換熱器、布袋除塵器等冷卻、收集。
3.2 轉爐塵泥返回煉鋼利用現(xiàn)狀
攀鋼、漣鋼、湘鋼、本鋼等[19-23]的轉爐污泥用回轉窯烘干配煅燒造粒，成品直接加于燒結混合料中用于燒結生產，工藝簡單，一次性投資少。唐鋼 [24]將轉爐污泥替代精礦粉，直接參與燒結配料。安鋼、馬鋼、長鋼等[25-29]將轉爐污泥冷球團用于轉爐造渣，在提高轉爐初期爐渣的堿度，加快初期爐渣的形成時間、提高轉爐爐渣的去硫、去磷能力等方面有明顯作用；另外結合轉爐冶煉操作，還可以降低終點爐渣的TFe 含量，減小轉爐的鐵損。并可回收一定量的鐵元素，降低石灰和氧氣消耗。寶鋼、包鋼[30,31]將轉爐塵泥采用冷固結工藝替代原有熱壓工藝生產冷固球團返回轉爐應用，可以替代原有除塵灰熱壓球團和部分鐵礦石等，并經過現(xiàn)場試驗，得到較好的冷卻和化渣效果。濟鋼、蘭鋼等[32,33]單位將轉爐污泥用管道直接送到燒結配料。首鋼、鞍鋼等[34]將轉爐污泥做成OG 泥消化料進入燒結，降低了石灰燃料的消耗。新疆鋼鐵公司用轉爐污泥生產高爐用球團礦。奧鋼聯(lián)[35]在多拉維茨鋼廠的60 t 轉爐進行了氧槍噴吹轉爐粉塵的工業(yè)試驗，結果表明：
粉塵可部分取代廢鋼做冷卻劑，1 kg 粉塵可取代2.7 kg 廢鋼，熔爐溫度降低了大約25℃；粉塵對鋼水成分和爐渣成分沒有影響。加拿大鋼公司[36]分別在希爾頓和伊利湖鋼廠進行過轉爐除塵循環(huán)利用試驗。即將轉爐粉（鋅含量0.6％～2％）做成球團或壓塊，加入爐內，加入量為48 t，為補償粉塵的吸熱，料塊里加入了焦粉和瓦斯泥。結果表明：粉塵的加入對于轉爐操作沒有產生影響，只是在加入量較高的情況下，出鋼溫度有所降低；S 和P 的含量與常規(guī)情況沒有差別，爐渣的成分也沒有發(fā)現(xiàn)變化。伯利恒鋼公司[37]在雀點鋼廠將含鋅濾餅與熱渣混合，加工成一種低水分的礦石替代物。爐渣和濾餅的混合比例為0.2∶1，混合前爐渣約810℃，混合物的水分為6％左右，主要含有鐵和氧化鈣等物質，每爐加入量為3t 以上。不僅回收了有價資源，還減少粉塵掩埋費用及氧氣轉爐操作費用。
3.3 轉爐塵泥其他回收利用方法現(xiàn)狀及進展
3.3.1 制備還原鐵粉
晁月盛等[38]研究出將轉爐塵泥先于濃度為3.5mol/L 的濃硫酸以14：1 的比例混合，在75℃下溶解，浸出1.5h，在85℃滴定，然后再在900℃溫度下灼燒2.5h，冷卻至室溫，經過如此一系列提純處理后的塵泥，經過2h 球磨處理，在550℃溫度下進行還原2h，再在NH3/H2=3/4 氣氛下作3h 氮化處理，可得到較高生成量的氮化鐵磁粉γ?-Fe4N。
高家誠等[39]將轉爐塵泥通過球磨，重力沉降分選手段得到的含鐵量90%鐵粉末進行脫硫、改性、還原等處理，獲得高質量的還原鐵粉，基本上能滿足粉末冶金使用的要求。
3.3.2 改性水玻璃
李祥興[40]利用轉爐塵泥顆粒高度的表面效應和潛在水化活性，采用水力漂洗處理分離粗顆粒組分后，將其過濾脫水濃縮成含水量在40%～50%懸濁液漿，按水玻璃漿液與塵泥100：70～100 混合，改性后的水玻璃膠凝能力沒有明顯下降，耐高溫性能得到很大提高。
3.3.3 制備脫硫劑
張小敏等[41]利用煉鋼塵泥的懸浮液進行脫硫實驗，并與石灰石脫硫效果進行了對比。結果表明，煉鋼塵泥的懸浮液是一種性能較好的鐵系列脫硫劑，可以作為常用脫硫劑的替代品。
3.3.4 從轉爐塵泥中分選鐵
傅平豐等[42]進行了馬鋼煉鋼污泥綜合回收與氧化鐵紅制備的試驗研究。經過對磨礦細度、磁場強度、上升水流量等工藝參數(shù)尋優(yōu)試驗后，確定采用二段磨礦、二段磁選的流程回收鐵。
羅立群等[43]對轉爐塵泥進行磁選，磁選粗精礦再磨再選以及搖床分選等實驗，結果表明：轉爐塵泥經過適當細磨后，經磁選再磨，然后搖床分選，鐵元素可以得到有效分離，提高轉爐塵泥綜合回收利用價值。
3.3.5 生產海綿鐵
王莉馨與董宏[44]用煤粉、氧化鐵皮與轉爐煙塵生產海綿鐵，研究得出以下結論：用煤粉還原氧化鐵皮、轉爐煙塵生產海綿鐵含鐵量高，雜志含量低且成分穩(wěn)定，較之用礦石生產的海綿鐵不含脈石雜質，可作優(yōu)質廢鋼使用。
3.3.6 制備氧化鐵紅
以轉爐塵泥為原料，鍛燒除碳。然后經酸浸除雜、過濾、燃燒氧化后制得鐵紅，產品符合一級鐵紅的要求；其氧化鐵紅還可用于磁性材料[45]。有許多利用鋼廠除塵灰制備氧化鐵紅的研究，并且取得了一定的成果，攀鋼、武鋼等一些大型鋼鐵公司對除塵灰在鐵系顏料方面的利用有不少研究，尤其是在鐵紅的制備上，不僅技術成熟，而且已有多項專利成果[46]。
3.3.7 轉爐塵泥去除水中重金屬離子
利用鐵及其氧化物的化學特性與水中的重金屬發(fā)生一系列的反應，然后在一定的pH 下使重金屬與未溶的塵泥及生成的氫氧化物一起從水中分離出來[47]。
加拿大的S. Kelebek 等[48]以Dofasco 公司的轉爐塵泥為樣，基于XRD、SEM、EDX 等表征手段，采用篩分磨礦，顆粒離析為粗顆粒（+38μm）和細顆粒（-38μm），采用十二烷二亞乙基三胺和煤油代替磺酸鹽作為捕收劑進行浮選，硫酸代替鹽酸浸選，沉降分級等方法，最終得到轉爐塵泥粗粒礦（>38μm）在pH=2 的時候，鋅去除率達到了大約81%，而相應量的鐵損失率只有18%。轉爐塵泥吸附鋅后的顆粒代表組成。酸濾后，轉爐塵泥總體去除鋅和鐵的效果。
韓國延世大學Joo Sung Ahn 等[49]曾研究利用氧氣頂吹轉爐塵泥去除砷，將砷由25mg/L降低到了不到0.5mg/L，效果非常好。
蘭堯中等[50]研究了轉爐污泥作為一種吸附劑對廢水中磷吸附的一般規(guī)律。實驗結果表明，轉爐污泥的投加量、溶液pH 值、接觸時間是影響污泥對磷吸附的主要因素；當投加量為2.0mg/100ml、接觸時間4h、溶液pH 值為4 時，廢水中88%的磷被除去；轉爐污泥對廢水中磷的吸附符合Freundlich 模型。轉爐污泥是一種比較有效的廢水吸附劑。
4. 轉爐煉鋼廢棄物利用存在的問題及展望
（1）傳統(tǒng)的轉爐塵泥回收后主要運用于制造球團，此類方法雖然使煉鋼二次資源——轉爐塵泥得到了利用，但是，難以去除塵泥中有害雜質（K、Na、 Pb、S、Zn 等），容易造成高爐內有害雜質的惡性循環(huán)，降低燒結礦的質量，而且對生產設備使用壽命具有一定影響。
（2）轉爐塵泥的元素組成根據(jù)地區(qū)礦種的不同而具有一定差別，有些地區(qū)的轉爐塵泥含有大量的有用元素，比如Zn 是我國目前很匱乏的資源；Ca，Si，Mg 等元素可用作硅酸鹽類建筑原料，F(xiàn)有的回收方法不能有效利用里面的有用成分，在某種程度上也是一種資源浪費。
（3）轉爐塵泥用作廢水吸附劑是目前新興的一種利用途徑，使用效果好，如果能替代現(xiàn)有吸附劑，則具有良好的環(huán)境和經濟價值。但是吸附后的轉爐塵泥處理回收技術亟待解決。
如無法解離回收再利用，直接填埋，會造成嚴重的二次污染轉爐塵泥是一種發(fā)生量大，組成復雜，元素含量多的二次資源，極具經濟和利用價值。能根據(jù)具體元素組成進行分選，針對各階段礦物組分特點進行分類回收利用，例如含鐵量高的精礦產品可用于生產鐵化工產品，含鐵量較低，且極具吸附性能的產品可用于吸附材料的制備，鐵含量低的尾礦用于燒結造球，最好同時能分離有效成分用于其它領域產品的生產，將對我國綠色鋼鐵行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有很大的經濟和環(huán)境意義。
參考文獻：（略）
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