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钢铁厂粉尘和残渣中金属回收技术
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炼钢和炼铁生产过程中，产生的固体副产物的再利用已成为钢铁生产厂必须面对的重要课题。这不仅是因为环保要求越来越严，还因为原料和其它自然资源短缺，导致价格大幅度上涨造成产品成本增高。…
炼钢和炼铁生产过程中，产生的固体副产物的再利用已成为钢铁生产厂必须面对的重要课题。这不仅是因为环保要求越来越严，还因为原料和其它自然资源短缺，导致价格大幅度上涨造成产品成本增高。PAULWURTH便是一家利用高炉渣粒化和钢渣处理技术、冷粘结技术、回转炉、多膛炉焙烧和各种类型的直接熔化技术，几乎能处理所有冶金残余物的专业技术公司。各种处理技术具有不同的优势和缺点，因而应用范围也不一样。本文重点介绍台湾DRAGON钢厂所属PAUL WURTH冶金残余物处理工厂的生产情况。
1前言
炼钢残余物基本可以分为三类：1)不锈钢和高合金钢冶炼残余物；2)电炉冶炼碳钢残余物；3)联合钢铁公司产生的残余物。
对于不同的残余物，可用不同的处理方法，以回收残余物中的不同金属。第一类残余物中的贵金属含量虽少，但经济价值很高(如Ni，Cr，Mo)。比较而言，其含铁量价值几乎可以忽略不计。第二类残余物主要由电弧炉废气过滤后的粉尘组成。粉尘中主要含Zn和Fe。虽然Fe、Zn含量不同，但通常情况是Zn的价值高于Fe。所以，粉尘处理的主要目的是回收Zn。
通常情况下，由于回收Zn的价值不高，使回收企业无经济效益。所以，遍及世界各地的第三类残余物，大多数至今仍未处理。
第三类残余物来自联合钢铁企业。因为它们的物理和化学性质差别很大，因此在同一座工厂甚至要采用多种技术完成对它们处理与回收。大多数时候唯一可回收的金属是价值不高、不够支付处理费用的铁。由于废弃物数量大，所以处理需要的投资可能很大。当前，这类残余物中的大多数，进入烧结厂处理，未处理的剩余部分则废弃。
2炼钢残余物的交替处理工艺
从氧化物残余物中回收金属，需要对相关氧化物进行还原(通常用C作还原剂)和熔化，以便将金属分离出来(除Zn外，一般采用电解分离法)。这两个步骤可在同一炉子中完成，也可在两座不同的炉子中分别完成。也就是说，残余物经预还原后可以加入高炉、转炉或电弧炉冶炼。
根据残余物处理法利用炉子的数量不同，可分别将其定名为一步和两步工艺。典型的一步法，是将预还原产品即球团加入高炉；或在一座电炉内，先后完成不锈钢生产过程中粉尘的还原和熔炼。REDSMELT工艺便是将制成球团的残余物在转底炉进行预还原，然后将预还原的残余物加入电炉进行熔化。这是一种典型的两步处理工艺。
选择一步或两步工艺处理残余物，不仅要根据残余物类型，还要考虑经济效益和其它方面的因素。如果残余物中的金属含量很低，则不需预还原，选择一步工艺有利降低总能耗。
假使处理不锈钢厂的残余物，则一步和两步工艺均可选择，但选择两步工艺有预还原过程，可大大减少总能耗，有利降低总转换成本。
处理电弧炉生产C钢产生的粉尘，目前应用最多的工艺仍然是WAELZ KILN。这种方法可回收大部分Zn，但部分残余Zn和Pb以及所有的铁留在炉渣里。然而，如果采用PAUL WUR TH的PRIMUS两步工艺处理电炉炼碳钢粉尘，则可回收所有的Zn、Pb和大部分Fe。如果是处理联合钢铁公司的残余物，最好的办法是将预还原残余物制成球团或压制成块加入高炉炼铁。
3处理残余材料技术
PAUL WUR TH利用专利技术和试验设备对冶金废弃物的应用进行了研究。
目前，公司已完成了预还原和熔炼两个工艺阶段的研究。“预还原”不是简单的“还原”，也就是说在这个阶段的炉子操作温度、炉料在炉内的停留时间和金属的还原度无法完成金属化。例如，含Cr残余物中Cr的还原，只有在很高的温度，即比熔炼炉温度高出许多的情况下，Cr才能还原。对于Fe而言，只有金属化达到或超过90％才能代替Fe。研究证实，较高的预还原度虽然可减少熔炼阶段的能源消耗，但会降低预还原炉的生产率。因此，必须找出一种最优化的生产方案，以保证预还原与熔炼炉之间能实现生产率的相对平衡。
就预还原阶段而言，以下两种技术可一起应用：1)多膛炉(MHF)；2)转底炉(RHF)。多膛炉见图1。将包括残渣、油性铁锈、粉粒(极细可预制成粒)在内的残余混合料与煤炭一起，自炉子顶部加入。通过转臂搅拌后，炉料在从上层炉膛降到下一层炉膛的过程中，被上升的煤气干燥、预热和预还原。
RHF转底炉，同样是基于上升煤气与下降固体炉料之间的逆向流动的原理，以完成炉料预还原：与MHF不同之处是，必须将材料预先磨碎和干燥，完全混合后同时成粒。加入RHF炉子后，被均匀地铺成一薄层，并在单层旋转炉中完成处理。
两种炉子各有优点和不同的应用范围。RHF适合于高温操作(不怕材料粘结，也不需搅
拌材料)，因此可达到较高的金属化度。此外，炉子直径可设计的非常大而使单炉产量达到很高。MHF炉则适合于处理温料、油污材料和含Zn量很高的材料，因而使材料准备工作变得非常简单。此外，MHF炉还具有燃料消耗低的优点。
为此，建议MHF炉用于处理电弧炉冶炼产生的粉尘，RHF炉用于处理联合钢铁企业产生的残余材料，或者处理钢铁联合公司产生的残余材料与铁矿粉的混合料。处理后的产品可制成块，加入高炉炼铁或直接加入专用炉进行熔炼。
表1显示了两种RHF炉子的主要特征数据。就熔炼阶段而言，PAUL WURTH已开发了一种电熔炼器，基本上是一座具有还原特性的炼铁电弧炉(见图2)，不同之处是氧化电弧炉是用于炼钢。因此，还原性电弧炉可将吸入的空气降至最低，并且可对通过喷煤进行的二次增碳作出预测。冶炼时，预还原炉料从电极之间连续地热加入炉内，因为炉子不能倾倒而利用钻孔机和泥泡完成出铁。炉子非作业时，可利用滑动小车快速更换炉壳。将这种还原性的炼铁电弧炉与MHF炉相结合的工艺称为PRIMUS工艺。
4处理残余材料的工艺流程
以下介绍应用不同工艺处理不同残余材料的三座工厂的工艺流程。
4．1 PRIMOREC工厂
工厂位于Differdang，Luxemburg，是第一座PRIMUS工艺处理残余材料的工厂，于2003年投入生产。设计年处理电弧炉粉尘6万t，处理轧钢残渣1．5万t／a。
工厂由一座内部直径为7．7m、8级炉膛的MHF炉和一座内部直径为3．5m、功率为10MW的电弧炉组成。输入1t残余材料，典型情况时可生产生铁0．25t，产生二次粉尘0．35t(主要为含Zn氧化物)，炉渣0．20t；平均消耗煤0．32t，耗电1．05MW。
4．2 RHF残余材料处理厂
工厂位于意大利Piombino。设计处理能力为6万t／a(REDSMELT NST)的预还原阶段其运行已获得极大成功。主要加入材料为，高炉与氧气顶吹转炉的混合粉尘。将这些材料进行适当混合，可以生产自还原球团。这种球团矿含有来自高炉粉尘中的丰富的碳，可完全还原自身的Fe而不需要加入煤。已决定建设一座这样的处理工厂，计划于2010年投产。
为此，将安装某些附加设备以便能处理湿材料和未经初加工的粗糙材料，并生产出稳定的金属化度高的热铁块(HBI)，用于高炉炼铁。实践证明，高炉加入1t HBI可以获得以下经济效益：1)可节约1．1t球团矿；2)可节约250kg焦炭；3)可增加铁水产量0．5t。
4．3台湾DRAGON钢铁公司的PRIMUS工厂
DRAGON钢厂有一座电弧炉正在生产，并且贮存着许多尚未处理的电炉粉尘。此外，一座新的完整的钢铁联合企业正在紧锣密鼓地建设中。为了完成包括高炉、转炉和烧结厂产生的粉尘、残渣等残余物的再循环利用，DRAGON钢厂选择了性能十分灵活、能处理混合残余材料的PRIMUS工艺。这种工艺能适用不同的生产情况：1)每年可处理新产电炉粉尘或贮存的电炉粉尘8500t；2)每年可处理10000t由60％的电炉粉尘和40％的转炉、高炉粉尘组成的混合粉尘。
PAUL WUR TH公司于2006年接到工程订单，2009年2月开始生产，4月第一次出铁。7月成功通过性能测试鉴定。图3为DRAGON钢厂的PRIMUS工艺的简化流程图。
将成块的电炉粉尘、高挥发性煤和未经预处理的残渣一起加入MHF炉进行预还原，然后将预还原材料加入电炉熔炼。为了更好完成对残余材料的处理，将MHF和电炉联接到公共的废气处理装置。这套废气处理装置由以下设备组成：1)后燃烧室；2)熄灭塔；3)氧化物回收过滤器；4)二氧(杂)芑吸收过滤控制器；5)活性炭喷射器；6)风机；7)烟囱。
残余物采用PRIMUS工艺处理后，可以获得生铁、PRIMUS氧化物和惰性炉渣等，可在市场上销售。
2009年7月在工艺性能测试期间，每天处理量达到260t～280t；消耗天然气20Nm3／t～30Nm3／t；Zn去除量超过99％；熔炼炉耗电1100kWh／t；氧化物质量52％-~55％Zn，3％～5％Fe，8％一1 0％Ca。
5结论
钢铁工业产生数量非常巨大、含有对环境十分有害的残余物，且大部分残余物至今仍堆放在土地上。钢铁工业只有将所有残余物进行处理与再利用，实现残余物零排放，才能实现可持续发展。研究指出，采用以直接还原为基础的“热”处理技术，是去除含Zn和其它挥发性残余物的有效方法。同时，引进新一代还原技术，如PAUL WUR TH RHF和PRIMUS工艺不仅使钢铁工业残余物得到完全处理与循环利用，并且使处理残余物成为一种有发展前途的行业。另外，还因残余物处理得到的产品可再循环用于钢铁生产，有利于延长设备使用寿命，实现高产优质从而获得良好的经济效益，以快速回收投资成本。
延伸阅读
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