中國鋼研科技集團有限公司資源應用與合金材料事業部

高爐灰含有鋅、鉛、砷等有害元素，簡單地將它傾倒至野外或填埋，這些重金屬元素的浸出會污染環境，而直接將粉塵返回鋼鐵廠內循環使用，鋅在高爐內的富集會縮短爐襯的壽命，影響高爐的正常操作。因此，對含鋅粉塵處理工藝的研究是我國鋼鐵企業發展的重要課題[1-5]。

在日本，火法工藝處理含鋅粉塵應用最為廣泛，代表性的工藝為轉底爐處理工藝，用它處理高爐灰，可以很好地將鋅從高爐灰中分離，中國馬鋼從日本引進了1套處理粉塵用的轉底爐[6-9]。轉底爐在處理高爐灰工藝也存在一些問題，表現在（1）工藝流程長，要包括壓塊（球）、干燥、煤氣發生爐（在鋼廠可以用焦爐煤氣）、轉底爐、高溫除塵、換熱器、布袋除塵、海綿鐵冷卻等；（2）轉底爐工藝粉塵大，雖然通過壓球和干燥處理，但是含碳球團中存在一定量的水，將它突然加入高溫狀態，容易爆裂，實踐表明粉塵量可達30％，處理粉塵，既增加能耗，又惡化順行；（3）高溫換熱器容易堵塞，由于粉塵量大，特別是含鋅、鉛等粉塵很容易粘結在換熱器壁上，影響換熱效率，時間長了，影響工藝順行；（4）產品海綿鐵的質量差，一者是金屬化率低，采用氧化氣氛的轉底爐回收鋅，影響鐵的還原，實踐表明金屬化率在50～70％之間，同時大量脈石與金屬鐵混在一起，嚴格說，此產品不能稱為海綿鐵，而只能作為冷卻劑或普通爐料加在轉爐或高爐內；（5）額外需要燃料，降低處理效益，轉底爐要通過燃燒煤氣將轉底爐爐內溫度提高到1250～1350℃。

回轉窯是另一種處理高爐灰的方法，傳統回轉窯得到鋅粉和精礦粉，精礦粉作為鋼鐵原料可用于燒結或球團工序[10-14]。中國鋼研科技集團有限公司資源應用與合金材料事業部經過多年實踐，開發出用回轉窯處理高爐灰直接得到高品質海綿鐵和優質鋅原料，并成功實現工業化[15]。

1 鋼廠粉塵中鋅、鉛、鐵的分離

1.1鋼廠粉塵中含鋅化合物的分離

（2）金屬鐵與爐渣的分離

在固態還原條件下，還原的金屬鐵粒比較細小，活性高，容易二次氧化，同時還難以分離，造成后續分離困難，需要深度球磨，同時細微鐵粒的二次氧化，使得產品質量差，得不到鐵含量高的海綿鐵，造成鐵的收得率偏低；直接通過高溫熔分，由于渣量大，熔化物理熱高，需要更多的能量，導致噸鐵能耗過高，另一方面，渣量大且存在還原不充分的FeO，使爐襯容易受損。上述兩種分離渣鐵方法不是經濟的。

資源應用與合金材料事業部提出了低溫冶煉渣鐵分離方法，在還原后期，適當提溫促使細小的金屬鐵晶粒長大，這種方式提高了磁選分離渣鐵的效率，也避免了高溫熔分渣鐵所需的大量能量。晶粒長大的核心是促進鐵低溫快速滲碳，降低了金屬鐵的熔點，有利于鐵晶粒在渣中聚集，形成一定粒度的鐵粒。

研究表明，還原溫度控制在1100～1150℃，還原后，將物料溫度適度提高到1200～1250℃水平，再添加形核劑能夠促進金屬鐵的粒度能夠達到0.1mm水平，降低了后序的磁選分離難度并且提高了鐵的收得率。

2 高爐灰生產鋅粉和優質海綿鐵新工藝流程

高爐灰生產鋅粉和優質海綿鐵新工藝流程為：將鋼廠的高爐灰通過上料裝置裝入窯尾，隨著回轉窯自身的傾斜角及轉動，高爐灰從窯尾逐步向窯頭移動，從窯頭過來的高溫氣體逐步降溫完成高

爐灰的干燥及預熱；在窯頭高溫區，通過外加的助燃風來燃燒高爐灰內的碳發熱，將物料的溫度提高到1150℃水平，完成氧化鐵的還原以及鋅、鉛等還原，并產生CO保護氣氛；還原產生的鋅、鉛蒸汽與高溫物料分離，并隨氣流向窯尾移動，隨著氣流的移動，大部分鋅和鉛又被氧化成氧化鋅和氧化鉛，重新成為細微粉塵，并在布袋內回收，還原后的高溫物料直接進行水冷，并經過破碎、磁選工序成為水泥原料和鐵粉，鐵粉再經過壓塊得到海綿鐵。

新工藝具有如下特點：

（1）無需二次燃料

直接燃燒高爐灰內的碳，無需二次燃料；而轉底爐工藝則需要額外燃料加熱。

（2）得到優質海綿鐵

回轉窯窯頭是還原氣氛，可以充分保證鐵的還原，同時通過磁選方式，將鐵與脈石分離，得到優質海綿鐵，這就是目前轉底爐工藝所欠缺的，還原不充分，渣鐵無法分離，實際上得到的僅是半成品。

（3）無需高溫換熱器

回轉窯窯頭燃燒的高溫氣體轉移到窯尾，已將熱量傳遞給物料，而氣體溫度也降至300℃以下，最大程度地利用了熱量，無需高溫換熱器換熱。而離開轉底爐的是高溫含塵氣體，必須換熱，換熱器很容易堵塞。

（4）無需含碳球團處理

新工藝可以直接處理高爐灰，無需先壓球。

（5）工藝順行

新工藝沒有堵塞問題，常規回轉窯容易窯頭結圈，我們經過研究，很好地解決了結圈問題，因此工藝順序。

（6）充分利用高爐灰內的鋅、鉛、鐵、碳等資源，得到優質產品的新工藝

新工藝能夠有效利用高爐灰內的有價金屬和危險重金屬，如鐵、碳、鋅、鉛和脈石，使它們都得到充分分離，得到優質產品，最大程度地發揮高爐灰的經濟價值、降低加工成本。

 

在實踐中解決了回轉窯窯頭結圈問題，并實現了高爐灰直接裝入回轉窯，省去了高爐灰造球或壓球工序；并通過高爐灰水份控制，保證高爐灰少量從窯尾飛出且窯內物料移動順暢。

試驗中典型的高爐灰成分見表1，鋅灰成分見表2；海綿鐵成分見表3。可見，新工藝可很好地將高爐灰中的Zn、Pb等易揮發的物質與鐵、脈石三者分離，Zn、Pb的分離率超過了95％，鐵的收得率超過90％水平。

 

(1) 經濟效益分析

高爐灰中含有大量有價值的Fe、Zn、C等（見表1），高效回收這些有價元素不僅可獲得巨大的經濟效益，還可解決粉塵的環境污染問題。

以年處理5萬噸高爐灰的回轉窯來分析，可年產鋅灰4500噸，海綿鐵1萬噸，水泥原料1.5萬噸。其中鋅灰的產值達到8000×3500/10000＝2800萬元；海綿鐵2400×1=2400萬元；水泥原料30×1.5＝45萬元；合計5245萬元。

全國每年有3500萬噸高爐灰，將其全部利用的產值達到5245×3500/5≈367億元。可見其經濟價值巨大。

(2) 社會效益分析

在我國危險廢物名錄中明確將含鋅、含鉛廢物納入危險廢物。高爐灰內含有大量鋅、鉛等重離子元素，但由于高爐灰由于量大，同時還沒有發生引起人們安全的足夠重視事件，尚未納入危險廢物名錄。

我國是鐵資源、鋅、鉛資源的消耗大戶，很多資源依賴國外進口。而年產3500萬噸的高爐灰中，總鐵量達到840萬噸、總鋅量達到140萬噸、總鉛量達到13萬噸。

可見通過回轉窯綜合利用高爐灰新工藝，可將含鋅、鉛的危險廢物轉成有價產品，造福冶金工業和人類社會。

4 結論

高爐灰含有鋅、鉛等危險離子，直接堆放容易產生危險，高爐灰內還含有鐵、碳等資源。本文介紹了鋼廠粉塵中鋅、鉛、鐵的分離理論和基于此理論開發的用回轉窯綜合處理高爐灰的新技術，新技術可將含鋅、鉛高爐灰轉成富鋅、鉛灰、優質海綿鐵和水泥原料三種產品，同時不使用外來燃料，最大程度地發揮高爐灰的經濟價值、降低加工成本。與企業合作建成了年處理5萬噸高爐灰的新技術生產線，經過2年多的實踐，運行穩定，產品質量得到認可，具有顯著的社會及經濟效益。