Mechanism Analysis of Ring Formation on Aluminum Phosphate Refractory Bricks During Treatment of Iron-Bearing Waste in a Coal-Fired Rotary Kiln

技术摘要：处理含铁废料过程中煤窑内铝磷酸盐耐火砖结瘤机制分析

问题陈述
由于冶金粉尘和污泥中含有碱金属和氯化物等有害物质，以及铁、锌等有价金属，钢铁行业面临着巨大的环境压力。虽然热处理工艺（特别是回转窑）为回收含锌废料提供了一种可行的方法，但其高效运行经常受到“结瘤”（即在窑衬上形成堆积物）的阻碍。结瘤会导致球团质量下降、生产效率降低以及成本增加。尽管以往的研究已经探讨了使用铁矿石或含油污泥导致的结瘤现象，但冶金粉尘和污泥成分复杂且波动较大，提出了独特的挑战。目前仍缺乏关于在处理这些特定含铁废料时，耐火砖的具体腐蚀机制及随后结瘤过程的详细研究。

研究方法
本研究调查了在焙烧锌铁含粉尘和污泥的过程中，铝磷酸盐耐火砖的腐蚀行为及结瘤机制。

• 材料： 含铁废料样本包括高炉粉尘（BFD）和转炉渣（OGs），样本取自马鞍山钢铁公司，并将两者按 1:1 的质量比进行混合。
• 实验装置： 使用马弗炉进行实验室模拟。将压制成的颗粒和松散粉末混合物放置在矩形铝磷酸盐耐火砖（取自现场回收的砖块）上，并在 1000 °C 至 1250 °C 之间以 50 °C 为增量进行加热，每级加热 80 分钟。
• 分析手段： 研究利用 X 射线荧光光谱（XRF）进行化学成分分析，利用 X 射线衍射（XRD）进行物相鉴定，并利用扫描电子显微镜结合能谱仪（SEM-EDS）观察微观结构和元素分布。
• 热力学建模： 采用 FactSage 8.4 软件计算 CaO-SiO2-FeO-Al2O3 和 CaO-SiO2-FeO-Al2O3-MgO 系的热力学相图，以阐明熔融行为和反应机制。
• 现场验证： 从工业回转窑的特定区域（距离窑头 8 米、22 米和 27 米处）采集结瘤样本，以将实验室发现与实际生产条件进行关联。

主要结果

1. 温度与团聚： 在 1100 °C 以下，耐火砖上的团聚现象可以忽略不计。在 1100 °C 至 1200 °C 之间，开始形成粘附物，其中粉末混合物的团聚程度比颗粒混合物更严重。在 1250 °C 时，混合物完全粘附在砖上，形成一层无法通过机械方式去除的固体腐蚀层。
2. 腐蚀机制：
   • 初始阶段： 在还原过程中，Fe2O3 被还原为 FeO。FeO 在耐火材料表面堆积并与 Al2O3 反应，形成低熔点液相。热力学计算表明，在涉及的二元氧化物中，FeO-Al2O3 体系的熔点最低。
   • 第二阶段： 随着液相的形成，废料中的 CaO 与 Al2O3 反应，SiO2 与 FeO 反应（生成 Fe2SiO4）。这些反应进一步降低了熔渣的熔点，促进了液相向耐火砖内部的渗透。
   • 凝固与结瘤： 初始存在于废料中的 MgO 在后期阶段扩散进入侵蚀层。MgO 与 SiO2 和 CaO 的反应形成了高熔点化合物，即 Ca3MgSi2O8。该反应提高了熔渣的液相线温度。随着 FeO 含量的减少（由于还原为金属铁）以及 MgO 的积累，液态熔渣发生凝固，形成坚硬的腐蚀层和类环状堆积物。
3. 结瘤成分： 工业结瘤样本包含金属铁（MFe）、碳化物（Fe3C）和熔渣相。Fe3C 的存在（由 MFe 碳化形成）显著降低了铁相的熔点，从而增强了结合强度并增加了拆除结瘤的难度。
4. 锌脱除： 锌脱除率随温度升高而增加，在 1100 °C 时超过 75%，在 1200 °C 时超过 90%。然而，高温也会促进结瘤形成。

意义与主张
本文声称阐明了在处理含铁废料背景下，铝磷酸盐耐火砖的具体腐蚀和团聚机制。研究指出，结瘤是一个多阶段过程，始于 FeO 诱导的腐蚀，随后是 CaO 和 SiO2 的加入，最后由于 MgO 的参与和 FeO 的还原导致熔渣凝固。

作者指出，这些发现为优化操作条件提供了实际参考，特别是建议通过控制碱度（CaO/SiO2 比）和混合物成分（尤其是 MgO 和 CaO 含量）可以减少液态熔渣的形成并缓解结瘤现象。该研究旨在通过解决结瘤这一关键操作挑战，促进回转窑在固体废弃物回收中的应用，从而支持通过有效处理废弃物来减轻环境压力的行业目标。