污泥资源化过程中金属固相还原的物理化学问题

Now, the pile-up of pickling sludge was seriously harmed to the underground water and the ecological environment, and it has became an urgent problem how to scientifically and efficiently use the pickling sludge by recycling in the steel industry. This project presents the processing method of pickling sludge by solid phase reduction, and the raw material of Fe、Cr and Ni alloy particles was obtained for the stainless steel smelting, and the tailings reach discharge standards. The research contents are as follows: the content of metallic elements such as Fe, Cr, Ni in the sludge, existent forms and the valence state of physical and chemical properties. The coordination relation between the chemical energy of elements Fe, Cr, Ni, carburizing and carbon supplement was investigated by using the material flow and energy balance principle. The carbon mass flow during the evolution of reduction was analyzed for determining the energy in the processing of carbon thermal reduction. The effect of the structure and additive on the microcell molten pool was studied by using the co-focal high temperature and high temperature visual instruments, and the law of migration, accumulation and grow up of metal droplet in the microcell was presented. This project aims to solve the physics and chemistry problems in the process of sludge reduction, and provide a scientific basis for using the pickling sludge economically, efficiently and environmentally.

目前，钢厂不锈钢酸洗污泥的长期大量堆放对地下土壤、水源和生态环境造成了严重威胁。如何科学高效地资源化利用酸洗污泥，已成为钢铁工业亟待解决的问题。本项目首次提出了通过将酸洗污泥固相还原，Fe、Cr、Ni富集为合金颗粒，用于不锈钢冶炼的原料，尾渣达到排放标准。主要研究内容包括：污泥中Fe、Cr、Ni等金属元素的含量、存在形态以及价态等物理化学性质；采用物质流与能量平衡原理，研究碳热还原污泥铁、铬、镍的化学能、渗碳与碳供应的协同关系；分析还原演变中碳元素质量流，确定碳热还原过程所需理论量；利用高温共聚焦及高温可视仪器研究还原过程中结构及添加剂对微区熔池形成作用机制；金属液滴在微区熔池迁移、聚集和长大规律。本项目旨在聚焦污泥资源化过程中金属固相还原的物理化学问题，为制定经济、高效和环保的酸洗污泥资源化利用技术及工艺路线提供科学依据。

目前，钢厂不锈钢酸洗污泥的长期大量堆放对地下土壤、水源和生态环境造成了严重威胁。如何科学高效地资源化利用酸洗污泥，已成为钢铁工业亟待解决的问题。本项目首次提出了通过将酸洗污泥固相还原，Fe、Cr、Ni富集为合金颗粒，用于不锈钢冶炼的原料，尾渣达到排放标准。主要研究内容包括：污泥中Fe、Cr、Ni等金属元素的含量、存在形态以及价态等物理化学性质；采用物质流与能量平衡原理，研究碳热还原污泥铁、铬、镍的化学能、渗碳与碳供应的协同关系；分析还原演变中碳元素质量流，确定碳热还原过程所需理论量；利用高温共聚焦及高温可视仪器研究还原过程中结构及添加剂对微区熔池形成作用机制；金属液滴在微区熔池迁移、聚集和长大规律。基于热力学研究了污泥中金属在低温半熔态还原富集下渗碳过程当碳含量在4.3wt%时，铁的熔点为1148℃，所以还原反应的温度要高于此温度，金属铁才能发生液化，进而满足渣金分离的条件。还原渗碳铁滴的聚集长大行为研究在1250℃的球团反应初期，金属颗粒在球团中数量极多，但金属颗粒尺寸很小，金属颗粒在球团中呈现弥散分布。随着时长的增加，在10分钟至20分钟这段时间内，金属颗粒的尺寸增长率达695%，同时金属颗粒的数量也在迅速下降，说明金属颗粒在十分钟内发生了快速的聚集，随着时长的增加，在10分钟至20分钟这段时间内，金属颗粒的尺寸增长率达695%，同时金属颗粒的数量也在迅速下降，说明金属颗粒在十分钟内发生了快速的聚集。污泥中渣相性质对金属颗粒尺寸的影响研究实验四个反应温度（1250℃，1300℃，1350℃，1400℃），对应的液相分数分别为4.48%，6.85%，33.52%，100%。可看出粘度为20Pa·S的样品，球团在反应条件下的液相分数为100%，熔化程度很高，渣相和金属发生明显分离，球团中金属聚集成一个完整的金属颗粒，其尺寸为3.63cm，金属的回收率达到98%。本项目旨在聚焦污泥资源化过程中金属固相还原的物理化学问题，为制定经济、高效和环保的酸洗污泥资源化利用技术及工艺路线提供科学依据。