不锈钢厂烟尘的理化特性及其中含铬物相形成

摘要

不锈钢冶炼通常会产生大量烟尘,这些烟尘中含有可浸出的有毒物质如六价铬,由于含六价铬的化合物在水中具有很高的溶解度,且是一种致癌物质,不仅会严重危害人类健康,造成环境污染,还可能破坏生态平衡。同时,不锈钢厂烟尘中还含有铁、铬、镍等有价金属,可以回收利用,但无论用何种回收工艺都会消耗大量能源,并产生一定的二次污染。因此,从源头上减少烟尘产生量和其中有害物质含量具有重要意义。不锈钢烟尘中主要物相是含铬尖晶石,通过研究烟尘中的含铬物相的形成机理就能了解烟尘中主要物相的形成过程,从而为减少其产生提供理论指导。
　　 对不锈钢厂烟尘的微观结构、化学成分、粒度分布情况及不同粒度的元素分布情况等特性进行研究,结果表明:不锈钢厂烟尘粒径绝大部分小于5μm,且容易积聚成团。其主要物相是铬铁尖晶石、磁铁矿还含有少量的ZnO。由飞溅的熔渣形成的烟尘颗粒主要分布在30～40μm之间,且Mn、Zn、Ni、Fe、Cr元素都集中在小颗粒上,极易被人体吸入,因此要加强对小颗粒的捕集和控制。
　　 采用热力学计算软件FACT Sage5.2对Cr-Fe-Zn-Mn-Mg-Al-Ca-Ni-O-Cl系热力学平衡和Cr-O2系统平衡进行计算,并研究了氧气量、碱金属、Ca、Zn、HCl及其它金属单质对铬形成的影响。结果表明:Cr-Fe-Zn-Mn-Mg-Al-Ca-Ni-O-Cl体系平衡组分与实验结果比较吻合;在Cr-O2体系中,Cr元素主要以Cr2O3形式稳定存在。在高温区均有少量的CrO3和CrO2生成,并且随着温度的升高,含量不断增加。尾气系统中的氧势越高或者含氧量越多,越容易在高温区生成CrO3;在烟气管道中,易形成各种形式的尖晶石化合物,比如NiFe2O4、MgCr2O4和FeCr2O4等。碱金属元素(K、Na)容易使Cr在氧化性气氛中转变成大量的K2CrO4、Na2CrO4。HCl使Cr在氧化性气氛中转变成少量的CRO2Cl2。要减少六价铬的形成,应该控制原料中碱金属的含量和HCl的生成量,避免石灰等直接卷入炉气形成烟尘,减少尾气管中O2含量。
　　 采用HJ/T299-2007、TCLP和分步提取法对不锈钢烟尘中重金属的浸出行为和化学形态进行研究,结果表明不锈钢烟尘中可浸出的重金属至少有一种超过了国家标准。铅是分布提取法最容易提取的元素;铬主要存在于残渣态,且尖晶石中铬主要以三价铬形式存在。锌从七步法中的第五步开始浸出,且主要以残渣态形式存在。
　　 对不锈钢烟尘表面元素分布规律的研究表明EAFD表面存在SiO2、CrO3、Cr2O3、FeCl3、FeF2、Fe2O3、Fe3O4、FeO、CaCl2、ZnO、ZnF2、NaCl、CaF2,也可能存在金属Zn。热力学平衡计算也证实了部分上述物质的存在。AODD表面存在物质为CrO2、CrO3、Fe3O4、ZnO、SiO2、Cr2O3,且Zn和Cr也可能存在于烟尘表面。通过深度扫描发现,烟尘表面既有三价铬又有六价铬,且随着Ar+溅射时问的延长,三价铬含量逐渐上升,六价铬逐渐下降,在140s时烟尘表面全部变为三价铬。六价铬多存在于烟尘表面,且多以CrO3形式存在,表明不锈钢烟尘中的六价铬可能是在尾气管中形成。