黃柱成 趙立卓 易凌云 姜 濤

(中南大學(xué)資源加工與生物工程學(xué)院)

非高爐煉鐵是鋼鐵冶金新流程的前沿課題。以煤制氣為還原氣的豎爐直接還原煉鐵新工藝是天然氣和焦煤資源不足的中國實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、低碳高效煉鐵的重要途徑［1-3］。低溫還原粉化是影響豎爐直接還原順行的重要原因，其主要影響因素有原料的種類、化學(xué)組成、堿度及還原制度等［4］。H.P.Pimenta等［5］通過對鐵礦石低溫還原粉化行為的研究，得出低溫還原過程中氣體成分的改變對爐料的顯微結(jié)構(gòu)及粉化性能影響顯著的結(jié)論。李福民等［6］認(rèn)為，還原溫度是影響粉化行為的主要因素;在相同還原溫度下，爐料的低溫還原粉化率隨煤氣中H2含量的增加而增加。劉振等［7］得出了還原氣體中CO含量的下降和H2含量的上升使還原粉化率明顯下降的結(jié)論。

本研究以鐵礦氧化球團(tuán)為對象，探討還原氣氛和溫度對球團(tuán)低溫粉化行為的影響。

1 試驗(yàn)原料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)用氧化焙燒球團(tuán)來自某球團(tuán)廠，堆密度為1 774 kg/m3，抗壓強(qiáng)度為2 973 N/個，主要化學(xué)成分見表1，球團(tuán)內(nèi)部顯微結(jié)構(gòu)見圖1。

表1 氧化焙燒球團(tuán)主要化學(xué)成分分析結(jié)果 %

圖1 氧化焙燒球團(tuán)內(nèi)部顯微結(jié)構(gòu)照片

從表1可以看出:試驗(yàn)用氧化球團(tuán)鐵品位為64.24%，F(xiàn)eO含量為0.24%，球團(tuán)氧化充分;雜質(zhì)成分以SiO2為主，含少量CaO、MgO、Al2O3。

從圖1可以看出，氧化球團(tuán)中Fe2O3晶粒發(fā)育良好，互聯(lián)成整體，因此，強(qiáng)度較高。

1.2 研究方法

1.2.1 試驗(yàn)氣體的組分

目前廣泛使用的氣基豎爐直接還原工藝MIDREX法和HYL法的還原氣體中H2與H2+CO的體積比分別為0.6和0.7，而幾種主流煤制氣中H2與H2+CO的質(zhì)量比大都為0.3～0.5［8-9］。結(jié)合還原性氣體體積通常占豎爐總給氣的70%，確定試驗(yàn)用還原氣氛見表2。

表2 試驗(yàn)用還原氣組分

1.2.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置為中南大學(xué)設(shè)計制造，主要包括計算機(jī)控制系統(tǒng)、溫度控制儀、爐體、電子測質(zhì)量感應(yīng)器、吊罐反應(yīng)系統(tǒng)、反應(yīng)氣體供給系統(tǒng)。吊罐內(nèi)部有網(wǎng)狀裝料器，氣流可以均勻通過。見圖2。

圖2 試驗(yàn)裝置

1.2.3 試驗(yàn)方法

將550 g粒度為10～12 mm的球團(tuán)樣放入裝料器中，在N2保護(hù)下將爐溫升至試驗(yàn)溫度，恒溫30 min后改通還原氣(流量為0.18 m3/h)進(jìn)行低溫還原粉化試驗(yàn)，60 min后切斷還原氣體，在N2保護(hù)下冷卻至100℃以下卸出還原球團(tuán)，進(jìn)行抗壓強(qiáng)度檢測及顯微結(jié)構(gòu)分析，并進(jìn)行粉化性能檢測。

粉化性能檢測方法:取500 g低溫還原球團(tuán)在IC轉(zhuǎn)鼓中轉(zhuǎn)動300轉(zhuǎn)，+6.3、6.3～3.15、3.15～0.5、－0.5 mm粒級質(zhì)量分別記為m1、m2、m3、m4，還原粉化性能RDI按下式計算:

2 結(jié)果與討論

2.1 還原溫度和還原氣氛對低溫還原粉化和抗壓強(qiáng)度的影響

2.1.1 還原溫度和還原氣氛對低溫還原粉化的影響

還原溫度和還原氣氛對低溫還原粉化的影響見圖3。

圖3 還原溫度和氣氛對低溫還原粉化的影響

從圖3可以看出:

(1)RDI+6.3在各溫度、各還原氣氛下均大于94.5%，RDI+3.15更是高達(dá)96.5%以上，RDI－0.5則均在2.5%以下。

(2)氣基低溫直接還原的溫度從450℃提高到550℃，相同還原氣氛下 RDI+6.3和 RDI+3.15下降、RDI－0.5上升;氣基低溫直接還原的溫度從550℃提高到600℃，相同還原氣氛下RDI+6.3和RDI+3.15上升、RDI－0.5下降。

(3)隨著H2與H2+CO體積比的升高，相同還原溫度下 RDI+6.3和 RDI+3.15上升、RDI－0.5顯著下降。

2.1.2 還原溫度和還原氣氛對還原產(chǎn)物抗壓強(qiáng)度的影響

還原溫度和還原氣體組分對還原產(chǎn)物抗壓強(qiáng)度的影響見圖4。

圖4 還原溫度和還原氣氛對還原后球團(tuán)抗壓強(qiáng)度的影響

從圖4可以看出:還原溫度從450℃提高到550℃，還原球團(tuán)的抗壓強(qiáng)度下降，當(dāng)還原溫度進(jìn)一步提高到600℃時，還原球團(tuán)的抗壓強(qiáng)度迅速上升; H2與H2+CO體積比升高，還原球團(tuán)抗壓強(qiáng)度上升。

結(jié)合圖3和圖4可知，較低的抗壓強(qiáng)度對應(yīng)較高的RDI－0.5，即還原粉化率高時抗壓強(qiáng)度低。

2.2 氣基低溫直接還原粉化行為研究

還原溫度對氧化球團(tuán)粉化率的影響主要體現(xiàn)在2個方面:在特定還原條件下，一方面，隨著還原溫度的升高氧化球團(tuán)的還原速率加快，赤鐵礦被還原后晶型發(fā)生轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致球團(tuán)內(nèi)膨脹應(yīng)力增大，導(dǎo)致球團(tuán)內(nèi)部出現(xiàn)裂紋，還原反應(yīng)的不斷進(jìn)行使裂紋不斷向周圍擴(kuò)展;另一方面，隨著還原溫度的升高，鐵礦球團(tuán)的可塑性提高，承受體積膨脹應(yīng)力的能力增強(qiáng)，內(nèi)部的裂紋被限制在一定程度上，從而使還原粉化程度出現(xiàn)臨界點(diǎn)［10］，在這個臨界點(diǎn)上球團(tuán)的還原粉化最嚴(yán)重，本試驗(yàn)中550℃對應(yīng)還原粉化程度的臨界點(diǎn)。

還原氣氛對氧化球團(tuán)粉化率的影響也主要體現(xiàn)在2個方面:一方面，低溫條件下的碳素析出反應(yīng)(2CO=C+CO2)與還原粉化率有很大關(guān)系，在CO還原過程中，局部會發(fā)生Fe的滲碳反應(yīng)，并擴(kuò)散到鐵與浮氏體界面，生成氣體，在氧化物內(nèi)部產(chǎn)生高氣壓，使周圍鐵膜破裂，極大地破壞球團(tuán)原有的晶體結(jié)構(gòu)［11］;而H2則不然，球團(tuán)還原速率較快，鐵晶粒間接觸面較大，結(jié)合力較強(qiáng)，還原后球團(tuán)晶體結(jié)構(gòu)改變不大，還原粉化率較小;此外，CO還原為放熱反應(yīng)，使球團(tuán)內(nèi)外部存在溫差，破壞了球團(tuán)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)［12］。另一方面，由于球團(tuán)礦受熱應(yīng)力的影響和氣體還原作用，鐵礦表面有 Fe2O3被還原成 Fe和FeO，致使球團(tuán)礦表面空隙加大，這樣勢必會消除球團(tuán)礦的部分內(nèi)應(yīng)力，減少裂紋生成和擴(kuò)大［13］;H2比例增加，還原越充分，F(xiàn)e、FeO生成量增多，其抵抗裂紋的能力就越強(qiáng)。

550℃時，不同氣氛條件下低溫還原后的球團(tuán)含碳量及亞鐵、金屬鐵含量見表3，球團(tuán)顯微結(jié)構(gòu)見圖5。

表3 低溫還原后球團(tuán)化學(xué)成分分析結(jié)果

圖5550℃時不同還原氣氛下還原產(chǎn)物邊緣顯微結(jié)構(gòu)照片

從表3可以看出，H2與H2+CO體積比升高，F(xiàn)eO含量由 11.6%增加至 36.22%，金屬鐵由0.09%增加至2.8%，碳素析出反應(yīng)減弱，C含量由0.16%減少至0.025%。表明在低溫還原過程中，氣氛組成對球團(tuán)還原及其強(qiáng)度將產(chǎn)生明顯的影響。

從圖5可以看出:低溫還原后氧化球團(tuán)中Fe2O3晶粒發(fā)生還原反應(yīng)，生成Fe3O4、FeO和少量金屬鐵;球團(tuán)中空隙明顯增加，結(jié)構(gòu)明顯疏松，球團(tuán)強(qiáng)度顯著下降而產(chǎn)生粉化現(xiàn)象。圖5(a)和圖5(b)表明，球團(tuán)中還原成FeO和金屬鐵的量較少，產(chǎn)生了大量的空隙和裂紋，使強(qiáng)度變低;圖5(c)和圖5 (d)中雖然產(chǎn)生了大量FeO和金屬鐵，但對結(jié)構(gòu)破壞較少，裂紋不見發(fā)展，由于有少許金屬鐵的生成，因而低溫還原粉化現(xiàn)象有所改善。

3 結(jié)論

(1)氣基低溫直接還原溫度從450℃升至550℃，RDI+6.3和RDI+3.15下降、RDI－0.5上升，當(dāng)還原溫度進(jìn)一步升至600℃時，RDI+6.3和RDI+3.15開始回升、RDI－0.5開始下降。H2與H2+CO的體積比升高，RDI+6.3和RDI+3.15上升、RDI－0.5顯著下降。

(2)氧化球團(tuán)的抗壓強(qiáng)度受低溫還原溫度和氣氛的影響明顯。還原溫度從450℃升至550℃時，還原球團(tuán)的抗壓強(qiáng)度下降;當(dāng)還原溫度進(jìn)一步升至600℃時，還原球團(tuán)的抗壓強(qiáng)度有所回升。因此，還原氣氛中H2含量的增加有利于還原球團(tuán)抗壓強(qiáng)度的提高。

(3)顯微結(jié)構(gòu)分析表明:氧化球團(tuán)中的Fe2O3還原成Fe3O4和FeO，球團(tuán)的結(jié)構(gòu)變疏松，空隙增加，球團(tuán)強(qiáng)度變差;還原氣氛中H2體積的增加對球團(tuán)結(jié)構(gòu)破壞較少。

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