陳 建，熊 偉，李國(guó)莉

（文山學(xué)院 化學(xué)與工程學(xué)院，云南 文山 663099）

近年來(lái)，隨著焦炭資源的日益消耗，各種非高爐煉鐵工藝迅速發(fā)展[1]。直接還原法是非高爐煉鐵的主要方法之一，該工藝是鐵礦石在低于熔化溫度下還原成海綿鐵的過(guò)程。直接還原法分為氣基直接還原與煤基直接還原[2]。我國(guó)的煤炭資源豐富，分布廣泛，品種齊全，特別是一些經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)的地區(qū)。煤基直接還原工藝作為一種新的煉鐵途徑，是符合我國(guó)資源特點(diǎn)的非高爐煉鐵工藝[3-5]。目前，在國(guó)內(nèi)煤基直接還原的研究中，主要使用的還原劑有碎焦粉、煙煤、褐煤、結(jié)焦煤、無(wú)煙煤、焦炭、石油焦、冶金焦等[6]。本文主要以無(wú)煙煤為還原劑，研究其粒度對(duì)赤鐵礦煤基直接還原效果的影響，并對(duì)結(jié)果運(yùn)用響應(yīng)曲面法進(jìn)行了優(yōu)化。

響應(yīng)曲面法是一種優(yōu)化工藝條件的有效方法。它通過(guò)計(jì)算機(jī)運(yùn)算，所建立的復(fù)雜多維空間曲面較接近實(shí)際。通過(guò)對(duì)過(guò)程的回歸擬合和響應(yīng)曲面繪制，可驗(yàn)證一個(gè)或多個(gè)響應(yīng)變量與一系列試驗(yàn)變量之間的關(guān)系，確定試驗(yàn)因素及其交互作用在工藝過(guò)程中對(duì)指標(biāo)響應(yīng)值的影響，精確地表述因素和響應(yīng)值之間的關(guān)系[7]。相對(duì)單因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)法和正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)法，響應(yīng)曲面法對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)合理、可以確定實(shí)驗(yàn)結(jié)果的最佳值并且可以把得出的模擬方程與真實(shí)值進(jìn)行擬合[8]。

本文利用響應(yīng)曲面法，在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)還原劑無(wú)煙煤的粒度對(duì)赤鐵礦直接還原效果的影響進(jìn)行了研究，并建立了相應(yīng)預(yù)測(cè)方程，確定了直接還原反應(yīng)的優(yōu)化工藝參數(shù)。

1 單因素實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)所用的鐵礦石為赤鐵精礦，該鐵礦石的鐵品位為56.69%，無(wú)其它可回收的金屬元素。

實(shí)驗(yàn)選用粒度不同的無(wú)煙煤作為還原劑，研究各粒度無(wú)煙煤對(duì)鐵礦石煤基直接還原效果的影響。該無(wú)煙煤含固定碳76.67%、揮發(fā)分6.98%、灰分14.74%。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

將實(shí)驗(yàn)原料赤鐵精礦，不同粒度的無(wú)煙煤混合均勻后裝入坩堝，置于馬弗爐中進(jìn)行加熱。采用內(nèi)配碳直接還原的方法，考察不同粒度無(wú)煙煤對(duì)鐵礦石直接還原的影響。

1.3 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

將實(shí)驗(yàn)原料赤鐵精礦與不同粒度的還原劑無(wú)煙煤按一定比例混合均勻后，置于坩堝內(nèi)，在馬弗爐中進(jìn)行直接還原。進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)，對(duì)還原溫度、還原時(shí)間、配碳量進(jìn)行探索，以得到最佳還原條件。分別研究還原溫度800℃、900℃、1 000℃、1 100℃、1 200℃，還原時(shí)間 0.5 h、1 h、1.5 h、2 h、2.5 h，配碳量10%、15%、20%、25%、30%條件下的還原效果。并探索不同粒度的無(wú)煙煤對(duì)還原效果影響的規(guī)律。

1.4 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在本實(shí)驗(yàn)中，以還原產(chǎn)品的金屬化率作為考察還原效果的主要因素，圖1～圖3為單因素試驗(yàn)結(jié)果，說(shuō)明了不同條件下所得還原產(chǎn)物的還原效果。

在圖1～圖3的單因素實(shí)驗(yàn)中，以不同粒度（-20 目、-100 目、-120 目、-200 目、-320 目、-400目）的無(wú)煙煤作為還原劑，分別對(duì)還原條件：還原溫度、還原時(shí)間、配碳量進(jìn)行了考察，圖1～圖3所示曲線(xiàn)均有較明顯趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在還原溫度1 100 ℃、還原時(shí)間1.5 h、配碳量20%的條件下可得到最佳還原效果。通過(guò)圖1～圖3所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以觀(guān)察到在任何還原條件下，-100 目的無(wú)煙煤達(dá)到的還原效果均優(yōu)于其它粒度的無(wú)煙煤。圖4是在最佳還原條件下，不同粒度的無(wú)煙煤對(duì)還原產(chǎn)品還原效果的影響，可明顯觀(guān)察到-100 目無(wú)煙煤的還原效果最佳，在無(wú)煙煤粒度-100 目、還原溫度1 100 ℃、還原時(shí)間1.5 h、配碳量20%的條件下，可得到金屬化率97.06%的直接還原鐵。而粒度更大和更小的無(wú)煙煤則都會(huì)導(dǎo)致還原效果的降低。

圖1 溫度對(duì)還原產(chǎn)品金屬化率的影響

圖2 還原時(shí)間對(duì)還原產(chǎn)品金屬化率的影響

圖3 配炭量對(duì)還原產(chǎn)品金屬化率的影響

圖4 無(wú)煙煤的粒度對(duì)還原產(chǎn)品金屬化率的影響

2 響應(yīng)曲面法實(shí)驗(yàn)優(yōu)化

2.1 響應(yīng)曲面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

采用響應(yīng)曲面法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)以及數(shù)據(jù)分析，數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。對(duì)表1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，建立以還原產(chǎn)品金屬化率為響應(yīng)值的多元線(xiàn)性回歸模型：

Y1=143.25403-7.99511X1-0.31995X2+2.24981X3-1.49756X4+0.019305X1X2-0.082933X1X3+0.053461X1X4-1.03833E-003X2X3+6.02500E-004X3X4-6.42037E-003X2X4

其中，X1為配碳量；X2為還原溫度；X3為還原時(shí)間；X4為無(wú)煙煤粒度；Y1為響應(yīng)值—金屬化率。

經(jīng)過(guò)擬合計(jì)算，回歸模型的R-Squared值與Adj R-Squared值分別為0.9371與0.9244，說(shuō)明回歸方程與真實(shí)樣本輸出之間的相似程度較高，有大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以用模型加以解釋?zhuān)淇尚哦容^高。

表1 響應(yīng)曲面試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

圖5為還原產(chǎn)品金屬化率的預(yù)測(cè)值與真實(shí)值的關(guān)系。從圖中可以看出：大部分真實(shí)值都落在預(yù)測(cè)值上，少部分的真實(shí)值也是對(duì)稱(chēng)分布在預(yù)測(cè)值兩側(cè)，說(shuō)明模型與實(shí)際結(jié)果擬合較好。

2.2 響應(yīng)曲面實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖6～圖8是無(wú)煙煤粒度分別與還原溫度、還原時(shí)間、配碳量交互作用的響應(yīng)曲面圖。由圖6～圖8可知，無(wú)煙煤粒度與還原溫度、還原時(shí)間的交互作用對(duì)產(chǎn)品金屬化率的變化影響較大，而無(wú)煙煤粒度與配碳量之間的交互作用較不明顯，推測(cè)由于無(wú)煙煤用量與無(wú)煙煤粒度相關(guān)性較緊密，屬于還原劑的兩個(gè)不同屬性，在交互作用時(shí)難以對(duì)還原結(jié)果產(chǎn)生顯著影響?？傮w上無(wú)煙煤的粒度對(duì)金屬化率的影響趨勢(shì)是先上升后下降，在-110 目左右還原產(chǎn)品金屬化率達(dá)到最高。

該趨勢(shì)的產(chǎn)生可以從三個(gè)方面解釋?zhuān)?/p>

（1）接觸面積：隨著無(wú)煙煤粒度減小，煤與鐵礦石的接觸面不斷增大，使其能夠充分接觸，促進(jìn)反應(yīng)進(jìn)行，所以較小的無(wú)煙煤粒度會(huì)使還原效果提高。

（2）煤的活性：無(wú)煙煤粒度越小，其活性越大，反應(yīng)能力越強(qiáng)；但是無(wú)煙煤粒度過(guò)小時(shí)，其活性過(guò)高，會(huì)隨著溫度提高與氧氣迅速反應(yīng)，使真正參與還原反應(yīng)的煤量變少，最終導(dǎo)致還原效果的降低。

（3）通透性：過(guò)于細(xì)小的煤粉之間通透性差，會(huì)影響反應(yīng)產(chǎn)生的CO的擴(kuò)散，使還原效果降低。

在選取的各因素范圍內(nèi)，根據(jù)響應(yīng)曲面法回歸模型分析得出無(wú)煙煤的最佳粒度為-115 目；最佳還原條件為：還原溫度1 080 ℃，還原時(shí)間1.5 h，配炭量23%，還原產(chǎn)品的金屬化率預(yù)測(cè)值為98.3164%，與單因素試驗(yàn)結(jié)果基本相符。在此條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得到的還原產(chǎn)品金屬化率為98.60%，與預(yù)測(cè)值很接近，證明響應(yīng)曲面法對(duì)赤鐵礦的直接還原工藝進(jìn)行的回歸分析和參數(shù)優(yōu)化有較高精度。

圖6 溫度和粒度對(duì)金屬化率的響應(yīng)曲面圖

圖7 時(shí)間和粒度對(duì)金屬化率的響應(yīng)曲面圖

圖8 配炭量和粒度對(duì)金屬化率的響應(yīng)曲面圖

3 結(jié)論

（1）本文對(duì)赤鐵礦直接還原過(guò)程中還原劑無(wú)煙煤的粒度對(duì)還原效果影響進(jìn)行了研究，通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)可知-100 目的無(wú)煙煤可在直接還原中得到最佳還原效果，在無(wú)煙煤粒度-100 目、還原溫度1 100 ℃、還原時(shí)間1.5 h、配碳量20%的條件下，可得到金屬化率97.06%的直接還原鐵。

（2）在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了響應(yīng)曲面法優(yōu)化，得到還原產(chǎn)品金屬化率的回歸方程為：

Y1=143.25403-7.99511X1-0.31995X2+2.24981X3-1.49756X4+0.019305X1X2-0.082933X1X3+0.053461X1X4-1.03833E-003X2X3+6.02500E-004X3X4-6.42037E-003X2X4

方差分析結(jié)果表明，回歸模型的R-Squared值與Adj R-Squared值分別為0.9371與0.9244，說(shuō)明回歸方程與真實(shí)樣本輸出之間的相似程度較高，回歸模型有較高可信度。

（3）由響應(yīng)曲面法優(yōu)化得到結(jié)果：在赤鐵礦直接還原中，無(wú)煙煤的最佳粒度為-115 目，最佳還原條件為還原溫度1 080 ℃，還原時(shí)間1.5 h，配炭量23%。在此條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，可得金屬化率為98.60%的還原產(chǎn)品。

（4）由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在直接還原過(guò)程中，還原劑無(wú)煙煤的粒度過(guò)大與過(guò)小，均會(huì)對(duì)還原效果產(chǎn)生不利的影響。保持還原劑的粒度在合適的區(qū)間內(nèi)，可有效提高直接還原的效果。該結(jié)論對(duì)今后直接還原相關(guān)研究的開(kāi)展可起到一定借鑒作用。