鐵礦氧化球團氣基直接低溫還原粉化行為研究

黃柱成 趙立卓 易凌云 姜 濤

(中南大學資源加工與生物工程學院)

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現節能減排、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構及粉化性能影響顯著的結論。李福民等［6］認為，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論。

本研究以鐵礦氧化球團為對象，探討還原氣氛和溫度對球團低溫粉化行為的影響。

1 試驗原料與試驗方法

1.1 試驗原料

試驗用氧化焙燒球團來自某球團廠，堆密度為1 774 kg/m3，抗壓強度為2 973 N/個，主要化學成分見表1，球團內部顯微結構見圖1。

表1 氧化焙燒球團主要化學成分分析結果 %

圖1 氧化焙燒球團內部顯微結構照片

從表1可以看出:試驗用氧化球團鐵品位為64.24%，FeO含量為0.24%，球團氧化充分;雜質成分以SiO2為主，含少量CaO、MgO、Al2O3。

從圖1可以看出，氧化球團中Fe2O3晶粒發育良好，互聯成整體，因此，強度較高。

1.2 研究方法

1.2.1 試驗氣體的組分

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的質量比大都為0.3～0.5［8-9］。結合還原性氣體體積通常占豎爐總給氣的70%，確定試驗用還原氣氛見表2。

表2 試驗用還原氣組分

1.2.2 試驗裝置

試驗裝置為中南大學設計制造，主要包括計算機控制系統、溫度控制儀、爐體、電子測質量感應器、吊罐反應系統、反應氣體供給系統。吊罐內部有網狀裝料器，氣流可以均勻通過。見圖2。

圖2 試驗裝置

1.2.3 試驗方法

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

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

2 結果與討論

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物抗壓強度的影響

還原溫度和還原氣體組分對還原產物抗壓強度的影響見圖4。

圖4 還原溫度和還原氣氛對還原后球團抗壓強度的影響

從圖4可以看出:還原溫度從450℃提高到550℃，還原球團的抗壓強度下降，當還原溫度進一步提高到600℃時，還原球團的抗壓強度迅速上升; H2與H2+CO體積比升高，還原球團抗壓強度上升。

結合圖3和圖4可知，較低的抗壓強度對應較高的RDI－0.5，即還原粉化率高時抗壓強度低。

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粉化率的影響主要體現在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的還原速率加快，赤鐵礦被還原后晶型發生轉變，導致球團內膨脹應力增大，導致球團內部出現裂紋，還原反應的不斷進行使裂紋不斷向周圍擴展;另一方面，隨著還原溫度的升高，鐵礦球團的可塑性提高，承受體積膨脹應力的能力增強，內部的裂紋被限制在一定程度上，從而使還原粉化程度出現臨界點［10］，在這個臨界點上球團的還原粉化最嚴重，本試驗中550℃對應還原粉化程度的臨界點。

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

550℃時，不同氣氛條件下低溫還原后的球團含碳量及亞鐵、金屬鐵含量見表3，球團顯微結構見圖5。

表3 低溫還原后球團化學成分分析結果

圖5550℃時不同還原氣氛下還原產物邊緣顯微結構照片

從表3可以看出，H2與H2+CO體積比升高，FeO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，氣氛組成對球團還原及其強度將產生明顯的影響。

從圖5可以看出:低溫還原后氧化球團中Fe2O3晶粒發生還原反應，生成Fe3O4、FeO和少量金屬鐵;球團中空隙明顯增加，結構明顯疏松，球團強度顯著下降而產生粉化現象。圖5(a)和圖5(b)表明，球團中還原成FeO和金屬鐵的量較少，產生了大量的空隙和裂紋，使強度變低;圖5(c)和圖5 (d)中雖然產生了大量FeO和金屬鐵，但對結構破壞較少，裂紋不見發展，由于有少許金屬鐵的生成，因而低溫還原粉化現象有所改善。

3 結論

(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，當還原溫度進一步升至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)氧化球團的抗壓強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，還原球團的抗壓強度下降;當還原溫度進一步升至600℃時，還原球團的抗壓強度有所回升。因此，還原氣氛中H2含量的增加有利于還原球團抗壓強度的提高。

(3)顯微結構分析表明:氧化球團中的Fe2O3還原成Fe3O4和FeO，球團的結構變疏松，空隙增加，球團強度變差;還原氣氛中H2體積的增加對球團結構破壞較少。

［1］ Midrex Technologies Inc.2005 World Direct Reduction Statistics［R］.Charlotte:Midrex Technologies Inc，2006.

［2］ HYL Technologies Inc.HYL IIIStatus and Trends［R］.Monterrey:HYL Technologies Inc，2005.

［3］ 趙慶杰，儲滿生，王兆才，等.我國非高爐煉鐵發展新熱潮的淺析［J］.中國廢鋼鐵，2009(4):8-15.

［4］ 程小利.改善低硅燒結礦低溫還原粉化性能的研究［D］.重慶:重慶大學，2009.

［5］ Pimenta H P，Seshadri V.Characterisation of structure of iron ore sinter and its behavior during reduction at low temperatures［J］.Ironmaking and Steelmaking，2002，29(3):169-174.

［6］ 李福民，馬明鑫，李秀兵，等.氫氣對高爐爐料低溫還原粉化的影響［J］.河北理工學院學報，2006，8(3):25-26.

［7］ 劉 振，楊雙平，馮燕波，等.宏陽燒結礦堿度與低溫還原粉化指數關系的研究［J］.鋼鐵研究，2006，6(6):6-8.

［8］ 王兆才，儲滿生，趙慶杰，等.還原氣氛和溫度對氧化球團氣基直接還原反應進程的影響［C］∥第七屆中國鋼鐵年會論文集.北京:中國鋼鐵協會，2009:117-120.

［9］ 方 覺.非高爐煉鐵工藝與理論［M］.北京:冶金工業出版社，2002.

［10］ Wu S L，Liu X Q，Zhou Q，et al.Low temperature reduction degradation characteristics of sinter，pellet and lump ore［J］.Journalof Iron and Steel Research，International，2011，18(8):18-20.

［11］ Sharma T.Swelling of iron ore pelletsunder non-isothermal condition［J］.ISU International，1994，34(12):960-963.

［12］ 王兆才，儲滿生，唐 鈺，等.還原氣氛和脈石成分對氧化球團還原膨脹的影響［J］.東北大學學報:自然科學版.2012，33 (1):95-96.

［13］ 許傳智.燒結礦組成結構與低溫還原粉化的關系［J］.武鋼技術，1984(6):18-19.