藍(lán)榮宗， 王靜松， 韓毅華， 王琳濤， 薛慶國

（北京科技大學(xué)鋼鐵冶金新技術(shù)國家重點實驗室，北京 100083）

高還原勢氣氛下燒結(jié)礦低溫還原粉化試驗研究

藍(lán)榮宗， 王靜松， 韓毅華， 王琳濤， 薛慶國

（北京科技大學(xué)鋼鐵冶金新技術(shù)國家重點實驗室，北京 100083）

在高還原勢氣氛下進(jìn)行燒結(jié)礦的低溫還原粉化試驗，考察RDI+6.3、RDI+3.15和RDI-0.5的變化情況，分析不同還原氣氛對燒結(jié)礦低溫還原粉化的影響規(guī)律，探究燒結(jié)礦在氧氣高爐上部的粉化行為.結(jié)果表明：燒結(jié)礦在氧氣高爐氣氛下的低溫還原粉化率高于在傳統(tǒng)高爐氣氛下的低溫還原粉化率，但其RDI+3.15仍高達(dá)82.7%；隨著還原氣氛中CO和H2含量的提高，燒結(jié)礦的低溫還原粉化率明顯上升.

氧氣高爐；燒結(jié)礦；低溫還原粉化

0 引 言

氧氣高爐是用純氧鼓風(fēng)取代傳統(tǒng)的預(yù)熱空氣鼓風(fēng)操作，并將爐頂煤氣脫除CO2后返回高爐利用的煉鐵新工藝.在全球焦炭資源匱乏和環(huán)境惡化等壓力下，氧氣高爐因具有生產(chǎn)率高、噴煤量大、焦比低、煤氣熱值高等優(yōu)點，而受到煉鐵界的極大關(guān)注，成為近年來國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點[1-3].

人們對傳統(tǒng)高爐條件下含鐵爐料的低溫還原粉化行為已經(jīng)作了深入細(xì)致的研究，有了比較全面客觀的認(rèn)識.但以往的研究多數(shù)著眼于礦石本身的性能，而忽視了還原氣氛對礦石低溫粉化行為的影響.由于氧氣高爐將爐頂煤氣脫除CO2后返回高爐利用，其內(nèi)煤氣的還原勢大幅提高，含鐵爐料在爐身上部低溫區(qū)的粉化行為必然發(fā)生變化，因而有必要對氧氣高爐氣氛下燒結(jié)礦的低溫還原粉化行為進(jìn)行深入研究.

1 實 驗

1.1 實驗原料與設(shè)備

實驗所用原料為國內(nèi)某大型鋼鐵公司提供的燒結(jié)礦，其主要化學(xué)成分見表1.

表1 燒結(jié)礦主要化學(xué)成分 /（wt%）

圖1 還原實驗裝置示意圖

實驗所采用的設(shè)備如圖1所示，包括：還原爐，溫控儀，還原管，還原氣體清洗及混氣系統(tǒng).還原爐的型號為ISO7215，爐身尺寸 φ500×700 mm，發(fā)熱元件為鐵鉻鋁電爐絲，額定功率8 kW，工作電壓0～220 V，最高加熱溫度為1100℃.還原管的尺寸φ75×800 mm，可耐1100℃以上的溫度，控溫儀可精確控制升溫速度為1℃ /min.

1.2 實驗方法

根據(jù)表2中的參數(shù)，進(jìn)行全爐的物料平衡與熱平衡計算，得出的爐頂?shù)钠骄簹獬煞郑ㄈ绫?，不考慮H2O的影響）的近似值即為實驗中的氧氣高爐氣氛（40%CO+32%CO2+10%H2+18%N2）；傳統(tǒng)高爐氣氛采用國標(biāo)規(guī)定的低溫還原氣氛 （20%CO+20%CO2+60%N2）.同時，為了考察還原氣氛中H2和CO含量對鐵礦石低溫還原粉化的影響，分別設(shè)計了表4中第3、4組對比實驗氣氛.其他相關(guān)實驗參數(shù)見表5.

表2 氧氣高爐模擬計算參數(shù)

表3 氧氣高爐各區(qū)域平均煤氣成分（模擬計算結(jié)果）

表4 燒結(jié)礦低溫還原粉化實驗安排

表5 低溫還原粉化性能實驗條件參數(shù)

實驗操作方法如下：把試樣（500±1 g）放到還原管中，將表面鋪平.密封還原管的頂部，將 N2（5 L/min）通入還原管，然后把還原管放入還原爐中，此時的爐內(nèi)溫度不得大于200℃.放入還原管后，開始加熱，升溫速度不得大于10℃/min,當(dāng)試樣溫度接近500℃時，增大N2標(biāo)態(tài)流量到15 L/min.在500℃恒溫30 min，使溫度恒定在500±10℃之間.通入15 L/min的還原氣體，替代N2.連續(xù)還原1 h后，停止通還原氣體，并向還原管中通入N2（5 L/min）,然后將還原管提出爐外進(jìn)行冷卻，將試樣冷卻到100℃以下.從還原管中倒出試樣，測定其質(zhì)量為m0.然后把試樣裝入轉(zhuǎn)鼓里，固定密封蓋，以（30±1）r/min的轉(zhuǎn)速共轉(zhuǎn)10 min.從轉(zhuǎn)鼓中取出所有試樣，進(jìn)行篩分，測定并記錄留在6.30 mm、3.15 mm、0.50 mm各粒級篩上的試樣質(zhì)量.

2 實驗結(jié)果與分析

文獻(xiàn)[4-5]指出，赤鐵礦的還原是造成鐵礦石低溫還原粉化的基本原因，赤鐵礦在500℃左右還原成磁鐵礦時，體積約增大25%，這將形成很大的內(nèi)應(yīng)力，如果周圍區(qū)域的其他物質(zhì)無法承受該應(yīng)力，則會使該區(qū)域產(chǎn)生裂紋以釋放應(yīng)力.然而礦石粉化是赤鐵礦還原和裂紋的擴(kuò)展聯(lián)合作用的結(jié)果，粉化產(chǎn)生的機(jī)制如圖2所示.

圖2 燒結(jié)礦低溫還原粉化分布示意圖

2.1 CO對燒結(jié)礦低溫還原粉化率的影響

還原氣氛分別為20%CO+20%CO2+60%N2和40%CO+20%CO2+40%N2時，燒結(jié)礦的低溫還原粉化指標(biāo)見圖3所示，兩種氣氛中CO的濃度分別為40%和20%.從圖中可以看出，CO對燒結(jié)礦的低溫還原粉化影響較大，隨著還原氣氛中CO濃度的提高，燒結(jié)礦的低溫還原粉化率明顯上升.CO濃度為40%時燒結(jié)礦的低溫還原粉化指數(shù)RDI+3.15（83.2%）和RDI+6.3（64.5%）分別低于傳統(tǒng)高爐氣氛下燒結(jié)礦的低溫還原粉化指數(shù) RDI+3.15（92.6%）和 RDI+6.3（81.6%）.

圖3 CO對燒結(jié)礦低溫還原粉化率的影響

文獻(xiàn)[4-5]指出，鐵礦石發(fā)生低溫還原粉化的基本原因是赤鐵礦的還原，而隨著CO濃度的提高，氣氛的還原勢也提高[6]，必然促進(jìn)礦石表面和空隙表面區(qū)域赤鐵礦的初始還原，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，形成更多的初始裂紋，并經(jīng)過裂紋的擴(kuò)展，又進(jìn)一步促進(jìn)新生裂紋表面赤鐵礦的還原，從而使燒結(jié)礦的粉化程度加深.另外，在500℃左右時發(fā)生反應(yīng)2CO=CO2+C，隨著CO濃度的提高，該反應(yīng)的吉布斯自由能降低，促進(jìn)反應(yīng)正向進(jìn)行.析出的極細(xì)的煙黑，沉積在燒結(jié)礦的裂紋中，由于煙黑非常細(xì)，表面能很高，很容易聚集成較大的晶粒，在晶粒長大過程中，使燒結(jié)礦的裂紋擴(kuò)展，這也是造成燒結(jié)礦低溫還原粉化加重的原因之一.

2.2 H2對燒結(jié)礦低溫還原粉化率的影響

圖4 H2對燒結(jié)礦低溫還原粉化率的影響

圖4為燒結(jié)礦在20%CO+20%CO2+60%N2和20%CO+20%CO2+10%H2+50%N2兩種氣氛下的低溫還原粉化指數(shù)對比圖.從圖4中可以看出，在通入10%H2的情況下，燒結(jié)礦的低溫還原粉化程度明顯加深；燒結(jié)礦的低溫還原粉化指數(shù)RDI+3.15由不通H2氣氛下的92.6%降低到通10%H2氣氛時的82.7%.

H2對燒結(jié)礦低溫還原粉化的影響是多方面的：首先，H2可以提高還原氣氛的還原勢，促進(jìn)赤鐵礦的初始還原，形成更多的細(xì)小裂紋.其次，H2分子小，具有很好的擴(kuò)散性和穿透性[7]，這不僅可以促進(jìn)礦石表面、原始裂紋表面和次生裂紋表面區(qū)域赤鐵礦的初始還原，還可以通過擴(kuò)散與礦石內(nèi)部的赤鐵礦反應(yīng)，促進(jìn)其還原，并產(chǎn)生內(nèi)部裂紋，促進(jìn)礦石的低溫還原粉化加劇.另外，從前文的敘述可知：赤鐵礦還原成磁鐵礦時，將形成很大應(yīng)力，但是否會產(chǎn)生裂紋進(jìn)而粉化還與周圍物質(zhì)的強(qiáng)度和斷裂韌性有關(guān)，如果周圍物質(zhì)的斷裂韌性和強(qiáng)度都很好，并可以承受所產(chǎn)生的應(yīng)力則礦石不會產(chǎn)生裂紋.高堿度燒結(jié)礦中的主要成分是鐵酸鈣（SFCA）、原生赤鐵礦和磁鐵礦，而SFCA可以看作是一種粘結(jié)相，在低溫下不容易被還原且具有很好的強(qiáng)度和斷裂韌性，可以降低燒結(jié)礦的低溫還原粉化率.但是，當(dāng)還原氣氛中有H2存在時，則SFCA很容易被H2還原并造成其斷裂性能值的下降，導(dǎo)致燒結(jié)礦的低溫還原粉化率上升.

2.3 氧氣高爐氣氛對燒結(jié)礦低溫還原粉化的影響

圖5 不同高爐氣氛對燒結(jié)礦低溫還原粉化的影響

如圖5所示，分別為氧氣高爐氣氛和傳統(tǒng)高爐氣氛下燒結(jié)礦的低溫還原粉化指標(biāo).從圖5中可以看出，氧氣高爐氣氛下燒結(jié)礦的低溫還原粉化性指標(biāo)RDI+3.15（82.7%）和 RDI+6.3（61.4%）分別低于傳統(tǒng)高爐氣氛下燒結(jié)礦的低溫還原粉化指標(biāo)RDI+3.15（92.6%）和 RDI+6.3（81.6%），其中兩者的 RDI+6.3相差 21.3%；而氧氣高爐氣氛下燒結(jié)礦的RDI-0.5（3.7%）幾乎是傳統(tǒng)高爐氣氛下燒結(jié)礦的RDI-0.5（1.9%）的兩倍.說明燒結(jié)礦在氧氣高爐氣氛下的低溫還原粉化程度比在傳統(tǒng)高爐氣氛下的低溫還原粉化程度嚴(yán)重.

氧氣高爐氣氛中，包括40%的CO和10%的H2，所以在該氣氛下燒結(jié)礦的低溫還原粉化必然同時受到CO和H2的影響，其影響機(jī)制如前文所述.由圖3～圖5可知燒結(jié)礦在氧氣高爐氣氛下的RDI+3.15（82.7%）比單獨(dú)加40%CO或10%H2氣氛下的RDI+3.15要低.這是因為：一方面，氧氣高爐氣氛中的還原氣體總濃度（40%CO+10%H2）增加，還原勢提高，可進(jìn)一步促進(jìn)赤鐵礦的初始還原；另一方面，CO和H2對燒結(jié)礦低溫還原粉化的影響可能存在交互作用，加劇燒結(jié)礦的粉化.

3 結(jié) 論

（1）CO對燒結(jié)礦的低溫還原粉化影響較大，隨著還原氣氛中CO濃度的提高燒結(jié)礦的低溫還原粉化率明顯上升.CO濃度為40%時燒結(jié)礦的低溫還原粉化指數(shù) RDI+3.15（83.2%）和 RDI+6.3（64.5%）分別低于傳統(tǒng)高爐氣氛下燒結(jié)礦的低溫還原粉化指數(shù)RDI+3.15（92.6%）和 RDI+6.3（81.6%）.

（2）在通入10%H2的情況下，燒結(jié)礦的低溫還原粉化程度明顯加深；低溫還原粉化指數(shù)RDI+3.15由不通H2氣氛下的92.6%降低到通10%H2氣氛時的82.7%.

（3）燒結(jié)礦在氧氣高爐氣氛下的低溫還原粉化率比傳統(tǒng)高爐氣氛下的低溫還原粉化率高，但其RDI+3.15仍然高達(dá)82.7%.

[1]秦民生,高征鎧,王冠倫，等.高爐全氧鼓風(fēng)操作的研究[J].鋼鐵,1987,22(12):1-7.

[2]Hideyuki Yamaoka,Yasuo Kamei.Experimental study on an oxygen blast furnace process using a small test plant[J].ISIJ International,1992,32(6):709-7l5.

[3]張建良.氧氣高爐的應(yīng)用基礎(chǔ)研究[D].北京:北京科技大學(xué),2000.

[4]C.E.Loo,N.J.Bristow.鐵礦石燒結(jié)礦低溫還原粉化機(jī)理研究[J].燒結(jié)球團(tuán)，1995,20（3）:25-29.

[5]C.E.Loo,N.J.Bristow.鐵礦石燒結(jié)礦低溫還原粉化機(jī)理研究（續(xù)）[J].燒結(jié)球團(tuán)，1995,20(4):23-28.

[6]黃?？?鋼鐵冶金原理第3版[M].北京:冶金工業(yè)出版社，2007:284-288.

[7]Elsayed A.Mousa,Alexander babich,Dieter senk.Effect of nut cokesinter mixture on the blast furnace performance[J].ISIJ International，2011，51(3)：350-358.

On the low temperature reduction degradation of sinter in high reduction potential atmosphere

LAN Rong-zong,WANG Jing-song,HAN Yi-hua,WANG Lin-tao,XUE Qing-guo

（State Key Lab of Advanced Metallurgy,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China）

The low temperature reduction degradation experiments have been carried on in high reduction potential atmosphere.By examined changes of RDI+6.3、RDI+3.15and RDI-0.5,the pulverization behavior of sinter in upper part of the oxygen blast furnace have been explored.The results showed that:the low temperature reduction degradation of sinter was significantly improved in oxygen blast furnace atmosphere,but the RDI+3.15of sinter in oxygen blast furnace atmosphere was measured up to 82.7%which would not affect the production of oxygen blast furnace.With increasing of H2and CO contents in the reducing atmosphere,the low temperature reduction degradation of sinter was significantly improved.

oxygen blast furnace;sinter;low temperature reduction degradation

TF533

A

1674-9669（2012）01-0005-05

2011-11-16

國家科技支撐計劃資助課題（2011BAC01B02）；973計劃（2012CB720401）

藍(lán)榮宗（1986- ），男，碩士研究生，主要從事氧氣高爐煉鐵新技術(shù)研究，E-mail：lanrongzong@163.com.