郭培民，趙沛，孔令兵，王磊

金屬鐵粉是粉末冶金行業(yè)的基礎原料之一。目前鐵粉的主要生產工藝是采用隧道窯還原純鐵精礦粉得到海綿鐵粉，海綿鐵粉的殘余氧含量約 1%，以 FeO形態(tài)存在；海綿鐵粉需要用氫氣再次還原才能得到質量符合要求的金屬鐵粉。目前冶煉設備有鋼帶爐和推舟爐等。以鋼帶爐為例，將海綿鐵粉放在鋼帶上，鋼帶在驅動力作用下進入加熱馬弗內，氫氣通入馬弗內還原海綿鐵粉，還原后的鐵粉冷卻后經破碎、磁選處理，得到最終金屬鐵粉。未反應完的氫氣在爐頭點火燃燒。馬弗的加熱采用電加熱或燃氣加熱。氫還原爐生產工藝中鋪料厚度一般只有30 mm左右，還原時間1 h左右。這種反應爐型存在的問題是設備產能低，一個還原爐年產量只有5 000 t或1萬t水平。另外還原爐氫氣利用率低，只有10%水平，大量未反應的氫氣再利用比較困難，正常生產中燃燒排放。研究者一直在想辦法改進[1?5]，如加厚料層或提高還原爐內溫度，但效果不佳。有關鋼帶氫還原爐的擴散還原動力學機理研究甚少，但它是鐵粉氫還原的冶煉基礎。筆者研究了超細鐵粉的氫還原制備工藝[6]和氧化鐵氫氣還原過程的動力學[7]，并對氧化鐵還原過程中的氧化鐵還原及還原氣體的氧化關系進行了耦合求解[8]，在此基礎上又研究了移動床的各種工藝參數(shù)對氧化鐵的還原率和煤氣利用率的影響規(guī)律[9]，理論與實際生產數(shù)據吻合。本文研究鐵粉氫還原擴散反應動力學，將微觀反應動力學與宏觀反應器聯(lián)系起來，進而研究料層厚度對鋼帶還原爐的影響規(guī)律，以期找到提高鋼帶氫還原爐的產量及降低氫氣消耗量的措施。

1 動力學模型

隧道窯還原鐵精礦的還原率一般達到98%，得到的海綿鐵粉殘氧含量為 1%左右，殘氧來自海綿鐵粉中尚未徹底還原的FeO。氫還原就是進一步將海綿鐵粉中殘氧含量降低到0.5%以下。在氫還原爐中，F(xiàn)eO與氫氣反應如下：FeO+H2=Fe+H2O。

海綿鐵粉可看作顆粒相近的小球，一層一層地堆積在鋼帶上。因此，氫還原的本質就是氫氣擴散到多層鐵粉中還原鐵粉中殘余的FeO。多層球的還原示意圖如圖1所示，第i層球的進氣濃度為ic0時，對于鐵粉的還原[8]，采用FeO還原及還原氣體氧化相耦合的動力學模型：

圖1 多層球還原示意圖Fig.1 Schematic of multi-layer reduction of iron

離開第i層球進入下一層顆粒的還原氣體濃度為：

下一層球的顆粒還原分數(shù)和氣體利用率再重復用式(1)和(2)計算。式中：k為綜合動力學參數(shù)，m/s; K為平衡常數(shù)；平c為平衡時的氫氣濃度，mol/m3；ρ0為反應前粉體的氧含量，mol/m3；T為還原區(qū)溫度，K；R為氣體常數(shù)；r0為粉體平均半徑，m；H為料層厚度，m；fi為第i層的顆粒還原分數(shù)；ηi為第i層的氫氣氧化率；N為每層的粉體顆粒數(shù)；Δτ為時間間隔，s。Q為氫氣流向鐵粉層擴散的流量，mol/s，可用下式計算：

式中：Deff為氫氣擴散系數(shù)，m2/s；S為擴散區(qū)面積，m2；c0為通入爐內的氫氣濃度，mol/m3。

2 模擬計算結果

2.1 計算條件

本次模擬的鋼帶氫還原爐原型在遼寧朝陽市金河粉末材料公司，鋼帶還原爐的高溫區(qū)長度12 m，寬1.5 m，還原溫度850～900 ℃。氫還原爐用的原料來自該廠隧道窯還原生產的海綿鐵粉，采用化學滴定法測定海綿鐵粉的鐵含量為98.01%，還原率98%，通過氫損測得殘氧含量為0.747%。鐵粉的堆密度2 500 kg/m3；鐵粉平均粒度0.2 mm。

鋼帶氫還原爐主要工藝參數(shù)為：海綿鐵粉鋪料厚度30 mm，高溫區(qū)海綿鐵粉停留時間60 min，海綿鐵粉液氨分解氣體流量 40 Nm3/h(標準狀態(tài)下的氣體流量，下同)。經過氫還原后，產品殘氧量為0.25%，達到粉末冶金對金屬鐵粉的質量要求。

2.2 計算結果分析

在此還原溫度下，平衡常數(shù)K=0.63，動力學速率常數(shù) k=0.003 m/s；Deff=3×10?5m2/s。計算結果見圖 2。整個加熱區(qū)，海綿鐵粉的還原分數(shù)呈現(xiàn)2種狀態(tài)：一種狀態(tài)是海綿鐵粉FeO的還原分數(shù)為1，代表海綿鐵粉中的FeO已被充分還原；另一種狀態(tài)是還原分數(shù)為0，代表綿鐵粉中的FeO沒有被還原。從圖2可見，氫氣先還原料層表面的FeO，然后逐層向鋼帶下方滲透，氫氣能夠滲透到的地方，海綿鐵粉中的FeO都被完全還原。

圖2 海綿鐵的還原分數(shù)分布Fig.2 Distribution of reducing fraction in reduction furnace

圖3 所示為還原1 h后料層不同深度處的FeO還原分數(shù)。從圖3可見，氫氣穿透料層深度約為25 mm，與鋼帶底部接觸的 5 mm厚度海綿鐵粉層中的殘余FeO幾乎沒有被還原。這表明鋼帶氫還原爐氫氣從上向下穿透能力有限，鋼帶爐不能采取厚料層還原。

圖3 料層不同深度處的FeO還原分數(shù)Fig.3 Distribution of reducing fraction along layer thickness

圖4 所示為鋼帶長度方向不同位置的海綿鐵粉平均還原分數(shù)及殘氧含量。由圖可見，由于海綿鐵粉中殘余FeO的還原分數(shù)沒有達到1，在較低的還原分數(shù)下，向下擴散的氫氣參與FeO+H2=Fe+H2O反應，且因為粒度細，反應迅速達到平衡態(tài)。因此，海綿鐵粉的平均還原分數(shù)取決于還原爐內滲透到下層鐵粉的氫氣流量。鐵粉中平均殘氧含量沿鋼帶長度方向(或隨反應時間變化)幾乎線性增加。

圖4 物料在鋼帶長度方向不同位置的平均還原分數(shù)及殘氧含量Fig.4 Average reducing fraction and remaining oxygen along steel belt running

模擬計算得到氫還原后海綿鐵粉的平均還原分數(shù)為0.64，然后通過原料成分計算出鐵粉的殘氧含量為0.27%，氫氣利用率為9.94%，與2.1節(jié)的實際生產數(shù)據相吻合。

2.3 鋪料厚度的影響

在改變海綿鐵粉的鋪料厚度，保持還原爐的氫氣流量為30 Nm3/h并與物料厚度呈正比(即保持噸鐵粉氣量不變)條件下，計算不同鋪料厚度的還原效果，結果如圖5所示。從圖5可見，隨海綿鐵粉鋪料厚度加大，產品殘氧量升高、還原分數(shù)及氫氣利用率降低。

圖5 不同料層厚度的還原效果Fig.5 Reducing effects of various layer thickness

圖6 所示為20 mm厚度的海綿鐵粉料層，在氫氣流量為20 Nm3/h條件下還原時間對還原效果的影響。由圖可知，如果還原時間縮短為30 min，鐵粉產品最終的平均殘氧量為 0.223%。此時，氫氣利用率達到22.3%，即還原1 t海綿鐵粉，僅需要氫氣15 Nm3。20 mm料層厚度雖然比30 mm厚度少1/3，但處理時間縮短到30 min，比30 mm料層厚度的還原時間縮短50%?？偟膩碚f，20 mm料層與30 mm料層相比，產量反而增加了33.3%。

圖7所示為50 mm厚度的海綿鐵粉料層，氫氣流量設定為30 Nm3/h條件下，還原時間對鐵粉殘氧的影響。從圖7可見，還原3 h后，產品殘氧量為0.23%。1 t產品總耗氫氣量為54 Nm3，明顯高于30 mm料層厚度的氫氣消耗量。同時與30 mm料層比，50 mm厚度的料層還原時的產量下降 44.4%。由此可見，適度降低料層厚度和縮短停留時間可提高氫還原爐的產量。

圖6 20 mm厚度料層還原時間對還原效果影響Fig.6 Effect of reduction time on reducing effects for 20 mm layer thickness

圖7 50 mm厚度料層還原時間對鐵粉殘氧影響Fig.7 Effect of reduction time on remaining oxygen for 50 mm layer thickness

3 結論

1) 采用 FeO還原及還原氣體氧化相耦合的動力學，建立氫還原鐵粉擴散動力學模型。以常規(guī)氫還原爐生產鐵粉為例，平均粒度為0.2 mm的海綿鐵粉，殘余氧含量為0.74%，鋪料厚度為30 mm，加熱時間為 1 h，還原溫度 850～900 ℃，氫氣流量 30 Nm3/(t·h)，實際產品殘余氧含量為 0.25%，計算得到的產品殘余氧含量為0.27%，二者吻合。

2) 鐵粉中殘氧很容易被氫還原，氫還原爐內的氫氣向鐵粉層內部滲透，鐵粉向下逐層被還原。鋪粉厚度為30 mm時，氫氣穿透物料深度約為25 mm，靠近底部的5 mm幾乎沒有被還原。

3) 隨著海綿鐵粉鋪料厚度加大，產品殘氧升高、氫氣利用率變差、產量變低。當料層厚度從30 mm降低到 20 mm，還原時間可縮短 50%，產量反而提高33%，氫氣用量降低50%。

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