劉穎1, 李正一1,3, 狄瞻霞1,2, 龍紅明1,2, 春鐵軍1,2, 王平1,2
(1. 安徽工業(yè)大學(xué)冶金工程學(xué)院,安徽馬鞍山243002;
2. 冶金減排與資源綜合利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(安徽工業(yè)大學(xué)),安徽馬鞍山243002;
3. 北京科技大學(xué)國家材料服役安全科學(xué)中心,北京100083)
摘要:球團(tuán)金屬化率是COREX還原過程的重要指標(biāo),球團(tuán)顯氣孔率直接影響球團(tuán)在COREX豎爐中的還原程度。模擬COREX豎爐荷重還原條件,研究了不同還原條件對球團(tuán)還原后金屬化率和顯氣孔率的影響規(guī)律,并針對COREX豎爐爐料黏結(jié)現(xiàn)象,在球團(tuán)表面涂覆固體制劑,對還原后涂層球團(tuán)金屬化率和顯氣孔率進(jìn)行了分析。研究結(jié)果表明,當(dāng)溫度為800~950 ℃時(shí),隨著溫度上升,金屬化率增大,同時(shí)球團(tuán)顯氣孔率提高;還原氣體中H2增加時(shí),球團(tuán)金屬化率和顯氣孔率也會提高,H2體積分?jǐn)?shù)每增加5%,還原后球團(tuán)金屬化率增加2.6%。在850 ℃時(shí),輕燒白云石與塑料比值為1∶1時(shí)的涂層球團(tuán)還原后顯氣孔率和金屬化率分別為53.8%和60.2%。
關(guān)鍵詞:COREX;涂層;金屬化率;顯氣孔率
COREX煉鐵工藝是最早實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的熔融還原煉鐵工藝[1-2],先后在南非、印度、中國等國建廠投產(chǎn)[3]。該工藝不需要配套建設(shè)燒結(jié)廠,縮短了煉鐵流程[4],同時(shí)避免了燒結(jié)工序?qū)Νh(huán)境的污染,減少了污染物的排放[5-7]。
COREX 熔融還原工藝中,影響金屬化率的因素有很多。韓國浦項(xiàng)生產(chǎn)實(shí)踐表明,降低還原溫度、提高還原氣體流速,金屬化率會有所降低,噸鐵煤消耗高達(dá)800 kg[8-9]。宋文剛[10]對提高COREX-3000 爐料金屬化率進(jìn)行了研究,表明豎爐球團(tuán)金屬化率是保證爐況持續(xù)穩(wěn)定的重要參數(shù),還原氣體溫度對豎爐球團(tuán)金屬化率有一定的影響。狄瞻霞[11]等研究了COREX豎爐球團(tuán)黏結(jié)狀況,發(fā)現(xiàn)隨著H2在還原氣體中比例提高,球團(tuán)金屬化率及黏結(jié)情況均改善。
王兆才[12]等研究了還原溫度對球團(tuán)反應(yīng)速率的影響,結(jié)果表明,當(dāng)溫度為850~950 ℃時(shí),還原溫度上升有利于還原反應(yīng)的進(jìn)行。徐輝[13]等通過對COREX煤氣中H2體積分?jǐn)?shù)的對比分析,表明隨著還原煤氣中H2和CO體積分?jǐn)?shù)的升高,豎爐內(nèi)海綿鐵的金屬化率會相應(yīng)提高。Panigrahy S C [14]等研究表明,球團(tuán)的氣孔率影響還原后球團(tuán)在COREX 豎爐中的還原程度,進(jìn)一步影響還原后球團(tuán)質(zhì)量。
本文通過模擬COREX 豎爐荷重還原條件,研究了不同還原溫度和還原氣體成分對球團(tuán)顯氣孔率和金屬化率的影響,并針對COREX 豎爐爐料黏結(jié)現(xiàn)象,在球團(tuán)表面涂覆涂層材料,對還原后涂層球團(tuán)金屬化率和顯氣孔率進(jìn)行了分析,為改善COREX還原工藝提供理論支持。
1 試驗(yàn)
1. 1 試驗(yàn)原料及條件
試驗(yàn)采用某鋼鐵公司提供的氧化球團(tuán),球團(tuán)礦形貌如圖1 所示,粒度為10~16 mm。其化學(xué)成分見表1。根據(jù)實(shí)際豎爐入爐氣體組成,還原氣體流量為0.88 m3/h,保護(hù)氣體為高純N2,流量為0.2 m3/h,荷重為1.4 kg/cm2。
本試驗(yàn)用涂層材料有分析純制劑Ca(OH)2 和MgO,工業(yè)制劑白云石、輕燒白云石、輕燒白云石和塑料復(fù)合涂層,原料研磨成粉末后使用,成分見表2。
1. 2 試驗(yàn)步驟
將500 g 的球團(tuán)樣品裝入特制的石墨坩堝內(nèi),將石墨坩堝放入硅鉬棒荷重還原軟化爐爐管(?90 mm× 1 000 mm)內(nèi),反應(yīng)裝置如圖2所示。物料在N2保護(hù)下以6 ℃/min 的升溫速率升到預(yù)定溫度,保溫30 min 后通入混合還原氣體,在荷重條件下(模擬豎爐中料柱壓力)還原150 min,還原結(jié)束后通氮?dú)饫鋮s至室溫,檢測還原后球團(tuán)顯氣孔率和金屬化率。
2 試驗(yàn)結(jié)果與分析
2. 1 溫度對球團(tuán)金屬化率和顯氣孔率的影響
將未涂層球團(tuán)置于φ(H2)=23%、φ(CO)=68%、φ(CO2)=9% 的還原氣氛下還原,圖3 所示為不同溫度下還原后球團(tuán)切面的宏觀形貌。由圖3 可以看出,800 ℃時(shí)球團(tuán)半球切面表面光滑且平整,950 ℃時(shí)出現(xiàn)明顯的裂紋,說明隨著還原溫度升高,球團(tuán)半球切面氣孔逐漸增多且氣孔逐漸變大。
還原后球團(tuán)顯氣孔率和金屬化率隨溫度變化規(guī)律如圖4 所示。950 ℃時(shí)球團(tuán)顯氣孔率為63.5%,相比未還原球團(tuán)顯氣孔率21.2%,升高42.5%,可以看出,還原后球團(tuán)顯氣孔率隨還原溫度的增加呈現(xiàn)明顯的上升趨勢;在800 ℃時(shí)球團(tuán)金屬化率最低為60.3%,在溫度為950 ℃時(shí)球團(tuán)金屬化率達(dá)到最大,為71.8%,可以看出,隨著溫度的升高,球團(tuán)金屬化率逐漸增大。這是由于隨著溫度的升高,球團(tuán)內(nèi)氣孔增多,氣體更易進(jìn)入球團(tuán)內(nèi)部,加快球團(tuán)內(nèi)還原反應(yīng)的進(jìn)行,球團(tuán)金屬化率也升高。因此,在保證球團(tuán)強(qiáng)度滿足要求的條件下,適當(dāng)升高溫度,有利于球團(tuán)還原反應(yīng)的進(jìn)行。
2. 2 還原氣體對球團(tuán)金屬化率和顯氣孔率的影響
在荷重為1.4 kg/cm2、還原溫度為850 ℃時(shí),還原氣體成分對球團(tuán)顯氣孔率的影響如圖5 所示。當(dāng)φ(H2) 為43%時(shí),球團(tuán)顯氣孔率為67.84%,相比φ(H2)為23%時(shí)增大11.9%。隨著H2體積分?jǐn)?shù)的增多,球團(tuán)顯氣孔率有明顯的上升趨勢。850 ℃時(shí),隨著H2體積分?jǐn)?shù)的增多,球團(tuán)金屬化率逐漸增大,H2體積分?jǐn)?shù)每增加5%,球團(tuán)金屬化率平均增加2.6%,H2體積分?jǐn)?shù)增加到43%時(shí),球團(tuán)金屬化率為71.5%。可以看出,隨著H2體積分?jǐn)?shù)的增加,金屬化率也不斷升高。
這是由于在球團(tuán)還原過程中,H2 體積分?jǐn)?shù)增加,球團(tuán)氣孔增多,使得更多還原氣體通過球團(tuán),加速球團(tuán)還原,促使球團(tuán)金屬化率增大。同時(shí),球團(tuán)中Fe2O3還原成Fe3O4時(shí)由于晶格轉(zhuǎn)變以及浮氏體還原成金屬鐵時(shí)而引起的體積膨脹,加速球團(tuán)還原。因此,在COREX生產(chǎn)過程中,為加快COREX球團(tuán)還原反應(yīng)的進(jìn)行,應(yīng)該適當(dāng)提高還原氣體成分中H2體積分?jǐn)?shù)。
2. 3 涂層對球團(tuán)金屬化率和顯氣孔率的影響
COREX豎爐中爐料產(chǎn)生的黏結(jié)現(xiàn)象造成了豎爐頻繁清爐,嚴(yán)重影響了COREX 生產(chǎn)穩(wěn)定性。通過在球團(tuán)表面涂覆0.1 mm的固體制劑,抑制球團(tuán)的黏結(jié)。850 ℃下5 種涂層球團(tuán)還原后的金屬化率和顯氣孔率如圖6 所示,其中輕燒白云石、白云石、輕燒白云石與塑料(按1∶1 混合)的涂層屬于工業(yè)制劑,Ca(OH)2、MgO屬于純制劑。
從圖6 可以看出,涂層球團(tuán)還原后的顯氣孔率和金屬化率相比未涂層球團(tuán)還原后的顯氣孔率略有降低。工業(yè)制劑的涂層球團(tuán)顯氣孔率比純制劑的涂層球團(tuán)還原后顯氣孔率升高,其中輕燒白云石與塑料混合比例為1∶1 的涂層球團(tuán)還原后金屬化率與顯氣孔率相比Ca(OH)2 作為涂層時(shí)分別升高18.1%和13%。綜上所述,工業(yè)制劑的涂層效果優(yōu)于純制劑涂層。這是由于涂層就像一層獨(dú)立的殼狀結(jié)構(gòu),將球團(tuán)與球團(tuán)隔開,以高熔點(diǎn)脈石相為主要原料的涂層,阻止球團(tuán)黏結(jié),但涂覆這種涂層阻礙了氣體交換效率,使得還原后球團(tuán)金屬化率降低。3 種工業(yè)制劑中,輕燒白云石與塑料混合比例為1∶1 的涂層球團(tuán)還原后,金屬化率和顯氣孔率為3 種工業(yè)制劑中最高,分別為60.2%和53.8%。這是由于輕燒白云石與塑料混合比例為1∶1 的涂層球團(tuán),溫度達(dá)到850 ℃前塑料已燃燒殆盡,球團(tuán)表面的涂層形成了“蜂窩狀”結(jié)構(gòu),阻礙氣體交換的作用降低,促使更多還原氣體進(jìn)入球團(tuán),加速球團(tuán)還原,從而涂層球團(tuán)顯氣孔率增大,金屬化率提高。
3 結(jié)論
(1)當(dāng)溫度為800~950 ℃時(shí),還原溫度升高,球團(tuán)金屬化率逐漸增大,還原后球團(tuán)金屬鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增大,同時(shí)顯氣孔率有明顯上升趨勢,在950 ℃時(shí)球團(tuán)顯氣孔率和金屬化率均達(dá)到最大值,分別為63.5%和71.8%。
(2)在850 ℃時(shí),還原氣體中H2體積分?jǐn)?shù)增加,球團(tuán)金屬化率和顯氣孔率均有所增加。H2體積分?jǐn)?shù)每增加5%,球團(tuán)金屬化率平均增加2.6%。
(3)850 ℃在球團(tuán)表面涂覆不同固體制劑還原,球團(tuán)金屬化率比未涂層球團(tuán)有所降低。輕燒白云石與塑料比值為1∶1 的涂層球團(tuán)還原后,金屬化率和顯氣孔率在5 種涂層球團(tuán)中最高,分別為60.2%和53.8%,更適合作球團(tuán)涂層。
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