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. 安徽工業大學冶金工程學院，安徽馬鞍山243002；

2. 冶金減排與資源綜合利用教育部重點實驗室（安徽工業大學），安徽馬鞍山243002；

3. 北京科技大學國家材料服役安全科學中心，北京100083）

摘要：球團金屬化率是COREX還原過程的重要指標，球團顯氣孔率直接影響球團在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還原后金屬化率和顯氣孔率的影響規律，并針對COREX豎爐爐料黏結現象，在球團表面涂覆固體制劑，對還原后涂層球團金屬化率和顯氣孔率進行了分析。研究結果表明，當溫度為800～950 ℃時，隨著溫度上升，金屬化率增大，同時球團顯氣孔率提高；還原氣體中H₂增加時，球團金屬化率和顯氣孔率也會提高，H₂體積分數每增加5%，還原后球團金屬化率增加2.6%。在850 ℃時，輕燒白云石與塑料比值為1∶1時的涂層球團還原后顯氣孔率和金屬化率分別為53.8%和60.2%。

關鍵詞：COREX；涂層；金屬化率；顯氣孔率

COREX煉鐵工藝是最早實現工業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^[3]。該工藝不需要配套建設燒結廠，縮短了煉鐵流程^[4]，同時避免了燒結工序對環境的污染，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。韓國浦項生產實踐表明，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800 kg^[8-9]。宋文剛^[10]對提高COREX-3000 爐料金屬化率進行了研究，表明豎爐球團金屬化率是保證爐況持續穩定的重要參數，還原氣體溫度對豎爐球團金屬化率有一定的影響。狄瞻霞^[11]等研究了COREX豎爐球團黏結狀況，發現隨著H₂在還原氣體中比例提高，球團金屬化率及黏結情況均改善。

王兆才^[12]等研究了還原溫度對球團反應速率的影響，結果表明，當溫度為850～950 ℃時，還原溫度上升有利于還原反應的進行。徐輝^[13]等通過對COREX煤氣中H₂體積分數的對比分析，表明隨著還原煤氣中H₂和CO體積分數的升高，豎爐內海綿鐵的金屬化率會相應提高。Panigrahy S C ^[14]等研究表明，球團的氣孔率影響還原后球團在COREX 豎爐中的還原程度，進一步影響還原后球團質量。

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顯氣孔率和金屬化率的影響，并針對COREX 豎爐爐料黏結現象，在球團表面涂覆涂層材料，對還原后涂層球團金屬化率和顯氣孔率進行了分析，為改善COREX還原工藝提供理論支持。

1 試驗

1. 1 試驗原料及條件

試驗采用某鋼鐵公司提供的氧化球團，球團礦形貌如圖1 所示，粒度為10～16 mm。其化學成分見表1。根據實際豎爐入爐氣體組成，還原氣體流量為0.88 m³/h，保護氣體為高純N₂，流量為0.2 m³/h，荷重為1.4 kg/cm²。

本試驗用涂層材料有分析純制劑Ca（OH）₂ 和MgO，工業制劑白云石、輕燒白云石、輕燒白云石和塑料復合涂層，原料研磨成粉末后使用，成分見表2。

1. 2 試驗步驟

將500 g 的球團樣品裝入特制的石墨坩堝內，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，反應裝置如圖2所示。物料在N₂保護下以6 ℃/min 的升溫速率升到預定溫度，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，還原結束后通氮氣冷卻至室溫，檢測還原后球團顯氣孔率和金屬化率。

2 試驗結果與分析

2. 1 溫度對球團金屬化率和顯氣孔率的影響

將未涂層球團置于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切面的宏觀形貌。由圖3 可以看出，800 ℃時球團半球切面表面光滑且平整，950 ℃時出現明顯的裂紋，說明隨著還原溫度升高，球團半球切面氣孔逐漸增多且氣孔逐漸變大。

還原后球團顯氣孔率和金屬化率隨溫度變化規律如圖4 所示。950 ℃時球團顯氣孔率為63.5%，相比未還原球團顯氣孔率21.2%，升高42.5%，可以看出，還原后球團顯氣孔率隨還原溫度的增加呈現明顯的上升趨勢；在800 ℃時球團金屬化率最低為60.3%，在溫度為950 ℃時球團金屬化率達到最大，為71.8%，可以看出，隨著溫度的升高，球團金屬化率逐漸增大。這是由于隨著溫度的升高，球團內氣孔增多，氣體更易進入球團內部，加快球團內還原反應的進行，球團金屬化率也升高。因此，在保證球團強度滿足要求的條件下，適當升高溫度，有利于球團還原反應的進行。

2. 2 還原氣體對球團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，還原氣體成分對球團顯氣孔率的影響如圖5 所示。當φ(H₂) 為43%時，球團顯氣孔率為67.84%，相比φ(H₂)為23%時增大11.9%。隨著H₂體積分數的增多，球團顯氣孔率有明顯的上升趨勢。850 ℃時，隨著H2體積分數的增多，球團金屬化率逐漸增大，H₂體積分數每增加5%，球團金屬化率平均增加2.6%，H₂體積分數增加到43%時，球團金屬化率為71.5%。可以看出，隨著H₂體積分數的增加，金屬化率也不斷升高。

這是由于在球團還原過程中，H₂ 體積分數增加，球團氣孔增多，使得更多還原氣體通過球團，加速球團還原，促使球團金屬化率增大。同時，球團中Fe₂O₃還原成Fe₃O₄時由于晶格轉變以及浮氏體還原成金屬鐵時而引起的體積膨脹，加速球團還原。因此，在COREX生產過程中，為加快COREX球團還原反應的進行，應該適當提高還原氣體成分中H₂體積分數。

2. 3 涂層對球團金屬化率和顯氣孔率的影響

COREX豎爐中爐料產生的黏結現象造成了豎爐頻繁清爐，嚴重影響了COREX 生產穩定性。通過在球團表面涂覆0.1 mm的固體制劑，抑制球團的黏結。850 ℃下5 種涂層球團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）的涂層屬于工業制劑，Ca（OH）₂、MgO屬于純制劑。

從圖6 可以看出，涂層球團還原后的顯氣孔率和金屬化率相比未涂層球團還原后的顯氣孔率略有降低。工業制劑的涂層球團顯氣孔率比純制劑的涂層球團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 的涂層球團還原后金屬化率與顯氣孔率相比Ca（OH）₂ 作為涂層時分別升高18.1%和13%。綜上所述，工業制劑的涂層效果優于純制劑涂層。這是由于涂層就像一層獨立的殼狀結構，將球團與球團隔開，以高熔點脈石相為主要原料的涂層，阻止球團黏結，但涂覆這種涂層阻礙了氣體交換效率，使得還原后球團金屬化率降低。3 種工業制劑中，輕燒白云石與塑料混合比例為1∶1 的涂層球團還原后，金屬化率和顯氣孔率為3 種工業制劑中最高，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，溫度達到850 ℃前塑料已燃燒殆盡，球團表面的涂層形成了“蜂窩狀”結構，阻礙氣體交換的作用降低，促使更多還原氣體進入球團，加速球團還原，從而涂層球團顯氣孔率增大，金屬化率提高。

3 結論

（1）當溫度為800～950 ℃時，還原溫度升高，球團金屬化率逐漸增大，還原后球團金屬鐵質量分數逐漸增大，同時顯氣孔率有明顯上升趨勢，在950 ℃時球團顯氣孔率和金屬化率均達到最大值，分別為63.5%和71.8%。

（2）在850 ℃時，還原氣體中H₂體積分數增加，球團金屬化率和顯氣孔率均有所增加。H2體積分數每增加5%，球團金屬化率平均增加2.6%。

（3）850 ℃在球團表面涂覆不同固體制劑還原，球團金屬化率比未涂層球團有所降低。輕燒白云石與塑料比值為1∶1 的涂層球團還原后，金屬化率和顯氣孔率在5 種涂層球團中最高，分別為60.2%和53.8%，更適合作球團涂層。

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