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。

參考文獻(xiàn)：

[ 1 ] 楊天鈞，黃典兵，孔令壇. 熔融還原[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社，1998（. YANG Tian-jun，HUANG Dian-bing，KONG Lingtan.Smelting Reduction[M]. Beijing：Press of Metallurgical Industry，1998.）

[ 2 ] 劉浩，錢暉. 寶鋼COREX煤壓塊技術(shù)分析[J]. 鋼鐵，2015，50（1）：27.（LIU Hao，QIAN Hui. Analysis on coal briquetting technology for COREX in Baosteel[J]. Iron and Steel，2015，50（1）：27.）

[ 3 ] Gojic M，Kozuh S. Development of reduction processes and smelting reduction processes for the steel production[J]. Kem Ind KUI，2006，55（1）：1．

[ 4 ] Kurunov I F. The direct production of iron and alternatives to the blast furnace in iron metallurgy for the 21st century[J]. Metallurgist，2010，54（5/6）：335.

[ 5 ] Suika D. COREX and FINEX technology process update[C]//The Second Baosteel Biennial Academic Conference. Shanghai：Baosteel Group Co，2006：1.

[ 6 ] Kumar P P，Barman S C，Reddy B M，et al. Raw materials for COREX and their influence on furnace performance[J]. Ironmaking and Steelmaking，2015，36（2）：87 .

[ 7 ] 王海洋，張建良，王廣偉，等. 高爐除塵灰用于COREX氣化爐噴吹的可行性研究[J]. 鋼鐵，2017，52（8）：29.（WANG Hai-yang，ZHANG Jian-liang，WANG Guang-wei，et al. Feasibilityresearch of injection of BF dust into melter gasifier of COREX[J]. Iron and Steel，2017，52（8）：29.）

[ 8 ] ZHANG B，GONG X，WANG Z，et al. Relation between sticking and metallic iron precipitation on the surface of Fe2O3 particles reduced by CO in the fluidized bed[J]. ISIJ International，2011，51（9）：1403.

[ 9 ] ZHANG S R，ZHANG S X. FINEX process at POSCO steel corporation in Korea[J]. Iron and Steel，2009，44（5）：1.

[ 10 ] 宋文剛. 提高COREX-3000 豎爐金屬化率的探討[J]. 煉鐵，2011（5）：60.（SONG Wen-gang. The discussion on improving the metallization rate of COREX shaft furnace[J]. Ironmaking，2011（5）：60.）

[ 11 ] 狄瞻霞，李正一，龍紅明，等. COREX豎爐球團(tuán)粘結(jié)機(jī)理[J].過程工程學(xué)報(bào)，2017，17（2）：181（. DI Zhan-xiao，LI Zhengyi，LONG Hong-ming，et al. The sticking mechanism of pellets in COREX shaft furnace[J].The Chinese Journal of Process Engineering，2017，17（2）：181.）

[ 12 ] 徐少兵，許海法. 熔融還原煉鐵技術(shù)發(fā)展情況和未來的思考[J]. 中國冶金，2016，26（10）：33（. XU Shao-bing，XU Hai-fa.Development of smelting reduction iron making technology and future thinking[J]. China Metallurgy，2016，26（10）：33.）

[ 13 ] 徐輝，林金嘉. COREX煤氣中H2含量的對比分析[J]. 寶鋼技術(shù)，2011（6）：29（. XU Hui，LIN Jin-jia. Comparative Analysis of H₂ Content in COREX gas[J]. Bao-Steel Technology，2011（6）：29.）

[ 14 ] 沈峰滿，姜鑫，高強(qiáng)健，等. 直接還原鐵生產(chǎn)技術(shù)的現(xiàn)狀及展望[J]. 鋼鐵，2017，52（1）：7.（SHEN Feng-man，JIANG Xin，GAO Qiang- jian，et al. Situation and prospect on production technology of direct reduction iron. Iron and Steel，2017，52（1）：7.）