徐震，潘玉柱，王彬旭，王靜松，薛慶國

（北京科技大學鋼鐵冶金新技術國家重點實驗室，北京 100083）

摘 要：高爐內軟熔帶區域的透氣性是影響高爐穩定順行的重要因素，并由爐料的軟化融化特性決定。當爐料內部發生軟化融化時，爐料內對氣體的粘性阻力系數及內部慣性阻力系數發生巨大變化，從而導致透氣性變差，內部最大壓差增大。本研究旨在通過預還原實驗及軟化融化實驗，探明混合料的還原度對軟熔帶的透氣性影響。結果表明院在不同軟融階段，同一還原度混合料層的最大壓差明顯不同，當料層溫度進入融化區時，粘性阻力系數突增導致壓差突然上升。由于慣性阻力系數的變化，壓差曲線在達到融化溫度之后還會繼續發生波動。 還原度較低時會出現二次壓差峰值，隨著還原度增加，二次峰值現象減弱。當還原度達到 90%時，二次峰值消失，最大壓差曲線在融化開始溫度后逐步下降。試驗結果對提高軟熔帶透氣性，保證高爐內部穩定順行具有重要的指導意義。

關鍵詞：高爐；軟熔帶；還原度；透氣性

0 引 言

鋼鐵冶金行業一直是工業生產中的排放、耗能大戶，占工業一次能源消耗總量的 16%左右，而高爐煉鐵占整個鋼鐵冶金流程能耗的 70%^[1-5]。隨著溫室效應的加劇與能源供給壓力的增大，鋼鐵冶金行業高能耗與高排放已經成為限制行業發展的重要因素，節能減排迫在眉睫。傳統高爐在經歷近現代的發展之后，無論是能量利用還是污染排放都已接近極限，發展完善突破性的冶金技術才能進一步的節能減排。氧氣高爐技術是近年來出現的最有可能代替傳統高爐的技術，在國內外的多個試驗中相比于傳統高爐優勢明顯，碳消耗降低 20%以上，CO₂ 減排 70%以上^[6，7]。 

此前已有眾多學者對氧氣高爐的操作工藝進行過研究，研究了高爐高富氧煉鐵、富氧鼓風結合PIC^[8-17]、熱還原注氣[18]和冶金爐料利用^[19，20]等多種低碳操作。但是軟熔帶的透氣性作為影響高爐內部壓差保證高爐穩定順行的重要因素卻缺乏研究，軟熔帶透氣性的變化原因也缺乏系統解釋。因此，文中將通過預還原實驗及軟融實驗，研究在氧氣高爐生產煤化工合成氣的新工藝條件下，在不同軟融階段，含鐵爐料的還原度對透氣性的影響，從而為氧氣高爐的應用提供理論指導。

1 實驗部分

1.1 預還原實驗

實驗所用綜合爐料的總質量為 （200±0.1） g，結構為 62%的燒結礦、5%的球團礦和 33%的塊礦，堿度 R=1.33，爐料粒度為 10~12.5 mm。其中，鐵礦石的主要化學成分如表 1 所示。

預還原實驗中袁綜合爐料的還原度分別設定為 60%、70%、80%和 90%，通過靜態還原實驗將綜合爐料還原到預設的還原度，作為后續軟熔實驗的原料。預還原實驗的還原度計算以三價鐵狀態為基準，在不同還原度下，通過公式分別計算靜態還原實驗中綜合爐料的失重量，從而確定預還原實驗的終點袁計算結果如表 2 所示。

綜合爐料預還原實驗的還原條件如表 3 所示。升溫過程中通入 5 L/min 的 N₂ 進行保護， 到達恒溫階段時（900 ℃）改為通入 15 L/min 的還原氣體（30%CO+70%N₂）進行恒溫還原，爐料的失重量到達理論失重量時即停止還原，改通 5 L/min 的 N₂ 進行保護，將爐料冷卻至室溫。

其中，φ（CO）、φ（N₂）分別為 CO 和 N₂ 的體積分數，V_g 為氣體流量，υ_T 為升溫速率。將已稱量好的（200±0.1）g 綜合爐料放入烘干箱，在（105±5 ℃）的條件下干燥 3 h 以上。干燥后沿管壁將爐料裝入 反應管，裝料完成后料面保持平整，可以盡量保證氣體通過料層各處時所受阻力一致，然后將熱電偶插入料層袁在實驗過程中實時測量溫度。通過吊鉤將還原反應管固定懸掛在電子天平正下方，并利用電動升降裝置將反應管中的料層放置在已測定好的還原爐恒溫區內。為確保實驗數據的準確性，需用保溫棉塞緊爐口縫隙，減少還原爐的熱損失。以上準備完成后打開還原爐電源進行實驗，整個升溫過程將按照預設程序進行升溫，在升溫過程中通入的 N₂ 進行保護，流量為 5 L/min，900 ℃之前升溫速率為 10 ℃/min，升溫至 900 ℃時改通的還原氣體（30%CO+70%N₂15 L/min）進行恒溫還原，在爐料的失重達到計算得出的理論失重量時，改通 N₂ 進 行保護，流量為 5 L/min，待爐料冷卻至室溫，用于下一步的軟熔實驗。預還原實驗裝置如圖 1 所示。

1.2 軟融實驗

軟熔實驗的設備為測定鐵礦石熔滴特性的熔滴爐，如圖 2 所示，主要由石墨反應管、控溫柜、電爐、電感位移計及壓差計等設備組成。

進行實驗時，首先將已烘干的 20.0 g 焦炭裝入石墨反應管底部，并用尺子平整料面，接著將經過預還原的粒度為 10~12.5 mm 的球團礦裝入石墨反應管內，保證料層在反應管內的高度為（65±5） mm，用尺子平整料面，再將 20.0 g 焦炭放入石墨反應管內。然后將上節石墨反應管與中節反應管相連，并用長鉗將其裝到熔滴爐內的下節石墨反應管上； 最后在上層焦炭上放好石墨壓塊并插入石墨壓桿，擰緊上蓋，加上 1 kg/cm² 荷重，使位移處于 可測的位置。軟熔實驗過程中全程通入 12 L/min 的 N₂ 進 行保護，直至球團礦熔化滴落，當看到第一滴渣鐵滴落時關閉程序，結束實驗。軟熔實驗中，0~900 ℃ 的升溫速率為 10 ℃/min，900~1 600 ℃的升溫速率為 5 ℃/min。

2 實驗結果及結論

2.1 實驗結果指標意義及數據

軟熔實驗中含鐵爐料的軟熔行為主要由以下 幾個指標評價院軟化開始溫度（T_10%）、軟化終了溫度（T_40%）、軟化區間ΔTB、熔化開始溫度（T_s）、滴落溫度（T_d）、熔化區間（ΔTM）、最大壓差（ΔPmax）和熔滴性能特征值（S），程序軟熔實驗指標由計算機自動 讀取記錄。各個指標的表示符號及意義如表 4所示。球團礦預還原軟熔實驗的實驗結果如表 5所示。

2.2 不同還原階段對透氣性影響分析

綜合含鐵料柱內部的氣體流動所受阻力由內部慣性阻力和粘性阻力組成，氣體受到的阻力越大則料柱透氣性越差， 最大壓差越大。慣性阻力的主要形成原因是院物體相對流體運動時會有帶動周圍流體一起運動的趨勢，從而產生阻力。粘性阻力是指物體相對流體發生運動時，物體表面附面層存在粘性力和速度梯度表現為對物體的阻力。慣性阻力主要與速度梯度有關而粘性阻力主要與接觸面積、粗糙程度、物體粘度等有關。在雷諾數較小時，粘性阻力影響較大，雷諾數較大時內部慣性阻力變大，當慣性阻力增加到一定程度時粘性阻力的變化無法對整體阻力變化產生較大影響，內部慣性阻力成為內部阻力的主要來源。通常情況下，將礦料層的融化階段分為院塊狀帶（900℃~Ts），軟化帶（T_s~T_m），融化帶（T_m~T_d）及滴落帶（T_d 溫度以上）從圖 3 的壓差曲線及收縮率曲線中可以發現院在融化溫度之前，隨著料柱體積的緩慢收縮袁料層內部壓差平穩增加。這是因為隨著料層的收縮，孔隙度逐步減小，氣體在料層內部所受的阻力逐漸增大，導致通過孔隙時所受阻力略微增加，料柱內部最大壓差隨溫度升高而上升。由于體積的收縮以及孔隙度減小近似為一個均勻的過程，所以壓差也是無突變式的平穩上升。

在溫度達到融化溫度即 T_m 時料層進入融化層，直至溫度達到滴落溫度即 T_d。當料層剛進入融 化層階段時，料柱的體積未發生明顯變化，料層內部壓差卻劇烈上升，其上升速率遠遠超過軟化階段，這說明料層的透氣性在融化開始時明顯變差。這是因為液相的出現，氣體與液體的接觸面積遠大于氣體與固體接觸面積，而液相粘度也遠高于固相，料層內部粘性阻力系數劇烈增加，導致氣體所受阻力變大；而慣性阻力系數由于液相增加與流動形成較大速度梯度，慣性阻力系數也相應增加，氣體所受到的綜合阻力迅速增加，料層壓差曲線在液相量最多時達到峰值。其后隨著液相流動，含鐵料層內部液相減少，慣性阻力系數減小，氣體所受阻力減小，料層透氣性改善壓差曲線逐步下降。與還原度較高的綜合爐料相比，還原度較低的綜合爐料的融化溫度較低，這是因為還原度較低的綜合爐料含有較多的 FeO，FeO 含量越高，生成的低熔點化合物量越多。因此，低還原度的綜合爐料軟化開始溫度和融化開始溫度會相對較低，在低熔點液相量最多時壓差曲線達到峰值，隨著液相向下流動壓差曲線逐步下降，當溫度達到剩余物質熔點時，進一步出現新的液相從而使得壓差曲線形成二次峰值。而還原度越高 FeO 含量越少，所受到的低熔點化合物影響越小，壓差曲線二次峰值越不明顯，當還原度達到 90%時，二次峰值徹底消失。 

2.3 不同還原度對透氣性影響分析

與還原度較高的料層相比，還原度較低的料層滴落溫度較低，這是因為低熔點化合物產生量的多少與 FeO 的含量有關，還原度低的爐料中 FeO 含量較高，產生的低熔點化合物較多，熔渣的粘度較小，流動性較好，渣鐵容易分離；隨著還原度升高，爐料中的 FeO 含量逐漸降低，熔化產生的渣量較少，熔渣粘度增加，熔渣流動性變差，渣鐵不易分離。圖 4 為不同還原度未滴落熔渣的 SEM 圖像。從圖中可以看出，還原度 60%和 70%的渣中滯留的金屬鐵聚集成為顆粒，與渣的界限較為明顯；而在還原度 80%和 90%的滴落物中，金屬鐵則是彌散分布在渣中。隨著還原度的提高渣量明顯減少。

隨著料層溫度升高，液相流動性增強，料層內部液相逐漸向下流至焦炭層，液相產生速率小于向下流動的速率，料層內部液相含量進一步減少，孔隙度增加。 內部慣性阻力系數及粘性阻力系數減小，氣體所受阻力減小，料層透氣性改善，壓差曲線迅速下降，說明料層融化階段主要阻力來自融化帶。FeO 含量低， 內部產生的低熔點液相量減少，并且生成的渣相粘度較高、流動性較差渣鐵不易分離，從而延緩了融化與滴落的過程。因此袁爐料的還原度越高，其對應的熔化溫度和滴落溫度越高。而與還原度高的爐料相比，還原度低的含鐵爐料中液相出現的溫度較低且量較大，這就導致了其最大壓差較高，而且出現在溫度較低的位置。還原度對綜合爐料熔滴性能的影響如圖 5 所示。隨著還原度的提高，綜合爐料的熔化開始溫度T_s 逐漸升高，從 1 309 ℃升高到 1 449 ℃；滴落溫度 T_d 略微增加，從 1 450 ℃升高到 1 497 ℃；而融化區間 ΔTM 明顯變窄，由 141 ℃減小到 48 ℃。由于融化帶是料柱內氣體阻力主要來源， 所以當還原度增加，料柱透氣性能改善，熔滴特征值 S /kPa•℃明顯減小，由 722.68 減小到 51.74（詳情見表 5）。

3 結 論

1）料柱不同軟融階段對氣體所造成的阻力差異明顯，氣體在整個軟熔帶所受阻力主要來源于融化區域。料柱內部慣性阻力系數與粘性阻力系數的變化是氣體所受阻力變化的主要原因，軟化區域內部慣性阻力系數與粘性阻力系數共同增加，導致氣體阻力變大。融化區域粘性阻力系數基本不變且對整體氣體阻力影響不大，而內部慣性阻力系數的增大是導致透氣性變差的主要原因。滴落區域內部慣性阻力系數減小，料柱內部氣體阻力減小，透氣性增強。

2）較低還原度的預還原料柱由于含有較多的FeO，導致壓差曲線出現二次峰值，而當還原度增加時二次峰值減弱，當還原度達到 90%，二次峰值完全消失。 

3）隨著還原度的增大，滴落溫度逐漸升高，但融化區域逐漸變薄且向下移動，軟熔帶透氣性明顯加強。