含碳钢铁尘泥生产金属化球团的实验研究

2013-09-02   作者：佚名   网友评论 0 条

摘  要：钢铁工业每年产生大量的可再利用钢铁尘泥。本文使用某钢铁公司的产生的高含碳瓦斯泥，高含铁转炉泥，铁红以及氧化铁皮为原料，利用瓦斯泥中的固体C作为还原剂，模拟转底炉工艺生产金属化球团。根据物料的化学成分，确定物料配比为瓦斯泥：转炉泥：铁红：氧化铁皮 = 50%:25%:12.5%:12.5%。通过实验，确定了金属化球团最佳生产工艺为：在球团表面覆盖煤粉确保弱还原气氛，球团C/O摩尔比为1.2，还原温度为1200℃，还原时间为30min。在此工艺条件下，可以得到金属化率达到96%的金属化球团，含碳球团脱锌率达到98%。

关键词：含碳钢铁尘泥；直接还原；金属化率

1 实验原料及设备

1.1 实验原料

       本研究以C/O摩尔比为1.2进行配料，根据该厂的钢铁尘泥产量以及化学成分，钢铁尘泥物料质量配比定为：瓦斯泥：转炉泥：铁红：氧化铁皮 = 50%:25%:12.5%:12.5%。这样的配比配碳量，物料混合后化学成分如表1.1。

表1.1  混合尘泥的化学成分 （%）

       按照以上比例得到的混合料，混合的含铁品位为48.38%，酸性脉石成分比例较少，二元碱度R（CaO/SiO2）为0.8，混合尘泥含硫0.53%，低磷，含有0.86%的锌。

1.2 实验设备

       实验设备有马弗炉，坩埚，电子天平，电热鼓风干燥箱，照相设备、铂铑热电偶等等。马弗炉采用硅碳棒作为加热材料，采用PID可控硅程序控制升温，坩埚采用刚玉坩埚和石墨坩埚。

2 实验方案

       本实验考察了还原气氛，还原温度对含碳球团直接还原的影响。

（1）不同还原气氛

       实验考察了三种不同气氛的还原效果。一、采用石墨坩埚，球团表面覆盖煤粉，煤粉在球团表面燃烧形成的弱还原气氛；二、采用刚玉坩埚，球团表面不覆盖煤粉的气氛条件，为弱氧化气氛；三、炉内通入惰性气体的保护气氛。

        通过实验比较这三种气氛条件下球团金属化率随时间的变化关系。

（2） 不同温度条件

       通过研究文献资料[1~4]试验温度选择了1100℃、1150℃、1200℃、1250℃四个温度，以考察温度对含碳球团金属化率的影响。

3 实验结果及分析

3.1 气氛条件对金属化率的影响

实验在1150℃恒温条件下进行。实验结果见图1。

 
                 图1  1150℃不同气氛条件下金属化率 (%)

        从实验结果来看，弱还原气氛条件下金属化率最高，惰性气体保护气氛优于弱氧化气氛。1150℃最高金属化率分别达到95.72%、92.35%、90.58%。原因是弱还原气氛条件下，球团表面的CO浓度高于惰性气体气氛和弱氧化气氛，有利于化学反应向右进行，提高金属化率。

FeO + CO ↔Fe + CO2                             （3.1）

        比较还原速率可见，前15分钟，三种气氛条件的还原速率相差不大，但是15分钟之后，弱还原气氛条件下的还原速率比其他两种气氛还原速度快。分析原因，弱还原气氛条件下，球团外围煤粉不完全燃烧产生大量的CO，CO浓度要远远高于惰性气氛和弱氧化气氛。外围的高浓度CO不仅阻止了炉气中氧气的再氧化作用，同时CO、煤粉的燃烧带来了额外的热量补偿，形成了局部高温高CO浓度的还原条件，提高的化学反应速度[5]。

        弱氧化气氛条件下，最高金属化率由于CO2 的再氧化作用，金属化率低于弱还原气氛，随着球团内固体碳的逐渐消耗，30分钟之后金属化率下降。由此考虑，在实际转底炉生产过程中，如果对料层喷吹一定量的煤粉，形成局部弱还原气氛，可减少再氧化现象的发生。

3.2 温度条件对金属化率的影响

       温度是化学平衡和化学反应速率的决定性因素，在含碳球团的还原过程中，温度条件的影响至关重要。本实验中，球团表面覆盖煤粉，不同温度条件下试验实验结果见图2，图3。

       从实验结果来看，提高炉内温度有利于缩短还原时间，提高金属化率。前25分钟，1200℃和1250℃还原速率快而且金属化率高于其他温度组。20分钟，1200℃金属化率达90.58%，1250℃金属化率达95.82%。试验中发现1200℃条件下，含碳球团表面虽然有少量渣相出现，但是球团仍然保持固体形态，金属化率在30分钟可达96.83%；在1250℃条件下试验时，球团在前25分钟仍然以固-固还原为主，金属化率在20分钟就达到95.82%，25分钟之后，随着金属铁的渗碳以及渣相的形成，金属铁与渣相开始软熔塌陷，并且在25分钟之后有金属铁生成，金属铁和渣混合在一起分离效果并不是很好，而且经常发生液态渣相膨胀流出坩埚的现象。

 
                         图2  不同温度条件下金属化率所时间变化关系（%）

图3  不同温度条件下还原20分钟之后金属化率时间变化关系 (%)

       在转底炉实际生产过程中，球团保持固体有利于生产操作，一旦球团熔化生成液态渣和铁，将严重干扰生产实际操作。故而采用1200℃作为最佳温度条件。由试验结果可知，温度1200℃，还原30min，球团金属化率可达96%以上。

3.3 脱锌实验研究

      要实现锌（Zn）与球团分离，只能通过将ZnO还原为Zn，让Zn挥发，再加以收集或再氧化成ZnO收集[6]。
ZnO(s)+CO(g)=Zn(g)+CO2(g)                              (3.2)
ZnO(s)+C(s)=Zn(g)+CO2(g)                                (3.3)
      将C/O摩尔比1.2的含碳球团放入石墨坩埚，球团表面覆盖煤粉弱还原气氛条件下，1200℃进行还原实验，等球团放入1min后，开始计时。试验时间分为5min，10min，15min，20min，25min，30min。实验结果见图4。

 
图4  1200℃弱还原气氛下不同时间脱锌率随时间变化

       实验结果表明，在球团表面覆盖煤粉弱还原气氛条件，1200℃进行还原，含碳球团的脱锌速率快，脱锌率很高，20分钟脱锌率就能能达到91%，30分钟达到98.63%，金属化球团的残余含锌量不足0.01%。

4结论

本实验结果表明：
       (1)本文实验结果表明，在含碳球团表面覆盖煤粉时，球团还原速率和最高金属化率优于弱氧化气氛和惰性气体保护气氛，其中金属化率比弱氧化气氛高4%。弱氧化气氛，球团在还原后期会出现再氧化现象，金属化率下降。在实际转底炉生产过程中，可以对料层喷吹一定量的煤粉，减少再氧化的发生。

       (2)还原温度的升高，含碳球团的金属化率提高，还原度速率加快。因此，适当提高炉内温度有利于缩短还原时间，提高金属化率。前25min，1200℃和1250℃还原速率快而且金属化率高于其他温度组，最高金属化率达到96%。但是温度升高超过1250℃，会出现液态渣相，不利于实践操作。

       (3)金属化球团最佳生产工艺为球团表面覆盖煤粉的弱还原气氛条件，还原温度为1200℃，还原时间为30min，此时可以得到金属化率为96%的金属化球团。在本工艺条件下，脱锌率达到98%。

参考文献

[1]田彦文,翟秀静,刘奎仁.冶金物理化学简明教程[M].北京:化学工业出版社,2007:69.
[2]汪  琦.铁矿含碳球团技术[M].北京:冶金工业出版社,2005:62～65.
[3]R J Fruehan.The rate of iron oxides by carbon.Metallurgical Transactions B,1977,8(3)：279~286.
[4] Kazuya Miyagawa.Development of the Fastmet as a new direct reduction process.Ironmaking Conference Proceedings,ISS,Warrendale,PA，1998,57：877~881.
[5]汪  琦.铁矿含碳球团技术[M].北京:冶金工业出版社,2005:38～39.
[6]黄  炜,谢颂明.锌焙砂还原焙烧工艺的试验研究.有色冶炼,2000,8(29):31～33.