董方　王南　那树人　王超一

关键词：回转窑；直接还原；金属化率；直接还原铁
中图分类号：TF748.91；TF111.13　　　文献标识码：A
摘　要：研究了实验室转鼓模拟回转窑装置中直接还原铁的生产工艺.讨论了配碳比、反应温度、反应时间等工艺参数对金属化率、脱硫率等回转窑直接还原铁的主要质量指标的影响，提出了本实验原料条件下，回转窑生产直接还原铁的最佳工艺参数.

Experimental investigation on rotary kiln DRI production

DONG Fang　NA Shu-ren
Department of Metallurgical and Chemical Engineering,UIST Baotou,Baotou 014010,China;
WANG Nan
Scientific Research Office,UIST Baotou, Baotou 014010,China;
WANG Chao-yi
Taiyuan Iron and Steel Company,Taiyuan 030000,China)

Key words:rotary kiln;direct reduction;the degree of metallization;DRI
Abstract:DRI production process of simulating tests of rotary in laboratory is studied. Influence of carbon capacity adding, reduction time,reduction temperature on the degree of metallization,sulphur content of rotary kiln DRI is analysed. The best direct reduction process parameter of rotary kiln DRI production in this raw material conditions is proposed.

　　直接还原按使用还原剂的不同，可分为气体还原剂法和固体还原剂法.固体还原剂法主要是回转窑法，气体还原剂法主要是竖炉法(Midrex,Armco等)、罐式法(HYL)、流化床法.气体还原剂法一度曾是直接还原法的主要工艺流程，但由于油气资源的地理分布不均匀，价格昂贵，这种方法仅用于油气资源丰富的地区.煤资源在世界能源分布中占很大比例，许多国家都在大力开发以煤为还原剂的固体还原剂法，这种方法的主导工艺是煤基回转窑直接还原法^〔1〕.
　　回转窑直接还原法除适应了焦煤资源日益匮乏的形势外^〔2〕，还具有以下特点：(1)对原煤有广泛的适应性，在满足燃料的灰分熔点条件下，几乎各种固态还原剂，如：无烟煤、烟煤、褐煤和焦粉都可采用.对于矿石则贫矿、富矿都可用于回转窑生产，这一点对于煤资源丰富、大部分矿石资源为贫矿的中国具有更重要的意义.(2)回转窑直接还原产品(海绵铁、金属化球团)在钢铁生产中主要作为废钢代用品，为电炉炼钢提供优质铁资源，满足电炉生产优质钢材的需要.回转窑直接还原产品海绵铁的粒度均匀，性能稳定，更有利于实现电炉进料操作自动化，缩短冶炼周期^〔3〕.(3)回转窑直接还原工艺与传统的高炉炼铁工艺相比较，其设备简单，投资少，效益明显，适用于地方钢铁工业，弥补了高炉—转炉生产工艺的不足.(4)回转窑工艺还适合于复合矿冶炼，冶金灰尘及各种工业废渣的回收利用，减少环境污染，降低了钢铁生产能耗^〔4〕.这些特点使得回转窑直接还原生产具有迅速发展的可能.目前，回转窑直接还原工艺已成为现代钢铁工业的重要组成部分.
　　本文以大同煤矿煤为还原剂，以峨口铁矿氧化球团为原料，进行了回转窑直接还原的实验研究.

1　实验方法
　　实验是在0.1 kg级模拟回转鼓实验装置上进行的，利用电加热煤粉还原剂燃烧进行还原反应.实验装置简图见图1.

图1　实验室模拟回转鼓装置简图

Fig.1　Schematic diagram of test device

1.转鼓；2.电炉；3.传动装置；4.控温热电偶；5.控温装置和电源；6.测温热电偶

　　实验前先通电升温，并称取实验用氧化球团100 g，待转鼓温度升至800 ℃，恒温时加入氧化球团至转鼓内，按照具体实验的还原剂用量加入煤，同时加入氧化球团质量10%的石灰石，以达到去S目的，石灰石粒度范围为0.25～4.00 mm，升温至还原温度之后恒温到规定时间，转鼓转速为1 r/min，转鼓倾斜度为2%，还原结束后断电，将转鼓取出并使其隔绝空气水冷到室温，从转鼓内取出试样，进行磁选分离直接还原铁.

2　原料的物理化学性质
　　实验研究太原峨口矿氧化球团，其化学成分及性能见表1和表2.

表1　实验用峨口球团矿化学成分(质量分数，%)

Table 1　Chemical composition of Ekou pellets ore

表2　峨口氧化球团性能

Table 2　Properties of Ekou oxidizing

注：抗压强度值为20个氧化球团的平均值.

　　实验用煤是大同烟煤，其粒度范围选择0.45～5.00 mm，软化温度为1 250 ℃，化学成分见表3.

表3　实验用煤工业分析及元素分析(质量分数，%)

Table 3　Chemical composition of coals

3　实验方案及参数选择
　　影响回转窑直接还原铁产品质量的因素很多，但对产品的金属化率η、硫含量影响较大的因素是加入还原剂煤量、还原温度和还原时间^〔5〕.本实验以这3个参数为变量，检测了其对金属化率、硫含量等结果的影响^〔6〕，并根据反应过程及还原剂、矿石性质，进行了探索实验，选择了各参数水平.
3.1　还原煤加入量及粒度选择
　　由表3实验用煤的工业分析计算实际煤固定碳含量，即

式中，w(C,ad)为还原煤固定碳含量；w(H₂O,ad)为还原煤水分含量.
　　全铁全部按Fe₂O₃计算，化学反应为：

Fe₂O₃+3C=3CO+2Fe.

　　由表1知，氧化球团w（Fe，tot）=61.73%，取100g，反应中配碳比即还原煤的过剩系数为a，实际加入还原煤量=（19.84/0.5293）a，实验时选取碳的过剩系数a为1.2,1.5,2.0,2.5,2.8.实验还原煤配比与加入反应煤量的关系见表4.还原煤过剩系数即煤配比的选择主要为保证转鼓内呈还原性气氛,同时,多余的煤可形成保护层以免还原球再氧化.

表4　配碳比与加入反应煤量的关系

Table 4　Relation between carbon surplus rate and coal adding capacity

注：反应煤量单位为克

　　还原煤的粒度主要决定于煤的热稳定性.热稳定不好，煤的粒度选择要大一些，反之，粒度小一些.初步实验结果表明，大同煤矿煤热稳定性比较好，所以粒度选择比较小，本实验中还原煤粒度选择在0.45～5.00 mm，主要由于实验很小，转鼓内料层很薄(据测定只有一个氧化球的直径高)，不易产生炉料的偏析，粒度选择小一些，利于氧化球的还原.
3.2　还原温度的选择
　　温度对于还原反应、传热、球团的表面沾结和球团的相互沾结有很大影响.还原温度的选择应考虑煤的反应性和软熔温度、　球团的还原性和软化温度.实验用煤为烟煤，反应性较好，所以还原温度下限选择低一些，还原温度通常要低于煤灰分的软熔温度100 ℃，决定了温度上限不能太高.根据探索实验结果及球团还原性，把还原温度的零水平定
在1 050 ℃，选取实验温度为950，1 050，1 110，
1 150 ℃.
3.3　还原时间的选择
　　还原时间是模拟炉料在实际回转窑中高温段的停留时间，即原料到达高温段后到成品球出窑时间.还原时间的选取主要依据探索实验，选择合适的范围，通过实验确定出最佳还原时间.
3.4　石灰加入量及粒度参数的确定
　　石灰加入量及粒度的确定参考了探索实验结果，加入质量分数为10%的石灰石，粒度在0.25～4.00 mm范围内，就可以保证脱硫效果.

4　实验结果及分析讨论
4.1　实验结果
　　对还原产物直接还原铁进行成分分析.根据实验结果做出金属化率与还原剂加入量、反应温度及还原时间的关系，见图2；产品硫含量与还原剂加入量、反应温度及还原时间的关系，见图3.

图2　配碳比、反应温度、还原时间对金属化率的影响

Fig.2　Influence of the process parameter on the degree of metallization

(a)配碳比对金属化率的影响；(b)反应温度对金属化率的影响；

(c)还原时间对金属化率的影响

4.2　分析讨论
4.2.1　各参数对金属化率的影响
　　从图2(a)可见，随着还原煤量的增加，金属化率升高，但煤量增加到一定程度后，再增加煤量，金属化率变化不大.这是由于煤量增加，转鼓充填率增大，造成反应比表面积增大，使还原煤反应性增强，当煤量达到饱和，此时再增加煤量也不能提高还原反应进行程度，金属化率也不再增大.可见，还原煤量增加到一定程度后再增加其量已无意义.
　　从图2(b)可见，随反应温度升高，直接还原铁金属化率提高，但还原温度高于1 110 ℃，金属化率不再随还原温度升高而增大，而是随温度升高而降低.较高的温度是保证还原反应进行的必要条件，温度升高有利于还原反应进行，可增大金属化率，对于温度高于1 110 ℃时，随着温度的升高，金属化率下降这一现象，做了多次实验，结果是一致的，高温时还原球表面呈银白色金属光泽，并有严重的沾鼓现象，表面沾有脱硫剂.切开还原球，金属化球团断面外层部分强度很高，有金属光泽.但内层颜色较暗，有少量渣相，有明显未还原透现象.从太钢提供的峨口矿氧化球团实验报告(见表2)可知，球团软化温度为1 130 ℃.这说明还原温度过高，氧化球团表面发生软化，使反应物向球内扩散的扩散系数减小，阻碍了球内部还原反应的进行，还原反应只能发生在氧化球团的表面层，从而降低了成品金属化球的金属化率.这表明，还原温度过高，接近了球团的软化温度对还原反应的进行是不利的.
　　从图2(c)可见，随反应时间增加，金属化率提高，但还原时间在120 min以上时，反应时间延长，金属化率的提高不明显，反应时间在120 min左右，就能保证成品球金属化率大于90%.
　　综上所述，配碳比、还原温度及反应时间对金属化率均有影响，其中温度的影响最为显著.在以下条件下，可得到最佳的金属化率：
　　配碳比：1.6～2.2；
　　反应温度：1 040～1 100 ℃；
　　还原时间：100～140 min.
4.2.2　各参数与硫含量的关系
　　由图3(a)可见，配碳比在1.5～2.2(还原煤量为55～80 g)范围内，随配碳比的提高，脱硫效果增强，成品球硫含量降低.这是因为在温度一定的条件下增加煤量，有利于(1)反应的进行，使转鼓中CO分压增大，降低了CO₂的分压，从而增强了还原性气氛，使得(2)反应向脱硫方向进行.还原煤量增加，可使脱硫率增大，但带入炉内的硫量也增大，增加了炉内脱硫负荷，在脱硫剂加入量一定的条件下，降低了脱硫效果，使成品球硫含量增大，可见过大的还原煤量对脱硫是不利的，为了获得低硫直接还原铁，选择低硫煤是十分必要的^〔5〕.

CO₂+C=2CO，

(1)

图3　配碳比、反应温度、还原时间对硫含量的影响

Fig.3　Influence of the process parameter on sulphur content

(a)配碳比对硫含量的影响；(b)反应温度对硫含量的影响；

(c)还原时间对硫含量的影响

FeS+CaO+CO=Fe+CaS+CO₂.

(2)

　　由图3(b)可见，还原温度对脱硫率的影响很大，还原温度越高越有利于脱硫.但还原温度接近氧化球团软化温度时脱硫率下降，金属球中硫增加，这是因为此时氧化球团开始软化，使脱硫反应的动力学条件恶化，阻碍了脱硫反应的进行，而且成品球表面粘附着脱硫产物，也使得成品球硫含量增加^〔5〕.由图3(b)可见，在加煤量一定(75 g)，反应时间一定(120 min)的条件下，还原温度在1 000～1 130 ℃下，成品球硫的质量分数低于0.020%.
　　还原时间对脱硫率的影响见图3(c)，可知反应时间越大，脱硫率越高，成品球中硫含量越低.但反应时间在120 min以上时，随反应时间的延长，成品球中硫含量变化不大.这表明反应时间在120 min左右时脱硫反应进行的比较彻底，成品球中硫含量较低，再增加还原时间，对脱硫反应已影响不大.
　　综上所述，配碳比、还原温度、反应时间等参数对成品球硫含量均有影响，其中还原温度的影响最为显著，保持还原温度为1 000～1 130 ℃，还原时间取100～120 min，配碳比为2.0左右(反应煤量75～80 g)的条件下可得到最佳的脱硫效果，成品球中硫的质量分数小于0.020%.

5　结论
　　以峨口矿氧化球团为原料，还原剂采用大同煤矿烟煤，石灰石加入量为10%(质量分数)，回转窑直接还原铁生产的最佳工艺参数为：
　　配碳比：1.6～2.2；
　　还原温度：1 040～1 100 ℃；
　　反应时间：120～140 min.
　　在此最佳工艺条件下，可生产的直接还原铁的质量指标为：
　　金属化率：η＞90%；
　　硫含量：w(S)＜0.02%.

作者简介：董方(1964-),男,内蒙古包头人,包头钢铁学院讲师,硕士,主要从事钢铁冶金研究.
作者单位：董方　那树人　包头钢铁学院 冶金与化学工程系，内蒙古 包头　014010；
　　　　　王南　包头钢铁学院 科研处，内蒙古 包头　014010；
　　　　　王超一　太原钢铁公司 原料处，山西 太原　030000)

参考文献
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收稿日期：1999-02-05