铁精矿球团气基直接还原基础研究

2021-08-17 作者：佚名网友评论 0 条

本文通过还原某赤铁矿H制备的球团以探索赤铁精矿球团的气基直接还原的机理。不同碱度球团矿还原膨胀指数RSI均随温度的上升而升高。

朱德庆，潘建，张嘉雯，郭正启，杨聪聪

中南大学资源加工与生物工程学院

直接还原意为铁氧化物在低于其熔化温度的条件下被还原至金属铁的过程，产品即直接还原铁（DRI）。DRI可以添加至以废钢为主要原料的电炉冶炼中用作“稀释剂”，还因化学成分稳定、有害杂质含量少、容易控制钢成分等优点多被用于高品质钢及特种钢的冶炼[1-4]。据不完全统计，我国电炉钢产量在2015年只有4700万吨，2019年达10462吨，增幅达106%，但依然远远低于同期全球25%的电炉钢比[5-6]。相较于传统高炉炼钢，电炉炼钢工序更环保且因短流程、投资低，建设速度更快[7-9]。但我国社会累积的废钢量不足，进口废钢的质量和价格又由国外控制，废钢中有害杂质含量高、稳定性差等因素均制约着我国电炉炼钢的发展，中国电炉炼钢发展极为缓慢[10-12]。2019年12月23日，全国工业和信息化工作会议指出将推动电弧炉短流程炼钢发展。国家推动相关政策的修订为电炉炼钢创造了良好的环境。目前，“地条钢”的全面取缔使得可用废钢资源逐步增加，电炉原料量大幅增加，中国电炉炼钢将迎来迅猛的发展。未来，中国对DRI的需求定会持续增长。

直接还原工艺依据还原剂种类的不同可分为气基直接还原和煤基直接还原并以气基为主。目前主流的气基直接还原工艺主要有MIDREX法和HYL-III/Energiron法[13-22]。MIDREX法的竖炉还原气体使用天然气催化裂化的产物，裂化剂使用CO和H2共70%左右的炉顶煤气。与MIDREX法相比，HYL-III/Energiron法可以使用多种类型的还原气体，除天然气以及煤气化之外还可以使用炼铁厂产生的合成气、煤制气以及焦炉煤气等，工艺及装置的灵活性更高。同时，HYL-III/Energiron法竖炉工作压力更高，使该方法的还原速率更快、生产率更高。从还原气选用以及环保压力等方面综合考虑，相对来说，HYL-III/Energiron法富氢还原工艺比MIDREX法具有更大优势。

气基竖炉的入炉原料通常是球团矿或优质块矿，但由于我国高质量块矿资源紧缺，因此着力于“球团—直接还原”技术有利于我国气基直接还原技术的发展。目前，国内的球团厂多生产酸性球团矿，而电炉炼钢需添加一定量的CaO，若将此部分CaO添加至球团中制备熔剂性球团，便有利于精简后续电炉炼钢的工艺步骤。本文以某进口赤铁精矿H为研究对象，制备自然碱度（HR=0.02）和碱度为0.4（HR=0.4）的H球团矿进行富氢气基直接还原实验，探究酸性、熔剂性球团矿进行气基直接还原的行为变化和机理。

1 原料性能及研究方法

1.1 原料性能

1.1.1 实验原料

表1某进口赤铁精矿H的化学成分分析。该矿铁品位为65.46%，亚铁含量为1.55%，主要成分为赤铁矿，SiO2含3.22%，Al2O3占1.16%。

表2为铁精矿的粒度组成。可以看出该矿粒度较粗，-325目（-0.043mm）粒级仅占41.59%，采用高压辊磨预处理改善粒度组成和比表面积，其比表面积与粒度组成的关系见表3。可以看到，当铁精矿比表面积为1476 cm2•g-1时，其-200目（-0.074mm）粒级占比83.82%，基本满足球团生产要求。

1.2 研究方法

实验主要分为氧化球团制备及气基直接还原两大部分。

（1）生球制备

造球原料以干重3.5kg计算，得到自然碱度及添加石灰石得到高碱度的混匀物料，水分预调至7.5%造球。造球机倾角为45°、直径为1m、边高为0.3m、转速为22 r/min。造球完成后，筛取粒度合格生球进行生球性能检测。

预热焙烧

在105℃下对生球进行4~6h干燥后，在CWQ-55卧式管炉中进行干球的预热及焙烧实验，待球团冷却至室温后采用ZQYC-智能抗压强度测量机对预热球、焙烧球进行强度检测。抗压指标为预热球团强度需大于500 N·个-1、焙烧球团强度需大于2500 N·个-1。

（3）成品球团矿理化性能检测

取最优热工制度条件下的球团为成品球团进行气基直接还原实验，图1为实验用还原炉装置图。反应器的内径76.2±1mm，取500±1g的球团放置入反应器；还原罐以10L/min的速度通入N2并升温至800℃ ~ 950℃；随后以55L/min的速度通入还原气体待还原进行一定时间后停止，还原气体的成分及比例为H2：CO：CO2：N2=55：21：14：10；还原停止后向反应罐中以5~10L/min的速度通入N2并冷却至室温。参考HYL公司规定的HYL法气基直接还原标准[23-25]，对成品球团进行冶金性能检验。包括抗压强度、还原度指数RI、还原膨胀率RSI以及低温还原粉化率RDI。