高还原势气氛下烧结矿低温还原粉化试验研究

蓝荣宗， 王静松， 韩毅华， 王琳涛， 薛庆国

（北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京 100083）

高还原势气氛下烧结矿低温还原粉化试验研究

蓝荣宗， 王静松， 韩毅华， 王琳涛， 薛庆国

（北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京 100083）

在高还原势气氛下进行烧结矿的低温还原粉化试验，考察RDI+6.3、RDI+3.15和RDI-0.5的变化情况，分析不同还原气氛对烧结矿低温还原粉化的影响规律，探究烧结矿在氧气高炉上部的粉化行为.结果表明：烧结矿在氧气高炉气氛下的低温还原粉化率高于在传统高炉气氛下的低温还原粉化率，但其RDI+3.15仍高达82.7%；随着还原气氛中CO和H2含量的提高，烧结矿的低温还原粉化率明显上升.

氧气高炉；烧结矿；低温还原粉化

0 引 言

氧气高炉是用纯氧鼓风取代传统的预热空气鼓风操作，并将炉顶煤气脱除CO2后返回高炉利用的炼铁新工艺.在全球焦炭资源匮乏和环境恶化等压力下，氧气高炉因具有生产率高、喷煤量大、焦比低、煤气热值高等优点，而受到炼铁界的极大关注，成为近年来国内外学者研究的热点[1-3].

人们对传统高炉条件下含铁炉料的低温还原粉化行为已经作了深入细致的研究，有了比较全面客观的认识.但以往的研究多数着眼于矿石本身的性能，而忽视了还原气氛对矿石低温粉化行为的影响.由于氧气高炉将炉顶煤气脱除CO2后返回高炉利用，其内煤气的还原势大幅提高，含铁炉料在炉身上部低温区的粉化行为必然发生变化，因而有必要对氧气高炉气氛下烧结矿的低温还原粉化行为进行深入研究.

1 实 验

1.1 实验原料与设备

实验所用原料为国内某大型钢铁公司提供的烧结矿，其主要化学成分见表1.

表1 烧结矿主要化学成分 /（wt%）

图1 还原实验装置示意图

实验所采用的设备如图1所示，包括：还原炉，温控仪，还原管，还原气体清洗及混气系统.还原炉的型号为ISO7215，炉身尺寸 φ500×700 mm，发热元件为铁铬铝电炉丝，额定功率8 kW，工作电压0～220 V，最高加热温度为1100℃.还原管的尺寸φ75×800 mm，可耐1100℃以上的温度，控温仪可精确控制升温速度为1℃ /min.

1.2 实验方法

根据表2中的参数，进行全炉的物料平衡与热平衡计算，得出的炉顶的平均煤气成分（如表3，不考虑H2O的影响）的近似值即为实验中的氧气高炉气氛（40%CO+32%CO2+10%H2+18%N2）；传统高炉气氛采用国标规定的低温还原气氛 （20%CO+20%CO2+60%N2）.同时，为了考察还原气氛中H2和CO含量对铁矿石低温还原粉化的影响，分别设计了表4中第3、4组对比实验气氛.其他相关实验参数见表5.

表2 氧气高炉模拟计算参数

表3 氧气高炉各区域平均煤气成分（模拟计算结果）

表4 烧结矿低温还原粉化实验安排

表5 低温还原粉化性能实验条件参数

实验操作方法如下：把试样（500±1 g）放到还原管中，将表面铺平.密封还原管的顶部，将 N2（5 L/min）通入还原管，然后把还原管放入还原炉中，此时的炉内温度不得大于200℃.放入还原管后，开始加热，升温速度不得大于10℃/min,当试样温度接近500℃时，增大N2标态流量到15 L/min.在500℃恒温30 min，使温度恒定在500±10℃之间.通入15 L/min的还原气体，替代N2.连续还原1 h后，停止通还原气体，并向还原管中通入N2（5 L/min）,然后将还原管提出炉外进行冷却，将试样冷却到100℃以下.从还原管中倒出试样，测定其质量为m0.然后把试样装入转鼓里，固定密封盖，以（30±1）r/min的转速共转10 min.从转鼓中取出所有试样，进行筛分，测定并记录留在6.30 mm、3.15 mm、0.50 mm各粒级筛上的试样质量.

2 实验结果与分析

文献[4-5]指出，赤铁矿的还原是造成铁矿石低温还原粉化的基本原因，赤铁矿在500℃左右还原成磁铁矿时，体积约增大25%，这将形成很大的内应力，如果周围区域的其他物质无法承受该应力，则会使该区域产生裂纹以释放应力.然而矿石粉化是赤铁矿还原和裂纹的扩展联合作用的结果，粉化产生的机制如图2所示.

图2 烧结矿低温还原粉化分布示意图

2.1 CO对烧结矿低温还原粉化率的影响

还原气氛分别为20%CO+20%CO2+60%N2和40%CO+20%CO2+40%N2时，烧结矿的低温还原粉化指标见图3所示，两种气氛中CO的浓度分别为40%和20%.从图中可以看出，CO对烧结矿的低温还原粉化影响较大，随着还原气氛中CO浓度的提高，烧结矿的低温还原粉化率明显上升.CO浓度为40%时烧结矿的低温还原粉化指数RDI+3.15（83.2%）和RDI+6.3（64.5%）分别低于传统高炉气氛下烧结矿的低温还原粉化指数 RDI+3.15（92.6%）和 RDI+6.3（81.6%）.

图3 CO对烧结矿低温还原粉化率的影响

文献[4-5]指出，铁矿石发生低温还原粉化的基本原因是赤铁矿的还原，而随着CO浓度的提高，气氛的还原势也提高[6]，必然促进矿石表面和空隙表面区域赤铁矿的初始还原，产生内应力，形成更多的初始裂纹，并经过裂纹的扩展，又进一步促进新生裂纹表面赤铁矿的还原，从而使烧结矿的粉化程度加深.另外，在500℃左右时发生反应2CO=CO2+C，随着CO浓度的提高，该反应的吉布斯自由能降低，促进反应正向进行.析出的极细的烟黑，沉积在烧结矿的裂纹中，由于烟黑非常细，表面能很高，很容易聚集成较大的晶粒，在晶粒长大过程中，使烧结矿的裂纹扩展，这也是造成烧结矿低温还原粉化加重的原因之一.

2.2 H2对烧结矿低温还原粉化率的影响

图4 H2对烧结矿低温还原粉化率的影响

图4为烧结矿在20%CO+20%CO2+60%N2和20%CO+20%CO2+10%H2+50%N2两种气氛下的低温还原粉化指数对比图.从图4中可以看出，在通入10%H2的情况下，烧结矿的低温还原粉化程度明显加深；烧结矿的低温还原粉化指数RDI+3.15由不通H2气氛下的92.6%降低到通10%H2气氛时的82.7%.

H2对烧结矿低温还原粉化的影响是多方面的：首先，H2可以提高还原气氛的还原势，促进赤铁矿的初始还原，形成更多的细小裂纹.其次，H2分子小，具有很好的扩散性和穿透性[7]，这不仅可以促进矿石表面、原始裂纹表面和次生裂纹表面区域赤铁矿的初始还原，还可以通过扩散与矿石内部的赤铁矿反应，促进其还原，并产生内部裂纹，促进矿石的低温还原粉化加剧.另外，从前文的叙述可知：赤铁矿还原成磁铁矿时，将形成很大应力，但是否会产生裂纹进而粉化还与周围物质的强度和断裂韧性有关，如果周围物质的断裂韧性和强度都很好，并可以承受所产生的应力则矿石不会产生裂纹.高碱度烧结矿中的主要成分是铁酸钙（SFCA）、原生赤铁矿和磁铁矿，而SFCA可以看作是一种粘结相，在低温下不容易被还原且具有很好的强度和断裂韧性，可以降低烧结矿的低温还原粉化率.但是，当还原气氛中有H2存在时，则SFCA很容易被H2还原并造成其断裂性能值的下降，导致烧结矿的低温还原粉化率上升.

2.3 氧气高炉气氛对烧结矿低温还原粉化的影响

图5 不同高炉气氛对烧结矿低温还原粉化的影响

如图5所示，分别为氧气高炉气氛和传统高炉气氛下烧结矿的低温还原粉化指标.从图5中可以看出，氧气高炉气氛下烧结矿的低温还原粉化性指标RDI+3.15（82.7%）和 RDI+6.3（61.4%）分别低于传统高炉气氛下烧结矿的低温还原粉化指标RDI+3.15（92.6%）和 RDI+6.3（81.6%），其中两者的 RDI+6.3相差 21.3%；而氧气高炉气氛下烧结矿的RDI-0.5（3.7%）几乎是传统高炉气氛下烧结矿的RDI-0.5（1.9%）的两倍.说明烧结矿在氧气高炉气氛下的低温还原粉化程度比在传统高炉气氛下的低温还原粉化程度严重.

氧气高炉气氛中，包括40%的CO和10%的H2，所以在该气氛下烧结矿的低温还原粉化必然同时受到CO和H2的影响，其影响机制如前文所述.由图3～图5可知烧结矿在氧气高炉气氛下的RDI+3.15（82.7%）比单独加40%CO或10%H2气氛下的RDI+3.15要低.这是因为：一方面，氧气高炉气氛中的还原气体总浓度（40%CO+10%H2）增加，还原势提高，可进一步促进赤铁矿的初始还原；另一方面，CO和H2对烧结矿低温还原粉化的影响可能存在交互作用，加剧烧结矿的粉化.

3 结 论

（1）CO对烧结矿的低温还原粉化影响较大，随着还原气氛中CO浓度的提高烧结矿的低温还原粉化率明显上升.CO浓度为40%时烧结矿的低温还原粉化指数 RDI+3.15（83.2%）和 RDI+6.3（64.5%）分别低于传统高炉气氛下烧结矿的低温还原粉化指数RDI+3.15（92.6%）和 RDI+6.3（81.6%）.

（2）在通入10%H2的情况下，烧结矿的低温还原粉化程度明显加深；低温还原粉化指数RDI+3.15由不通H2气氛下的92.6%降低到通10%H2气氛时的82.7%.

（3）烧结矿在氧气高炉气氛下的低温还原粉化率比传统高炉气氛下的低温还原粉化率高，但其RDI+3.15仍然高达82.7%.

[1]秦民生,高征铠,王冠伦，等.高炉全氧鼓风操作的研究[J].钢铁,1987,22(12):1-7.

[2]Hideyuki Yamaoka,Yasuo Kamei.Experimental study on an oxygen blast furnace process using a small test plant[J].ISIJ International,1992,32(6):709-7l5.

[3]张建良.氧气高炉的应用基础研究[D].北京:北京科技大学,2000.

[4]C.E.Loo,N.J.Bristow.铁矿石烧结矿低温还原粉化机理研究[J].烧结球团，1995,20（3）:25-29.

[5]C.E.Loo,N.J.Bristow.铁矿石烧结矿低温还原粉化机理研究（续）[J].烧结球团，1995,20(4):23-28.

[6]黄希枯.钢铁冶金原理第3版[M].北京:冶金工业出版社，2007:284-288.

[7]Elsayed A.Mousa,Alexander babich,Dieter senk.Effect of nut cokesinter mixture on the blast furnace performance[J].ISIJ International，2011，51(3)：350-358.

On the low temperature reduction degradation of sinter in high reduction potential atmosphere

LAN Rong-zong,WANG Jing-song,HAN Yi-hua,WANG Lin-tao,XUE Qing-guo

（State Key Lab of Advanced Metallurgy,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China）

The low temperature reduction degradation experiments have been carried on in high reduction potential atmosphere.By examined changes of RDI+6.3、RDI+3.15and RDI-0.5,the pulverization behavior of sinter in upper part of the oxygen blast furnace have been explored.The results showed that:the low temperature reduction degradation of sinter was significantly improved in oxygen blast furnace atmosphere,but the RDI+3.15of sinter in oxygen blast furnace atmosphere was measured up to 82.7%which would not affect the production of oxygen blast furnace.With increasing of H2and CO contents in the reducing atmosphere,the low temperature reduction degradation of sinter was significantly improved.

oxygen blast furnace;sinter;low temperature reduction degradation

TF533

A

1674-9669（2012）01-0005-05

2011-11-16

国家科技支撑计划资助课题（2011BAC01B02）；973计划（2012CB720401）

蓝荣宗（1986- ），男，硕士研究生，主要从事氧气高炉炼铁新技术研究，E-mail：lanrongzong@163.com.