铁矿氧化球团气基直接低温还原粉化行为研究

黄柱成 赵立卓 易凌云 姜 涛

(中南大学资源加工与生物工程学院)

非高炉炼铁是钢铁冶金新流程的前沿课题。以煤制气为还原气的竖炉直接还原炼铁新工艺是天然气和焦煤资源不足的中国实现节能减排、低碳高效炼铁的重要途径［1-3］。低温还原粉化是影响竖炉直接还原顺行的重要原因，其主要影响因素有原料的种类、化学组成、碱度及还原制度等［4］。H.P.Pimenta等［5］通过对铁矿石低温还原粉化行为的研究，得出低温还原过程中气体成分的改变对炉料的显微结构及粉化性能影响显著的结论。李福民等［6］认为，还原温度是影响粉化行为的主要因素;在相同还原温度下，炉料的低温还原粉化率随煤气中H2含量的增加而增加。刘振等［7］得出了还原气体中CO含量的下降和H2含量的上升使还原粉化率明显下降的结论。

本研究以铁矿氧化球团为对象，探讨还原气氛和温度对球团低温粉化行为的影响。

1 试验原料与试验方法

1.1 试验原料

试验用氧化焙烧球团来自某球团厂，堆密度为1 774 kg/m3，抗压强度为2 973 N/个，主要化学成分见表1，球团内部显微结构见图1。

表1 氧化焙烧球团主要化学成分分析结果 %

图1 氧化焙烧球团内部显微结构照片

从表1可以看出:试验用氧化球团铁品位为64.24%，FeO含量为0.24%，球团氧化充分;杂质成分以SiO2为主，含少量CaO、MgO、Al2O3。

从图1可以看出，氧化球团中Fe2O3晶粒发育良好，互联成整体，因此，强度较高。

1.2 研究方法

1.2.1 试验气体的组分

目前广泛使用的气基竖炉直接还原工艺MIDREX法和HYL法的还原气体中H2与H2+CO的体积比分别为0.6和0.7，而几种主流煤制气中H2与H2+CO的质量比大都为0.3～0.5［8-9］。结合还原性气体体积通常占竖炉总给气的70%，确定试验用还原气氛见表2。

表2 试验用还原气组分

1.2.2 试验装置

试验装置为中南大学设计制造，主要包括计算机控制系统、温度控制仪、炉体、电子测质量感应器、吊罐反应系统、反应气体供给系统。吊罐内部有网状装料器，气流可以均匀通过。见图2。

图2 试验装置

1.2.3 试验方法

将550 g粒度为10～12 mm的球团样放入装料器中，在N2保护下将炉温升至试验温度，恒温30 min后改通还原气(流量为0.18 m3/h)进行低温还原粉化试验，60 min后切断还原气体，在N2保护下冷却至100℃以下卸出还原球团，进行抗压强度检测及显微结构分析，并进行粉化性能检测。

粉化性能检测方法:取500 g低温还原球团在IC转鼓中转动300转，+6.3、6.3～3.15、3.15～0.5、－0.5 mm粒级质量分别记为m1、m2、m3、m4，还原粉化性能RDI按下式计算:

2 结果与讨论

2.1 还原温度和还原气氛对低温还原粉化和抗压强度的影响

2.1.1 还原温度和还原气氛对低温还原粉化的影响

还原温度和还原气氛对低温还原粉化的影响见图3。

图3 还原温度和气氛对低温还原粉化的影响

从图3可以看出:

(1)RDI+6.3在各温度、各还原气氛下均大于94.5%，RDI+3.15更是高达96.5%以上，RDI－0.5则均在2.5%以下。

(2)气基低温直接还原的温度从450℃提高到550℃，相同还原气氛下 RDI+6.3和 RDI+3.15下降、RDI－0.5上升;气基低温直接还原的温度从550℃提高到600℃，相同还原气氛下RDI+6.3和RDI+3.15上升、RDI－0.5下降。

(3)随着H2与H2+CO体积比的升高，相同还原温度下 RDI+6.3和 RDI+3.15上升、RDI－0.5显著下降。

2.1.2 还原温度和还原气氛对还原产物抗压强度的影响

还原温度和还原气体组分对还原产物抗压强度的影响见图4。

图4 还原温度和还原气氛对还原后球团抗压强度的影响

从图4可以看出:还原温度从450℃提高到550℃，还原球团的抗压强度下降，当还原温度进一步提高到600℃时，还原球团的抗压强度迅速上升; H2与H2+CO体积比升高，还原球团抗压强度上升。

结合图3和图4可知，较低的抗压强度对应较高的RDI－0.5，即还原粉化率高时抗压强度低。

2.2 气基低温直接还原粉化行为研究

还原温度对氧化球团粉化率的影响主要体现在2个方面:在特定还原条件下，一方面，随着还原温度的升高氧化球团的还原速率加快，赤铁矿被还原后晶型发生转变，导致球团内膨胀应力增大，导致球团内部出现裂纹，还原反应的不断进行使裂纹不断向周围扩展;另一方面，随着还原温度的升高，铁矿球团的可塑性提高，承受体积膨胀应力的能力增强，内部的裂纹被限制在一定程度上，从而使还原粉化程度出现临界点［10］，在这个临界点上球团的还原粉化最严重，本试验中550℃对应还原粉化程度的临界点。

还原气氛对氧化球团粉化率的影响也主要体现在2个方面:一方面，低温条件下的碳素析出反应(2CO=C+CO2)与还原粉化率有很大关系，在CO还原过程中，局部会发生Fe的渗碳反应，并扩散到铁与浮氏体界面，生成气体，在氧化物内部产生高气压，使周围铁膜破裂，极大地破坏球团原有的晶体结构［11］;而H2则不然，球团还原速率较快，铁晶粒间接触面较大，结合力较强，还原后球团晶体结构改变不大，还原粉化率较小;此外，CO还原为放热反应，使球团内外部存在温差，破坏了球团的内部结构［12］。另一方面，由于球团矿受热应力的影响和气体还原作用，铁矿表面有 Fe2O3被还原成 Fe和FeO，致使球团矿表面空隙加大，这样势必会消除球团矿的部分内应力，减少裂纹生成和扩大［13］;H2比例增加，还原越充分，Fe、FeO生成量增多，其抵抗裂纹的能力就越强。

550℃时，不同气氛条件下低温还原后的球团含碳量及亚铁、金属铁含量见表3，球团显微结构见图5。

表3 低温还原后球团化学成分分析结果

图5550℃时不同还原气氛下还原产物边缘显微结构照片

从表3可以看出，H2与H2+CO体积比升高，FeO含量由 11.6%增加至 36.22%，金属铁由0.09%增加至2.8%，碳素析出反应减弱，C含量由0.16%减少至0.025%。表明在低温还原过程中，气氛组成对球团还原及其强度将产生明显的影响。

从图5可以看出:低温还原后氧化球团中Fe2O3晶粒发生还原反应，生成Fe3O4、FeO和少量金属铁;球团中空隙明显增加，结构明显疏松，球团强度显著下降而产生粉化现象。图5(a)和图5(b)表明，球团中还原成FeO和金属铁的量较少，产生了大量的空隙和裂纹，使强度变低;图5(c)和图5 (d)中虽然产生了大量FeO和金属铁，但对结构破坏较少，裂纹不见发展，由于有少许金属铁的生成，因而低温还原粉化现象有所改善。

3 结论

(1)气基低温直接还原温度从450℃升至550℃，RDI+6.3和RDI+3.15下降、RDI－0.5上升，当还原温度进一步升至600℃时，RDI+6.3和RDI+3.15开始回升、RDI－0.5开始下降。H2与H2+CO的体积比升高，RDI+6.3和RDI+3.15上升、RDI－0.5显著下降。

(2)氧化球团的抗压强度受低温还原温度和气氛的影响明显。还原温度从450℃升至550℃时，还原球团的抗压强度下降;当还原温度进一步升至600℃时，还原球团的抗压强度有所回升。因此，还原气氛中H2含量的增加有利于还原球团抗压强度的提高。

(3)显微结构分析表明:氧化球团中的Fe2O3还原成Fe3O4和FeO，球团的结构变疏松，空隙增加，球团强度变差;还原气氛中H2体积的增加对球团结构破坏较少。

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