包覆碳粉对铁矿粉流态化还原效果的影响

徐其言，李志平，齐月松，邢汉威

(安徽工业大学冶金工程学院，安徽马鞍山243032)

为改变炼铁依赖焦炭资源的现状，冶金工作者经过长期探索和实践，逐步发展形成了多种不依赖冶金焦炭资源的非高炉炼铁法[1-4]，气基直接还原法是其中之一。该方法用还原性气体代替高炉炼铁工艺所需的焦炭还原天然块矿、粉矿或人造块矿，具有气固接触充分、传热传质快、物料颗粒混合迅速等优点。但铁矿粉在高温流态化还原过程中物料易发生沟流、黏结失流等问题，严重削弱了流化床反应器的反应高效性、稳定性和连续化操作，一方面降低了还原后铁矿粉的品质，另一方面阻碍了工业化连续性生产[5-7]。一定条件下，铁矿粉在流化床还原过程中的黏结行为主要与金属铁的析出形态有关，金属铁以铁晶须形态析出时易引起黏结，所以解决黏结问题的关键是控制金属铁的析出形态。朱凯荪等[8]用不同成分比的CO-H2混合气体对铁矿粉进行还原，发现当CO比重大时，矿粉表面包覆一层碳层能够有效防止黏结失流；方觉等[9-10]、安志伟[11]采用矿煤混合流化床的方法进行铁矿粉流态化还原实验，结果表明采用此方法改善了流化床还原效果；朱凯荪等[12]、徐其言等[13]的加压实验表明，反应效率随还原压力的增大呈先增大后趋于平稳的趋势。上述研究表明：包覆碳粉能够改善流化效果，降低黏结；增加压力能够促进还原反应的正向进行。

文中以澳矿、巴西矿、国王粉矿、纽曼矿、张庄矿、姑山矿6种铁矿粉为原料，在未包覆和包覆碳粉2种条件下进行流化还原实验，探究包覆碳粉对矿粉流态化还原效果的影响，以期促进流化床还原工艺进一步发展。

1 实验

1.1 实验原料

以粒径为150～180 μm的澳矿、巴西矿、国王粉矿、纽曼矿、张庄矿、姑山矿等6种铁矿粉为原料，6种原料成分见表1，原始矿粉微观形貌见图1。实验中主要选取粒径水平为4～7 μm的碳粉，其成分见表2。

表1 6种铁矿粉的化学成分，w/%Tab.1 Chemical composition of six kinds of iron ore powders，w/%

图1 6种铁矿粉的原始微观形貌Fig.1 Original micro morphologies of six kinds of iron ore powders

1.2 实验过程

实验主要装置为自主设计的加压可视流化床，如图2。流化床反应器由两层不锈钢管组成，里层管为流化床区域，下半部用气体分布板承载铁矿粉颗粒。H2从两层钢管夹层流入并对其进行预热，然后流入里层管内还原铁矿粉，气体流量由气体流量计控制。

表2 碳粉的化学成分，w/%Tab.2 Chemical composition of carbon powder，w/%

分别称取20 g巴西矿、澳矿、国王粉矿、纽曼矿、张庄矿、姑山矿粉试样置于热态可视流化床，且添加1.2 g(质量分数为6%)碳粉。向热态可视流化床通入线速度为0.6 m/s 的还原气体H2，在还原温度750 ℃的条件下还原铁矿粉试样50 min，然后在高纯氮气保护条件下取出试样。采用氯化铁滴定法和重铬酸钾容量法对还原后试样进行化验分析，测量铁矿粉的金属化率和黏结比。采用扫描电子显微镜(scanning electron microscope，SEM)对还原前后试样的微观形貌结构进行观察，利用X 射线能谱仪对样品表层的微区点元素进行定性和定量分析，探究包覆碳粉条件下抑制铁矿粉的黏结机理。

2 实验结果和讨论

2.1 还原铁矿粉的金属化率和黏结比

在温度、矿粉粒径和气流线速度分别为750 ℃，150～180 μm，0.6 m/s条件下，未包覆碳粉和包覆1.2 g碳粉对6种铁矿粉还原效果影响的实验结果如图3。

图2 实验装置示意图Fig.2 Schematic diagram of the experimental device

图3 未包覆和包覆碳粉还原条件下铁矿粉的金属化率和黏结比Fig.3 Metallization rate and bonding ratio of iron ore powder of uncoated and coated carbon powder

由图3(a)图可知：6种铁矿粉在未包覆碳粉和包覆碳粉条件下还原，金属化率都能达到71%，维持在较高水平；包覆碳粉的铁矿粉还原后金属化率均低于未包覆碳粉，这是因为包覆碳粉会降低还原反应中气固接触面积，降低了反应效率，其中姑山矿表面光滑，不易吸附碳粉，影响较小，金属化率降低了0.87%，国王粉矿表面粗糙，易吸附碳粉，影响较大，金属化率降低了8.01%。由图3(b)可知，包覆碳粉能明显降低6种铁矿粉的黏结比，改善流化状态，其中纽曼矿黏结比降幅最大，降低了14.35%，姑山矿降幅最小，降低了2.84%。总之，包覆碳粉会降低还原后铁矿粉的金属化率和黏结比，不同铁矿粉因成分和表面形貌不同，吸附碳粉能力不同导致还原效果不同；包覆碳粉可显著降低铁矿粉的表面粗糙度，致使多孔铁矿粉的黏结比下降，从而改善其流化效果。

2.2 还原铁矿粉的表面形貌

巴西矿、澳矿、国王粉矿、纽曼矿、张庄矿、姑山矿等6种铁矿粉还原后的微观形貌如图4～7所示。由图4可知，还原后铁矿粉表面吸附大量细小颗粒，且有微孔和多个微孔连成的裂纹，但表面仍较为平整，部分呈勾连状。

图4 6种铁矿粉还原后的表面形貌Fig.4 Surface morphologies after reduction of six kinds of iron ore powders

为阐明矿粉颗粒黏结的机理，选取未包覆碳粉和包覆碳粉的巴西矿粉，对其还原后样品做扫描电镜及能谱分析，结果如图5～6。

图5 未包覆碳粉条件下巴西矿粉扫描电镜分析Fig.5 SEM analysis of Brazilian mineral powder under the condition of uncoated carbon powder

图6 包覆碳粉条件下巴西矿粉扫描电镜分析Fig.6 SEM analysis of Brazilian mineral powder under the condition of coated carbon powder

由图5 可看出，未包覆碳粉条件下，巴西矿粉黏结部分区域有细长的勾连状物，经能谱分析为金属铁。当金属处在塔曼温度以上，晶格不再稳定，并且固体单元变得活跃，金属铁原子或铁晶须开始扩散，使颗粒之间产生固体桥力，导致颗粒在金属铁塔曼温度以上发生黏结。

由图6可知，包覆碳粉条件下，巴西矿粉表面形成大量致密直径小于1 μm的小球，且包覆在矿粉表面，经能谱分析为金属铁。与未包覆碳粉相比，包覆碳粉易使析出的金属铁围绕碳粉生长，并形成一颗颗纳米级金属小球，可抑制铁晶须的形成，降低铁矿粉的黏结力，从而降低还原矿粉的黏结比，改善流化还原状态。

图7 包覆碳粉条件下6种铁矿粉还原后表面形貌Fig. 7 Surface morphologies of six kinds of iron ore powders after reduction under the condition of coating with carbon powder

由图7可看出：包覆碳粉条件下，巴西矿、澳矿、国王粉矿、纽曼矿、张庄矿、姑山矿还原后其表面均附有一层致密的纳米小球，包覆的碳粉抑制了细小铁晶粒生长的活性点；颗粒表面析出的金属铁以多孔海绵铁的形式存在，这种颗粒可延长流化时间，改善流化效果，有效抑制黏结失流发生。

3 结 论

以澳矿、巴西矿、国王粉矿、纽曼矿、张庄矿、姑山矿6种铁矿粉为原料进行流化实验，研究未包覆与包覆碳粉条件下6种流态化还原铁矿粉的黏结状况，所得主要结论如下。

1)在750 ℃，0.6 m/s的纯H2条件下还原6种铁矿粉50 min，结果表明包覆碳粉可降低6种矿粉的黏结比和金属化率，改善其流化状态。

2)未包覆碳粉条件下，金属化率最高的是姑山矿(85.21%)，黏结比最低的是澳矿(16.72%)；包覆碳粉条件下，金属化率最高的是姑山矿(84.34%)，黏结比最低的是巴西矿(10.15%)。

3)未包覆碳粉条件下，矿粉表面形成细长的铁晶须，互相勾连导致矿粉黏结；包覆碳粉条件下，矿粉表面形成细密的纳米级金属球，可抑制铁晶须的形成，降低矿粉间黏结力。