反應(yīng)氣氛和溫度對熱壓含碳球團還原反應(yīng)進程的影響

1、第21卷第4期 2011年4月中國冶金China M etallurg yVo l.21,N o.4A pr il 2011反應(yīng)氣氛和溫度對熱壓含碳球團還原反應(yīng)進程的影響儲滿生1, 柳政根1, 王兆才1, 吳開基1, 呂繼平2(1.東北大學(xué)材料與冶金學(xué)院,遼寧沈陽110004; 2.新余鋼鐵集團有限公司,江西新余338001摘 要:熱壓含碳球團是利用煤的熱塑性而將鐵礦粉和煤粉熱壓成型的一種新型優(yōu)質(zhì)煉鐵原料。還原性是爐料主要冶金性能之一,而反應(yīng)氣氛和溫度對熱壓含碳球團還原反應(yīng)進程有重要的影響。通過還原失重試驗,重點研究了反應(yīng)氣氛和溫度對熱壓含碳球團還原反應(yīng)進程的影響。研究表明,熱壓含碳球團整個還

2、原反應(yīng)進程可分為兩個階段:第一階段還原速率明顯大于第二階段;溫度對熱壓含碳球團還原速率有顯著的影響,在相同氣氛下,溫度越高,熱壓含碳球團的還原速率越快;在900 時,反應(yīng)氣氛對熱壓含碳球團還原反應(yīng)速率有顯著的影響,還原性氣氛對其影響最大;而在1100 時,反應(yīng)氣氛對熱壓含碳球團還原反應(yīng)速率的影響趨于減小。關(guān)鍵詞:煉鐵原料;熱壓含碳球團;反應(yīng)氣氛;反應(yīng)溫度;還原過程中圖分類號:T F 046.6 文獻標志碼:A 文章編號:1006 9356(201104 0017 04Effects of Reacting Atmosphere and Temperature onReduction Proce

3、ss of Carbon Composite Iron Ore Hot BriquetteCH U M an sheng 1, LIU Zheng gen 1, WANG Zhao cai 1, WU Kai ji 1, L Ji ping 2(1.School M ater ials and M eta llur gy ,N or theaster n U niv ersit y,Shenyang 110004,L iao ning ,China;2.Xiny u I ron and Steel G ro up Cor po ration,Xiny u 338001,Jiang x i,Ch

4、inaAbstract:Carbon composite ir on or e hot br iquette (CCBis a new ty pe of ir on making raw materials,w hich is made through hot briquett ing by binding co al and iro n or e fine.T he reducibility is one o f majo r metallurg ical pr operties for iro n making bur dens.T he reacting at mospher e and

5、 temperature effect ing on the reducibility of CCB hav e been stud ied thro ug h the ex per iments of reduction w eight lo ss.T he ex perimental r esults sho w that the w hole reduction pr ocess of CCB co uld be div ided into tw o st ag es.T he reductio n r ate during the fir st stag e is sig nifica

6、nt ly faster than that during the second one.T he temper atur e has a significant effect o n r eduction rat e;with the increasing tempera tur e,the reductio n rate tends to fasting while the reducing g as co mpo sitio n unchang ed.Reacting atmospher e has a significant effect on reduction pr ocess o

7、 f CCB at temper ature 900 ,and reducible atmospher e has the most impo r tant influence on the r eduction r ate;but at temper atur e 1100 ,the effects tend to decreasing.Key words:iro nmaking r aw mater ial;car bo n composite ir on o re ho t br iquette (CCB;reacting atmosphere;reacting temper atur

8、e;r eduction pro cess基金項目:國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863項目(2008AA03Z102熱壓含碳球團是具有一定黏結(jié)性的煤與鐵礦粉及熔劑的熱壓產(chǎn)物1 3。與冷固結(jié)含碳球團及其他煉鐵原料相比,熱壓含碳球團為新型優(yōu)質(zhì)煉鐵原料2,具有更好的冶金性能,最突出的是高溫強度及還原性能。由于熱壓含碳球團自身帶有還原劑,煤與礦粉緊密接觸,還原反應(yīng)的動力學(xué)條件得到了顯著改善,而且熱壓含碳球團內(nèi)存在碳氣化和鐵氧化物還原反應(yīng)的耦合效應(yīng)4 6,使整個還原過程變得更為復(fù)雜。國內(nèi)學(xué)者對冷固結(jié)含碳球團進行了大量研究,涉及冷固結(jié)含碳球團的還原機制、冶金性能及還原動力學(xué)等方面7 9,對熱壓含碳球團則較少研

9、究。一般認為含碳球團可以快速還原,并且能夠在氧化性氣氛中還原10。由于熱壓含碳球團與冷固結(jié)球團相比,其固結(jié)機制不同,為此本文主要從反應(yīng)氣氛和反應(yīng)溫度兩方面研究其對熱壓含碳球團還原反應(yīng)進程的影響,考察其在不同氣氛和溫度下的反應(yīng)速率。通過反應(yīng)速率的對比,考察熱壓含碳球團的還原變化規(guī)律。1 試驗1.1 原料制備試驗所用熱壓含碳球團是由棉花堡鐵精礦粉和七臺河煙煤煤粉按一定FC(固定碳/O(摩爾比均勻混合后在一定溫度下熱壓成型的團塊,每個球團中國冶金第21卷重約7.0g ,尺寸21mm 19m m 13mm,熱壓工藝流程示意圖1。試驗過程中為減小熱壓含碳球團中揮發(fā)分對還原失重的影響,在還原試驗開始前將熱

10、壓含碳球團進行適當(dāng)預(yù)處理,試樣的成分見表1。 圖1 熱壓工藝流程Fig.1 Flowchart of hot briquetting process 表1 試驗用熱壓含碳球團試樣的成分(質(zhì)量分數(shù)Table 1 Chemical composition of CC B used inreduction experiments%TFeFeOFe 2O 3M Fe FC其他FC/O (摩爾比1.001.2 試驗方法和裝置選取N 2、CO 、50%CO 50%CO 23種氣氛對熱壓含碳球團進行還原失重試驗,還原溫度分別設(shè)定為900 和1100 。還原失重試驗裝置示于圖2,采用的是東北大學(xué)自制的還原失重

11、檢測爐,加熱體材質(zhì)為Mo Si 2。溫度由計算機控制,試驗爐剛玉管內(nèi)徑50mm,電子天平感量為0.001g 。先升溫,待爐體吊籃處溫度升到試驗溫度后,恒溫0 5h,將熱壓含碳球團試樣裝入吊籃內(nèi),置于反應(yīng)爐管內(nèi)恒溫區(qū)進行還原失重試驗,同時開始記錄數(shù)據(jù)。還原失重由計算機每30s 自動記錄數(shù)據(jù),還原氣體產(chǎn)物的成分由紅外氣體分析儀進行實時檢測。圖2 還原失重試驗裝置Fig.2 Layout of reduction weight loss experim ent system2 結(jié)果及分析2.1 溫度對熱壓含碳球團還原反應(yīng)進程的影響分別研究了在N 2、CO 、50%CO 50%CO 2(體積比氣氛下溫

12、度對熱壓含碳球團反應(yīng)進程的影響,總的氣體流量均為4L/min 。氣氛不變時,不同溫度下熱壓含碳球團還原率隨反應(yīng)時間的變化趨勢如圖3所示。 圖3 同一氣氛下熱壓含碳球團還原率隨不同溫度的變化趨勢Fig.3 Changing tendencies of C CB reduction rate at diff erent temperature with gas composition unchanged18第4期儲滿生等:反應(yīng)氣氛和溫度對熱壓含碳球團還原反應(yīng)進程的影響 由圖3可知,熱壓含碳球團在N 2、CO 、50%CO 50%CO 2氣氛下,1100 時的還原率均高于相應(yīng)的900 時的還原率,同

13、時,熱壓含碳球團整個還原過程均可分為兩個階段。在N 2氣氛與CO 氣氛下,第1階段還原反應(yīng)快速進行,還原率變化很快,遠大于第2階段,而第2階段的還原率變化較慢,還原速率趨于減小;溫度對熱壓含碳球團還原過程的影響非常明顯,即溫度是影響熱壓含碳球團還原的重要因素,溫度越高,越有利于熱壓含碳球團。在N 2氣氛下,還原反應(yīng)10min 、還原溫度為1100 時還原率為84 66%,900 時還原率僅23 73%。但在50%CO 50%CO 2氣氛下,熱壓含碳球團的還原規(guī)律有些特殊,在達到最大還原率后,熱壓含碳球團的還原率有降低的趨勢,如圖3(c所示,還原溫度為900 時,達到最大還原率19 34%后,熱

14、壓含碳球團的還原率開始降低;還原溫度為1100 ,還原率達到66 55%后開始降低。同時在這種氣氛下,隨著溫度的升高,其還原率降低的趨勢越顯著。這種現(xiàn)象主要是由于氣氛中有50%的CO 2的存在,由于隨著還原反應(yīng)的進行,熱壓含碳球團中C 含量的減少,造成還原氣氛的降低,CO 2的弱氧化性則相應(yīng)的增強,造成了先前部分還原產(chǎn)物被氧化。2 2 氣氛對熱壓含碳球團還原反應(yīng)進程的影響溫度不變時,不同氣氛條件下熱壓含碳球團還原率的變化趨勢示于圖4。由圖4(a可知,900 時氣氛對熱壓含碳球團還原反應(yīng)進行的影響比較明顯。在相同的反應(yīng)時間內(nèi),反應(yīng)氣氛為50%CO 50%CO 2、N 2以及CO 時,熱壓含碳球團

15、的還原率依次增大,50%CO 50%CO 2氣氛下還原15m in 時還原率為19 47%,N 2氣氛下的還原率為31 11%,CO 氣氛下的還原率為46 35%。隨著還原反應(yīng)的繼續(xù)進行,不同氣氛條件下的還原率相差愈大。當(dāng)反應(yīng)溫度為1100 時,反應(yīng)氣氛對熱壓含碳球團還原反應(yīng)進程的影響趨于減小,如圖4(b所示。在熱壓含碳球團還原率達到約90%之前,N 2和CO 氣氛下的還原趨勢比較一致。在之后,CO 氣氛下的還原率高于N 2氣氛下的還原率,還原時間為15min 時,CO 氣氛下的還原率為96 97%,N 2氣氛下的還原率為91 46%。但50%CO 50%CO 2(弱氧化性氣氛下,熱壓含碳球團

16、還原率的變化趨勢較為特殊,還原時間為15min 時,還原率為66 85%,之后熱壓含碳球團的還原率開始減小,反應(yīng)35min 時還原率降為53 63%。比較900 和1100 時各氣氛對熱壓含碳球團還原反應(yīng)進程的影響可知,在900 時,還原性氣氛對熱壓含碳球團還原反應(yīng)速率影響較大;而在1100 時,氣氛對熱壓含碳球團還原速度的影響趨于減小。但弱氧化性氣氛對熱壓含碳球團還原反應(yīng)的影響較為特殊,在達到最高還原率之后,隨著反應(yīng)的進行, 熱壓含碳氣團還原率呈降低的趨勢。圖4 同一溫度下熱壓含碳球團還原率隨不同氣氛的變化趨勢Fig.4 Changing tendencies of C CB reducti

17、on rate at diff erent atmosphere with temperature unchanged3 結(jié)語在實驗室條件下,進行了反應(yīng)氣氛和溫度對熱壓含碳球團還原反應(yīng)進程影響的研究,由研究結(jié)果可知:1在中性、還原性、弱氧化性氣氛條件下,溫度19中國冶金第21卷對熱壓含碳球團的還原反應(yīng)進程有顯著的影響,溫度越高,熱壓含碳球團還原速率越快。2熱壓含碳球團整個還原反應(yīng)進程可分為2個階段,第1階段的還原速率明顯大于第2階段。3在還原溫度約為900 時,反應(yīng)氣氛對熱壓含碳球團還原反應(yīng)速率有很大的影響,還原性氣氛對熱壓含碳球團還原反應(yīng)速率影響最大;而在還原溫度約為1100 時,氣氛對熱壓

18、含碳球團還原反應(yīng)速率的影響趨于減小。4弱氧化性氣氛對熱壓含碳球團還原反應(yīng)速率的影響較為特殊,在達到最大還原率之后,隨著反應(yīng)的進行,熱壓含碳球團的還原率有降低的趨勢,溫度越高,其降低趨勢越顯著。參考文獻:1 Kasai A,M atsu i Y,Noma F,et al.Cold Strength Enhancem ent M ech anism of Carb on Com pos ite Iron Ore H ot Briqu ette J.T etsu to Hagan e,2001,87(4:313.2 Naito M.Recent Progres s in Japan ese Stee

19、l IndustryJ.Curr Adv M ater Process,2004,17(2:313.3 儲滿生,王兆才,艾名星,等.熱壓含碳球團冷態(tài)強度的實驗研究J.東北大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2009,30(5:696.4 日本鉄鋼協(xié)會學(xué)會部門高溫 !部會.酸化鉄 炭素還元 基礎(chǔ) 応用M.東京:日本鉄鋼協(xié)會學(xué)會,1999:1. 5 U eki Y,S himizu M,M ats ui Y,et al.Effect of Atmosph ereGas Com position on Reaction Beh avior of Low Por os ity Carb on Composite Ir on Ore PelletJ.T ets u to Hagane,2003,89(12:1205.6 儲滿生,王兆才,柳政根,等.熱壓含碳球團自還原過程限制性環(huán)節(jié)的實驗研究J.過程工程學(xué)報,2010,10(1:121. 7 楊學(xué)民,郭占成,黃大光,等.含碳球團還原機理研究J.化工冶金,1995,16(2:1