含碳球團豎爐直接還原試驗研究

1、含碳球團豎爐直接還原試驗研究周渝生 曹傳根 齊淵洪 任志國 許海川(上海寶鋼研究院 (鋼鐵研究總院孔令壇 黃典斌(北京科技大學(xué)摘要 文中報告了900970 下含碳球團豎爐直接還原熱模擬試驗的結(jié)果,試驗結(jié)果表明:含碳4%8%冷固結(jié)含碳球團的冶金性能,可以滿足豎爐直接還原的要求;同時發(fā)現(xiàn)在含碳球團豎爐直接還原過程中,仍以氣體還原為主,但固體碳直接還原的比例隨溫度升高而增加。并研究了含碳球團豎爐直接還原的規(guī)律和工藝參數(shù)。關(guān)鍵詞 直接還原 冷固結(jié)球團 含碳球團 豎爐Experimental Investigation of the Direct Reduction ofCarbon bearing P

2、ellets in a S haft FuranceZhou Y usheng Cao Chuangeng(Shanghai Baosteel Research InstituteQ i Y uanhong Ren Zhiguo Xu Haichuan(Central Iron and Steel Research InstituteKong Lingtan Huang Dianbin(University of Science and Technology BeijingABSTRACT The article describes the hot simulated test results

3、 of direc t reduc tion using cold bonded pellets bearing4%8%carbon at900970 in a shaft furnace.The results indicate that the metallurgical properties of the cold bonded carbon bearing pellets can satisfy the demand of the direct re duction in a shaft furnace;and the process is dominated by the gas r

4、eduction while the direct reduction ra tio of solid carbon increases with the raising of temperature.The features and parameters of this direct re duction process are investigated.Key Words Direct reduction C old bonded pellet Carbon bearing pellets Shaft furnace1 引言冷固結(jié)含碳球團具有良好的冶金性能,如軟化溫度較高,還原速度快,自還

5、原及抗氧化能力強等,近幾年逐漸被應(yīng)用于直接還原和熔融還原等冶金工藝中。但由于冷固結(jié)球團未經(jīng)過高溫焙燒,其應(yīng)用僅限于轉(zhuǎn)底爐等對原料強度要求不高的工藝中。冷固結(jié)含碳球團能否應(yīng)用于生產(chǎn)效率周渝生 教授級高工 寶鋼技術(shù)專家 1945年生 1968年畢業(yè)于東北大學(xué) 現(xiàn)從事鋼鐵冶金 電話 56648978郵編 201900高,對原料強度要求嚴(yán)的豎爐直接還原工藝中,是人們一直所關(guān)注的焦點問題。為了開發(fā)熔融還原的預(yù)還原技術(shù),通過試驗,測試、分析了冷固結(jié)含碳球團的冶金性能,并在此基礎(chǔ)上進一步研究了其在直接還原豎爐中的還原行為和還原特性。2 試驗條件試驗中所用的冷固結(jié)球團由精礦粉、煤和某種粘結(jié)劑制成,冷固結(jié)球團為

6、 12 8m m的扁球。精礦粉和煤粉的化學(xué)組成如表1和表2所311999年第5期 寶 鋼 技 術(shù)示。表3為還原氣的化學(xué)組成。表1 鐵精礦粉的化學(xué)組成%TFe FeO Si O 2CaO MgO Al 2O 364 7425 338 200 430 480 64表2 煤粉的化學(xué)組成%C fix V A S H 2O 78 339 6511 620 356 7 表3 還原氣的化學(xué)組成%CO H 2CO 2N 2O 289 337 412 510 100 65冷固結(jié)球團冶金性能的測試采用國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 和中國國家標(biāo)準(zhǔn)GB 方法進行,測試指標(biāo)主要包括干球團抗壓強度、815 熱還原強度、還原軟化溫度和還

7、原膨脹率。 還原試驗在 100 2300mm 的豎爐中進行(圖1,設(shè)備總高度為4 8m 。還原氣體經(jīng)加熱爐預(yù)熱后進入豎爐,逆流加熱球團并使之還原。還原廢氣由爐頂料倉底部引出并點燃。球團由爐頂料倉連續(xù)加入到豎爐中,還原產(chǎn)品經(jīng)圓盤排料機排入貯料罐中并進行冷卻,以防止產(chǎn)品再氧化。 圖1 試驗設(shè)備及試驗流程1 閥門;2 爐頂料倉;3 豎爐;4 爐體補償熱源;5 排料機;6 儲料罐;7 儲運料車;8 煤氣排出口;9 煤氣加熱爐;10 流量計;11 調(diào)壓閥;12 煤氣瓶; 13 取氣與測溫口3 試驗結(jié)果及討論3 1 冷固結(jié)含碳球團的冶金性能圖2和圖3分別為干球強度和熱還原抗壓強度與球團配碳量的關(guān)系。由圖可

8、知,無論是干球強度還是熱還原抗壓強度都是隨著配碳量的增加而降低的。圖2干球抗壓強度與配碳量的關(guān)系圖3 熱抗壓強度與配碳量的關(guān)系注:還原溫度815 ,在CO/CO 2=80/20中還原60min,熱態(tài)測定球團抗壓強度圖4和圖5分別為球團的開始軟化點和球團的線膨脹率與配碳量間的關(guān)系,二者都隨配碳量的增加而降低。對于上述各項指標(biāo),除還原線膨脹率外,過高的配碳量會使其冶金性能降低。因此,為使冷固圖4 球團的開始軟化點與配碳量的關(guān)系32 寶 鋼 技 術(shù) 1999年第5期圖5 球團的線膨脹率與配碳量的關(guān)系結(jié)球團具有較好的冶金性能,滿足豎爐還原要求,其配碳量不宜太高。影響球團冶金性能的因素很多,鐵精礦本身的

9、結(jié)構(gòu)和組成以及配用的煤種選擇是非常重要的。應(yīng)盡可能選取灰分、揮發(fā)分都較低的煤種。盡管如此,冷固結(jié)球團的大部分冶金性能仍明顯優(yōu)于氧化球團,其開始軟化溫度比氧化球團高50100 ,而其還原線膨脹率則比氧化球團低5%以上,這一點對豎爐直接還原的操作和提高效率是非常有利的。雖然冷固結(jié)球團的干球抗壓強度和熱還原強度低于氧化球團,但在一定的配碳量范圍內(nèi),冷固結(jié)球團仍能滿足豎爐直接還原的要求。本試驗研制的冷固結(jié)球團的冶金性能所能達到的指標(biāo)如下:含碳<17%球團平均干球抗壓強度>600N/個球;含碳<10%球團平均干球抗壓強度> 1000N/個球;含碳<10%的球團815 平均熱

10、還原強度> 200N/個球;含碳<10%的球團的開始軟化溫度> 1000 ;含碳球團的還原線膨脹率<10%3 2 冷固結(jié)球團的豎爐直接還原3 2 1 還原行為及特性圖6,7為溫度和停留時間與含碳球團金屬化率之間的關(guān)系。溫度越高,還原速度越快,即在同一停留時間內(nèi),可以達到更高的還原度。而在同一還原溫度下,停留時間越長,達到的還原度也越高。由于初始反應(yīng)必須要越過較大的能峰,即存在所謂的誘導(dǎo)期,因此在金屬鐵析出以前,還原速 度很慢。但一旦有金屬鐵析出,由于其催化作用,還原速度明顯加快。而在還原后期,還原速度又將減慢,主要是由于形成的致密鐵層阻塞了鐵離子和氣體的擴散通道。整個還

11、原過程的變化正如圖6,7中的曲線所示。圖6 還原溫度與金屬化率的關(guān)系圖7 停留時間與金屬化率的關(guān)系冷固結(jié)球團在豎爐還原氣氛中的直接還原包括氣體及固體碳與鐵氧化物還原反應(yīng)兩部分。圖8為豎爐上部還原煤氣成分分析,圖中還原溫度930 ,煤氣進氣高度為0m。圖9為含碳球團氣體還原和固體碳還原所占比例隨溫度的變化。由圖9可知,溫度較低時,以氣體還原為主,固體碳還原所占比例較小,但固體碳還原的比例隨著溫度的提高而逐漸增加。在豎爐中冷固結(jié)球團的還原行為與氧化球團類似。然而,冷固結(jié)球團可以在較高的溫度范圍內(nèi)還原,并能比氧化球團獲得更高的還原速度,一方面是由于冷固結(jié)球團的軟化溫度較高,另一方面是由于球團內(nèi)均勻分

12、布的碳粉改善了傳質(zhì)條件,加快了還原反應(yīng)速度。球團內(nèi)的碳除還原消耗球團重量的3%5%外,一部分將殘留在金屬33周渝生等 含碳球團豎爐直接還原試驗研究 化球團中,這部分殘?zhí)紝τ诜乐巩a(chǎn)品的再氧化起到一定的保護作用。 圖8豎爐上部還原煤氣成分分析 圖9 氣體還原和碳還原所占比例與溫度的關(guān)系3 2 2 順行操作保持順行操作是冷固結(jié)含碳球團豎爐直接還原的關(guān)鍵技術(shù)之一,而保持順行操作的最重要的措施之一又是如何防止還原過程發(fā)生懸料。影響懸料的因素很多,除爐料本身的性質(zhì)外,操作參數(shù)和操作方式的選擇是十分重要的。(1還原溫度的影響如果還原溫度超過球團的開始軟化溫度,那么下降至高溫區(qū)的爐料由于受到上部物料的重力作用

13、,會發(fā)生軟化和膨脹,并對爐墻產(chǎn)生較大的徑向擠壓力,使?fàn)t料和爐墻間的摩擦力增大,同時也增加了氣體向上流動的阻力,最終將導(dǎo)致懸料。(2下料速度的影響下料速度的確定主要是依據(jù)反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)尺寸和高溫區(qū)的長度,原則是要保證爐料在高溫區(qū)有足夠的停留時間以達到預(yù)定的金屬化率,同時還必須考慮下降速度對順行操作的影響。試驗中發(fā)現(xiàn),在熱態(tài)還原過程中,當(dāng)料面下降線速度小于0 3m/h 時,很快就會發(fā)生懸料,而當(dāng)線速度大于0 3m/h 時,則連續(xù)操作一直能夠保持順行而無懸料發(fā)生。對于結(jié)構(gòu)尺寸不同的反應(yīng)器,下料線速度完全取決于產(chǎn)品的排料速率。如果排料速率很小,下部物料作用于某一截面上的壓力就會比高排料速率時增加許多,同

14、時料層會變得越來越致密,爐料與爐墻間以及球團間的摩擦阻力增加,因此懸料很容易發(fā)生,特別是在爐料的形狀不規(guī)則和局部過熱時。(3系統(tǒng)中空氣或氧含量的影響在試驗中,如果在裝料前不用N 2清洗系統(tǒng),還原1小時后懸料就會發(fā)生。根據(jù)取樣分析和溫度分布,發(fā)現(xiàn)懸料時400 以上區(qū)域內(nèi)的爐料都成為死料柱,而球團卻沒有變形。巖相分析表明,這種形式的粘結(jié)是由球團表面粘結(jié)引起的。粘結(jié)的原因是系統(tǒng)內(nèi)氧氣引起球團表面煤粉或還原鐵粉燃燒使表面局部過熱,并將燃燒產(chǎn)生的灰渣熔融,從而導(dǎo)致粘結(jié)。如果裝料前用N 2將剩余空氣趕盡,并防止氧氣滲入系統(tǒng),懸料就不再發(fā)生。因此,為防止懸料并保持操作順行,首先要使還原溫度低于冷固結(jié)球團的開

15、始軟化溫度,其次是要保持適宜的下料線速度,此外,在裝料前要用惰性氣體置換法趕盡系統(tǒng)中的空氣或氧氣。3 3 冷固結(jié)球團豎爐直接還原基本工藝參數(shù)根據(jù)上述試驗結(jié)果和能量平衡計算,可以得到冷固結(jié)含碳球團豎爐直接還原比較適宜的基本工藝參數(shù):還原溫度: 900970DRI 還原煤氣量:12001400m 3/t 總停留時間:35h高溫區(qū)停留時間:4060min 下料線速度:>0 3m/h在以上條件下,可以保持豎爐順行操作,金屬化率大于85%,設(shè)備的總?cè)莘e利用系數(shù)可達8t/(d m 3左右。4 結(jié)論(1冷固結(jié)含碳球團的冶金性能能夠滿足豎爐直接還原工藝的要求。由于具有較高的軟化溫(下轉(zhuǎn)第49頁34 寶

16、鋼 技 術(shù) 1999年第5期水溫度的控制精度。4 導(dǎo)電磚的應(yīng)用從1997年10月開始試用導(dǎo)電磚。導(dǎo)電磚尺寸為455mm 153mm 75mm,砌筑在中間包的注流區(qū),中間包永久襯整體澆注時預(yù)留位置,從包底一直砌到中間包上沿(如圖5,采用本項目研制的導(dǎo)電火泥砌筑。隨中間包噴涂料中溫烘烤后, 投入等離子加熱使用。圖5 導(dǎo)電磚砌筑位置示意圖按研制配方試生產(chǎn)的導(dǎo)電磚,在東北大學(xué)測定了電阻率,并進行了熔蝕試驗和等離子熱負(fù)荷模擬試驗。實爐使用試驗表明,研制導(dǎo)電磚在熔損、加負(fù)荷起弧、電參數(shù)控制和用導(dǎo)電陰極磚后引起的電壓降等方面都優(yōu)于進口磚。1997年生產(chǎn)了首批近40t 研制陰極磚,當(dāng)時,陰極磚砌筑在中間包注流

17、區(qū)的側(cè)壁,澆注后中間包噴涂料解體時很容易掉磚,所以陰極磚用量多,3個月竟用了35t(進口磚20t,研制磚15t,屬異常消耗。1998年2月后,將陰極磚改砌于中間包注流區(qū)前面(二堰之間的底部,砌筑部位改進后,陰極磚的使用較正常,翻包掉磚現(xiàn)象基本不再發(fā)生。5 結(jié)語(1采用高純電熔鎂砂、高純石墨、熱固性酚醛樹脂和復(fù)合抗氧化劑制成的導(dǎo)電磚,能滿足電爐廠等離子加熱工藝的要求。(2研制的國產(chǎn)導(dǎo)電磚導(dǎo)電性能優(yōu)于進口磚,抗蝕和抗氧化性能也較好,使用壽命與進口導(dǎo)電磚相當(dāng)。(3導(dǎo)電磚實現(xiàn)了國產(chǎn)化,節(jié)約了外匯,具有一定的經(jīng)濟效益和社會效益。編輯 劉宏娟(改稿時間 1999年6月20日(上接第34頁度及其一定的碳含量,其還原可以在較高的溫度下進行并可獲得較高的還原速度。(2冷固結(jié)球團在豎爐煤氣直接還原過程中,氣體還原鐵氧化物的反應(yīng)占主導(dǎo)