抑制鐵礦粉多級流化還原粘結(jié)失流研究

抑制鐵礦粉多級流化還原粘結(jié)失流研究流態(tài)化氣基還原煉鐵直接以粉礦為原料,省去了球團(tuán)、燒結(jié)和煉焦等工序,是一種很有發(fā)展前景的直接還原煉鐵技術(shù)。隨著優(yōu)質(zhì)鐵礦資源的減少,選礦后得到的礦粉中細(xì)粉（粒度在100um左右）含量越來越高。這些細(xì)粉具有較高的還原速率,可以充分發(fā)揮流態(tài)化煉鐵技術(shù)的優(yōu)勢,然而其在高溫氣基流化還原過程中,由于顆粒表面粘性增大或者鐵晶須的生成較易發(fā)生粘結(jié)并形成大聚團(tuán),繼而導(dǎo)致整個床層的失流,會對穩(wěn)定生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響。針對這一問題,本文以鐵礦粉在不同多級流化還原工藝中出現(xiàn)的中間產(chǎn)物（如低金屬化率顆粒、Fe304、FeO和富碳顆粒等）為研究對象，通過模擬工業(yè)上的多級流化還原系統(tǒng),提出了一系列高效的抑制粘結(jié)失流方法,并對其作用機(jī)制進(jìn)行了深入研究。本文所取得的主要研究成果如下:揭示了還原條件對多級流化還原預(yù)還原段低金屬化率顆粒表面鐵析出形貌及其粘結(jié)行為的影響規(guī)律，提出了調(diào)控鐵析出形貌抑制鐵礦粉多級流化還原粘結(jié)失流的操控方法。研究表明在CO中混入H2可以加快鐵晶粒的生長速率，同時增加還原初期礦粉表面的鐵形核數(shù)量，導(dǎo)致礦粉表面新生成的金屬鐵由晶須狀轉(zhuǎn)變?yōu)橹旅軤?。隨著CO-CO2中CO2含量的升高，礦粉表面新生成的金屬鐵會由〃鋒利〃的晶須狀轉(zhuǎn)變?yōu)?仙人掌狀"，并且表面鐵的分布密度會變小。隨著還原溫度的降低，礦粉表面鐵晶須的強(qiáng)度會變?nèi)?。這些均可以顯著減少低金屬化率顆粒流化還原過程中形成的聚團(tuán)量。此外，在預(yù)還原段將低金屬化率顆粒表面的鐵析出形貌由晶須狀轉(zhuǎn)變?yōu)橹旅軤?，可以有效降低防止深還原段高金屬化率顆粒失流的MgO加入量。揭示了MgO對多級流化還原過程中不同價態(tài)鐵氧化物礦粉粘結(jié)失流的抑制機(jī)制，提出了添加MgO抑制鐵礦粉多級流化還原粘結(jié)失流的較優(yōu)加入時段。MgO與不同價態(tài)鐵氧化物間的界面反應(yīng)行為表明，在中低溫(700和800°C)下MgO對Fe2O3、Fe3O4和FeO礦粉粘結(jié)失流的抑制作用主要是物理阻隔效應(yīng)。在高溫(900C)下對于主要成分為Fe2O3的礦粉來說,物理阻隔效應(yīng)依然是主要抑制作用；對于主要成分為Fe3O4和FeO的礦粉來說，化學(xué)反應(yīng)形成的阻隔層是抑制粘結(jié)失流的主要原因，并且MgO在FeO礦粉表面形成的化學(xué)阻隔層厚度大于其在Fe3O4礦粉表面形成的?；瘜W(xué)阻隔層比物理粘附引起的抑制作用更加有效。因此在Fe3O4和FeO穩(wěn)定存在的多級流化還原工藝中，加入MgO對高溫下粘結(jié)失流的抑制效果由強(qiáng)到弱可按如下順序排列:FeO>Fe3O4>Fe2O3。還原實驗結(jié)果表明加入MgO抑制粘結(jié)失流對鐵礦粉還原速率的影響較小。制備新型添加劑CaO/Fe2O3強(qiáng)化了鈣組分對鐵礦粉流化還原過程中粘結(jié)失流的抑制效果，并揭示了其抑制機(jī)制。研究表明分析純CaO粉末和Ca(NO3)2*4H20分解產(chǎn)生的CaO對粘結(jié)失流的抑制作用較弱,而Fe(NO3)3?9H20和Ca(NO3)2?4H20混合物分解產(chǎn)生的CaO/Fe2O3具有較好的抑制效果。CaO/Fe2O3的還原結(jié)果表明Ca組分主要通過物理阻隔效應(yīng)抑制粘結(jié)失流。微觀組織結(jié)構(gòu)觀察表明CaO/Fe2O3不僅可以抑制〃鋒利〃尖狀鐵的生成，還可以使Ca組分緊密地包覆在粘性鐵表面，從而降低其表面粘性。此外,研究表明引入Fe2O3強(qiáng)化性能較差添加劑對粘結(jié)失流的抑制效果具有普適性。揭示了鐵礦粉多級流化還原過程中的碳沉積和演變行為，發(fā)現(xiàn)沉積碳不僅是還原過程中礦粉顆粒粘結(jié)的抑制劑，還是性能優(yōu)越的固相還原劑。高還原勢、低溫及H2的引入可以加速多級流化還原預(yù)還原段碳的沉積，尤其是石墨型游離碳的沉積。石墨型游離碳可以抑制鐵晶須生成,降低顆粒表面粘性,從而防止礦粉顆粒在高溫深還原中發(fā)生粘結(jié)。高溫深還原中石墨型游離碳和碳化鐵均會通過氣化反應(yīng)和固相還原反應(yīng)被消耗,并且石墨型游離碳的反應(yīng)活性高于碳化鐵。為了強(qiáng)化流態(tài)化技術(shù)在直接還原煉鐵中的應(yīng)用,提出了利用高活性沉積碳通過固固反應(yīng)將鐵礦粉還原至較高金屬化率的方法,并且證明了它的可行性。綜上所述,本文圍繞抑制鐵礦粉多級流化還原粘結(jié)失流展開,基于鐵礦粉在不同工藝中的演變特性,提出了一系列高效的操控方法,如調(diào)控鐵析出形貌抑制多級流化還原預(yù)還原段低金屬化率顆粒的粘結(jié),同時減少防止深還原段高金屬化率顆粒失流的MgO加入量;在多級流化還原的FeO段加入MgO,利用高溫下固固反應(yīng)形成的化學(xué)阻隔層高效地抑制粘結(jié)失流;制備新型抑制粘結(jié)失流添加劑CaO/Fe2O3,強(qiáng)化Ca組分對粘結(jié)失流的抑制效果。