摘  要：鋼鐵工業(yè)每年產(chǎn)生大量的可再利用鋼鐵塵泥。本文使用某鋼鐵公司的產(chǎn)生的高含碳瓦斯泥，高含鐵轉(zhuǎn)爐泥，鐵紅以及氧化鐵皮為原料，利用瓦斯泥中的固體C作為還原劑，模擬轉(zhuǎn)底爐工藝生產(chǎn)金屬化球團(tuán)。根據(jù)物料的化學(xué)成分，確定物料配比為瓦斯泥：轉(zhuǎn)爐泥：鐵紅：氧化鐵皮 = 50%:25%:12.5%:12.5%。通過實驗，確定了金屬化球團(tuán)最佳生產(chǎn)工藝為：在球團(tuán)表面覆蓋煤粉確保弱還原氣氛，球團(tuán)C/O摩爾比為1.2，還原溫度為1200℃，還原時間為30min。在此工藝條件下，可以得到金屬化率達(dá)到96%的金屬化球團(tuán)，含碳球團(tuán)脫鋅率達(dá)到98%。

關(guān)鍵詞：含碳鋼鐵塵泥；直接還原；金屬化率

1 實驗原料及設(shè)備

1.1 實驗原料

       本研究以C/O摩爾比為1.2進(jìn)行配料，根據(jù)該廠的鋼鐵塵泥產(chǎn)量以及化學(xué)成分，鋼鐵塵泥物料質(zhì)量配比定為：瓦斯泥：轉(zhuǎn)爐泥：鐵紅：氧化鐵皮 = 50%:25%:12.5%:12.5%。這樣的配比配碳量，物料混合后化學(xué)成分如表1.1。

表1.1  混合塵泥的化學(xué)成分 （%）

       按照以上比例得到的混合料，混合的含鐵品位為48.38%，酸性脈石成分比例較少，二元堿度R（CaO/SiO2）為0.8，混合塵泥含硫0.53%，低磷，含有0.86%的鋅。

1.2 實驗設(shè)備

       實驗設(shè)備有馬弗爐，坩堝，電子天平，電熱鼓風(fēng)干燥箱，照相設(shè)備、鉑銠熱電偶等等。馬弗爐采用硅碳棒作為加熱材料，采用PID可控硅程序控制升溫，坩堝采用剛玉坩堝和石墨坩堝。

2 實驗方案

       本實驗考察了還原氣氛，還原溫度對含碳球團(tuán)直接還原的影響。

（1）不同還原氣氛

       實驗考察了三種不同氣氛的還原效果。一、采用石墨坩堝，球團(tuán)表面覆蓋煤粉，煤粉在球團(tuán)表面燃燒形成的弱還原氣氛；二、采用剛玉坩堝，球團(tuán)表面不覆蓋煤粉的氣氛條件，為弱氧化氣氛；三、爐內(nèi)通入惰性氣體的保護(hù)氣氛。

        通過實驗比較這三種氣氛條件下球團(tuán)金屬化率隨時間的變化關(guān)系。

（2） 不同溫度條件

       通過研究文獻(xiàn)資料[1~4]試驗溫度選擇了1100℃、1150℃、1200℃、1250℃四個溫度，以考察溫度對含碳球團(tuán)金屬化率的影響。

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 氣氛條件對金屬化率的影響

實驗在1150℃恒溫條件下進(jìn)行。實驗結(jié)果見圖1。

 
                 圖1  1150℃不同氣氛條件下金屬化率 (%)

        從實驗結(jié)果來看，弱還原氣氛條件下金屬化率最高，惰性氣體保護(hù)氣氛優(yōu)于弱氧化氣氛。1150℃最高金屬化率分別達(dá)到95.72%、92.35%、90.58%。原因是弱還原氣氛條件下，球團(tuán)表面的CO濃度高于惰性氣體氣氛和弱氧化氣氛，有利于化學(xué)反應(yīng)向右進(jìn)行，提高金屬化率。

FeO + CO ↔Fe + CO2                             （3.1）

        比較還原速率可見，前15分鐘，三種氣氛條件的還原速率相差不大，但是15分鐘之后，弱還原氣氛條件下的還原速率比其他兩種氣氛還原速度快。分析原因，弱還原氣氛條件下，球團(tuán)外圍煤粉不完全燃燒產(chǎn)生大量的CO，CO濃度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于惰性氣氛和弱氧化氣氛。外圍的高濃度CO不僅阻止了爐氣中氧氣的再氧化作用，同時CO、煤粉的燃燒帶來了額外的熱量補(bǔ)償，形成了局部高溫高CO濃度的還原條件，提高的化學(xué)反應(yīng)速度[5]。

        弱氧化氣氛條件下，最高金屬化率由于CO2 的再氧化作用，金屬化率低于弱還原氣氛，隨著球團(tuán)內(nèi)固體碳的逐漸消耗，30分鐘之后金屬化率下降。由此考慮，在實際轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)過程中，如果對料層噴吹一定量的煤粉，形成局部弱還原氣氛，可減少再氧化現(xiàn)象的發(fā)生。

3.2 溫度條件對金屬化率的影響

       溫度是化學(xué)平衡和化學(xué)反應(yīng)速率的決定性因素，在含碳球團(tuán)的還原過程中，溫度條件的影響至關(guān)重要。本實驗中，球團(tuán)表面覆蓋煤粉，不同溫度條件下試驗實驗結(jié)果見圖2，圖3。

       從實驗結(jié)果來看，提高爐內(nèi)溫度有利于縮短還原時間，提高金屬化率。前25分鐘，1200℃和1250℃還原速率快而且金屬化率高于其他溫度組。20分鐘，1200℃金屬化率達(dá)90.58%，1250℃金屬化率達(dá)95.82%。試驗中發(fā)現(xiàn)1200℃條件下，含碳球團(tuán)表面雖然有少量渣相出現(xiàn)，但是球團(tuán)仍然保持固體形態(tài)，金屬化率在30分鐘可達(dá)96.83%；在1250℃條件下試驗時，球團(tuán)在前25分鐘仍然以固-固還原為主，金屬化率在20分鐘就達(dá)到95.82%，25分鐘之后，隨著金屬鐵的滲碳以及渣相的形成，金屬鐵與渣相開始軟熔塌陷，并且在25分鐘之后有金屬鐵生成，金屬鐵和渣混合在一起分離效果并不是很好，而且經(jīng)常發(fā)生液態(tài)渣相膨脹流出坩堝的現(xiàn)象。

 
                         圖2  不同溫度條件下金屬化率所時間變化關(guān)系（%）

圖3  不同溫度條件下還原20分鐘之后金屬化率時間變化關(guān)系 (%)

       在轉(zhuǎn)底爐實際生產(chǎn)過程中，球團(tuán)保持固體有利于生產(chǎn)操作，一旦球團(tuán)熔化生成液態(tài)渣和鐵，將嚴(yán)重干擾生產(chǎn)實際操作。故而采用1200℃作為最佳溫度條件。由試驗結(jié)果可知，溫度1200℃，還原30min，球團(tuán)金屬化率可達(dá)96%以上。

3.3 脫鋅實驗研究

      要實現(xiàn)鋅（Zn）與球團(tuán)分離，只能通過將ZnO還原為Zn，讓Zn揮發(fā)，再加以收集或再氧化成ZnO收集[6]。
ZnO(s)+CO(g)=Zn(g)+CO2(g)                              (3.2)
ZnO(s)+C(s)=Zn(g)+CO2(g)                                (3.3)
      將C/O摩爾比1.2的含碳球團(tuán)放入石墨坩堝，球團(tuán)表面覆蓋煤粉弱還原氣氛條件下，1200℃進(jìn)行還原實驗，等球團(tuán)放入1min后，開始計時。試驗時間分為5min，10min，15min，20min，25min，30min。實驗結(jié)果見圖4。

 
圖4  1200℃弱還原氣氛下不同時間脫鋅率隨時間變化

       實驗結(jié)果表明，在球團(tuán)表面覆蓋煤粉弱還原氣氛條件，1200℃進(jìn)行還原，含碳球團(tuán)的脫鋅速率快，脫鋅率很高，20分鐘脫鋅率就能能達(dá)到91%，30分鐘達(dá)到98.63%，金屬化球團(tuán)的殘余含鋅量不足0.01%。

4結(jié)論

本實驗結(jié)果表明：
       (1)本文實驗結(jié)果表明，在含碳球團(tuán)表面覆蓋煤粉時，球團(tuán)還原速率和最高金屬化率優(yōu)于弱氧化氣氛和惰性氣體保護(hù)氣氛，其中金屬化率比弱氧化氣氛高4%。弱氧化氣氛，球團(tuán)在還原后期會出現(xiàn)再氧化現(xiàn)象，金屬化率下降。在實際轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)過程中，可以對料層噴吹一定量的煤粉，減少再氧化的發(fā)生。

       (2)還原溫度的升高，含碳球團(tuán)的金屬化率提高，還原度速率加快。因此，適當(dāng)提高爐內(nèi)溫度有利于縮短還原時間，提高金屬化率。前25min，1200℃和1250℃還原速率快而且金屬化率高于其他溫度組，最高金屬化率達(dá)到96%。但是溫度升高超過1250℃，會出現(xiàn)液態(tài)渣相，不利于實踐操作。

       (3)金屬化球團(tuán)最佳生產(chǎn)工藝為球團(tuán)表面覆蓋煤粉的弱還原氣氛條件，還原溫度為1200℃，還原時間為30min，此時可以得到金屬化率為96%的金屬化球團(tuán)。在本工藝條件下，脫鋅率達(dá)到98%。

參考文獻(xiàn)

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[4] Kazuya Miyagawa.Development of the Fastmet as a new direct reduction process.Ironmaking Conference Proceedings,ISS,Warrendale,PA，1998,57：877~881.
[5]汪  琦.鐵礦含碳球團(tuán)技術(shù)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2005:38～39.
[6]黃  煒,謝頌明.鋅焙砂還原焙燒工藝的試驗研究.有色冶煉,2000,8(29):31～33.