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董方　王南　那樹人　王超一

關(guān)鍵詞：回轉(zhuǎn)窯；直接還原；金屬化率；直接還原鐵
中圖分類號：TF748.91；TF111.13　　　文獻標(biāo)識碼：A
摘　要：研究了實驗室轉(zhuǎn)鼓模擬回轉(zhuǎn)窯裝置中直接還原鐵的生產(chǎn)工藝.討論了配碳比、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間等工藝參數(shù)對金屬化率、脫硫率等回轉(zhuǎn)窯直接還原鐵的主要質(zhì)量指標(biāo)的影響，提出了本實驗原料條件下，回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)直接還原鐵的最佳工藝參數(shù).

Experimental investigation on rotary kiln DRI production

DONG Fang　NA Shu-ren
Department of Metallurgical and Chemical Engineering,UIST Baotou,Baotou 014010,China;
WANG Nan
Scientific Research Office,UIST Baotou, Baotou 014010,China;
WANG Chao-yi
Taiyuan Iron and Steel Company,Taiyuan 030000,China)

Key words:rotary kiln;direct reduction;the degree of metallization;DRI
Abstract:DRI production process of simulating tests of rotary in laboratory is studied. Influence of carbon capacity adding, reduction time,reduction temperature on the degree of metallization,sulphur content of rotary kiln DRI is analysed. The best direct reduction process parameter of rotary kiln DRI production in this raw material conditions is proposed.

　　直接還原按使用還原劑的不同，可分為氣體還原劑法和固體還原劑法.固體還原劑法主要是回轉(zhuǎn)窯法，氣體還原劑法主要是豎爐法(Midrex,Armco等)、罐式法(HYL)、流化床法.氣體還原劑法一度曾是直接還原法的主要工藝流程，但由于油氣資源的地理分布不均勻，價格昂貴，這種方法僅用于油氣資源豐富的地區(qū).煤資源在世界能源分布中占很大比例，許多國家都在大力開發(fā)以煤為還原劑的固體還原劑法，這種方法的主導(dǎo)工藝是煤基回轉(zhuǎn)窯直接還原法^〔1〕.
　　回轉(zhuǎn)窯直接還原法除適應(yīng)了焦煤資源日益匱乏的形勢外^〔2〕，還具有以下特點：(1)對原煤有廣泛的適應(yīng)性，在滿足燃料的灰分熔點條件下，幾乎各種固態(tài)還原劑，如：無煙煤、煙煤、褐煤和焦粉都可采用.對于礦石則貧礦、富礦都可用于回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)，這一點對于煤資源豐富、大部分礦石資源為貧礦的中國具有更重要的意義.(2)回轉(zhuǎn)窯直接還原產(chǎn)品(海綿鐵、金屬化球團)在鋼鐵生產(chǎn)中主要作為廢鋼代用品，為電爐煉鋼提供優(yōu)質(zhì)鐵資源，滿足電爐生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鋼材的需要.回轉(zhuǎn)窯直接還原產(chǎn)品海綿鐵的粒度均勻，性能穩(wěn)定，更有利于實現(xiàn)電爐進料操作自動化，縮短冶煉周期^〔3〕.(3)回轉(zhuǎn)窯直接還原工藝與傳統(tǒng)的高爐煉鐵工藝相比較，其設(shè)備簡單，投資少，效益明顯，適用于地方鋼鐵工業(yè)，彌補了高爐—轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)工藝的不足.(4)回轉(zhuǎn)窯工藝還適合于復(fù)合礦冶煉，冶金灰塵及各種工業(yè)廢渣的回收利用，減少環(huán)境污染，降低了鋼鐵生產(chǎn)能耗^〔4〕.這些特點使得回轉(zhuǎn)窯直接還原生產(chǎn)具有迅速發(fā)展的可能.目前，回轉(zhuǎn)窯直接還原工藝已成為現(xiàn)代鋼鐵工業(yè)的重要組成部分.
　　本文以大同煤礦煤為還原劑，以峨口鐵礦氧化球團為原料，進行了回轉(zhuǎn)窯直接還原的實驗研究.

1　實驗方法
　　實驗是在0.1 kg級模擬回轉(zhuǎn)鼓實驗裝置上進行的，利用電加熱煤粉還原劑燃燒進行還原反應(yīng).實驗裝置簡圖見圖1.

圖1　實驗室模擬回轉(zhuǎn)鼓裝置簡圖

Fig.1　Schematic diagram of test device

1.轉(zhuǎn)鼓；2.電爐；3.傳動裝置；4.控溫?zé)犭娕迹?span lang="EN-US">5.控溫裝置和電源；6.測溫?zé)犭娕?/span>

　　實驗前先通電升溫，并稱取實驗用氧化球團100 g，待轉(zhuǎn)鼓溫度升至800 ℃，恒溫時加入氧化球團至轉(zhuǎn)鼓內(nèi)，按照具體實驗的還原劑用量加入煤，同時加入氧化球團質(zhì)量10%的石灰石，以達到去S目的，石灰石粒度范圍為0.25～4.00 mm，升溫至還原溫度之后恒溫到規(guī)定時間，轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速為1 r/min，轉(zhuǎn)鼓傾斜度為2%，還原結(jié)束后斷電，將轉(zhuǎn)鼓取出并使其隔絕空氣水冷到室溫，從轉(zhuǎn)鼓內(nèi)取出試樣，進行磁選分離直接還原鐵.

2　原料的物理化學(xué)性質(zhì)
　　實驗研究太原峨口礦氧化球團，其化學(xué)成分及性能見表1和表2.

表1　實驗用峨口球團礦化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

Table 1　Chemical composition of Ekou pellets ore

表2　峨口氧化球團性能

Table 2　Properties of Ekou oxidizing

注：抗壓強度值為20個氧化球團的平均值.

　　實驗用煤是大同煙煤，其粒度范圍選擇0.45～5.00 mm，軟化溫度為1 250 ℃，化學(xué)成分見表3.

表3　實驗用煤工業(yè)分析及元素分析(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

Table 3　Chemical composition of coals

3　實驗方案及參數(shù)選擇
　　影響回轉(zhuǎn)窯直接還原鐵產(chǎn)品質(zhì)量的因素很多，但對產(chǎn)品的金屬化率η、硫含量影響較大的因素是加入還原劑煤量、還原溫度和還原時間^〔5〕.本實驗以這3個參數(shù)為變量，檢測了其對金屬化率、硫含量等結(jié)果的影響^〔6〕，并根據(jù)反應(yīng)過程及還原劑、礦石性質(zhì)，進行了探索實驗，選擇了各參數(shù)水平.
3.1　還原煤加入量及粒度選擇
　　由表3實驗用煤的工業(yè)分析計算實際煤固定碳含量，即

式中，w(C,ad)為還原煤固定碳含量；w(H₂O,ad)為還原煤水分含量.
　　全鐵全部按Fe₂O₃計算，化學(xué)反應(yīng)為：

Fe₂O₃+3C=3CO+2Fe.

　　由表1知，氧化球團w（Fe，tot）=61.73%，取100g，反應(yīng)中配碳比即還原煤的過剩系數(shù)為a，實際加入還原煤量=（19.84/0.5293）a，實驗時選取碳的過剩系數(shù)a為1.2,1.5,2.0,2.5,2.8.實驗還原煤配比與加入反應(yīng)煤量的關(guān)系見表4.還原煤過剩系數(shù)即煤配比的選擇主要為保證轉(zhuǎn)鼓內(nèi)呈還原性氣氛,同時,多余的煤可形成保護層以免還原球再氧化.

表4　配碳比與加入反應(yīng)煤量的關(guān)系

Table 4　Relation between carbon surplus rate and coal adding capacity

注：反應(yīng)煤量單位為克

　　還原煤的粒度主要決定于煤的熱穩(wěn)定性.熱穩(wěn)定不好，煤的粒度選擇要大一些，反之，粒度小一些.初步實驗結(jié)果表明，大同煤礦煤熱穩(wěn)定性比較好，所以粒度選擇比較小，本實驗中還原煤粒度選擇在0.45～5.00 mm，主要由于實驗很小，轉(zhuǎn)鼓內(nèi)料層很薄(據(jù)測定只有一個氧化球的直徑高)，不易產(chǎn)生爐料的偏析，粒度選擇小一些，利于氧化球的還原.
3.2　還原溫度的選擇
　　溫度對于還原反應(yīng)、傳熱、球團的表面沾結(jié)和球團的相互沾結(jié)有很大影響.還原溫度的選擇應(yīng)考慮煤的反應(yīng)性和軟熔溫度、　球團的還原性和軟化溫度.實驗用煤為煙煤，反應(yīng)性較好，所以還原溫度下限選擇低一些，還原溫度通常要低于煤灰分的軟熔溫度100 ℃，決定了溫度上限不能太高.根據(jù)探索實驗結(jié)果及球團還原性，把還原溫度的零水平定
在1 050 ℃，選取實驗溫度為950，1 050，1 110，
1 150 ℃.
3.3　還原時間的選擇
　　還原時間是模擬爐料在實際回轉(zhuǎn)窯中高溫段的停留時間，即原料到達高溫段后到成品球出窯時間.還原時間的選取主要依據(jù)探索實驗，選擇合適的范圍，通過實驗確定出最佳還原時間.
3.4　石灰加入量及粒度參數(shù)的確定
　　石灰加入量及粒度的確定參考了探索實驗結(jié)果，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的石灰石，粒度在0.25～4.00 mm范圍內(nèi)，就可以保證脫硫效果.

4　實驗結(jié)果及分析討論
4.1　實驗結(jié)果
　　對還原產(chǎn)物直接還原鐵進行成分分析.根據(jù)實驗結(jié)果做出金屬化率與還原劑加入量、反應(yīng)溫度及還原時間的關(guān)系，見圖2；產(chǎn)品硫含量與還原劑加入量、反應(yīng)溫度及還原時間的關(guān)系，見圖3.

圖2　配碳比、反應(yīng)溫度、還原時間對金屬化率的影響

Fig.2　Influence of the process parameter on the degree of metallization

(a)配碳比對金屬化率的影響；(b)反應(yīng)溫度對金屬化率的影響；

(c)還原時間對金屬化率的影響

4.2　分析討論
4.2.1　各參數(shù)對金屬化率的影響
　　從圖2(a)可見，隨著還原煤量的增加，金屬化率升高，但煤量增加到一定程度后，再增加煤量，金屬化率變化不大.這是由于煤量增加，轉(zhuǎn)鼓充填率增大，造成反應(yīng)比表面積增大，使還原煤反應(yīng)性增強，當(dāng)煤量達到飽和，此時再增加煤量也不能提高還原反應(yīng)進行程度，金屬化率也不再增大.可見，還原煤量增加到一定程度后再增加其量已無意義.
　　從圖2(b)可見，隨反應(yīng)溫度升高，直接還原鐵金屬化率提高，但還原溫度高于1 110 ℃，金屬化率不再隨還原溫度升高而增大，而是隨溫度升高而降低.較高的溫度是保證還原反應(yīng)進行的必要條件，溫度升高有利于還原反應(yīng)進行，可增大金屬化率，對于溫度高于1 110 ℃時，隨著溫度的升高，金屬化率下降這一現(xiàn)象，做了多次實驗，結(jié)果是一致的，高溫時還原球表面呈銀白色金屬光澤，并有嚴(yán)重的沾鼓現(xiàn)象，表面沾有脫硫劑.切開還原球，金屬化球團斷面外層部分強度很高，有金屬光澤.但內(nèi)層顏色較暗，有少量渣相，有明顯未還原透現(xiàn)象.從太鋼提供的峨口礦氧化球團實驗報告(見表2)可知，球團軟化溫度為1 130 ℃.這說明還原溫度過高，氧化球團表面發(fā)生軟化，使反應(yīng)物向球內(nèi)擴散的擴散系數(shù)減小，阻礙了球內(nèi)部還原反應(yīng)的進行，還原反應(yīng)只能發(fā)生在氧化球團的表面層，從而降低了成品金屬化球的金屬化率.這表明，還原溫度過高，接近了球團的軟化溫度對還原反應(yīng)的進行是不利的.
　　從圖2(c)可見，隨反應(yīng)時間增加，金屬化率提高，但還原時間在120 min以上時，反應(yīng)時間延長，金屬化率的提高不明顯，反應(yīng)時間在120 min左右，就能保證成品球金屬化率大于90%.
　　綜上所述，配碳比、還原溫度及反應(yīng)時間對金屬化率均有影響，其中溫度的影響最為顯著.在以下條件下，可得到最佳的金屬化率：
　　配碳比：1.6～2.2；
　　反應(yīng)溫度：1 040～1 100 ℃；
　　還原時間：100～140 min.
4.2.2　各參數(shù)與硫含量的關(guān)系
　　由圖3(a)可見，配碳比在1.5～2.2(還原煤量為55～80 g)范圍內(nèi)，隨配碳比的提高，脫硫效果增強，成品球硫含量降低.這是因為在溫度一定的條件下增加煤量，有利于(1)反應(yīng)的進行，使轉(zhuǎn)鼓中CO分壓增大，降低了CO₂的分壓，從而增強了還原性氣氛，使得(2)反應(yīng)向脫硫方向進行.還原煤量增加，可使脫硫率增大，但帶入爐內(nèi)的硫量也增大，增加了爐內(nèi)脫硫負(fù)荷，在脫硫劑加入量一定的條件下，降低了脫硫效果，使成品球硫含量增大，可見過大的還原煤量對脫硫是不利的，為了獲得低硫直接還原鐵，選擇低硫煤是十分必要的^〔5〕.

CO₂+C=2CO，

(1)

圖3　配碳比、反應(yīng)溫度、還原時間對硫含量的影響

Fig.3　Influence of the process parameter on sulphur content

(a)配碳比對硫含量的影響；(b)反應(yīng)溫度對硫含量的影響；

(c)還原時間對硫含量的影響

FeS+CaO+CO=Fe+CaS+CO₂.

(2)

　　由圖3(b)可見，還原溫度對脫硫率的影響很大，還原溫度越高越有利于脫硫.但還原溫度接近氧化球團軟化溫度時脫硫率下降，金屬球中硫增加，這是因為此時氧化球團開始軟化，使脫硫反應(yīng)的動力學(xué)條件惡化，阻礙了脫硫反應(yīng)的進行，而且成品球表面粘附著脫硫產(chǎn)物，也使得成品球硫含量增加^〔5〕.由圖3(b)可見，在加煤量一定(75 g)，反應(yīng)時間一定(120 min)的條件下，還原溫度在1 000～1 130 ℃下，成品球硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.020%.
　　還原時間對脫硫率的影響見圖3(c)，可知反應(yīng)時間越大，脫硫率越高，成品球中硫含量越低.但反應(yīng)時間在120 min以上時，隨反應(yīng)時間的延長，成品球中硫含量變化不大.這表明反應(yīng)時間在120 min左右時脫硫反應(yīng)進行的比較徹底，成品球中硫含量較低，再增加還原時間，對脫硫反應(yīng)已影響不大.
　　綜上所述，配碳比、還原溫度、反應(yīng)時間等參數(shù)對成品球硫含量均有影響，其中還原溫度的影響最為顯著，保持還原溫度為1 000～1 130 ℃，還原時間取100～120 min，配碳比為2.0左右(反應(yīng)煤量75～80 g)的條件下可得到最佳的脫硫效果，成品球中硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.020%.

5　結(jié)論
　　以峨口礦氧化球團為原料，還原劑采用大同煤礦煙煤，石灰石加入量為10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，回轉(zhuǎn)窯直接還原鐵生產(chǎn)的最佳工藝參數(shù)為：
　　配碳比：1.6～2.2；
　　還原溫度：1 040～1 100 ℃；
　　反應(yīng)時間：120～140 min.
　　在此最佳工藝條件下，可生產(chǎn)的直接還原鐵的質(zhì)量指標(biāo)為：
　　金屬化率：η＞90%；
　　硫含量：w(S)＜0.02%.

作者簡介：董方(1964-),男,內(nèi)蒙古包頭人,包頭鋼鐵學(xué)院講師,碩士,主要從事鋼鐵冶金研究.
作者單位：董方　那樹人　包頭鋼鐵學(xué)院 冶金與化學(xué)工程系，內(nèi)蒙古 包頭　014010；
　　　　　王南　包頭鋼鐵學(xué)院 科研處，內(nèi)蒙古 包頭　014010；
　　　　　王超一　太原鋼鐵公司 原料處，山西 太原　030000)

參考文獻
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收稿日期：1999-02-05