郭磊，鮑其鵬，郭占成

　　北京科技大學(xué)，鋼鐵冶金新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

　　1．引言：

　　閃速還原煉鐵是指在極短的時(shí)間內(nèi)完成鐵礦粉還原的一種工藝，該工藝所采用的裝置類似于流態(tài)化中的下落床，礦粉在下落過程中與高溫還原氣接觸，完成還原過程。早在1971年，M. Ozawa[1]就在一種氣力輸送裝置中對(duì)超細(xì)鐵礦粉在1023 K-1223 K溫度區(qū)間的H2還原過程進(jìn)行了研究。同樣是利用這種氣力輸送裝置，1982年，F(xiàn). Tsukihashi[2]對(duì)1723 K和1873 K條件下的鐵氧化物顆粒CO還原動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在還原過程中鐵氧化物顆粒會(huì)熔化成球狀，內(nèi)部為金屬鐵，外部為熔融的浮氏體相；1993年，S. Hayashi[3, 4]在1723 K和1823 K下研究了浮氏體顆粒H2還原過程中的特點(diǎn)和機(jī)理，他發(fā)現(xiàn)在較強(qiáng)的還原趨勢(shì)下僅用不到1 s的時(shí)間便能實(shí)現(xiàn)接近80%的還原度，所獲得的顆粒內(nèi)部為球形金屬鐵，外部包裹未還原的浮氏體相。Themelis和Gauvin[5]外推出一種描述粒度范圍在70-42000μm的鐵氧化物顆粒氫氣還原過程的速率方程，并指出反應(yīng)過程中溫度對(duì)還原反應(yīng)速度的影響來(lái)自化學(xué)反應(yīng)本身和金屬鐵的結(jié)晶。Y. K. Rao[6]研究了還原過程中的形核速度，以及金屬鐵晶核的生長(zhǎng)模式對(duì)浮氏體還原速度的影響。

　　美國(guó)猶他大學(xué)的H.Y. Sohn[7-9]對(duì)30 μm左右的鐵精礦顆粒在1573 K以上的溫度進(jìn)行了氫氣還原實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)鐵礦顆?？梢栽跀?shù)秒的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)90%-99%的還原度，從而提出了閃速還原煉鐵這一新工藝。除了具有較快的還原速度的特點(diǎn)，該工藝可以有效避免還原過程中的固-固接觸從而避免有如流化床的其它直接還原工藝中的粘結(jié)問題[10-12]。2008年以后，這一工藝同麻省理工學(xué)院的MOE熔融氧化物電解煉鐵法一起獲得了美國(guó)能源部TRP項(xiàng)目的支持，目前已進(jìn)入更大規(guī)模的實(shí)驗(yàn)研究階段[13]。

　　在張文海院士和北京閃鐵公司的共同推動(dòng)下，我國(guó)在閃速還原煉鐵技術(shù)的應(yīng)用探索中走在了國(guó)際前列。目前北京閃鐵公司聯(lián)合中國(guó)瑞林、中鋼集團(tuán)、中國(guó)航天等單位已經(jīng)完成該工藝工業(yè)化試驗(yàn)的工程設(shè)計(jì)工作，已于2017年下半年在河北鋼鐵集團(tuán)宣化鋼鐵公司開工建設(shè)。

　　為了實(shí)際驗(yàn)證閃速還原煉鐵的可行性，并對(duì)氧化鐵粉的還原動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究，筆者針對(duì)閃速還原Fe2O3粉也進(jìn)行了一定的試驗(yàn)研究工作[14, 15]，采用兩種實(shí)驗(yàn)裝置分別進(jìn)行了低溫段（873 K-1373 K）和高溫段（1573 K-1873 K）的閃速還原實(shí)驗(yàn)。下文就主要的實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及對(duì)閃速還原可能存在的主要問題進(jìn)行的一些思考進(jìn)行介紹。

　　2．低溫區(qū)（873 K-1373 K）閃速還原實(shí)驗(yàn)室研究實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示。下落管為耐熱鋼材質(zhì)，內(nèi)徑為60 mm，有效高度1.9 m。由電阻絲爐對(duì)爐管提供熱量，最高溫度可達(dá)1373 K。爐管內(nèi)溫度可由插入內(nèi)部的K型熱電偶測(cè)量。還原氣和保護(hù)氣從反應(yīng)管底部通入，經(jīng)頂部排氣罐排出。在結(jié)束高溫段的下落和還原后，樣品顆粒降落到反應(yīng)管底部溫度為室溫的冷卻段。待樣品冷卻到室溫后，打開底部球閥使之在氬氣保護(hù)氣氛中排出到取樣罐中。

　　安裝在實(shí)驗(yàn)裝置頂部的加料器為不銹鋼材質(zhì)，由儲(chǔ)料倉(cāng)、鐘形布料器和旋轉(zhuǎn)手柄組成，如圖2所示。開始下料之前加料器的開口向上放置，加料速度可以通過改變料倉(cāng)和鐘形布料器之間空隙的大小來(lái)進(jìn)行控制，該實(shí)驗(yàn)中所采用的進(jìn)料速度約為10 g/min。

2.2 實(shí)驗(yàn)原料

      化學(xué)純的Fe2O3粉末經(jīng)過研磨和篩分得到五個(gè)粒度區(qū)間的顆粒：10-30 μm、30-38.5 μm、38.5-53 μm、53-74 μm和74-100 μm。實(shí)驗(yàn)前先將5 gFe2O3粉末與35 g粒度在250-425 μm的石英砂顆?；靹蜓b入加料器，石英砂在這里作為分散劑使用。

2.3 實(shí)驗(yàn)步驟
 
       實(shí)驗(yàn)前將Fe2O3粉末與石英砂顆?；旌虾笱b入給料器，在爐溫達(dá)到設(shè)定溫度之前給料器的出口向上放置。氬氣作為升溫過程中的保護(hù)氣，待爐溫達(dá)到設(shè)定溫度后將氣體切換為H2或CO，預(yù)留足夠時(shí)間讓還原氣充滿反應(yīng)器并達(dá)到爐溫。旋轉(zhuǎn)給料器180°使下料口向下進(jìn)行下料，下落還原過程隨即開始。經(jīng)過還原段的樣品落入冷卻段，冷卻一段時(shí)間后打開底部球閥讓還原樣品流入氬氣保護(hù)的取樣瓶?jī)?nèi)。最后通過篩分得到細(xì)顆粒的還原鐵粉。

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
2.4.1 H2與CO氣流中Fe2O3的下落還原 

        不同氣速條件下的Fe2O3顆粒還原度數(shù)據(jù)表示在圖3中，結(jié)合理論模型計(jì)算出的顆粒停留時(shí)間，不同溫度下Fe2O3顆粒的停留時(shí)間與還原度之間的關(guān)系表示在圖4中。可以看出，隨溫度從873 K提高到1073 K，氫氣還原的速度有很明顯的提高，14 s的還原時(shí)間內(nèi)便可獲得80%左右的還原度。但是當(dāng)還原溫度達(dá)到1273 K時(shí)，氫氣的還原速度相比1073 K條件下有了些許的下降。在1373 K經(jīng)過15 s的還原后，還原度數(shù)據(jù)基本不再隨時(shí)間的延長(zhǎng)而增長(zhǎng)。
 
     當(dāng)使用CO為還原氣體時(shí)，1073 K條件下還原度隨還原時(shí)間的延長(zhǎng)而迅速增長(zhǎng)，最高還原度達(dá)到40%左右。1273 K和1373 K條件下獲得的最低還原度也高于1073 K條件下獲得的最高還原度。
 

　　未經(jīng)還原的Fe2O3顆粒表面形貌如圖5（a）所示，可見Fe2O3顆粒是由眾多具有光滑致密表面的晶粒組成。在1273K經(jīng)過氫氣還原后一些新生成的金屬鐵晶體和一些孔洞一同出現(xiàn)在顆粒的表面，如圖5（b）所示，隨著還原度的提高，顆粒變得越來(lái)越疏松多孔，如圖5（c和d）所示。當(dāng)在1273 K采用CO作為還原氣體時(shí)，顆粒表面出現(xiàn)許多鐵晶核，但并未出現(xiàn)孔洞，見圖5（e）。這種現(xiàn)象可以由氣基還原的微觀結(jié)構(gòu)變化理論進(jìn)行解釋[16-19]：當(dāng)鐵氧化物的分解速度大于金屬鐵離子的擴(kuò)散速度時(shí)，將會(huì)形成圖5（c、d）所示的多孔的微觀形貌；當(dāng)鐵氧化物的分解速度小于金屬鐵離子擴(kuò)散的速度時(shí)，金屬鐵離子會(huì)在氣固反應(yīng)界面處聚集形成一個(gè)致密的隔離層，并且隨著還原產(chǎn)物CO2在反應(yīng)界面的不斷生成和釋放，致密鐵隔離層將在膨脹壓力的作用下發(fā)生破裂，破裂點(diǎn)將會(huì)迅速演變成鐵晶核或者鐵晶須新的生長(zhǎng)點(diǎn)，如圖5中e所示。
 

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