?。ㄟ|寧科技大學材料與冶金學院，鞍山114051）

　　1 前言

　　目前，國內(nèi)外的非高爐煉鐵技術(shù)中，無論是直接還原法還是熔融還原法，仍然依靠化石能源，能源結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生根本性改變，同樣也面臨著日益嚴苛的環(huán)保要求，這迫使人們尋求新的燃料途徑[1-3]。新型可再生的生物質(zhì)燃料，具有分布廣泛、利用方便和污染小等特點開始受到人們的重視，為擺脫傳統(tǒng)鋼鐵工業(yè)對化石能源的依賴，減少二氧化碳排放，實現(xiàn)綠色、清潔生產(chǎn)提供了可能[4-6]。相關研究人員已開展了生物質(zhì)燃料在燒結(jié)、球團、煉鐵等冶金過程應用的探索[7-10]。微波加熱打破了傳統(tǒng)冶金過程中，反應能源由燃燒化石燃料提供的格局，具有節(jié)能高效、易于控制、污染低等特點，在冶金工業(yè)中有著巨大的應用潛力。研究者在微波浸出、干燥、煅燒和燒結(jié)、以及還原等多方面進行了大量研究工作[11-15]。本文以生物質(zhì)燃料做還原劑，對鐵鱗進行微波快速碳熱還原，解析生物質(zhì)燃料在微波直接還原過程中的升溫行為與還原能力，探索微波及生物質(zhì)燃料在直接還原煉鐵工藝中應用的可能性。

　　2 試驗原料及方案

　　2.1 試驗原料及試樣制備

　　原料采用軋鋼鐵鱗、生物質(zhì)炭（機制木炭）、焦炭、提質(zhì)煤及膨潤土。木炭、焦炭及提質(zhì)煤在烘干箱105℃下烘干4小時，其工業(yè)分析見表1，軋鋼鐵鱗成分見表2。上述原料經(jīng)磨樣機研磨并篩分，粒度控制在200目以下。

 　　表1 還原劑工業(yè)分析/%

　　由表1可見，生物質(zhì)炭的固定碳含量比煙煤、焦炭都低，僅為60%，因此燃燒迅速，熱值較低，可以有效減少CO2排放；揮發(fā)分含量高，碳和氫結(jié)合成低分子的碳氫化合物，容易被引燃，實現(xiàn)快速燃燒。
 

 　　表2 軋鋼鐵鱗的化學組成成分/%
 

　　鐵鱗是鋼坯在熱加工過程，由于高溫的鋼鐵和空氣中氧的接觸形成的氧化鐵皮。由表2可見，鐵鱗的全鐵含量高達72.88%，其中氧化亞鐵提供的鐵量接近50%，是優(yōu)質(zhì)的類鐵精礦粉原料。

　　將粉狀的鐵鱗、還原劑（生物質(zhì)燃料、焦炭、提質(zhì)煤）按照三種碳氧比1.5：1、1.8：1和2.0：1進行配料，并添加2%的膨潤土做為粘結(jié)劑，進行混和均勻、加適量水攪拌、經(jīng)壓塊機擠壓成型，成型后的鐵鱗含碳壓塊在105℃下恒溫干燥4小時后備用。

　　2.2 試驗內(nèi)容

　?。?）采用KH-6HMO型工業(yè)微波爐進行微波快速還原實驗（實驗裝置見圖1），通過外接熱電偶進行實時溫度測定，研究在微波加熱條件下三種還原劑（生物質(zhì)炭、焦炭和提質(zhì)煤）、不同配碳量（碳氧比）時的鐵鱗壓塊中的混合升溫速率及還原過程失重情況。并對還原后產(chǎn)物進行形貌及物相結(jié)構(gòu)的檢測。

　?。?）利用熱重分析法測定不同還原條件下的TG-DTG曲線，計算在鐵鱗還原過程中的反應特征值，分析在鐵鱗還原過程中不同還原劑的反應行為變化特點。

　　3 結(jié)果與分析

　　3.1 微波快速還原的升溫特性

　　3.1.1 還原劑種類對混合料升溫的影響 

　　鐵鱗分別配加焦粉、煤粉和生物質(zhì)炭粉，在相同配比的情況下，采用微波的反應功率為512W對鐵鱗進行微波外場下的碳熱還原反應，其物料的升溫曲線見圖1。

 　　表3 微波加熱5min內(nèi)混合料塊中升溫速率的比較（℃/min）

　　由圖1和表3可見，微波加熱的條件下，生物質(zhì)炭作為還原劑與鐵鱗組成的混合料，其升溫速率高于提質(zhì)煤粉及焦炭粉為還原劑時組成混合料的升溫速率，2~5min即可進入高溫區(qū)。

　　碳質(zhì)還原劑對微波的吸收能力很強，碳在微波還原里有兩個重要作用：一是作為熱源，具有可以吸收微波的作用，二是作為還原劑，尤其是處于還原的較低溫度階段時，還原反應并未開始，碳質(zhì)還原劑的主要作用體現(xiàn)在充當熱源上。

　　提質(zhì)煤粉、焦炭粉和木炭粉均屬于無定型碳，在結(jié)構(gòu)上處于半無序的狀態(tài)，其石墨化程度都比較低。隨著無定型碳的石墨化程度的提高，導電性變好，微波加熱作用效果變差。在三種還原劑中，生物質(zhì)炭石墨化程度最低，導致其與鐵鱗的混合料在微波作用下加熱效果最佳，尤其體現(xiàn)在加熱初期。另外，生物質(zhì)炭中的高揮發(fā)份快速燃燒，這些都導致木炭與鐵鱗的混合料塊在加熱前期升溫速率要大于提質(zhì)煤和焦炭。

　　隨著反應逐漸進行，混合料里碳還原劑的含量減少，可燃成分含量降低，料塊進入高溫恒溫階段，直接還原產(chǎn)生較多的浮氏體，其對微波吸收作用并不強。此時，木炭粉、焦炭粉以及提質(zhì)煤粉的升溫速率逐漸減小，速率之間的差距也隨之減小。所達到的最高溫度水平取決于還原劑種類和配入炭量，由圖1可見，采用生物質(zhì)炭、碳氧比為1:2時，微波加熱5min后料塊中溫度即可達1200℃以上，而采用焦炭和提質(zhì)煤時，料塊中最高溫度維持在900℃左右。

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