鄭善舉1,3，巨少華2,3，許磊2,3，郭勝惠2,3，劉建華2,3
1、昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院
2、昆明理工大學(xué)冶金與能源工程學(xué)院
3、微波能工程應(yīng)用及裝備技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室

 

        根據(jù)我國鋼鐵行業(yè)節(jié)能減排、綠色發(fā)展的要求，以及資源條件和能源政策的國情，開發(fā)和發(fā)展直接還原工藝具有重要的意義。然而現(xiàn)有煤基直接還原煉鐵工藝、技術(shù)和設(shè)備尚存一些不足，在能耗、質(zhì)量、成本和規(guī)模等方面與高爐相比還有不同程度的差距。從國內(nèi)外煤基直接還原技術(shù)研究現(xiàn)狀來看，新技術(shù)的開發(fā)仍然以幾種成熟的爐型作為反應(yīng)器，基于不同煤的特性，致力于還原物料在反應(yīng)器內(nèi)的還原行為以及工藝參數(shù)等基礎(chǔ)研究。針對資源和能源的局限性，以及環(huán)境保護(hù)的需求，尋找新的能源或還原劑，以此來完全和部分代替?zhèn)鹘y(tǒng)化石燃料變的越來越現(xiàn)實(shí)可行。

        隨著微波技術(shù)的發(fā)展，微波設(shè)備的微波功率得到了顯著的提高，生產(chǎn)成本進(jìn)一步降低。微波可以透入物質(zhì)內(nèi)部，改變了傳統(tǒng)加熱由表及里的概念，創(chuàng)造了快速升溫的新技術(shù)，并且只對能吸收微波的材料直接加熱，對一些可以反射或者透波材料則不進(jìn)行加熱。現(xiàn)今在食品、化工、建材、醫(yī)藥、陶瓷等很多行業(yè)中已經(jīng)開發(fā)了大型工業(yè)微波設(shè)備。鋼鐵作為工業(yè)的主體，能量消耗比重大，環(huán)境污染嚴(yán)重，對創(chuàng)造和諧社會(huì)留下了極大的隱患，如果能夠利用微波的快速、選擇加熱、熱損耗低，高效節(jié)能無污染、操作簡便，易于自動(dòng)控制等優(yōu)良特性，將有助于提高金屬回收率，減少甚至消除焦炭的使用，可在一定程度上減少CO2的釋放和降低環(huán)境污染，從而促進(jìn)鋼鐵工業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展。

1 微波加熱煤基直接還原的發(fā)展現(xiàn)狀

        微波加熱煤基直接還原是利用煤碳等還原劑和鐵氧化物對微波的良好吸收性能將鐵氧化礦還原成金屬鐵，從而充分利用微波加熱的優(yōu)勢，降低能耗，節(jié)約成本。

1.1國外研究發(fā)展現(xiàn)狀

        微波高溫加熱技術(shù)自1968年提出以來，經(jīng)過各國研究人員的大量研究得出對于一些有用礦物在微波作用下可以快速升溫，而脈石礦物升溫速度慢，由此認(rèn)為與傳統(tǒng)加熱方法相比，微波加熱具有更好的冶金性能[1-6]。

        微波在鐵礦還原工藝方面的研究較晚，直到上世紀(jì)80年代末澳大利亞臥龍崗大學(xué)N.Standish等[7-8]首次在對鐵礦球團(tuán)進(jìn)行直接還原實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，相比傳統(tǒng)加熱方式微波加熱克服了“冷中心”問題，還原過程中物相結(jié)構(gòu)的改變可以提高微波加熱速率，降低還原反應(yīng)的活化能，反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)條件更加優(yōu)越。當(dāng)溫度達(dá)到1000 ℃以后，微波加熱對于還原過程的作用效果要明顯優(yōu)于傳統(tǒng)加熱方式。

        2001~2012年期間，巴西圣保羅大學(xué)M.Mourao和E R.Castro等[9-12]對鐵礦石微波加熱碳熱直接還原試驗(yàn)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明在內(nèi)配碳球團(tuán)中加入水泥可以加快升溫速度。隨著內(nèi)配碳量越高，還原過程的升溫和還原越快，鐵礦球團(tuán)微波加熱還原較傳統(tǒng)加熱更具競爭力。在1200 °C以上進(jìn)行內(nèi)配碳球團(tuán)微波加熱直接還原時(shí)，由于碳的氣化反應(yīng)加劇，氣體和熱量的內(nèi)擴(kuò)散成為限制環(huán)節(jié)，以致于內(nèi)配碳量對表觀活化能的影響很大，碳的反應(yīng)性也是重要的影響因素。分析認(rèn)為微波加熱可以克服傳統(tǒng)加熱過程由于對流、傳導(dǎo)耗熱慢的問題，能量利用率更髙。

        日本東京理工學(xué)院Ishizaki K [13-17]對磁鐵礦內(nèi)配碳球團(tuán)微波加熱直接還原進(jìn)行了大量的研究，結(jié)果表明在等溫（實(shí)驗(yàn)溫度1350℃）微波加熱條件下，內(nèi)配碳球團(tuán)中可以快速形成碳含量2%左右的生鐵。由于鐵氧化物和碳快速升溫，而球團(tuán)中的氧分壓上升使得雜質(zhì)氧化物得不到還原，最終保留在渣相中，有效實(shí)現(xiàn)了渣鐵分離。當(dāng)采用磁鐵礦混合炭黑進(jìn)行微波加熱直接還原時(shí)，磁鐵礦在650℃以下選擇性的吸收微波，而炭黑在整個(gè)溫度范圍都能吸收微波，并且在微波加熱作用下Fe3O4→FeO→Fe逐級還原。動(dòng)力學(xué)研究結(jié)果指出，浮氏體向FeO轉(zhuǎn)化比磁鐵礦向浮氏體轉(zhuǎn)化速度慢，而在FeO向Fe轉(zhuǎn)化階段主要受晶體結(jié)構(gòu)缺陷的影響。

        美國密西根理工大學(xué)Hwang Jiaim-Yang等[18-24]提出了“微波一步煉鋼法”，它是釆用鐵礦石在全微波或微波聯(lián)合其它加熱手段的方式下進(jìn)行還原-熔煉以獲得低碳鋼的方法。還原階段可以在轉(zhuǎn)底爐、回轉(zhuǎn)窯和豎爐中完成，熔煉階段在電弧爐中進(jìn)行。由于還原物料在微波作用下自生熱進(jìn)行還原，還原反應(yīng)活化能降低，使得反應(yīng)溫度下降和時(shí)間縮短，另外可以對反應(yīng)后的高純度氣體和粉塵進(jìn)行回收利用，實(shí)現(xiàn)高效、節(jié)能、環(huán)保和清潔生產(chǎn)的目的。研究認(rèn)為該工藝流程短、能量利用率高，可節(jié)能30~50%。以微波加熱代替?zhèn)鹘y(tǒng)加熱，可以降低廢氣（CO2和SO2等）和廢熱排放，產(chǎn)品金屬化率高，副產(chǎn)品少，適合在小型鋼鐵廠應(yīng)用和發(fā)展。

        日本名古屋大學(xué)Yang等[25]對赤鐵礦內(nèi)配石墨碳球團(tuán)微波加熱直接還原機(jī)理進(jìn)行了研究，結(jié)果表明在還原初始階段以直接還原反應(yīng)為主，隨著溫度升高，碳的氣化反應(yīng)加劇導(dǎo)致間接還原反應(yīng)快速進(jìn)行。由于赤鐵礦顆粒和碳顆粒緊密接觸，在微波的自生熱作用下，還原反應(yīng)加速進(jìn)行。石墨顆粒尺寸的降低，溫度的升高，以及氣體的快速生成和擴(kuò)散都可以提高還原反應(yīng)。

        國外一些其它的研究包括：墨西哥Juan A.Aguilar等[26]對微波加熱和傳統(tǒng)加熱鐵礦球團(tuán)煤基還原動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了比較，結(jié)果表明當(dāng)球團(tuán)還原度不足40%時(shí)，傳統(tǒng)加熱和微波加熱還原速率基本相同。

1.2 國內(nèi)研究發(fā)展現(xiàn)狀

        我國自2000年以來對微波加熱鐵礦還原方面進(jìn)行了一系列研究。其中，太原理工大學(xué)、陳津等[27-36]對含碳鐵礦/鉻鐵礦球團(tuán)進(jìn)行了大量微波加熱還原研究，研究表明含碳球團(tuán)進(jìn)行微波加熱還原時(shí)，碳等雜質(zhì)的固溶可以促進(jìn)鐵連晶的形成，升溫速度越快，含碳球團(tuán)的強(qiáng)度提高越快，利用微波的快速加熱特性是提髙含碳球團(tuán)強(qiáng)度的有效途徑。由于含碳球團(tuán)具有很強(qiáng)吸收微波的能力及微波的體積加熱特性，自焰性含碳球團(tuán)在1200℃下也不會(huì)出現(xiàn)粘結(jié)現(xiàn)象。含碳鐵礦粉在微波場中的升溫速度比含碳球團(tuán)快，升溫速度的快慢與微波功率密度和物料介電常數(shù)成正比，與物料密度、比熱容和質(zhì)量成反比。

        含碳球團(tuán)的還原與溫度、溶劑、配煤比和煤粉粒度等有關(guān)，由于礦-煤顆粒內(nèi)生熱，消除了界面反應(yīng)溫度邊界層，碳的氣化反應(yīng)和鐵氧化物的還原反應(yīng)加強(qiáng)，微波加熱含碳球團(tuán)還原過程不受碳的氣化反應(yīng)和氣體擴(kuò)散速度的限制，主要受物料的介電性質(zhì)控制。利用微波對含碳鐵礦粉/球團(tuán)進(jìn)行加熱，可以加速還原反應(yīng)，降低反應(yīng)溫度，原料適應(yīng)性強(qiáng)，清潔生產(chǎn)，節(jié)能環(huán)保的同時(shí)可以提高能量利用率和產(chǎn)品生產(chǎn)率。

        重慶大學(xué)白晨光等[37-38]對含碳釩鈦磁鐵精礦粉進(jìn)行微波加熱還原研究，結(jié)果表明微波可以快速加熱釩鈦磁鐵精礦粉，當(dāng)微波功率1.0 kW，加熱時(shí)間20min，100 g釩鈦磁鐵精礦可以被加熱到1400 °C。粒度在0.2 mm以上時(shí)物料的升溫速率要快。堿度越高升溫速度越慢，堿度應(yīng)該控制在2.0以下，另外，配煤量越大，還原效果越好。另外國內(nèi)的其他研究工作者也對鐵礦石在微波爐中的加熱[39-40]，還原等特性[41]做了相關(guān)的研究。

        從鐵礦石資源的利用現(xiàn)狀和煉鐵過程中對煤炭資源的要求來看，尋找一種新的方法,能夠節(jié)省能源，代替焦炭，減少環(huán)境污染將對推進(jìn)鋼鐵業(yè)的發(fā)展和社會(huì)的和諧具有重大的意義。正是基于這些目的，采用微波加熱對鐵礦石進(jìn)行還原的研究越來越多，但都只是一些實(shí)驗(yàn)室的小型機(jī)理研究，未能進(jìn)行規(guī)模性的生產(chǎn)。

2 煤基直接還原物料的升溫特性

        微波加熱是利用微波電磁場中物料的介電損耗和磁損耗使物料整體加熱，需要加熱的物料在微波場的作用下被加熱利用的是介質(zhì)損耗的原理。一般情況下，物料分子由于布朗運(yùn)動(dòng)，分子的排列雜亂無章并迅速變化，極性相互抵消，宏觀上不呈現(xiàn)極性。而被置于微波發(fā)生器產(chǎn)生的電場中時(shí)，介質(zhì)材料在微波電磁場的作用下會(huì)產(chǎn)生介質(zhì)極化。在極化的過程中極性分子由原來的隨機(jī)分布狀態(tài)轉(zhuǎn)向依照電場的極性排列取向。

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