還原溫度對流態(tài)化還原鐵礦粉黏結(jié)失流的影響

2018-08-07 作者：佚名網(wǎng)友評論 0 條

通過熱態(tài)可視流化床裝置研究不同還原溫度下的礦粉顆粒黏結(jié)狀況，發(fā)現(xiàn)楊迪礦粉、大昌礦粉和巴西礦粉的還原度隨著溫度的升高逐漸增大，楊迪礦粉還原度最高，大昌礦粉還原度最低，而巴西礦粉的還原度受溫度的影響最大。

徐其言，任鑫，王海川，王建軍
（安徽工業(yè)大學(xué) 冶金工程學(xué)院，安徽馬鞍山 243032）

         為了擺脫高爐煉鐵對環(huán)境污染日益加重、焦煤資源日趨匱乏、鐵礦資源品質(zhì)下降對鋼鐵工業(yè)發(fā)展的羈絆，冶金工作者正努力探索降低高爐煉鐵焦比新技術(shù)或非高爐煉鐵新工藝，流態(tài)化直接還原工藝正是為了滿足這一發(fā)展趨勢而被開發(fā)出來。

        流態(tài)化直接還原工藝具有氣固相際接觸面積大，溫度、濃度均勻，傳熱傳質(zhì)條件好，運(yùn)行效率高等優(yōu)點(diǎn)，可以直接處理粉礦和不需要焦炭，減輕了環(huán)境污染，同時為合理利用國內(nèi)復(fù)合共生礦，解決鐵礦資源供應(yīng)緊張的問題提供了可能[1,2]。但是，鐵礦粉在高溫流態(tài)化還原過程中容易出現(xiàn)黏結(jié)失流，降低還原效率，阻礙流程連續(xù)化操作，這成為流態(tài)化煉鐵技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用最主要的障礙。科研工作者進(jìn)行了大量的研究，黏結(jié)失流問題的出現(xiàn)不僅與還原氣氛[3,4]，氣體和顆粒的流體力學(xué)性質(zhì)、氣體和顆粒的物理化學(xué)性質(zhì)以及氣體和顆粒的化學(xué)反應(yīng)有關(guān)[5-9]，還與鐵礦粉還原機(jī)制、反應(yīng)熱力學(xué)和動力學(xué)有關(guān)[10-12]。因此，研究流態(tài)化還原溫度，可為流態(tài)化直接還原工藝的工業(yè)化奠定數(shù)據(jù)儲備和理論基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

         常壓下選取顆粒粒徑為0.63~1.0 mm的楊迪礦粉、大昌礦粉和巴西礦粉，在以H2與CO體積比為4∶1的混合氣體為還原氣，線速度為0.6 m/s條件下，進(jìn)行不同還原溫度（650，750，850 ℃）的實(shí)驗(yàn)研究，鐵礦粉的化學(xué)成分見表1。、

表1 鐵礦粉的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）
Tab.1 The chemical composition of fine iron ore (mass%)

鐵礦粉	T_Fe	Fe₂O₃	FeO	CaO	MgO	SiO₂	Al₂O₃	S
楊迪礦粉	56.82	80.84	0.30	0.16	0.10	5.48	1.35	0.02
大昌礦粉	64.38	-	17.95	0.50	-	5.50	-	0.02
巴西礦粉	65	92.85	-	0.07	0.11	3.7	2.35	-

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

通過質(zhì)量流量控制器精確調(diào)控H2、CO、N2等組分的流量，每次取50 g鐵礦粉作為試樣，試樣在預(yù)熱和冷卻過程通入流速為0.6 m/s的高純N2保護(hù)。

流化實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，采用滴定法對還原后樣品進(jìn)行化驗(yàn)分析，得到全鐵和金屬鐵，以計(jì)算其還原度。借助X射線衍射分析儀、掃描電鏡、能譜分析等手段對還原前后試樣的物相和微觀形態(tài)進(jìn)行觀察。

1.3 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖1。反應(yīng)段為雙層石英管，內(nèi)管為流化床，氣體流經(jīng)外管和內(nèi)管夾層進(jìn)行預(yù)熱，然后流入流化床。外管外側(cè)是加熱爐，通過質(zhì)量流量計(jì)調(diào)控CO和H₂的配比和流速，鐵礦粉在雙層石英管的內(nèi)管進(jìn)行還原，通過壓力計(jì)測量床層壓差△p，判斷流態(tài)化還原黏結(jié)失流情況。

1-氣體混勻和預(yù)熱區(qū)；2-氣體分布孔；3-流化床；4-K型熱電偶；5-氣體流量閥；6-旋轉(zhuǎn)螺旋閥；7-氣體流量計(jì)；8-氣體干燥劑；9-加料和取樣端口；10-法蘭；11-除塵過濾器；12-氣體分析儀；13-排氣口；14-加熱器；15-溫度控制器；16-壓力傳感器
圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖
Fig. 1 Schematic diagram of experimental apparatus

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1 還原溫度對不同礦粉還原度的影響

楊迪礦粉、大昌礦粉和巴西礦粉3種礦粉在不同還原溫度條件下還原度的變化趨勢如圖2。

圖2 三種礦粉的還原度隨還原溫度變化趨勢圖
Fig.2 The tendency chart shows the reducibility of three kinds omineral powder changes for different temperature

由圖2可知，在實(shí)驗(yàn)規(guī)定的反應(yīng)溫度區(qū)間內(nèi)，三種鐵礦粉的還原度都隨著溫度的升高而增加，其中楊迪礦粉的變化趨勢比較小。在整個溫度區(qū)間，和溫度為650℃下的還原度值相比較，楊迪礦粉僅僅增加了7%。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，雖然礦粉還原度的變化趨勢都是隨著實(shí)驗(yàn)溫度的升高而增加，但實(shí)驗(yàn)溫度對楊迪礦粉的影響并不是很大。因此要通過改變還原溫度來提高這種鐵礦粉的還原度，效果不會太好。
大昌鐵礦粉和巴西精礦的還原度都隨著實(shí)驗(yàn)溫度的升高而發(fā)生了較大的變化，巴西礦粉的還原度增加最為明顯。在實(shí)驗(yàn)的溫度區(qū)間內(nèi)，和650℃下的還原度相比較，巴西精礦的還原度增加了21%，大昌鐵礦粉的還原度增加了16%。通過改變還原反應(yīng)的溫度，還原度的增幅能夠達(dá)到一半左右，極大地促進(jìn)了還原反應(yīng)的發(fā)生。

2.2 還原溫度對流化時間的影響

選取巴西礦粉作為實(shí)驗(yàn)材料，在650，750，850 ℃溫度下進(jìn)行研究，實(shí)驗(yàn)過程中流化床壓差變化趨勢趨勢見圖3。

Fig. 3 The tendency chart of Brazilian powder in different temperature

從圖3中可以看出，還原溫度650 ℃時，還原50 min，流化床的壓差波動穩(wěn)定；還原溫度850 ℃時，還原12 min后，床層壓差開始下降，說明礦粉顆粒開始黏結(jié)；還原溫度750 ℃時，還原30 min后，床層壓差開始下降。

巴西礦粉還原20min后黏結(jié)狀況如圖4所示。低溫時，礦粉表面還原出來的金屬鐵原子不對，鐵原子擴(kuò)散能力不強(qiáng)，鐵晶須能量較低，勾連傾向性不強(qiáng)，加之流化床內(nèi)礦粉顆粒在氣體曳力作用，礦粉顆粒不斷運(yùn)動，所以在650℃以下還原，礦粉不易發(fā)生黏結(jié)失流。

2.3 還原溫度對微觀形貌的影響

圖5為巴西礦粉在不同溫度下的掃描電鏡照片。由圖5（a）可知，還原前礦粉顆粒表面平整而且雜質(zhì)少，呈平板狀。隨著顆粒內(nèi)外區(qū)域化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行也伴隨著體積縮小，所以還原后的顆粒都產(chǎn)生了大量的裂紋和孔隙，形成了多孔或者長裂縫的產(chǎn)物層。圖5（b）顆粒表面有許多微孔和多個微孔連成的裂紋，表面仍然較為平整，但是許多顆粒表面部分區(qū)域出現(xiàn)了較長的鐵晶須，顆粒之間通過鐵晶須相互勾連在一起，呈錐形瘤狀物，顆粒間的間隙較大，能譜分析該物質(zhì)為金屬鐵，因此，新析出的金屬鐵是導(dǎo)致礦粉顆粒黏結(jié)失流的主要原因。由圖5（c）和圖5（d）可知，還原溫度在750℃時，與650℃時微觀形貌相接近，但是在850℃時，顆粒變化較大，表面細(xì)微的微孔和裂紋的寬度增大，約1μm左右，呈凸錐狀，使得礦粉顆粒相互黏結(jié)在一起。