朱德慶，潘建，張嘉雯，郭正啟，楊聰聰

中南大學(xué) 資源加工與生物工程學(xué)院

直接還原意為鐵氧化物在低于其熔化溫度的條件下被還原至金屬鐵的過(guò)程，產(chǎn)品即直接還原鐵（DRI）。DRI可以添加至以廢鋼為主要原料的電爐冶煉中用作“稀釋劑”，還因化學(xué)成分穩(wěn)定、有害雜質(zhì)含量少、容易控制鋼成分等優(yōu)點(diǎn)多被用于高品質(zhì)鋼及特種鋼的冶煉[1-4]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)電爐鋼產(chǎn)量在2015年只有4700萬(wàn)噸，2019年達(dá)10462噸，增幅達(dá)106%，但依然遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于同期全球25%的電爐鋼比[5-6]。相較于傳統(tǒng)高爐煉鋼，電爐煉鋼工序更環(huán)保且因短流程、投資低，建設(shè)速度更快[7-9]。但我國(guó)社會(huì)累積的廢鋼量不足，進(jìn)口廢鋼的質(zhì)量和價(jià)格又由國(guó)外控制，廢鋼中有害雜質(zhì)含量高、穩(wěn)定性差等因素均制約著我國(guó)電爐煉鋼的發(fā)展，中國(guó)電爐煉鋼發(fā)展極為緩慢[10-12]。2019年12月23日，全國(guó)工業(yè)和信息化工作會(huì)議指出將推動(dòng)電弧爐短流程煉鋼發(fā)展。國(guó)家推動(dòng)相關(guān)政策的修訂為電爐煉鋼創(chuàng)造了良好的環(huán)境。目前，“地條鋼”的全面取締使得可用廢鋼資源逐步增加，電爐原料量大幅增加，中國(guó)電爐煉鋼將迎來(lái)迅猛的發(fā)展。未來(lái)，中國(guó)對(duì)DRI的需求定會(huì)持續(xù)增長(zhǎng)。

直接還原工藝依據(jù)還原劑種類的不同可分為氣基直接還原和煤基直接還原并以氣基為主。目前主流的氣基直接還原工藝主要有MIDREX法和HYL-III/Energiron法[13-22]。MIDREX法的豎爐還原氣體使用天然氣催化裂化的產(chǎn)物，裂化劑使用CO和H2共70%左右的爐頂煤氣。與MIDREX法相比，HYL-III/Energiron法可以使用多種類型的還原氣體，除天然氣以及煤氣化之外還可以使用煉鐵廠產(chǎn)生的合成氣、煤制氣以及焦?fàn)t煤氣等，工藝及裝置的靈活性更高。同時(shí)，HYL-III/Energiron法豎爐工作壓力更高，使該方法的還原速率更快、生產(chǎn)率更高。從還原氣選用以及環(huán)保壓力等方面綜合考慮，相對(duì)來(lái)說(shuō)，HYL-III/Energiron法富氫還原工藝比MIDREX法具有更大優(yōu)勢(shì)。 

氣基豎爐的入爐原料通常是球團(tuán)礦或優(yōu)質(zhì)塊礦，但由于我國(guó)高質(zhì)量塊礦資源緊缺，因此著力于“球團(tuán)—直接還原”技術(shù)有利于我國(guó)氣基直接還原技術(shù)的發(fā)展。目前，國(guó)內(nèi)的球團(tuán)廠多生產(chǎn)酸性球團(tuán)礦，而電爐煉鋼需添加一定量的CaO，若將此部分CaO添加至球團(tuán)中制備熔劑性球團(tuán)，便有利于精簡(jiǎn)后續(xù)電爐煉鋼的工藝步驟。本文以某進(jìn)口赤鐵精礦H為研究對(duì)象，制備自然堿度（HR=0.02）和堿度為0.4（HR=0.4）的H球團(tuán)礦進(jìn)行富氫氣基直接還原實(shí)驗(yàn)，探究酸性、熔劑性球團(tuán)礦進(jìn)行氣基直接還原的行為變化和機(jī)理。

1 原料性能及研究方法

1.1  原料性能

1.1.1  實(shí)驗(yàn)原料

表1某進(jìn)口赤鐵精礦H的化學(xué)成分分析。該礦鐵品位為65.46%，亞鐵含量為1.55%，主要成分為赤鐵礦，SiO2含3.22%，Al2O3占1.16%。

表2為鐵精礦的粒度組成?？梢钥闯鲈摰V粒度較粗，-325目（-0.043mm）粒級(jí)僅占41.59%，采用高壓輥磨預(yù)處理改善粒度組成和比表面積，其比表面積與粒度組成的關(guān)系見(jiàn)表3?？梢钥吹?，當(dāng)鐵精礦比表面積為1476 cm2•g-1時(shí)，其-200目（-0.074mm）粒級(jí)占比83.82%，基本滿足球團(tuán)生產(chǎn)要求。

 

1.2  研究方法

實(shí)驗(yàn)主要分為氧化球團(tuán)制備及氣基直接還原兩大部分。

（1）生球制備

造球原料以干重3.5kg計(jì)算，得到自然堿度及添加石灰石得到高堿度的混勻物料，水分預(yù)調(diào)至7.5%造球。造球機(jī)傾角為45°、直徑為1m、邊高為0.3m、轉(zhuǎn)速為22 r/min。造球完成后，篩取粒度合格生球進(jìn)行生球性能檢測(cè)。

預(yù)熱焙燒

在105℃下對(duì)生球進(jìn)行4~6h干燥后，在CWQ-55臥式管爐中進(jìn)行干球的預(yù)熱及焙燒實(shí)驗(yàn)，待球團(tuán)冷卻至室溫后采用ZQYC-智能抗壓強(qiáng)度測(cè)量機(jī)對(duì)預(yù)熱球、焙燒球進(jìn)行強(qiáng)度檢測(cè)?？箟褐笜?biāo)為預(yù)熱球團(tuán)強(qiáng)度需大于500 N·個(gè)-1、焙燒球團(tuán)強(qiáng)度需大于2500 N·個(gè)-1。

（3）成品球團(tuán)礦理化性能檢測(cè)

取最優(yōu)熱工制度條件下的球團(tuán)為成品球團(tuán)進(jìn)行氣基直接還原實(shí)驗(yàn)，圖1為實(shí)驗(yàn)用還原爐裝置圖。反應(yīng)器的內(nèi)徑76.2±1mm，取500±1g的球團(tuán)放置入反應(yīng)器；還原罐以10L/min的速度通入N2并升溫至800℃ ~ 950℃；隨后以55L/min的速度通入還原氣體待還原進(jìn)行一定時(shí)間后停止，還原氣體的成分及比例為H2：CO：CO2：N2=55：21：14：10；還原停止后向反應(yīng)罐中以5~10L/min的速度通入N2并冷卻至室溫。參考HYL公司規(guī)定的HYL法氣基直接還原標(biāo)準(zhǔn)[23-25]，對(duì)成品球團(tuán)進(jìn)行冶金性能檢驗(yàn)。包括抗壓強(qiáng)度、還原度指數(shù)RI、還原膨脹率RSI以及低溫還原粉化率RDI。

 

圖1實(shí)驗(yàn)用還原爐

Fig.1 Furnace for gas-based direct reduction

 
 

 

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