鐵礦球團CO-H2混合氣體氣基直接還原基礎(chǔ)研究.pdf

1、直接還原鐵(DRI)作為廢鋼替代品和生產(chǎn)優(yōu)特鋼不可或缺的原料，發(fā)達國家電爐煉鋼使用直接還原鐵的比例已達50％，而我國僅為約5％。因此，積極開發(fā)不依賴天然氣而直接使用煤制氣作還原劑的氣基豎爐直接還原技術(shù)，對促進我國鋼鐵工業(yè)高效、環(huán)保的可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。
　　本論文以某鐵精礦球團為對象，模擬典型煤制氣及氣基豎爐工藝(Midrex和HYL-Ⅲ)條件，在熱力學和動力學基礎(chǔ)上，運用光學顯微鏡、環(huán)境掃描電子顯微鏡、X射線衍射儀、能

2、譜分析儀和數(shù)顯顯微維氏硬度計等現(xiàn)代微觀測試手段系統(tǒng)研究了鐵精礦球團的氣基還原行為及機理，并采用理論計算的方式對煤制氣豎爐還原過程利用率及能耗進行了模擬分析。
　　熱力學研究表明，在810℃以下時CO的還原能力高于H2，而810℃以上H2的還原能力高于CO，CO和H2之間發(fā)生的水煤氣置換反應(yīng)在810℃達到平衡狀態(tài)。在650℃以上Fe2O3→Fe3O4→FeO→Fe的還原過程中CO-H2混合氣體的綜合利用率由FeO→Fe階段的還原氣利

3、用率決定，直接還原溫度(800～1000℃)范圍內(nèi)其最大綜合利用率約在33.6％～43.3％之間。在900℃使用H2/CO=1.0成分的煤制氣還原出1t海綿鐵產(chǎn)品所需的最低還原氣用量較Midrex工藝增加約100m3，能耗降低0.34GJ/t、能量利用率提高約3.3％。
　　等溫還原及動力學研究表明，還原氣中H2比例由0增大至H2/CO=1.0時，反應(yīng)速率快速增加;繼續(xù)增大至純H2時，反應(yīng)速率增加緩慢。總體上還原速率隨溫度的升高而

4、加快，而在950℃時出現(xiàn)較明顯的“遲滯”現(xiàn)象。在800～950℃、H2/CO＜1條件下，還原過程前期受界面化學反應(yīng)控制，末期化學反應(yīng)和內(nèi)擴散混合控制;在H2/CO＞1或溫度1000℃時，整個還原過程受界面化學反應(yīng)控制。CO還原球團的表觀反應(yīng)活化能為24.98kJ/mol，且活化能隨還原氣中H2比例的增加而逐漸增大，至還原氣氛為H2時活化能為59.63 kJ/mol。
　　模擬豎爐上部還原條件的球團低溫還原粉化研究表明，形成于孔洞周

5、圍的粗大擴展型裂紋以及由致密板狀赤鐵礦還原形成的晶粒間縱橫交錯的細紋使得球團結(jié)構(gòu)遭到破壞而產(chǎn)生粉化，球團在550℃、H2/CO=0.5～1.0條件下粉化率達到最大值。研究了脈石成分對低溫還原粉化的影響，隨SiO2和CaO含量的增加低溫還原粉化率降低，而MgO和Al2O3的存在對低溫還原粉化率影響較小。
　　球團還原過程中的膨脹行為研究表明，當還原度在20％～40％時球團體積膨脹達最大值，且還原過程中體積膨脹率隨還原氣中H2比例的增

6、大而減小，隨溫度的升高而增大。機理研究表明，使用CO還原時球團體積膨脹先由赤鐵礦至磁鐵礦及浮士體的還原引起，之后由于內(nèi)部氣體壓力增大以及鐵晶須析出球團繼續(xù)維持膨脹狀態(tài)。而還原氣中H2比例增加時，球團的最大膨脹由FeO的大量生成引起，之后由于新生金屬鐵的互連聚集而體積收縮。溫度升高球團還原過程中形成的FeO增多，體積膨脹率增大。
　　球團還原過程中抗壓強度的研究表明，在氣基還原初期(1min)強度即降低約75％，原因在于:第一，還原

7、造成了球團邊緣的孔隙率增大破壞了顆粒間的粘結(jié)結(jié)構(gòu);第二，還原破壞了氧化球團中結(jié)晶良好的晶粒結(jié)構(gòu)。且由以上兩個因素所形成的強度薄弱區(qū)隨著還原過程的推進逐漸向球團內(nèi)部推移。還原過程中球團的抗壓強度在10～20min時達最低點，且隨還原氣中H2比例的增大和溫度的降低其處于強度低谷區(qū)的時間逐漸縮短。
　　球團還原過程中的熱結(jié)行為研究表明，還原過程中球團的熱結(jié)依次經(jīng)歷三個階段:首先，浮士體的生成與脈石礦物形成低熔點物質(zhì)，球團間開始出現(xiàn)熱結(jié);

8、然后，由部分金屬鐵相的互連與低熔點物質(zhì)的黏結(jié)共同形成的熱結(jié);最終，隨著還原的進行球團間的熱結(jié)轉(zhuǎn)變?yōu)橐灾旅芙饘勹F相的互連燒結(jié)為主。從界面微觀形態(tài)分析，還原度≤70％時球團間形成的熱結(jié)以“點—點”黏結(jié)為主，強度較低;還原度＞70％時球團間主要為“面—面”黏結(jié)，強度較高。
　　當還原溫度升高至950℃時熱結(jié)指數(shù)開始迅速增大，并在1000℃時達到試驗溫度內(nèi)的最大值。機理研究表明:900℃之前熱結(jié)界面的金屬鐵以纖維狀鐵晶須形態(tài)析出，熱結(jié)由界

9、面間鐵晶須相互鉤連引起，強度較低;溫度升高至950℃時有利于新生金屬鐵相的擴散和結(jié)晶，界面鐵晶須增粗、長大，黏結(jié)強度明顯增大;當溫度繼續(xù)升高至1000℃，熱結(jié)以致密金屬鐵相間的燒結(jié)為主，黏結(jié)強度也達到最大值。
　　在球團表面覆蓋CaO，一方面起到了物理阻隔作用，另一方面改變了金屬鐵的析出形態(tài)對熱結(jié)有較好的抑制效果，但是卻減緩了還原速率。配加木質(zhì)炭起到了“還原劑”、“物理阻隔”與“松料器”的作用，但抑制效果不如表面覆層。而采用兩種措