COREX豎爐球團粘結(jié)機理

狄瞻霞1，李正一1，龍紅明1*，春鐵軍1，孟慶民1，王平1，李家新1,2

(1. 安徽工業(yè)大學冶金工程學院，安徽 馬鞍山 243002；2. 東北大學冶金學院. 遼寧 沈陽 110819)

　　摘要：模擬COREX豎爐還原條件進行鐵礦球團荷重還原實驗，研究了溫度、還原氣體成分、荷重對粘結(jié)的影響，并用SEM-EDS和XRD分析了不同條件下粘結(jié)物的礦相和成分，結(jié)果表明，球團間的粘結(jié)物以鐵為主，屬于金屬鐵原子以擴散方式相互滲透的固相粘結(jié)類型；還原溫度從750℃升至950℃，球團金屬化率和粘結(jié)物強度均增大；隨H2在還原氣體中比例提高，球團金屬化

　　率及粘結(jié)情況均改善，荷重使球團間粘結(jié)加劇。

　　關(guān)鍵詞：COREX預還原豎爐；球團；粘結(jié)；金屬化率

　　1 前 言

　　COREX工藝是以非焦煤部分或全部替代焦炭，用預還原豎爐還原和熔融氣化爐冶煉的純氧煉鐵流程，世界范圍投產(chǎn)的COREX 流程在節(jié)能減排[1]、降本增效[2]等方面取得了顯著進步,但仍有很多問題尚未解決[2,3]，豎爐內(nèi)爐料的粘結(jié)是其中之一[3-5]。

　　COREX工藝中，含鐵原料經(jīng)還原達到一定的金屬化率后，高溫和長時間荷重擠壓是粘結(jié)的主要原因[6]，影響因素包括還原溫度、還原氣氛、球團脈石含量[6-8]，還原溫度升高，礦石的粘結(jié)指數(shù)升高；當還原氣氛中有H2存在時，反應(yīng)速率更快，析出的鐵更致密，同時可抑制鐵晶須生成，緩解粘結(jié)現(xiàn)象產(chǎn)生[9,10]；提高礦石中的脈石含量也是有效抑制粘結(jié)的方法[11]，目前對球團礦粘結(jié)機理的研究較少，但流化床內(nèi)鐵礦粉粘結(jié)機理有3種：礦石表面鐵晶須的勾連[12-14]、具有高表面能的新鐵析出[15,16]、部分區(qū)域形成FeO和其它高熔點物質(zhì)生成的低熔點氧化物[12,17],本工作通過研究溫度、還原氣體成分、荷重等對球團粘結(jié)行為的影響，揭示球團間粘結(jié)機理，為解決COREX 豎爐內(nèi)爐料的粘結(jié)問題提供理論基礎(chǔ).

　　2 實 驗

　　2.1 實驗原料

　　實驗采用某鋼鐵公司提供的氧化球團，粒度10~16mm，平均抗壓強度3200 N/個，化學成分如表1所示,球團礦用Ultima IV 型X 射線衍射儀(XRD，日本理學公司)分析，結(jié)果如圖1所示，表明球團礦中SiO2含量較高，主要含硅礦物為SiO2和鐵橄欖石,根據(jù)實際COREX入爐氣體組成，確定還原氣體流量為0.88 m3/h，其成分為68% CO, 23% H2, 9% CO2，保護氣體高純N2流量為0.2m3/h，荷重1.4 kg/cm2。

　　2.2 實驗方法

　　將500 g 球團樣品裝入特制的石墨坩堝中，放入硅鉬棒荷重還原軟化爐爐管(Φ90 mm×1000 mm)內(nèi)，實驗裝置見圖2,物料在N2保護下以6℃/min 速率升溫到預定溫度，保溫30min 后通入混合還原氣體，在荷重(538N，模擬豎爐中料柱壓力)條件下還原150min，還原結(jié)束后通氮氣冷卻. 改變還原溫度、H2比例(固定CO2為9%，其余91%中CO 分別為68%, 63%, 58%, 53%和

　　48%，對應(yīng)的H2分別為23%, 28%, 33%, 38%和43%)，研究其對球團金屬化率、球團間粘結(jié)的影響。

　　2.3 分析與檢測

　　用化學分析方法分別測定還原后球團中全鐵(TFe)含量wTFe (GB/T6730.5-2007)、金屬鐵(MFe)含量wMFe(GB/T6730.6-86)，用下式計算金屬化率MR：

MR=ωMFe/ωTFe×100%.

　　粘結(jié)指數(shù)測定：取還原后樣品中相互粘結(jié)的球團稱重，將其從距鋼板1m的高度落下10次，記錄每次落下后仍粘結(jié)在一起的球團質(zhì)量，用其占球團原質(zhì)量的比例對落下次數(shù)作圖，如圖3所示，粘結(jié)指數(shù)(SI)為曲線下面積S2占整個面積(S1+S2)的比例：

SI=S2/(S1+S2)×100%.

　　3 結(jié)果與討論

　　3.1 溫度對粘結(jié)的影響

　　在固定荷重和氣體成分的條件下，分別在不同溫度下還原，粘結(jié)物如圖4 所示，750和800℃下荷重還原后球團并未完全粘結(jié)在一起，出現(xiàn)了圖4(a), 4(b)中粘結(jié)球團高度較圖4(c), 4(e)中低的情況，溫度達850℃以上時，球團全部粘結(jié)在一起，外部有明顯的金屬光澤，950℃時球團明顯擠壓變形，還原后高度從850℃時的62mm 降至58mm。

　　不同溫度下的粘結(jié)指數(shù)和金屬化率如圖5所示，隨還原溫度升高，粘結(jié)指數(shù)逐漸增大，750℃時粘結(jié)指數(shù)為6.7%, 850℃時達30.72%，已超過25%的直接還原鐵生產(chǎn)順行標準[18]。950℃時粘結(jié)指數(shù)最大，為90.43%，比850℃時增大了59.71%，可見溫度對粘結(jié)指數(shù)的影響很大，球團的金屬化率與還原溫度成正比，750℃時金屬化率僅為50.23%，850℃時升高至61.10%，950℃時較750℃時增加了27.98%. 可見高溫提高了金屬化率。

　　為研究粘結(jié)指數(shù)增大的原因，用XRD 分析了粘結(jié)物的礦相組成，結(jié)果如圖6所示，850℃時Fe的衍射峰偏低，粘結(jié)相中有少量FeXO，其中有少量硅鐵橄欖石；900℃時Fe的衍射峰明顯升高，球團間的粘結(jié)物主要是Fe，其次是FeXO、硅鐵橄欖石等。

　　用S-3400N掃描電鏡(SEM，日本Hitachi 公司)和X-MaxN能譜分析儀(EDS,Oxford公司)分析球團粘結(jié)相和球團基體的形貌和元素含量，結(jié)果見圖7和表2。從圖可以看出，暗灰色的脈石仍呈塊狀分布，表明其沒有變?yōu)橐合啵?50℃時鐵晶粒分布較散，金屬鐵還未完全聚集，球團間的粘結(jié)點較少，900℃時鐵晶粒發(fā)育長大，金屬鐵開始成互連狀，部分區(qū)域金屬鐵連接成片，能譜分析表明，點1, 2和4, 5為粘結(jié)相，點3和6為球團基體.可以看出，粘結(jié)相以鐵為主，僅有少量氧元素和其它脈石相物質(zhì)，其中的金屬鐵含量比球團基體中高. 這是由于金屬鐵析出后，不斷以擴散方式向球團表面遷移，當溫度從850℃升至900℃時，粘結(jié)相中鐵含量所占比例

　　增大，還原溫度越高，金屬鐵的析出速度越快，金屬鐵原子在鐵氧化物中擴散加快，球團表面積累量增多。

　　用SEM 分析球團粘結(jié)的形貌，以揭示溫度對球團粘結(jié)行為的影響機理，結(jié)果如圖8 所示，800℃時界面的粘結(jié)主要是兩球團新析出的鐵相互點接觸形成多孔洞，強度較低，850℃時新析出的鐵由點接觸逐漸變?yōu)榫€接觸，較800℃時接觸緊密，粘結(jié)物強度增加。900℃時，由于新析出鐵的擴散和結(jié)晶狀況改善，界面間粘結(jié)發(fā)展為面接觸，粘結(jié)物的強度進一步增加。隨還原溫度升高，新析出鐵原子的擴散能力增強，且不斷粘結(jié)在一起，增大了粘結(jié)強度，粘結(jié)指數(shù)升高. 由此可知，球團間的粘結(jié)屬金屬鐵原子以擴散方式相互滲透的固相粘結(jié)類型。

　　3.2 氣體成分對粘結(jié)的影響

　　荷重1.4 kg/cm2、溫度850℃條件下，考察了不同H2含量的混合氣體為還原劑時球團的粘結(jié)行為，結(jié)果如圖9所示。當H2含量從23%增大到43%時，球團的粘結(jié)指數(shù)從30.72%降至15.99%. 隨H2含量提升，粘結(jié)指數(shù)呈下降趨勢，增加H2比例可一定程度抑制粘結(jié)發(fā)生。

　　H2含量從23%升到43%，金屬化率從61.10%增至71.50%，提升了10.40%. 隨H2含量增加，金屬化率升高，增加H2比例可一定程度上提高金屬化率。當還原溫度大于810℃時，H2還原能力比CO更強，且還原時H2會優(yōu)先在球團表面擴散[19]，因此富氫氣氛更有利于加快金屬鐵生成，增加H2含量有助于加快反應(yīng)進程。

　　不同H2含量下粘結(jié)物的形貌如圖10所示，H2含量為23%(φ)時粘結(jié)物以短粗的晶狀鐵為主，H2含量為33%(φ)時粘結(jié)物包括致密的扁平狀鐵和短粗的晶狀鐵，H2含量為43%(φ)時粘結(jié)物以致密的層狀鐵為主，分層更明顯。由此可知，增加H2比例改變了析出鐵的形貌，由疏松多孔的晶狀變?yōu)檩^致密的層狀，球團間的接觸點減少，粘結(jié)強度減小，粘結(jié)指數(shù)降低。

　　3.3 荷重對粘結(jié)的影響

　　在850℃、氣體成分為68%CO, 23% H2, 9% CO2的條件下還原150 min 后，粘結(jié)物如圖11(a), 11(b)所示。在無荷重條件下，球團粘結(jié)指數(shù)為5.16%，而加荷重后，球團粘結(jié)指數(shù)是30.72%(圖5)。從圖11(a), 11(b)可以看出，加荷重后，球團全部粘結(jié)在一起，而無荷重時只有部分球團粘結(jié)在一起，且粘結(jié)的球團位于坩堝的下部，這是由于還原析出的鐵在球團表面相互接觸，在荷重的作用下更易粘結(jié)且強度增加。

　　考察了荷重1.4kg/cm2、溫度850℃條件下，僅通N2150 min對球團粘結(jié)的影響，結(jié)果如圖11(c)所示，可見只有荷重而無還原時，球團間不會發(fā)生粘結(jié)。

　　分析可知，還原是導致球團粘結(jié)的誘因，而荷重加劇了粘結(jié)。從COREX-3000預還原豎爐與寶鋼3#高爐塊狀帶的料柱有效荷重對比[4]可以看出，產(chǎn)能規(guī)模相當于1800m3高爐COREX-3000預還原豎爐的料柱有效荷重比4000m3級高爐的塊狀帶料柱有效荷重大，使豎爐內(nèi)球團的粘結(jié)嚴重。

　　4結(jié)論

　　在模擬COREX豎爐爐料的荷重還原條件下，研究了溫度、還原氣體成分、荷重對球團粘結(jié)和金屬化率的影響，得出以下結(jié)論：

　　(1) 隨溫度升高，球團還原后的粘結(jié)指數(shù)、金屬化率均升高。750℃時粘結(jié)指數(shù)最低，950℃時金屬化率最高。

　　(2) 隨還原氣體中H2含量增大，球團的粘結(jié)指數(shù)降低，金屬化率升高。H2從23%(φ)增至43%(φ)時，粘結(jié)指數(shù)降低了14.73%，金屬化率提高了10.37%。

　　(3) 只加荷重而無還原時，球團間不會發(fā)生粘結(jié)；只有還原無荷重時，較還原加荷重的粘結(jié)指數(shù)低。還原是導致球團粘結(jié)的誘因，而荷重加劇了粘結(jié)。

　　(4) COREX球團粘結(jié)屬于還原析出的鐵以擴散方式相互滲透的固相粘結(jié)類型。

　　參考文獻：