含碳球團(tuán)豎爐直接還原試驗(yàn)研究

1、含碳球團(tuán)豎爐直接還原試驗(yàn)研究周渝生 曹傳根 齊淵洪 任志國(guó) 許海川(上海寶鋼研究院 (鋼鐵研究總院孔令壇 黃典斌(北京科技大學(xué)摘要 文中報(bào)告了900970 下含碳球團(tuán)豎爐直接還原熱模擬試驗(yàn)的結(jié)果,試驗(yàn)結(jié)果表明:含碳4%8%冷固結(jié)含碳球團(tuán)的冶金性能,可以滿足豎爐直接還原的要求;同時(shí)發(fā)現(xiàn)在含碳球團(tuán)豎爐直接還原過(guò)程中,仍以氣體還原為主,但固體碳直接還原的比例隨溫度升高而增加。并研究了含碳球團(tuán)豎爐直接還原的規(guī)律和工藝參數(shù)。關(guān)鍵詞 直接還原 冷固結(jié)球團(tuán) 含碳球團(tuán) 豎爐Experimental Investigation of the Direct Reduction ofCarbon bearing P

2、ellets in a S haft FuranceZhou Y usheng Cao Chuangeng(Shanghai Baosteel Research InstituteQ i Y uanhong Ren Zhiguo Xu Haichuan(Central Iron and Steel Research InstituteKong Lingtan Huang Dianbin(University of Science and Technology BeijingABSTRACT The article describes the hot simulated test results

3、 of direc t reduc tion using cold bonded pellets bearing4%8%carbon at900970 in a shaft furnace.The results indicate that the metallurgical properties of the cold bonded carbon bearing pellets can satisfy the demand of the direct re duction in a shaft furnace;and the process is dominated by the gas r

4、eduction while the direct reduction ra tio of solid carbon increases with the raising of temperature.The features and parameters of this direct re duction process are investigated.Key Words Direct reduction C old bonded pellet Carbon bearing pellets Shaft furnace1 引言冷固結(jié)含碳球團(tuán)具有良好的冶金性能,如軟化溫度較高,還原速度快,自還

5、原及抗氧化能力強(qiáng)等,近幾年逐漸被應(yīng)用于直接還原和熔融還原等冶金工藝中。但由于冷固結(jié)球團(tuán)未經(jīng)過(guò)高溫焙燒,其應(yīng)用僅限于轉(zhuǎn)底爐等對(duì)原料強(qiáng)度要求不高的工藝中。冷固結(jié)含碳球團(tuán)能否應(yīng)用于生產(chǎn)效率周渝生 教授級(jí)高工 寶鋼技術(shù)專家 1945年生 1968年畢業(yè)于東北大學(xué) 現(xiàn)從事鋼鐵冶金 電話 56648978郵編 201900高,對(duì)原料強(qiáng)度要求嚴(yán)的豎爐直接還原工藝中,是人們一直所關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題。為了開(kāi)發(fā)熔融還原的預(yù)還原技術(shù),通過(guò)試驗(yàn),測(cè)試、分析了冷固結(jié)含碳球團(tuán)的冶金性能,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究了其在直接還原豎爐中的還原行為和還原特性。2 試驗(yàn)條件試驗(yàn)中所用的冷固結(jié)球團(tuán)由精礦粉、煤和某種粘結(jié)劑制成,冷固結(jié)球團(tuán)為

6、 12 8m m的扁球。精礦粉和煤粉的化學(xué)組成如表1和表2所311999年第5期 寶 鋼 技 術(shù)示。表3為還原氣的化學(xué)組成。表1 鐵精礦粉的化學(xué)組成%TFe FeO Si O 2CaO MgO Al 2O 364 7425 338 200 430 480 64表2 煤粉的化學(xué)組成%C fix V A S H 2O 78 339 6511 620 356 7 表3 還原氣的化學(xué)組成%CO H 2CO 2N 2O 289 337 412 510 100 65冷固結(jié)球團(tuán)冶金性能的測(cè)試采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 和中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 方法進(jìn)行,測(cè)試指標(biāo)主要包括干球團(tuán)抗壓強(qiáng)度、815 熱還原強(qiáng)度、還原軟化溫度和還

7、原膨脹率。 還原試驗(yàn)在 100 2300mm 的豎爐中進(jìn)行(圖1,設(shè)備總高度為4 8m 。還原氣體經(jīng)加熱爐預(yù)熱后進(jìn)入豎爐,逆流加熱球團(tuán)并使之還原。還原廢氣由爐頂料倉(cāng)底部引出并點(diǎn)燃。球團(tuán)由爐頂料倉(cāng)連續(xù)加入到豎爐中,還原產(chǎn)品經(jīng)圓盤(pán)排料機(jī)排入貯料罐中并進(jìn)行冷卻,以防止產(chǎn)品再氧化。 圖1 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)流程1 閥門(mén);2 爐頂料倉(cāng);3 豎爐;4 爐體補(bǔ)償熱源;5 排料機(jī);6 儲(chǔ)料罐;7 儲(chǔ)運(yùn)料車(chē);8 煤氣排出口;9 煤氣加熱爐;10 流量計(jì);11 調(diào)壓閥;12 煤氣瓶; 13 取氣與測(cè)溫口3 試驗(yàn)結(jié)果及討論3 1 冷固結(jié)含碳球團(tuán)的冶金性能圖2和圖3分別為干球強(qiáng)度和熱還原抗壓強(qiáng)度與球團(tuán)配碳量的關(guān)系。由圖可

8、知,無(wú)論是干球強(qiáng)度還是熱還原抗壓強(qiáng)度都是隨著配碳量的增加而降低的。圖2干球抗壓強(qiáng)度與配碳量的關(guān)系圖3 熱抗壓強(qiáng)度與配碳量的關(guān)系注:還原溫度815 ,在CO/CO 2=80/20中還原60min,熱態(tài)測(cè)定球團(tuán)抗壓強(qiáng)度圖4和圖5分別為球團(tuán)的開(kāi)始軟化點(diǎn)和球團(tuán)的線膨脹率與配碳量間的關(guān)系,二者都隨配碳量的增加而降低。對(duì)于上述各項(xiàng)指標(biāo),除還原線膨脹率外,過(guò)高的配碳量會(huì)使其冶金性能降低。因此,為使冷固圖4 球團(tuán)的開(kāi)始軟化點(diǎn)與配碳量的關(guān)系32 寶 鋼 技 術(shù) 1999年第5期圖5 球團(tuán)的線膨脹率與配碳量的關(guān)系結(jié)球團(tuán)具有較好的冶金性能,滿足豎爐還原要求,其配碳量不宜太高。影響球團(tuán)冶金性能的因素很多,鐵精礦本身的

9、結(jié)構(gòu)和組成以及配用的煤種選擇是非常重要的。應(yīng)盡可能選取灰分、揮發(fā)分都較低的煤種。盡管如此,冷固結(jié)球團(tuán)的大部分冶金性能仍明顯優(yōu)于氧化球團(tuán),其開(kāi)始軟化溫度比氧化球團(tuán)高50100 ,而其還原線膨脹率則比氧化球團(tuán)低5%以上,這一點(diǎn)對(duì)豎爐直接還原的操作和提高效率是非常有利的。雖然冷固結(jié)球團(tuán)的干球抗壓強(qiáng)度和熱還原強(qiáng)度低于氧化球團(tuán),但在一定的配碳量范圍內(nèi),冷固結(jié)球團(tuán)仍能滿足豎爐直接還原的要求。本試驗(yàn)研制的冷固結(jié)球團(tuán)的冶金性能所能達(dá)到的指標(biāo)如下:含碳<17%球團(tuán)平均干球抗壓強(qiáng)度>600N/個(gè)球;含碳<10%球團(tuán)平均干球抗壓強(qiáng)度> 1000N/個(gè)球;含碳<10%的球團(tuán)815 平均熱

10、還原強(qiáng)度> 200N/個(gè)球;含碳<10%的球團(tuán)的開(kāi)始軟化溫度> 1000 ;含碳球團(tuán)的還原線膨脹率<10%3 2 冷固結(jié)球團(tuán)的豎爐直接還原3 2 1 還原行為及特性圖6,7為溫度和停留時(shí)間與含碳球團(tuán)金屬化率之間的關(guān)系。溫度越高,還原速度越快,即在同一停留時(shí)間內(nèi),可以達(dá)到更高的還原度。而在同一還原溫度下,停留時(shí)間越長(zhǎng),達(dá)到的還原度也越高。由于初始反應(yīng)必須要越過(guò)較大的能峰,即存在所謂的誘導(dǎo)期,因此在金屬鐵析出以前,還原速 度很慢。但一旦有金屬鐵析出,由于其催化作用,還原速度明顯加快。而在還原后期,還原速度又將減慢,主要是由于形成的致密鐵層阻塞了鐵離子和氣體的擴(kuò)散通道。整個(gè)還

11、原過(guò)程的變化正如圖6,7中的曲線所示。圖6 還原溫度與金屬化率的關(guān)系圖7 停留時(shí)間與金屬化率的關(guān)系冷固結(jié)球團(tuán)在豎爐還原氣氛中的直接還原包括氣體及固體碳與鐵氧化物還原反應(yīng)兩部分。圖8為豎爐上部還原煤氣成分分析,圖中還原溫度930 ,煤氣進(jìn)氣高度為0m。圖9為含碳球團(tuán)氣體還原和固體碳還原所占比例隨溫度的變化。由圖9可知,溫度較低時(shí),以氣體還原為主,固體碳還原所占比例較小,但固體碳還原的比例隨著溫度的提高而逐漸增加。在豎爐中冷固結(jié)球團(tuán)的還原行為與氧化球團(tuán)類似。然而,冷固結(jié)球團(tuán)可以在較高的溫度范圍內(nèi)還原,并能比氧化球團(tuán)獲得更高的還原速度,一方面是由于冷固結(jié)球團(tuán)的軟化溫度較高,另一方面是由于球團(tuán)內(nèi)均勻分

12、布的碳粉改善了傳質(zhì)條件,加快了還原反應(yīng)速度。球團(tuán)內(nèi)的碳除還原消耗球團(tuán)重量的3%5%外,一部分將殘留在金屬33周渝生等 含碳球團(tuán)豎爐直接還原試驗(yàn)研究 化球團(tuán)中,這部分殘?zhí)紝?duì)于防止產(chǎn)品的再氧化起到一定的保護(hù)作用。 圖8豎爐上部還原煤氣成分分析 圖9 氣體還原和碳還原所占比例與溫度的關(guān)系3 2 2 順行操作保持順行操作是冷固結(jié)含碳球團(tuán)豎爐直接還原的關(guān)鍵技術(shù)之一,而保持順行操作的最重要的措施之一又是如何防止還原過(guò)程發(fā)生懸料。影響懸料的因素很多,除爐料本身的性質(zhì)外,操作參數(shù)和操作方式的選擇是十分重要的。(1還原溫度的影響如果還原溫度超過(guò)球團(tuán)的開(kāi)始軟化溫度,那么下降至高溫區(qū)的爐料由于受到上部物料的重力作用

13、,會(huì)發(fā)生軟化和膨脹,并對(duì)爐墻產(chǎn)生較大的徑向擠壓力,使?fàn)t料和爐墻間的摩擦力增大,同時(shí)也增加了氣體向上流動(dòng)的阻力,最終將導(dǎo)致懸料。(2下料速度的影響下料速度的確定主要是依據(jù)反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)尺寸和高溫區(qū)的長(zhǎng)度,原則是要保證爐料在高溫區(qū)有足夠的停留時(shí)間以達(dá)到預(yù)定的金屬化率,同時(shí)還必須考慮下降速度對(duì)順行操作的影響。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),在熱態(tài)還原過(guò)程中,當(dāng)料面下降線速度小于0 3m/h 時(shí),很快就會(huì)發(fā)生懸料,而當(dāng)線速度大于0 3m/h 時(shí),則連續(xù)操作一直能夠保持順行而無(wú)懸料發(fā)生。對(duì)于結(jié)構(gòu)尺寸不同的反應(yīng)器,下料線速度完全取決于產(chǎn)品的排料速率。如果排料速率很小,下部物料作用于某一截面上的壓力就會(huì)比高排料速率時(shí)增加許多,同

14、時(shí)料層會(huì)變得越來(lái)越致密,爐料與爐墻間以及球團(tuán)間的摩擦阻力增加,因此懸料很容易發(fā)生,特別是在爐料的形狀不規(guī)則和局部過(guò)熱時(shí)。(3系統(tǒng)中空氣或氧含量的影響在試驗(yàn)中,如果在裝料前不用N 2清洗系統(tǒng),還原1小時(shí)后懸料就會(huì)發(fā)生。根據(jù)取樣分析和溫度分布,發(fā)現(xiàn)懸料時(shí)400 以上區(qū)域內(nèi)的爐料都成為死料柱,而球團(tuán)卻沒(méi)有變形。巖相分析表明,這種形式的粘結(jié)是由球團(tuán)表面粘結(jié)引起的。粘結(jié)的原因是系統(tǒng)內(nèi)氧氣引起球團(tuán)表面煤粉或還原鐵粉燃燒使表面局部過(guò)熱,并將燃燒產(chǎn)生的灰渣熔融,從而導(dǎo)致粘結(jié)。如果裝料前用N 2將剩余空氣趕盡,并防止氧氣滲入系統(tǒng),懸料就不再發(fā)生。因此,為防止懸料并保持操作順行,首先要使還原溫度低于冷固結(jié)球團(tuán)的開(kāi)

15、始軟化溫度,其次是要保持適宜的下料線速度,此外,在裝料前要用惰性氣體置換法趕盡系統(tǒng)中的空氣或氧氣。3 3 冷固結(jié)球團(tuán)豎爐直接還原基本工藝參數(shù)根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果和能量平衡計(jì)算,可以得到冷固結(jié)含碳球團(tuán)豎爐直接還原比較適宜的基本工藝參數(shù):還原溫度: 900970DRI 還原煤氣量:12001400m 3/t 總停留時(shí)間:35h高溫區(qū)停留時(shí)間:4060min 下料線速度:>0 3m/h在以上條件下,可以保持豎爐順行操作,金屬化率大于85%,設(shè)備的總?cè)莘e利用系數(shù)可達(dá)8t/(d m 3左右。4 結(jié)論(1冷固結(jié)含碳球團(tuán)的冶金性能能夠滿足豎爐直接還原工藝的要求。由于具有較高的軟化溫(下轉(zhuǎn)第49頁(yè)34 寶

16、鋼 技 術(shù) 1999年第5期水溫度的控制精度。4 導(dǎo)電磚的應(yīng)用從1997年10月開(kāi)始試用導(dǎo)電磚。導(dǎo)電磚尺寸為455mm 153mm 75mm,砌筑在中間包的注流區(qū),中間包永久襯整體澆注時(shí)預(yù)留位置,從包底一直砌到中間包上沿(如圖5,采用本項(xiàng)目研制的導(dǎo)電火泥砌筑。隨中間包噴涂料中溫烘烤后, 投入等離子加熱使用。圖5 導(dǎo)電磚砌筑位置示意圖按研制配方試生產(chǎn)的導(dǎo)電磚,在東北大學(xué)測(cè)定了電阻率,并進(jìn)行了熔蝕試驗(yàn)和等離子熱負(fù)荷模擬試驗(yàn)。實(shí)爐使用試驗(yàn)表明,研制導(dǎo)電磚在熔損、加負(fù)荷起弧、電參數(shù)控制和用導(dǎo)電陰極磚后引起的電壓降等方面都優(yōu)于進(jìn)口磚。1997年生產(chǎn)了首批近40t 研制陰極磚,當(dāng)時(shí),陰極磚砌筑在中間包注流

17、區(qū)的側(cè)壁,澆注后中間包噴涂料解體時(shí)很容易掉磚,所以陰極磚用量多,3個(gè)月竟用了35t(進(jìn)口磚20t,研制磚15t,屬異常消耗。1998年2月后,將陰極磚改砌于中間包注流區(qū)前面(二堰之間的底部,砌筑部位改進(jìn)后,陰極磚的使用較正常,翻包掉磚現(xiàn)象基本不再發(fā)生。5 結(jié)語(yǔ)(1采用高純電熔鎂砂、高純石墨、熱固性酚醛樹(shù)脂和復(fù)合抗氧化劑制成的導(dǎo)電磚,能滿足電爐廠等離子加熱工藝的要求。(2研制的國(guó)產(chǎn)導(dǎo)電磚導(dǎo)電性能優(yōu)于進(jìn)口磚,抗蝕和抗氧化性能也較好,使用壽命與進(jìn)口導(dǎo)電磚相當(dāng)。(3導(dǎo)電磚實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化,節(jié)約了外匯,具有一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。編輯 劉宏娟(改稿時(shí)間 1999年6月20日(上接第34頁(yè)度及其一定的碳含量,其還原可以在較高的溫度下進(jìn)行并可獲得較高的還原速度。(2冷固結(jié)球團(tuán)在豎爐煤氣直接還原過(guò)程中,氣體還原鐵氧化物的反應(yīng)占主導(dǎo)