[科普中国]-直接还原炼铁再氧化

简介

随着世界上钢铁短流程工艺的发展,国外尤其是美国钢产量中的电炉钢比已接近50% ,在钢铁短流程中起重要作用的铁的直接还原工艺技术吸引了很多国内炼铁工作者的注意力。根据我国的资源特点和财政状况,一些用煤和铁精矿粉为原料且投资较少的直接还原工艺发展较快,最近相继在建和建成了数十条铁矿石直接还原生产线,其中大部分是以转底炉为主体还原设备的Fastmet工艺和以隧道窑为主体还原设备的H g nas工艺。为了防止还原得到的热态直接还原铁在卸料操作中发生再氧化现象,前者采用了较为复杂的出料设备并采用氮气保护,后者则采取将出窑后的反应罐和台车自然冷却到200℃以下时再开始卸料,这些防再氧化措施操作复杂、费时,直接影响到直接还原工艺的生产成本和作业率1。

原理铁矿石或含铁氧化物在低于熔化温度之下还原成金属产品的炼铁过程;给熔融还原下的定义: 用非高炉炼铁方法获得液态生铁的冶炼工艺的总称。根据上述直接还原定义可知: 由于直接还原是在含铁物料熔化温度以下进行的,含铁物料在整个还原过程中保持固态,铁矿石中的氧被夺走之后形成孔隙。

在冷却过程中,氧化性气体分子通过这些孔隙渗透到直接还原铁的内部,发生严重的再氧化反应。A. A. EL-GEASSY等研究者用氢气将赤铁矿在1273 K下进行还原,然后暴露在干空气中,结果直接还原铁试样在473～1073 K的温度区间内发生再氧化。对直接还原铁的再氧化的反应机理进行了深入的实验研究后得出结论: 在初始阶段再氧化反应由界面化学反应控制,在中后阶段则由氧化性气体通过固体内的微气孔的扩散环节控制,而且再氧化反应速度与反应温度和直接还原铁的微气孔结构密切相关。又由经验可知: 高炉铁水或熔融还原铁水在凝固的过程中仅在表面发生氧化,而在其内部并不发生氧化反应,因为氧化性气体不能渗透到铁水的内部。从以上分析得到启发:如果改变热态直接还原铁内部的微气孔结构分布,将热态直接还原铁表面的微气孔堵塞,就能够阻止再氧化的发生1。

实验1 实验设备

70— 1型、2500 W的电热鼓风干燥箱; 功率10kW、最高温度1 300 ℃马弗炉; O400 mm造球机; 混沙机; 铬刚玉质反应罐O65× 110 mm; 振荡冲击制样机。

2 实验原料

实验使用一种巴西产赤铁矿粉, TFe 为68. 16% , FeO为1. 66% ,所用煤粉的工业分析: 灰分9. 36% ; 挥发分5. 86% ; 固定碳84. 78% ; 硫0. 72% ,煤粉中粒度小于74 μm的部分为96. 33% 。

3 实验方法

将铁精矿粉按规定比例加粘结剂后混均,在成球机上制成12～ 15 mm的生球,烘干后与过量的外配煤粉混合后装入刚玉质的反应罐,将反应罐置于马弗炉中按规定升温曲线升温至指定的反应温度,并在该温度下保持一定时间。还原结束后随炉冷却至800℃时取出反应罐,将热态直接还原铁从反应罐中倒出并暴露在空气中冷却,检验直接还原铁产品的全铁含量,金属铁含量,用这些指标考查直接还原铁的再氧化状况2。

实验结果及分析1 实验结果

从实验结果来看,球团在1 200 ℃还原后,在800 ℃热态下取出,在空气中自然冷却至室温, 直接还原铁的平均金属化率为96. 48% ,表明直接还原铁没有发生明显的再氧化。观察直接还原铁的外观: 直接还原铁形状完整,表面没有开裂,球与球之间有挤压变形现象,体积有收缩,呈金属球状,将试样剖开,其断面已呈金属铁状。

2 结果讨论

由化验结果可看出,高温取出反应罐,直接还原铁并没有再氧化,金属化率最低达到94. 12% ,最高97. 99% ; 平均为96. 48%。在制样的过程中,冲击振动制样机制样3 min后还未能使其完全粉碎,而一般的直接还原铁只需1 min就可以完全粉碎,实际上本实验中的直接还原铁已经是一个致密的金属球了。

考察铁碳相图可知: 在碳含量为4. 3% 时,液相温度最低为1 148℃ ,本实验温度为1 200℃ ,超过液相最低温度1 148℃。在反应初期,因为有过量的煤粉存在,反应罐内为强还原气氛,球团中的氧化铁逐渐被直接还原,新生成的直接还原铁因碳含量极低应呈海绵状。因为本实验所用的煤粉的粒度极细而且过量,直接还原铁和煤粉的接触条件十分优良,新生成的直接还原铁将发生渗碳。随着渗碳反应的进行,直接还原铁的表面碳含量就逐渐升高,由铁碳

相图知,铁的液相线温度将逐渐下降。因此,当直接还原铁表面的碳含量达到某一数值时,在本实验温度下有可能使直接还原铁表面发生熔化。如果反应时间足够长,这个渗碳反应发生的位置将从直接还原铁的表面通过熔化的液体向中心扩展,理论上整个直接还原铁球的碳含量趋于一致,此时整个直接还原铁球都可能熔化。在冷却的过程中,表层熔融的铁首先凝固,在直接还原铁的表面形成了一层致密的铁外壳,这层致密的铁外壳阻止了空气向球团内部的渗透,使再氧化反应仅在表面进行而不能在内部进行,从而在整体上阻止了直接还原铁在冷却过程中发生明显的再氧化。

根据上述分析,得到如下初步推论: 铁氧化物在固态下进行直接还原,因直接还原铁与周围的煤粉接触并发生表层渗碳反应。随着渗碳反应的进行,直接还原铁的碳含量将增加,当碳含量增加到一定程度时,直接还原铁将从表层开始发生熔化。在较高的温度下(大于800℃ )将直接还原铁直接卸出在空气中时,熔化的表层部分凝固,形成比较致密的金属外壳。正是这层致密的金属外壳有效地阻止了直接还原铁的再氧化反应。

如果上述思路在工业上得以实现,会对直接还原铁的实际生产具有重要意义3。

总结将球团矿和煤粉混合装料,使球团矿被煤粉包裹,在固态下进行直接还原。利用直接还原铁的渗碳现象使生成的直接还原铁发生表面熔化,形成致密的金属外壳,堵塞了直接还原铁的微气孔,在800℃的热态氧化气氛下,这层致密的金属外壳起到了防止直接还原铁再氧化的作用3。