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2023

添加碳對(duì)還原性氣氛下低品質(zhì)磁鐵礦直接還原行為的影響（1）

關(guān)鍵詞:

DRI,直接還原鐵,EAF,電弧爐

來(lái)源：公司內(nèi)部

1. 簡(jiǎn)介
隨著對(duì)能有效應(yīng)對(duì)全球變暖和二氧化碳排放的生產(chǎn)方法的需求，電弧爐（EAF）煉鋼再次受到關(guān)注。為了應(yīng)對(duì)電爐煉鋼行業(yè)預(yù)期的大幅增長(zhǎng)，有必要尋找替代鐵源來(lái)彌補(bǔ)優(yōu)質(zhì)廢鋼的短缺，而直接還原鐵（DRI）就是一個(gè)非?？赡艿奶娲F源。最近，針對(duì) EAF 流程中使用 DRI 所需的操作變化進(jìn)行了許多研究。預(yù)計(jì)在不久的將來(lái)對(duì) DRI 的需求將會(huì)增加，因此需要更高效的生產(chǎn)技術(shù)。

DRI的生產(chǎn)工藝大致可分為兩類：氣基工藝和碳基工藝。雖然與碳基工藝相比，氣基工藝的 DRI 生產(chǎn)更具優(yōu)勢(shì)，但氣基 DRI 生產(chǎn)需要大量碳?xì)浠衔锶剂希ㄈ缫夯烊粴猓┻M(jìn)行直接還原。除非適當(dāng)建立進(jìn)料和還原氣體的逆流流動(dòng)，否則還原效率可能會(huì)大大降低。因此，在液化天然氣供應(yīng)短缺和回轉(zhuǎn)窯等反應(yīng)器效率低的情況下，碳基工藝可能更為合適。

另一方面，目前優(yōu)質(zhì)鐵礦石開采量不足，面臨枯竭問(wèn)題，因此，研究在 DRI 生產(chǎn)中利用磁鐵礦等低品質(zhì)鐵礦石的創(chuàng)新技術(shù)顯得尤為必要。通常，固體含碳材料（如煤）與鐵礦石結(jié)合成球團(tuán)，以實(shí)現(xiàn)更高效的固-固反應(yīng)。在復(fù)合碳球團(tuán)還原的初始階段，CO氣體的排放會(huì)造成球團(tuán)中含有大量的孔隙。如果隨后引入還原性氣體，碳基還原的孔隙率可以增強(qiáng)氣體的傳質(zhì)并提高氣體基還原中還原反應(yīng)的凈速率。另一方面，當(dāng)碳基還原中存在過(guò)量的碳時(shí)，還原鐵的熔點(diǎn)會(huì)因滲碳而降低。由于鐵水可能相互粘附，耐火材料也可能粘附，因此在回轉(zhuǎn)窯中直接還原時(shí)應(yīng)避免形成鐵水。

因此，尋求碳基還原的優(yōu)化條件來(lái)補(bǔ)充氣體還原是有意義的。在本研究中，采用碳基還原輔助的混合氣體還原法進(jìn)行了鐵礦球團(tuán)直接還原實(shí)驗(yàn)。

2. 材料和方法
2.1. 樣品制備
選擇磁鐵礦和無(wú)煙煤作為鐵礦石和煤炭的原料，其成分如表1所示。將每種材料在盤磨機(jī)中粉碎，并在 383 K 的箱式爐或烘干機(jī)中徹底干燥 48 小時(shí)以上。隨后，使用篩子將兩種材料分為幾個(gè)尺寸組。為了正確模擬尾礦磁鐵礦細(xì)顆粒的實(shí)際情況，將鐵礦石和煤粉分為三個(gè)粒度組：32-53μm（S）、53-74μm（M）和74-105μm（L）。使用光學(xué)顯微鏡分析，估計(jì)每組的平均尺寸分別為43μm、64μm和91μm，并且根據(jù)光學(xué)觀察對(duì)這些平均值進(jìn)行半定量驗(yàn)證。

表 1. 本研究中使用的鐵礦石和煤的成分

磁鐵礦	t-Fe	Fe₃O₄	Fe₂O₃	MgO	SiO₂	CaO
磁鐵礦	43.5%	53.7%	6.6%	15.1%	17.7%	4.3%
無(wú)煙煤	F.C.	V.M.	Ash
無(wú)煙煤	58.9	6.5%	34.7%

由于53-74μm組的無(wú)煙煤數(shù)量不足，因此僅使用其他兩個(gè)尺寸組的煤。為了確定碳復(fù)合材料作為補(bǔ)充預(yù)還原的最佳條件，碳當(dāng)量（代表固定碳提供的碳與待還原的氧的摩爾比）在0-1.0的范圍內(nèi)變化。還進(jìn)行了許多不添加碳的氣體還原實(shí)驗(yàn)（CEq. = 0）以進(jìn)行比較。將不同碳當(dāng)量條件下的磁鐵礦和無(wú)煙煤仔細(xì)混合，并使用壓球機(jī)以 3000 kg/cm2 的壓力壓制成直徑和高度分別為 15 mm 和 10 mm 的圓盤型碳復(fù)合球團(tuán)。

2.2. 實(shí)驗(yàn)過(guò)程
通過(guò)分析廢氣的成分，對(duì)所制備的球團(tuán)礦進(jìn)行了還原實(shí)驗(yàn)。將石英坩堝（內(nèi)徑 22 mm，深度 27 mm）中的顆粒放入底部封閉的石英管（內(nèi)徑 27 mm）中，石英管的頂部有氣體入口（外徑 6 mm，內(nèi)徑 4 mm）和出口。本研究使用的實(shí)驗(yàn)裝置示意性如圖1所示。用高純度 Ar 氣體作為載氣，以 1360 cm3/min 的速度在石英管中吹掃數(shù)小時(shí)后，將裝有樣品的石英管插入到使用 Kanthal 加熱器控制在 1373 K 的立式電阻爐中。從樣品放入爐中起，使用氣體分析儀、分析廢氣的成分（CO、CO2、O2）。了從動(dòng)態(tài)氣體成分中計(jì)算出 CO 或/和 CO2 氣體的揮發(fā)量，作為示蹤氣體，O2 氣體被直接引入分析儀，其已知流速由質(zhì)量流量控制器在室溫下控制為 240 cm3/min。

圖 1. 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

在碳復(fù)合材料還原的情況下，僅引入Ar氣，分析廢氣中CO和CO2氣體的濃度以研究還原行為。還原一直進(jìn)行到 CO 和 CO2 氣體的排放量變得可以忽略不計(jì)為止，大多數(shù)情況下在 50 分鐘內(nèi)完成。氣體還原行為可以通過(guò)將CO+Ar混合氣體引入石英管期間釋放的CO2量來(lái)確定。將碳基還原和氣基還原相結(jié)合的幾項(xiàng)實(shí)驗(yàn)分為兩個(gè)階段，以分別考慮兩種還原機(jī)制。在第一階段，復(fù)合碳檢測(cè)到CO和CO2氣體。CO和CO2氣體逸出完成后，將載氣切換為CO氣體以模擬第二階段的氣體還原。當(dāng)氣體還原產(chǎn)生的CO2氣體減少到可以忽略不計(jì)的水平時(shí)，將石英管抽出進(jìn)行空氣冷卻。

為了研究孔隙形成的影響，使用包絡(luò)密度分析儀測(cè)量還原后每個(gè)樣品的真實(shí)密度，同時(shí)根據(jù)尺寸近似估計(jì)其表觀密度以獲得孔隙率，如公式（1）所示。

還原度的確定方法如下。如圖 2 所示，根據(jù)示蹤氣體、O2 氣體的已知流速和 O2 氣體的成分 (vol%) ，使用氣體分析儀獲得樣品中的總氣體的流速。總氣體和O 2 氣體的流速由公式(2)和(3)所示。隨后，可根據(jù)總氣體的流速確定樣品還原產(chǎn)生的 CO 和 CO2 氣體的流速，如下圖所示。