含碳球团竖炉直接还原试验研究

1、含碳球团竖炉直接还原试验研究周渝生 曹传根 齐渊洪 任志国 许海川(上海宝钢研究院 (钢铁研究总院孔令坛 黄典斌(北京科技大学摘要 文中报告了900970 下含碳球团竖炉直接还原热模拟试验的结果,试验结果表明:含碳4%8%冷固结含碳球团的冶金性能,可以满足竖炉直接还原的要求;同时发现在含碳球团竖炉直接还原过程中,仍以气体还原为主,但固体碳直接还原的比例随温度升高而增加。并研究了含碳球团竖炉直接还原的规律和工艺参数。关键词 直接还原 冷固结球团 含碳球团 竖炉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 引言冷固结含碳球团具有良好的冶金性能,如软化温度较高,还原速度快,自还

5、原及抗氧化能力强等,近几年逐渐被应用于直接还原和熔融还原等冶金工艺中。但由于冷固结球团未经过高温焙烧,其应用仅限于转底炉等对原料强度要求不高的工艺中。冷固结含碳球团能否应用于生产效率周渝生 教授级高工 宝钢技术专家 1945年生 1968年毕业于东北大学 现从事钢铁冶金 电话 56648978邮编 201900高,对原料强度要求严的竖炉直接还原工艺中,是人们一直所关注的焦点问题。为了开发熔融还原的预还原技术,通过试验,测试、分析了冷固结含碳球团的冶金性能,并在此基础上进一步研究了其在直接还原竖炉中的还原行为和还原特性。2 试验条件试验中所用的冷固结球团由精矿粉、煤和某种粘结剂制成,冷固结球团为

6、 12 8m m的扁球。精矿粉和煤粉的化学组成如表1和表2所311999年第5期 宝 钢 技 术示。表3为还原气的化学组成。表1 铁精矿粉的化学组成%TFe FeO Si O 2CaO MgO Al 2O 364 7425 338 200 430 480 64表2 煤粉的化学组成%C fix V A S H 2O 78 339 6511 620 356 7 表3 还原气的化学组成%CO H 2CO 2N 2O 289 337 412 510 100 65冷固结球团冶金性能的测试采用国际标准ISO 和中国国家标准GB 方法进行,测试指标主要包括干球团抗压强度、815 热还原强度、还原软化温度和还

7、原膨胀率。 还原试验在 100 2300mm 的竖炉中进行(图1,设备总高度为4 8m 。还原气体经加热炉预热后进入竖炉,逆流加热球团并使之还原。还原废气由炉顶料仓底部引出并点燃。球团由炉顶料仓连续加入到竖炉中,还原产品经圆盘排料机排入贮料罐中并进行冷却,以防止产品再氧化。 图1 试验设备及试验流程1 阀门;2 炉顶料仓;3 竖炉;4 炉体补偿热源;5 排料机;6 储料罐;7 储运料车;8 煤气排出口;9 煤气加热炉;10 流量计;11 调压阀;12 煤气瓶; 13 取气与测温口3 试验结果及讨论3 1 冷固结含碳球团的冶金性能图2和图3分别为干球强度和热还原抗压强度与球团配碳量的关系。由图可

8、知,无论是干球强度还是热还原抗压强度都是随着配碳量的增加而降低的。图2干球抗压强度与配碳量的关系图3 热抗压强度与配碳量的关系注:还原温度815 ,在CO/CO 2=80/20中还原60min,热态测定球团抗压强度图4和图5分别为球团的开始软化点和球团的线膨胀率与配碳量间的关系,二者都随配碳量的增加而降低。对于上述各项指标,除还原线膨胀率外,过高的配碳量会使其冶金性能降低。因此,为使冷固图4 球团的开始软化点与配碳量的关系32 宝 钢 技 术 1999年第5期图5 球团的线膨胀率与配碳量的关系结球团具有较好的冶金性能,满足竖炉还原要求,其配碳量不宜太高。影响球团冶金性能的因素很多,铁精矿本身的

9、结构和组成以及配用的煤种选择是非常重要的。应尽可能选取灰分、挥发分都较低的煤种。尽管如此,冷固结球团的大部分冶金性能仍明显优于氧化球团,其开始软化温度比氧化球团高50100 ,而其还原线膨胀率则比氧化球团低5%以上,这一点对竖炉直接还原的操作和提高效率是非常有利的。虽然冷固结球团的干球抗压强度和热还原强度低于氧化球团,但在一定的配碳量范围内,冷固结球团仍能满足竖炉直接还原的要求。本试验研制的冷固结球团的冶金性能所能达到的指标如下:含碳<17%球团平均干球抗压强度>600N/个球;含碳<10%球团平均干球抗压强度> 1000N/个球;含碳<10%的球团815 平均热

10、还原强度> 200N/个球;含碳<10%的球团的开始软化温度> 1000 ;含碳球团的还原线膨胀率<10%3 2 冷固结球团的竖炉直接还原3 2 1 还原行为及特性图6,7为温度和停留时间与含碳球团金属化率之间的关系。温度越高,还原速度越快,即在同一停留时间内,可以达到更高的还原度。而在同一还原温度下,停留时间越长,达到的还原度也越高。由于初始反应必须要越过较大的能峰,即存在所谓的诱导期,因此在金属铁析出以前,还原速 度很慢。但一旦有金属铁析出,由于其催化作用,还原速度明显加快。而在还原后期,还原速度又将减慢,主要是由于形成的致密铁层阻塞了铁离子和气体的扩散通道。整个还

11、原过程的变化正如图6,7中的曲线所示。图6 还原温度与金属化率的关系图7 停留时间与金属化率的关系冷固结球团在竖炉还原气氛中的直接还原包括气体及固体碳与铁氧化物还原反应两部分。图8为竖炉上部还原煤气成分分析,图中还原温度930 ,煤气进气高度为0m。图9为含碳球团气体还原和固体碳还原所占比例随温度的变化。由图9可知,温度较低时,以气体还原为主,固体碳还原所占比例较小,但固体碳还原的比例随着温度的提高而逐渐增加。在竖炉中冷固结球团的还原行为与氧化球团类似。然而,冷固结球团可以在较高的温度范围内还原,并能比氧化球团获得更高的还原速度,一方面是由于冷固结球团的软化温度较高,另一方面是由于球团内均匀分

12、布的碳粉改善了传质条件,加快了还原反应速度。球团内的碳除还原消耗球团重量的3%5%外,一部分将残留在金属33周渝生等 含碳球团竖炉直接还原试验研究 化球团中,这部分残碳对于防止产品的再氧化起到一定的保护作用。 图8竖炉上部还原煤气成分分析 图9 气体还原和碳还原所占比例与温度的关系3 2 2 顺行操作保持顺行操作是冷固结含碳球团竖炉直接还原的关键技术之一,而保持顺行操作的最重要的措施之一又是如何防止还原过程发生悬料。影响悬料的因素很多,除炉料本身的性质外,操作参数和操作方式的选择是十分重要的。(1还原温度的影响如果还原温度超过球团的开始软化温度,那么下降至高温区的炉料由于受到上部物料的重力作用

13、,会发生软化和膨胀,并对炉墙产生较大的径向挤压力,使炉料和炉墙间的摩擦力增大,同时也增加了气体向上流动的阻力,最终将导致悬料。(2下料速度的影响下料速度的确定主要是依据反应器的结构尺寸和高温区的长度,原则是要保证炉料在高温区有足够的停留时间以达到预定的金属化率,同时还必须考虑下降速度对顺行操作的影响。试验中发现,在热态还原过程中,当料面下降线速度小于0 3m/h 时,很快就会发生悬料,而当线速度大于0 3m/h 时,则连续操作一直能够保持顺行而无悬料发生。对于结构尺寸不同的反应器,下料线速度完全取决于产品的排料速率。如果排料速率很小,下部物料作用于某一截面上的压力就会比高排料速率时增加许多,同

14、时料层会变得越来越致密,炉料与炉墙间以及球团间的摩擦阻力增加,因此悬料很容易发生,特别是在炉料的形状不规则和局部过热时。(3系统中空气或氧含量的影响在试验中,如果在装料前不用N 2清洗系统,还原1小时后悬料就会发生。根据取样分析和温度分布,发现悬料时400 以上区域内的炉料都成为死料柱,而球团却没有变形。岩相分析表明,这种形式的粘结是由球团表面粘结引起的。粘结的原因是系统内氧气引起球团表面煤粉或还原铁粉燃烧使表面局部过热,并将燃烧产生的灰渣熔融,从而导致粘结。如果装料前用N 2将剩余空气赶尽,并防止氧气渗入系统,悬料就不再发生。因此,为防止悬料并保持操作顺行,首先要使还原温度低于冷固结球团的开

15、始软化温度,其次是要保持适宜的下料线速度,此外,在装料前要用惰性气体置换法赶尽系统中的空气或氧气。3 3 冷固结球团竖炉直接还原基本工艺参数根据上述试验结果和能量平衡计算,可以得到冷固结含碳球团竖炉直接还原比较适宜的基本工艺参数:还原温度: 900970DRI 还原煤气量:12001400m 3/t 总停留时间:35h高温区停留时间:4060min 下料线速度:>0 3m/h在以上条件下,可以保持竖炉顺行操作,金属化率大于85%,设备的总容积利用系数可达8t/(d m 3左右。4 结论(1冷固结含碳球团的冶金性能能够满足竖炉直接还原工艺的要求。由于具有较高的软化温(下转第49页34 宝

16、钢 技 术 1999年第5期水温度的控制精度。4 导电砖的应用从1997年10月开始试用导电砖。导电砖尺寸为455mm 153mm 75mm,砌筑在中间包的注流区,中间包永久衬整体浇注时预留位置,从包底一直砌到中间包上沿(如图5,采用本项目研制的导电火泥砌筑。随中间包喷涂料中温烘烤后, 投入等离子加热使用。图5 导电砖砌筑位置示意图按研制配方试生产的导电砖,在东北大学测定了电阻率,并进行了熔蚀试验和等离子热负荷模拟试验。实炉使用试验表明,研制导电砖在熔损、加负荷起弧、电参数控制和用导电阴极砖后引起的电压降等方面都优于进口砖。1997年生产了首批近40t 研制阴极砖,当时,阴极砖砌筑在中间包注流

17、区的侧壁,浇注后中间包喷涂料解体时很容易掉砖,所以阴极砖用量多,3个月竟用了35t(进口砖20t,研制砖15t,属异常消耗。1998年2月后,将阴极砖改砌于中间包注流区前面(二堰之间的底部,砌筑部位改进后,阴极砖的使用较正常,翻包掉砖现象基本不再发生。5 结语(1采用高纯电熔镁砂、高纯石墨、热固性酚醛树脂和复合抗氧化剂制成的导电砖,能满足电炉厂等离子加热工艺的要求。(2研制的国产导电砖导电性能优于进口砖,抗蚀和抗氧化性能也较好,使用寿命与进口导电砖相当。(3导电砖实现了国产化,节约了外汇,具有一定的经济效益和社会效益。编辑 刘宏娟(改稿时间 1999年6月20日(上接第34页度及其一定的碳含量,其还原可以在较高的温度下进行并可获得较高的还原速度。(2冷固结球团在竖炉煤气直接还原过程中,气体还原铁氧化物的反应占主导