反应气氛和温度对热压含碳球团还原反应进程的影响

1、第21卷第4期 2011年4月中国冶金China M etallurg yVo l.21,N o.4A pr il 2011反应气氛和温度对热压含碳球团还原反应进程的影响储满生1, 柳政根1, 王兆才1, 吴开基1, 吕继平2(1.东北大学材料与冶金学院,辽宁沈阳110004; 2.新余钢铁集团有限公司,江西新余338001摘 要:热压含碳球团是利用煤的热塑性而将铁矿粉和煤粉热压成型的一种新型优质炼铁原料。还原性是炉料主要冶金性能之一,而反应气氛和温度对热压含碳球团还原反应进程有重要的影响。通过还原失重试验,重点研究了反应气氛和温度对热压含碳球团还原反应进程的影响。研究表明,热压含碳球团整个还

2、原反应进程可分为两个阶段:第一阶段还原速率明显大于第二阶段;温度对热压含碳球团还原速率有显著的影响,在相同气氛下,温度越高,热压含碳球团的还原速率越快;在900 时,反应气氛对热压含碳球团还原反应速率有显著的影响,还原性气氛对其影响最大;而在1100 时,反应气氛对热压含碳球团还原反应速率的影响趋于减小。关键词:炼铁原料;热压含碳球团;反应气氛;反应温度;还原过程中图分类号:T F 046.6 文献标志码:A 文章编号:1006 9356(201104 0017 04Effects of Reacting Atmosphere and Temperature onReduction Proce

3、ss of Carbon Composite Iron Ore Hot BriquetteCH U M an sheng 1, LIU Zheng gen 1, WANG Zhao cai 1, WU Kai ji 1, L Ji ping 2(1.School M ater ials and M eta llur gy ,N or theaster n U niv ersit y,Shenyang 110004,L iao ning ,China;2.Xiny u I ron and Steel G ro up Cor po ration,Xiny u 338001,Jiang x i,Ch

4、inaAbstract:Carbon composite ir on or e hot br iquette (CCBis a new ty pe of ir on making raw materials,w hich is made through hot briquett ing by binding co al and iro n or e fine.T he reducibility is one o f majo r metallurg ical pr operties for iro n making bur dens.T he reacting at mospher e and

5、 temperature effect ing on the reducibility of CCB hav e been stud ied thro ug h the ex per iments of reduction w eight lo ss.T he ex perimental r esults sho w that the w hole reduction pr ocess of CCB co uld be div ided into tw o st ag es.T he reductio n r ate during the fir st stag e is sig nifica

6、nt ly faster than that during the second one.T he temper atur e has a significant effect o n r eduction rat e;with the increasing tempera tur e,the reductio n rate tends to fasting while the reducing g as co mpo sitio n unchang ed.Reacting atmospher e has a significant effect on reduction pr ocess o

7、 f CCB at temper ature 900 ,and reducible atmospher e has the most impo r tant influence on the r eduction r ate;but at temper atur e 1100 ,the effects tend to decreasing.Key words:iro nmaking r aw mater ial;car bo n composite ir on o re ho t br iquette (CCB;reacting atmosphere;reacting temper atur

8、e;r eduction pro cess基金项目:国家高技术研究发展计划(863项目(2008AA03Z102热压含碳球团是具有一定黏结性的煤与铁矿粉及熔剂的热压产物1 3。与冷固结含碳球团及其他炼铁原料相比,热压含碳球团为新型优质炼铁原料2,具有更好的冶金性能,最突出的是高温强度及还原性能。由于热压含碳球团自身带有还原剂,煤与矿粉紧密接触,还原反应的动力学条件得到了显著改善,而且热压含碳球团内存在碳气化和铁氧化物还原反应的耦合效应4 6,使整个还原过程变得更为复杂。国内学者对冷固结含碳球团进行了大量研究,涉及冷固结含碳球团的还原机制、冶金性能及还原动力学等方面7 9,对热压含碳球团则较少研

9、究。一般认为含碳球团可以快速还原,并且能够在氧化性气氛中还原10。由于热压含碳球团与冷固结球团相比,其固结机制不同,为此本文主要从反应气氛和反应温度两方面研究其对热压含碳球团还原反应进程的影响,考察其在不同气氛和温度下的反应速率。通过反应速率的对比,考察热压含碳球团的还原变化规律。1 试验1.1 原料制备试验所用热压含碳球团是由棉花堡铁精矿粉和七台河烟煤煤粉按一定FC(固定碳/O(摩尔比均匀混合后在一定温度下热压成型的团块,每个球团中国冶金第21卷重约7.0g ,尺寸21mm 19m m 13mm,热压工艺流程示意图1。试验过程中为减小热压含碳球团中挥发分对还原失重的影响,在还原试验开始前将热

10、压含碳球团进行适当预处理,试样的成分见表1。 图1 热压工艺流程Fig.1 Flowchart of hot briquetting process 表1 试验用热压含碳球团试样的成分(质量分数Table 1 Chemical composition of CC B used inreduction experiments%TFeFeOFe 2O 3M Fe FC其他FC/O (摩尔比1.001.2 试验方法和装置选取N 2、CO 、50%CO 50%CO 23种气氛对热压含碳球团进行还原失重试验,还原温度分别设定为900 和1100 。还原失重试验装置示于图2,采用的是东北大学自制的还原失重

11、检测炉,加热体材质为Mo Si 2。温度由计算机控制,试验炉刚玉管内径50mm,电子天平感量为0.001g 。先升温,待炉体吊篮处温度升到试验温度后,恒温0 5h,将热压含碳球团试样装入吊篮内,置于反应炉管内恒温区进行还原失重试验,同时开始记录数据。还原失重由计算机每30s 自动记录数据,还原气体产物的成分由红外气体分析仪进行实时检测。图2 还原失重试验装置Fig.2 Layout of reduction weight loss experim ent system2 结果及分析2.1 温度对热压含碳球团还原反应进程的影响分别研究了在N 2、CO 、50%CO 50%CO 2(体积比气氛下温

12、度对热压含碳球团反应进程的影响,总的气体流量均为4L/min 。气氛不变时,不同温度下热压含碳球团还原率随反应时间的变化趋势如图3所示。 图3 同一气氛下热压含碳球团还原率随不同温度的变化趋势Fig.3 Changing tendencies of C CB reduction rate at diff erent temperature with gas composition unchanged18第4期储满生等:反应气氛和温度对热压含碳球团还原反应进程的影响 由图3可知,热压含碳球团在N 2、CO 、50%CO 50%CO 2气氛下,1100 时的还原率均高于相应的900 时的还原率,同

13、时,热压含碳球团整个还原过程均可分为两个阶段。在N 2气氛与CO 气氛下,第1阶段还原反应快速进行,还原率变化很快,远大于第2阶段,而第2阶段的还原率变化较慢,还原速率趋于减小;温度对热压含碳球团还原过程的影响非常明显,即温度是影响热压含碳球团还原的重要因素,温度越高,越有利于热压含碳球团。在N 2气氛下,还原反应10min 、还原温度为1100 时还原率为84 66%,900 时还原率仅23 73%。但在50%CO 50%CO 2气氛下,热压含碳球团的还原规律有些特殊,在达到最大还原率后,热压含碳球团的还原率有降低的趋势,如图3(c所示,还原温度为900 时,达到最大还原率19 34%后,热

14、压含碳球团的还原率开始降低;还原温度为1100 ,还原率达到66 55%后开始降低。同时在这种气氛下,随着温度的升高,其还原率降低的趋势越显著。这种现象主要是由于气氛中有50%的CO 2的存在,由于随着还原反应的进行,热压含碳球团中C 含量的减少,造成还原气氛的降低,CO 2的弱氧化性则相应的增强,造成了先前部分还原产物被氧化。2 2 气氛对热压含碳球团还原反应进程的影响温度不变时,不同气氛条件下热压含碳球团还原率的变化趋势示于图4。由图4(a可知,900 时气氛对热压含碳球团还原反应进行的影响比较明显。在相同的反应时间内,反应气氛为50%CO 50%CO 2、N 2以及CO 时,热压含碳球团

15、的还原率依次增大,50%CO 50%CO 2气氛下还原15m in 时还原率为19 47%,N 2气氛下的还原率为31 11%,CO 气氛下的还原率为46 35%。随着还原反应的继续进行,不同气氛条件下的还原率相差愈大。当反应温度为1100 时,反应气氛对热压含碳球团还原反应进程的影响趋于减小,如图4(b所示。在热压含碳球团还原率达到约90%之前,N 2和CO 气氛下的还原趋势比较一致。在之后,CO 气氛下的还原率高于N 2气氛下的还原率,还原时间为15min 时,CO 气氛下的还原率为96 97%,N 2气氛下的还原率为91 46%。但50%CO 50%CO 2(弱氧化性气氛下,热压含碳球团

16、还原率的变化趋势较为特殊,还原时间为15min 时,还原率为66 85%,之后热压含碳球团的还原率开始减小,反应35min 时还原率降为53 63%。比较900 和1100 时各气氛对热压含碳球团还原反应进程的影响可知,在900 时,还原性气氛对热压含碳球团还原反应速率影响较大;而在1100 时,气氛对热压含碳球团还原速度的影响趋于减小。但弱氧化性气氛对热压含碳球团还原反应的影响较为特殊,在达到最高还原率之后,随着反应的进行, 热压含碳气团还原率呈降低的趋势。图4 同一温度下热压含碳球团还原率随不同气氛的变化趋势Fig.4 Changing tendencies of C CB reducti

17、on rate at diff erent atmosphere with temperature unchanged3 结语在实验室条件下,进行了反应气氛和温度对热压含碳球团还原反应进程影响的研究,由研究结果可知:1在中性、还原性、弱氧化性气氛条件下,温度19中国冶金第21卷对热压含碳球团的还原反应进程有显著的影响,温度越高,热压含碳球团还原速率越快。2热压含碳球团整个还原反应进程可分为2个阶段,第1阶段的还原速率明显大于第2阶段。3在还原温度约为900 时,反应气氛对热压含碳球团还原反应速率有很大的影响,还原性气氛对热压含碳球团还原反应速率影响最大;而在还原温度约为1100 时,气氛对热压

18、含碳球团还原反应速率的影响趋于减小。4弱氧化性气氛对热压含碳球团还原反应速率的影响较为特殊,在达到最大还原率之后,随着反应的进行,热压含碳球团的还原率有降低的趋势,温度越高,其降低趋势越显著。参考文献:1 Kasai A,M atsu i Y,Noma F,et al.Cold Strength Enhancem ent M ech anism of Carb on Com pos ite Iron Ore H ot Briqu ette J.T etsu to Hagan e,2001,87(4:313.2 Naito M.Recent Progres s in Japan ese Stee

19、l IndustryJ.Curr Adv M ater Process,2004,17(2:313.3 储满生,王兆才,艾名星,等.热压含碳球团冷态强度的实验研究J.东北大学学报:自然科学版,2009,30(5:696.4 日本鉄鋼协会学会部門高温 !部会.酸化鉄 炭素還元 基礎 応用M.東京:日本鉄鋼协会学会,1999:1. 5 U eki Y,S himizu M,M ats ui Y,et al.Effect of Atmosph ereGas Com position on Reaction Beh avior of Low Por os ity Carb on Composite Ir on Ore PelletJ.T ets u to Hagane,2003,89(12:1205.6 储满生,王兆才,柳政根,等.热压含碳球团自还原过程限制性环节的实验研究J.过程工程学报,2010,10(1:121. 7 杨学民,郭占成,黄大光,等.含碳球团还原机理研究J.化工冶金,1995,16(2:1