预还原烧结技术的开发

LIU1018

预还原烧结技术的开发

    日本正研究在烧结矿的生产工艺中，将铁矿粉制成块并同时进行预还原的技术。在实验中，在一定的焦粉粒径、氧分压及准颗粒结构条件下，烧结矿还原率能达到45％。另外，在添加块状体时，烧结矿中块状体的预还原率能达60％。当把块状体包裹一层抑制熔融的物质，能获得70％的还原率。在高炉内使用预还原烧结矿PRA时，炉压差比使用普通烧结矿低，随着还原率的提高，高炉内透气阻力减小。
    1.前言
    日本为减少CO2 排放量，制订出削减能量使用量及抑制CO2排放为目标的自主行动计划，并一直在研究以现有设备为基础，采取其他措施达到高生产率和环境友好兼顾的工艺。
    许多研究者正在研究将一部分氧化铁还原成金属铁的预还原烧结矿的技术，研究了将团块矿外包裹炭材，通过加热，还原部分团块矿的制造技术。井口等人假定炭材内的团块矿与其发生还原反应，产生的气体燃烧后产生的热量能起到加热的作用。关于置于氧气中单一团块矿的热炭还原已有报导。
    然而，与传统烧结矿相比，这种团矿块具有不同的结构。在一定气氛中获得预还原矿的基础研究还没有达到能进行工艺性生产的程度。
    以现有的烧结工艺为基础，对铁矿粉的块矿化与预还原同时进行的新烧结工艺进行了研究。与传统工艺相比，如果在高炉上使用预还原烧结矿，CO2发生量和能耗将明显降低，这有利于解决地球气候变暖等问题。
    2.预还原烧结工艺的概要与效果
    传统方法是在高炉内进行烧结矿的间接还原，但该工艺是利用烧结机对粉矿进行造块，同时用还原材对其进行直接还原。
    传统炼铁工艺的流程使用焦炭作还原剂，将铁矿石等原料烧结成烧结矿。而新工艺是在烧结原料中添加了还原剂，在造块的同时进行还原，生产出含金属铁和氧化亚铁的预还原烧结矿。生产出的烧结矿和预还原烧结矿均用于高炉炼铁。
    预还原烧结矿的还原率对烧结和高炉过程CO2 排放量的影响如图１所示。
    由图1可看出，随着预还原烧结矿还原率的增加（0％－40％－76％），烧结过程需要的碳量（C/Fe）会增加（0.30－0.71－0.99），然而在高炉中，却大幅度降低（1.98－1.53－1.01），烧结过程与高炉合计碳量预计可大幅度降低。另外，由于烧结矿的预还原，总CO发生量降低，由此得出使用预还原烧结矿能提高碳利用效率。
    预还原烧结矿的还原率与炼铁工艺CO2排放量的关系如图２所示。
    由图2可见，随着预还原烧结矿还原率的提高，高炉炼铁过程中CO2 排放量下降，焦炉内干馏能量下降，但因烧结机还原所需的还原剂增加，CO2排出量增加。炼铁过程整体上CO2排放量，在预还原烧结矿还原率小于30％时，会有所增加，但超过时又降低，还原率在40％时，与传统炼铁工艺在同一水平，还原率达70％时，预计可降低10％。因此，在本研究中，就预还原烧结矿的还原率来说，40％为第一目标，70％为第二目标。
    3.生产预还原烧结矿的基础研究
    3.1烧结实验条件
    生产预还原烧结矿的基础实验是将高品位的铁矿粉（125μm以下）装入烧结埚，熔剂采用的是1mm以下的生石灰。另外，焦粉粒径1mm以下，根据需要可以对粒径进行调整。原料按铁矿石92％，生石灰8％；内裹焦粉12％，外裹焦粉3％。使用直径1.3m圆盘造球机造粒，准颗粒直径为8～11mm。将准颗粒装入内径300mm的试验坩埚内，装料厚度为300mm，进行点火，烧成。烧成末期，为防止PRA的氧化，吹入常温的氮气。
    实验基础条件是：焦粉粒径在1mm以下，吸收气体氧分压为21％，准颗粒由铁矿石、生石灰及还原用焦粉混合后构成。
    3.2PRA生产的最佳条件研究
    3.2.1炭材微细化的效果
    提高炭材和矿石的接触面积，能有效促进还原反应的发生，因此对炭材的微细化进行了研究。通过内裹焦炭1mm，125μm，44μm，10μm等各种尺寸时的实验结果看出，烧结矿还原率与生产率的关系。焦粉粒径在125μm和45μm时，还原率最大。在10μm以下，烧结矿还原率、生产率均有所下降。这是因为微细的焦炭急剧燃烧时，会使准颗粒过分熔融，导致还原率降低。
    3.2.2氧分压控制的效果
    为研究氧分压对预还原的影响，进行了实验。其结果显示：氧分压在9％～15％时，可有效控制焦炭的燃烧，获得高产、高还原率；氧分压为21％时，矿石过分熔融，而低于6％时，焦炭未完全燃烧，有未烧成的原料残余。
    3.2.3还原过程的问题与准颗粒结构的研究
    为分析烧结过程中矿粉的还原行为，在中途吹入氮气，在纵向选取烧结过程中的预还原烧结矿进行分析。其结果显示，在燃烧带中央部位，还原率最高，下层焦炭最多，由此可见还原反应在进行。另一方面，由于再氧化，上层还原率低。
    其次，采用石英玻璃管观察到，在烧结过程中，燃烧带下降。与传统烧结矿比，在内装焦炭多的情况下，预还原烧结矿的燃烧带幅度扩大，燃烧带的传播冷却变慢。另外，因为高温时间长，会产生过度的熔融反应。
    针对这两个问题，进行了准颗粒结构的研究。研究采用3种结构。（A）均一型；（B）外装一部分生石灰的生石灰外装型；（C）外装一部分矿石的矿石外装型。（B）和（C）的结构有利于在烧结时，防止过分熔融，流到准颗粒外部。通过对这3种结构进行的实验结果可见：相对（A）均一型，（B）生石灰外装型的还原率及生产率均很高。另外，（C）矿石外装型还原率和生产率进一步提高，还原率达到45％。
    矿石外装型的准颗粒经过烧成后，其内部为白色金属铁，由于准颗粒结构控制了过分熔融和Fe的再氧化，所以达到了预期目标。
    4.压缩成型微粒及添加包裹微粒的效果
    4.1采用压缩成型微粒电炉还原条件的研究
    对多层结构的准颗粒预还原烧结矿的生产，还原率最大为45％，可实现并超过第一目标值。但是，通过改善准颗粒来获得70％的还原率是很困难的。因此，进一步强化矿石与焦粉的接触，使原料压缩成块状。实验中采用的压缩块矿的外观如杏仁状，容积采用6ml和1.2ml两种。
    在利用坩埚进行烧结试验之前，利用电炉进行最适宜的加热条件的研究。
    将直径3mm的准颗粒装入直径34mm，高45mm的坩埚内，将压缩块矿置于中央。在本次加热试验中，加热指数HI（K?min）,是加热温度与1468K之差对加热时间的积分值。1468K是铁酸钙的熔融温度。
    传统烧结工艺的烧结温度为1300℃，加热时间为3min的情况下，加热指数HI为300K?min。
    通过HI与烧结矿熔融部分面积之间的关系可以看出，HI在500K?min，熔融面积达60%，由此推断熔融烧结矿已不可能维持原状。HI在500K?min以下认为是适宜的。另外，根据HI与烧结矿还原率之间的关系可以看出，HI在500K?min左右时，还原率最大为82％，但在300K?min时，仍可获得67%的还原率，即在通常的烧结条件下，仍能获得高还原率。
    4.2添加压缩成型粒子的实验室烧结实验
    在保温时间较长的中下层，同时装入压缩块矿和准颗粒，进行烧结实验。实验结果显示与3.2节研究的预还原烧结矿相比，添加了压缩块矿的预还原烧结矿的还原率及金属铁含量得到极大改善。
    然而，从烧结后的块上取样时，一些部分熔融，这是因为在温度较高的部分，过分熔融导致的。
    4.3包裹难熔原料颗粒的烧结实验
    为解决过分熔融的问题，研究了在压缩块矿表面包裹难熔融原料的方法。将1.2ml压缩块矿包裹2mm的高熔融点MgO，将其沿烧结床高度方向以每50mm间隔装入5层，各层中心与其周围以50mm间隔装入5个。
    实验结果显示：在烧结床上层，还原率在40％以下，但下层，还原率最大达68％。但每次实验差别很大，在下层，还原率也有低于50％的情况。
    解决还原率不均匀的问题将是今后的研究课题。
    5.预还原烧结矿在高炉内行为的评价
    为调查高炉内预还原烧结矿的行为，进行荷重软化试验。将烧结矿装入?70×150mm的石墨坩埚内，通过程序控制，模拟温度和煤气组成随烧结矿在高炉内下降的变化情况。原料粒度为6.5mm，为实际烧结矿的1/2左右。
    荷重软化试验的结果如图３所示。
    图３的上部分表示收缩率，下部分表示对炉温的炉压差。采用坩埚生产的预还原烧结矿的还原率为36％。与普通烧结矿比较，预还原烧结矿在1000℃左右软化、缓慢收缩，同时，由于收缩，原料层的空隙率增加，炉压差下降。
    而普通烧结矿在1150℃以后收缩放缓，炉压差升高，超过1400℃时，会急剧收缩，在完全熔化后压差下降。另一方面，使用预还原烧结矿时，在1400℃之前的收缩相对较小，炉压差也低，但在1400℃时会迅速收缩，并完全熔化，高温性状好。因此，高炉使用预还原烧结矿时，高炉软熔带厚度减薄、炉压差减小，对提高高炉生产率具有很大的作用。
    6.结语
    通过对预还原烧结矿制造技术的研究及在高炉内行为的评价，获得以下结论：
    （1）通过烧结实验，研究了焦粉粒径、氧分压及准颗粒结构的影响，表明采用预还原烧结矿的还原率最大已达45％。
    （2）在使用压缩成型的块矿时，块状体的还原率达到60％。另外，将压缩块矿用难熔融的原料包裹的情况下，还原率能接近70%。为防止烧结矿的过分熔融，达到均匀还原，提高原料配比的烧成技术的开发是必要的。
    （3）通过对预还原烧结矿在高炉内行为评价，确认高炉内压差比使用普通烧结矿时低，随着还原率的上升，透气阻力大幅度减少。

guomw

早听说日本人搞这东西。谢谢楼主提供资料。