預(yù)還原燒結(jié)技術(shù)的開發(fā)

　　日本正研究在燒結(jié)礦的生產(chǎn)工藝中，將鐵礦粉制成塊并同時(shí)進(jìn)行預(yù)還原的技術(shù)。在實(shí)驗(yàn)中，在一定的焦粉粒徑、氧分壓及準(zhǔn)顆粒結(jié)構(gòu)條件下，燒結(jié)礦還原率能達(dá)到45％。另外，在添加塊狀體時(shí)，燒結(jié)礦中塊狀體的預(yù)還原率能達(dá)60％。當(dāng)把塊狀體包裹一層抑制熔融的物質(zhì)，能獲得70％的還原率。在高爐內(nèi)使用預(yù)還原燒結(jié)礦PRA時(shí)，爐壓差比使用普通燒結(jié)礦低，隨著還原率的提高，高爐內(nèi)透氣阻力減小。

　　1.前言

　　日本為減少CO2 排放量，制訂出削減能量使用量及抑制CO2排放為目標(biāo)的自主行動(dòng)計(jì)劃，并一直在研究以現(xiàn)有設(shè)備為基礎(chǔ)，采取其他措施達(dá)到高生產(chǎn)率和環(huán)境友好兼顧的工藝。

　　許多研究者正在研究將一部分氧化鐵還原成金屬鐵的預(yù)還原燒結(jié)礦的技術(shù)，研究了將團(tuán)塊礦外包裹炭材，通過加熱，還原部分團(tuán)塊礦的制造技術(shù)。井口等人假定炭材內(nèi)的團(tuán)塊礦與其發(fā)生還原反應(yīng)，產(chǎn)生的氣體燃燒后產(chǎn)生的熱量能起到加熱的作用。關(guān)于置于氧氣中單一團(tuán)塊礦的熱炭還原已有報(bào)導(dǎo)。

　　然而，與傳統(tǒng)燒結(jié)礦相比，這種團(tuán)礦塊具有不同的結(jié)構(gòu)。在一定氣氛中獲得預(yù)還原礦的基礎(chǔ)研究還沒有達(dá)到能進(jìn)行工藝性生產(chǎn)的程度。

　　以現(xiàn)有的燒結(jié)工藝為基礎(chǔ)，對鐵礦粉的塊礦化與預(yù)還原同時(shí)進(jìn)行的新燒結(jié)工藝進(jìn)行了研究。與傳統(tǒng)工藝相比，如果在高爐上使用預(yù)還原燒結(jié)礦，CO2發(fā)生量和能耗將明顯降低，這有利于解決地球氣候變暖等問題。

　　2.預(yù)還原燒結(jié)工藝的概要與效果

　　傳統(tǒng)方法是在高爐內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)礦的間接還原，但該工藝是利用燒結(jié)機(jī)對粉礦進(jìn)行造塊，同時(shí)用還原材對其進(jìn)行直接還原。

　　傳統(tǒng)煉鐵工藝的流程使用焦炭作還原劑，將鐵礦石鐵礦石還原性等原料燒結(jié)成燒結(jié)礦。而新工藝是在燒結(jié)原料中添加了還原劑，在造塊的同時(shí)進(jìn)行還原，生產(chǎn)出含金屬鐵和氧化亞鐵的預(yù)還原燒結(jié)礦。生產(chǎn)出的燒結(jié)礦和預(yù)還原燒結(jié)礦均用于高爐煉鐵。

　　預(yù)還原燒結(jié)礦的還原率對燒結(jié)和高爐過程CO2 排放量的影響如圖１所示。

　　由圖1可看出，隨著預(yù)還原燒結(jié)礦還原率的增加（0％－40％－76％），燒結(jié)過程需要的碳量（C/Fe）會(huì)增加（0.30－0.71－0.99），然而在高爐中，卻大幅度降低（1.98－1.53－1.01），燒結(jié)過程與高爐合計(jì)碳量預(yù)計(jì)可大幅度降低。另外，由于燒結(jié)礦的預(yù)還原，總CO發(fā)生量降低，由此得出使用預(yù)還原燒結(jié)礦能提高碳利用效率。

　　預(yù)還原燒結(jié)礦的還原率與煉鐵工藝CO2排放量的關(guān)系如圖２所示。

　　由圖2可見，隨著預(yù)還原燒結(jié)礦還原率的提高，高爐煉鐵過程中CO2 排放量下降，焦?fàn)t內(nèi)干餾能量下降，但因燒結(jié)機(jī)還原所需的還原劑增加，CO2排出量增加。煉鐵過程整體上CO2排放量，在預(yù)還原燒結(jié)礦還原率小于30％時(shí)，會(huì)有所增加，但超過時(shí)又降低，還原率在40％時(shí)，與傳統(tǒng)煉鐵工藝在同一水平，還原率達(dá)70％時(shí)，預(yù)計(jì)可降低10％。因此，在本研究中，就預(yù)還原燒結(jié)礦的還原率來說，40％為第一目標(biāo)，70％為第二目標(biāo)。

　　3.生產(chǎn)預(yù)還原燒結(jié)礦的基礎(chǔ)研究

　　3.1燒結(jié)實(shí)驗(yàn)條件

　　生產(chǎn)預(yù)還原燒結(jié)礦的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)是將高品位的鐵礦粉（125μm以下）裝入燒結(jié)堝，熔劑采用的是1mm以下的生石灰。另外，焦粉粒徑1mm以下，根據(jù)需要可以對粒徑進(jìn)行調(diào)整。原料按鐵礦石鐵礦石還原性92％，生石灰8％；內(nèi)裹焦粉12％，外裹焦粉3％。使用直徑1.3m圓盤造球機(jī)造粒，準(zhǔn)顆粒直徑為8～11mm。將準(zhǔn)顆粒裝入內(nèi)徑300mm的試驗(yàn)坩堝內(nèi)，裝料厚度為300mm，進(jìn)行點(diǎn)火，燒成。燒成末期，為防止PRA的氧化，吹入常溫的氮?dú)狻?br />
　　實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)條件是：焦粉粒徑在1mm以下，吸收氣體氧分壓為21％，準(zhǔn)顆粒由鐵礦石鐵礦石還原性、生石灰及還原用焦粉混合后構(gòu)成。

　　3.2PRA生產(chǎn)的最佳條件研究

　　3.2.1炭材微細(xì)化的效果

　　提高炭材和礦石的接觸面積，能有效促進(jìn)還原反應(yīng)的發(fā)生，因此對炭材的微細(xì)化進(jìn)行了研究。通過內(nèi)裹焦炭1mm，125μm，44μm，10μm等各種尺寸時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果看出，燒結(jié)礦還原率與生產(chǎn)率的關(guān)系。焦粉粒徑在125μm和45μm時(shí)，還原率最大。在10μm以下，燒結(jié)礦還原率、生產(chǎn)率均有所下降。這是因?yàn)槲⒓?xì)的焦炭急劇燃燒時(shí)，會(huì)使準(zhǔn)顆粒過分熔融，導(dǎo)致還原率降低。

　　3.2.2氧分壓控制的效果

　　為研究氧分壓對預(yù)還原的影響，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。其結(jié)果顯示：氧分壓在9％～15％時(shí)，可有效控制焦炭的燃燒，獲得高產(chǎn)、高還原率；氧分壓為21％時(shí)，礦石過分熔融，而低于6％時(shí)，焦炭未完全燃燒，有未燒成的原料殘余。

　　3.2.3還原過程的問題與準(zhǔn)顆粒結(jié)構(gòu)的研究

　　為分析燒結(jié)過程中礦粉的還原行為，在中途吹入氮?dú)�，在縱向選取燒結(jié)過程中的預(yù)還原燒結(jié)礦進(jìn)行分析。其結(jié)果顯示，在燃燒帶中央部位，還原率最高，下層焦炭最多，由此可見還原反應(yīng)在進(jìn)行。另一方面，由于再氧化，上層還原率低。

　　其次，采用石英玻璃管觀察到，在燒結(jié)過程中，燃燒帶下降。與傳統(tǒng)燒結(jié)礦比，在內(nèi)裝焦炭多的情況下，預(yù)還原燒結(jié)礦的燃燒帶幅度擴(kuò)大，燃燒帶的傳播冷卻變慢。另外，因?yàn)楦邷貢r(shí)間長，會(huì)產(chǎn)生過度的熔融反應(yīng)。

　　針對這兩個(gè)問題，進(jìn)行了準(zhǔn)顆粒結(jié)構(gòu)的研究。研究采用3種結(jié)構(gòu)。（A）均一型；（B）外裝一部分生石灰的生石灰外裝型；（C）外裝一部分礦石的礦石外裝型。（B）和（C）的結(jié)構(gòu)有利于在燒結(jié)時(shí)，防止過分熔融，流到準(zhǔn)顆粒外部。通過對這3種結(jié)構(gòu)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見：相對（A）均一型，（B）生石灰外裝型的還原率及生產(chǎn)率均很高。另外，（C）礦石外裝型還原率和生產(chǎn)率進(jìn)一步提高，還原率達(dá)到45％。

　　礦石外裝型的準(zhǔn)顆粒經(jīng)過燒成后，其內(nèi)部為白色金屬鐵，由于準(zhǔn)顆粒結(jié)構(gòu)控制了過分熔融和Fe的再氧化，所以達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

　　4.壓縮成型微粒及添加包裹微粒的效果

　　4.1采用壓縮成型微粒電爐還原條件的研究

　　對多層結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)顆粒預(yù)還原燒結(jié)礦的生產(chǎn)，還原率最大為45％，可實(shí)現(xiàn)并超過第一目標(biāo)值。但是，通過改善準(zhǔn)顆粒來獲得70％的還原率是很困難的。因此，進(jìn)一步強(qiáng)化礦石與焦粉的接觸，使原料壓縮成塊狀。實(shí)驗(yàn)中采用的壓縮塊礦的外觀如杏仁狀，容積采用6ml和1.2ml兩種。

　　在利用坩堝進(jìn)行燒結(jié)試驗(yàn)之前，利用電爐進(jìn)行最適宜的加熱條件的研究。

　　將直徑3mm的準(zhǔn)顆粒裝入直徑34mm，高45mm的坩堝內(nèi)，將壓縮塊礦置于中央。在本次加熱試驗(yàn)中，加熱指數(shù)HI（K?min）,是加熱溫度與1468K之差對加熱時(shí)間的積分值。1468K是鐵酸鈣的熔融溫度。

　　傳統(tǒng)燒結(jié)工藝的燒結(jié)溫度為1300℃，加熱時(shí)間為3min的情況下，加熱指數(shù)HI為300K?min。

　　通過HI與燒結(jié)礦熔融部分面積之間的關(guān)系可以看出，HI在500K?min，熔融面積達(dá)60%，由此推斷熔融燒結(jié)礦已不可能維持原狀。HI在500K?min以下認(rèn)為是適宜的。另外，根據(jù)HI與燒結(jié)礦還原率之間的關(guān)系可以看出，HI在500K?min左右時(shí)，還原率最大為82％，但在300K?min時(shí)，仍可獲得67%的還原率，即在通常的燒結(jié)條件下，仍能獲得高還原率。

　　4.2添加壓縮成型粒子的實(shí)驗(yàn)室燒結(jié)實(shí)驗(yàn)

　　在保溫時(shí)間較長的中下層，同時(shí)裝入壓縮塊礦和準(zhǔn)顆粒，進(jìn)行燒結(jié)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示與3.2節(jié)研究的預(yù)還原燒結(jié)礦相比，添加了壓縮塊礦的預(yù)還原燒結(jié)礦的還原率及金屬鐵含量得到極大改善。

　　然而，從燒結(jié)后的塊上取樣時(shí)，一些部分熔融，這是因?yàn)樵跍囟容^高的部分，過分熔融導(dǎo)致的。

　　4.3包裹難熔原料顆粒的燒結(jié)實(shí)驗(yàn)

　　為解決過分熔融的問題，研究了在壓縮塊礦表面包裹難熔融原料的方法。將1.2ml壓縮塊礦包裹2mm的高熔融點(diǎn)MgO，將其沿?zé)�結(jié)床高度方向以每50mm間隔裝入5層，各層中心與其周圍以50mm間隔裝入5個(gè)。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：在燒結(jié)床上層，還原率在40％以下，但下層，還原率最大達(dá)68％。但每次實(shí)驗(yàn)差別很大，在下層，還原率也有低于50％的情況。

　　解決還原率不均勻的問題將是今后的研究課題。

　　5.預(yù)還原燒結(jié)礦在高爐內(nèi)行為的評價(jià)

　　為調(diào)查高爐內(nèi)預(yù)還原燒結(jié)礦的行為，進(jìn)行荷重軟化試驗(yàn)。將燒結(jié)礦裝入?70×150mm的石墨坩堝內(nèi)，通過程序控制，模擬溫度和煤氣組成隨燒結(jié)礦在高爐內(nèi)下降的變化情況。原料粒度為6.5mm，為實(shí)際燒結(jié)礦的1/2左右。

　　荷重軟化試驗(yàn)的結(jié)果如圖３所示。

　　圖３的上部分表示收縮率，下部分表示對爐溫的爐壓差。采用坩堝生產(chǎn)的預(yù)還原燒結(jié)礦的還原率為36％。與普通燒結(jié)礦比較，預(yù)還原燒結(jié)礦在1000℃左右軟化、緩慢收縮，同時(shí)，由于收縮，原料層的空隙率增加，爐壓差下降。

　　而普通燒結(jié)礦在1150℃以后收縮放緩，爐壓差升高，超過1400℃時(shí)，會(huì)急劇收縮，在完全熔化后壓差下降。另一方面，使用預(yù)還原燒結(jié)礦時(shí)，在1400℃之前的收縮相對較小，爐壓差也低，但在1400℃時(shí)會(huì)迅速收縮，并完全熔化，高溫性狀好。因此，高爐使用預(yù)還原燒結(jié)礦時(shí)，高爐軟熔帶厚度減薄、爐壓差減小，對提高高爐生產(chǎn)率具有很大的作用。

　　6.結(jié)語

　　通過對預(yù)還原燒結(jié)礦制造技術(shù)的研究及在高爐內(nèi)行為的評價(jià)，獲得以下結(jié)論：

　　（1）通過燒結(jié)實(shí)驗(yàn)，研究了焦粉粒徑、氧分壓及準(zhǔn)顆粒結(jié)構(gòu)的影響，表明采用預(yù)還原燒結(jié)礦的還原率最大已達(dá)45％。

　�。�2）在使用壓縮成型的塊礦時(shí)，塊狀體的還原率達(dá)到60％。另外，將壓縮塊礦用難熔融的原料包裹的情況下，還原率能接近70%。為防止燒結(jié)礦的過分熔融，達(dá)到均勻還原，提高原料配比的燒成技術(shù)的開發(fā)是必要的。

　　（3）通過對預(yù)還原燒結(jié)礦在高爐內(nèi)行為評價(jià)，確認(rèn)高爐內(nèi)壓差比使用普通燒結(jié)礦時(shí)低，隨著還原率的上升，透氣阻力大幅度減少。