褐铁矿球团直接还原过程中体积膨胀的影响因数研究发布时间:2021-09-22T05:51:57.029Z  来源:《教学与研究》2021年9月下作者:张闯1,2,周晓雷1,2,高国锋1,2,范心瑜1,2,王云鹏1,2,张少博1,2,韩文朝1,2,施哲1,2
[导读] 采用单因素实验研究了温度、气氛和C/O摩尔比等因素对褐铁矿球团还原过程体积变化的影响。结果表明,不同还原气氛下褐铁矿氧化球团的还原配置指数相似。褐铁矿氧化球团随着还原度的升高球团矿的膨胀系数先升高后降低,随温度和CO/(CO+H2)的升高而增大。
1.昆明理工大学冶金与能源工程学院
2.昆明理工大学复杂铁资源洁净冶金重点实验室张闯1,2,周晓雷1,2*,高国锋1,2,范心瑜1,2,王云鹏1,2,张少博1,2,韩文朝1,2,施哲1,2    云南昆明
摘要:采用单因素实验研究了温度、气氛和C/O摩尔比等因素对褐铁矿球团还原过程体积变化的影响。结果表明,不同还原气氛下褐铁矿氧化球团的还原配置指数相似。褐铁矿氧化球团随着还原度的升高球团矿的膨胀系数先升高后降低,随温度和CO/(CO+H2)的升高而增大。关键词:褐铁矿;体积变化;膨胀系数
Study on the Influence Factors of V olume Expansion during the Direct Reduction of Limonite Pellet Chuang Zhang1.2,Xiao-lei Zhou1,2*,Guo-feng Gao1,2,Xin-yu Fan1,2,Yun-peng Wang1,2,Shao-bo Zhanreactor technology
g1,2,Wen-chao Han1,2,Zhe Shi1,2, (1.Faculty of Metallurgical and Energy Engineering, Kunming University of Science and Technology, Yunnan Kunming 650093 China; 2.Clean Metallurgy Key Laboratory of Complex Iron Resources, Kunming University of Science and Technology, Yunnan Kunming 650093 China) Abstract:The effects of temperature, atmosphere and C/O molar ratio on the volume change of limonite pellets were studied using single factor experiments. The results show that the reduction configuration index of limonite oxidized pellets is similar under different reducing atmospheres. With the increase of the degree of reduction, the expansion coefficient of limonite pellets increases first and then decreases, and increases with the temperature and CO/(CO+H2).
Key words:Limonite;V olume change;Expansion coefficient
近几年钢铁产业得到了迅猛的发展,人们对钢铁的需求量越来越大。随着产量的增加,富矿的储量在减少[1]。低品位铁矿石(褐铁矿)因其铁含量低、抗压强度低、还原粉化率高和入炉效果不好等特点,一直没有得到有效的利用。因为球团体积变化是影响其性能的重要因数,所以必须了解褐铁矿球团矿在还原气氛中体积变化的影响因素。
关于氧化球团在还原过程中的膨胀机理及其影响因素,国内外已经对此进行了大量的研究。王兆才等人[2]对不同还原气氛下球团的还原性能进行了研究,发现还原气氛中H2含量的增加有利于降低球团的还原
膨胀率,还原后的球团晶体结构完整,品质较好;熊良勇等人[3]针对新疆矿进行研究,发现氧化球团膨胀机理是由于氧化物晶格结构内渗入杂质,引起晶格畸变,导致还原时铁离子向有限核心扩散生成铁相,并形成铁须所致。Run-sheng XU等人[4]研究发现,在H2气氛中,还原膨胀指数变化比在CO气氛中更快。在还原气氛中增加H2含量对于降低还原膨胀指数是有用的,但是也容易引起氧化颗粒破裂。前人的研究大多针对赤铁矿和磁铁矿,而针对褐铁矿球团的研究却很少。因此,本文对褐铁矿氧化球团和含碳球团还原过程中体积变化进行研究。考察温度、气氛和C/O摩尔比等因素对球团矿在还原过程中体积变化的影响。        1实验
1.1实验材料
本研究中使用的褐铁矿样品来自红河钢铁有限公司。具有孔隙度大、吸水性强、湿容量大、易熔化等特点,其化学成分见表1。表1铁矿石化学成分                              (wt%)
本研究中进行还原的颗粒为实验室制备的褐铁矿球团(膨润土含量1.48%、焙烧温度1558K、焙烧时间19min)其化学成分如表2所示,制备好的球团直径大小为11±0.5mm。
表2褐铁矿氧化球团颗粒的主要化学成分                      (wt%)
1.2实验方法
球团还原实验采用的竖式电阻炉(额定功率为2kw,额定温度为1200℃)。实验装置主要由排气口、球团矿、加热元件、排气口、保温管壁和吊篮组成。其中吊篮材料采用铁铬铝丝,防止吊篮材料在氧化还原过程中对球团造成影响。炉温由铂铑热电偶测量,并由PID程序控温。加热元件为电阻丝,其分布在炉子周围。升温更稳定,结果更准确。气体通过管道从进气孔通入,排气孔排出,结构如图1所示。
1-排气口;2-球团矿;3-加热元件;4-进气口;5-保温管壁;6-吊篮
图1试验装置图
首先将竖式电阻炉升温到指定温度,使用99.99%的N2吹扫炉子。将制备好的球团干燥后放入吊篮中,逐渐伸入电炉中心位置。待还原结束后,将球团矿取出,放入添加焦炭的密闭容器中,并在表面覆盖一层碳粉,防止还原后的球团矿接触空气发生氧化。待球团冷却后,测量其直径。
氧化球团在还原过程中体积会发生膨胀,根据我国于1991年制定出国家标准GB/T 13240-91“铁矿球团相对自由膨胀指数的测定方法”测量颗粒的体积。还原膨胀指数计算公式如式(1)所示。
其中,RSI是还原膨胀指数,是还原前试样的体积,是还原后试样的体积。
2褐铁矿氧化球团膨胀过程分析
2.1还原度对球团膨胀系数的影响
颗粒的还原膨胀系数是由多种原因共同影响的。颗粒还原程度不同、SiO2的晶型转变以及颗粒孔隙度和裂纹不同等,均会对颗粒膨胀系数照成影响。焙烧后的褐铁矿球团的还原程度如式(1)所示[5]:
其中R是铁的还原度,是焙烧后的褐铁矿球团中Fe结合的O的总质量,是与Fe结合的O的总损失量量质量。还原过程中的和分别是和的质量分数,在褐铁矿焙烧球团中,是还原前褐铁矿球团颗粒,是还原过程中褐铁矿球团颗粒。参数0.11和0.43分别表示将和Fe转化为Fe2O3时氧需求的转换系数。氧化球团还原度随时间的变化曲线如图2所示。
图2 (a) 球团矿在纯CO气氛下的还原度曲线,(b) 球团矿在纯H2气氛下的还原度曲线
随着还原时间的延长,球团还原度不断发生变化。根据图2球团的还原曲线,可以得到在两种气氛中还原度对球团体积膨胀率的影响如图3所示。
图3 (a) 球团矿在纯CO气氛下膨胀系数与还原度的关系曲线,(b) 球团矿在纯H2气氛下膨胀系数与还原度的关系曲线研究结果表明两种在气氛中球团矿的还原过程体积膨胀率与还原度之间的关系基本一致。随着还原度的升高球团矿的膨胀系数先升高后降低。在CO气氛中,还原度为94.31时球团的还原度最高为11.23。在H2气氛中,还原度为86.59时球团的还原度最高为10.82。原因是由于
褐铁矿球团经过焙烧后,铁氧化物主要的存在形式为Fe2O3。Fe2O3在还原过程中是分多步进行的,其成分在还原过程体积变化可简单表示为[6]。由于是正交六面体结构,和是面心立方结构,是立方体结构,当还原度小于94.31(CO气氛)或86.59(H2气氛)时,铁氧化物主要发生从高价氧化物向低阶氧化物的转变,此时球团的体积膨胀主要由铁氧化物由正六面体结构向面心立方结构转变引起的[7]。当还原度大于94.31(CO气氛)或86.59(H2气氛)时,铁氧化物主要发生从氧化物向铁单质的转变,此时球团的体积膨胀主要由铁氧化物由面心立方结构向立方体结构转变引起的。
2.2还原温度对膨胀指数的影响
图4为973K~1373K,在H2和CO气氛中还原120min时颗粒还原膨胀系数随温度的变化曲线。可见在973K~1373K范围内球团的膨胀率随温度的升高而增大。原因是由于还原温度升高球团内Fe3O4相转化为的过程进行得更加彻底,在达到最大膨胀率时球团内具有更多的含量[8]。
图4 H2和CO气氛中颗粒的氧化膨胀指数的比较        2.3还原气氛对膨胀指数的影响
在1373K,不同CO/(CO+H2)气氛中颗粒还原球团微观结构和膨胀系数如图5所示。通过图中可以看出在随着CO/(CO+H2)的升高颗粒的膨胀系数逐渐升高。造成这种现象的原因是由于CO和H2的扩散系数不同[9]。CO气氛中颗粒具有紧密的晶粒结构,晶粒内部存在的通道很少,晶粒间存在很大应力,会产生大量直径大于20微米的孔隙[10]。而H2气氛中小于5微米的孔隙较多,晶粒间应力较小,产生直径大于20微米的孔隙较少,造成在H2气氛中还原的颗粒总的孔隙相对较小[11]。因此,在H2中添加CO气体会减小还原后球团的孔隙度,进而球团增大膨胀系数。
图5 颗粒样品的SEM图:O,氧化颗粒;A,在CO气氛中还原颗粒;B,在H2气氛中还原颗粒;C,不同H2和CO配比气氛中颗粒的氧化膨胀指数的比较
3结论
在(CO、H2)两种在气氛中,褐铁矿氧化球团球团矿的还原过程体积膨胀率与还原度之间的关系基本一致;随着还原度的升高,球团矿的膨胀系数先升高后降低;在CO气氛中,氧化球团的还原度为94.31
时,球团的还原度最高为11.23;在H2气氛中,氧化球团的还原度为86.59时,球团的还原度最高为10.82;在973K~1373K范围内,球团的膨胀率随温度的升高而增大;在还原过程中随着CO/(CO+H2)的升高颗粒的膨胀系数逐渐升高。
参考文献
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