, 王琳2, 柳明旭1, 沈峰满11.东北大学 冶金学院，辽宁 沈阳 110819;
2.沈阳工程学院 机械学院，辽宁 沈阳 110136
收稿日期: 2015-07-17
基金项目: 国家自然科学基金资助项目(51404059，51374061)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(N140204009)。
作者简介: 姜鑫(1980-)，男，辽宁丹东人，东北大学副教授;
沈峰满(1958-)，男，黑龙江密山人，东北大学教授，博士生导师。
摘要: 为了探讨PSH (paired straight hearth，对行直底炉)直接还原工艺的操作参数，进行了还原时间对高料层碳热还原金属化率影响的研究.试验结果表明：还原时间为50和60 min时，球团的金属化率较高，整个料层总的金属化率分别为57.31%和80.23%.但炉内还原60 min时，存在上层球团再氧化、热效率低、生产效率低等问题.采用热坩埚装料可以明显提高球团金属化率，尤其是底层球团.炉内还原50 min，采用热坩埚装料时，整个料层总金属化率可由冷坩埚装料的57.31%提高至85.24%.因此，以提高碳热还原金属化率为目的，建议采用热坩埚装料，炉内还原50 min.本试验的研究结果可为PSH工艺的开发提供理论依据.
关键词：碳热还原金属化率高料层还原时间热装
Effects of Reducing Time on Metallization Degree of Carbothermic Reduction of Tall Pellets Bed
JIANG Xin1
, WANG Lin2, LIU Ming-xu1, SHEN Feng-man11.School of Metallurgy, Northeastern University, Shenyang 110819, China;
2.Department of Mechanical Engineering, Shenyang Institute of Engineering, Shenyang 110136, China
Corresponding author: JIANG Xin, E-mail: jiangx@smm.neu.edu.cn
Abstract: To explore the operation parameters of the direct reduction processing using the paired straight hearth furnace (PSH), the effects of reducing time on metallization degree of carbothermic reduction of tall pellets bed are investigated in this work. The experimental results show that, when the reducing time is set to 50 and 60 min, the metallization degree (MD) of the total pellets bed is 57.31% and 80.23%, respectively. However, there are some disadvantages in the case of 60 min, such as re-oxidation of the pellets in the top bed, low heat efficiency, and low productivity. Charging with hot crucible can increase the MD of the pellets, especially for the pellets in the bottom bed. In the case of 50 min, the MD of the total pellets bed increases from 57.31% charging with cold crucible to 85.24% charging with hot crucible. Therefore, the hot crucible charge and the 50 min of reducing time are suggested for increasing the MD of carbothermic reduction of tall pellets bed, which could provide a guideline for developing the effective reduction process in PSH.
Key Words: carbothermic reductionmetallization degreetall pellets bedreducing timehot charge
近年来，为了改善能源结构，非高炉炼铁工艺技术的开发得到迅速发展，包括气基竖炉、煤基转底炉、回转窑、隧道窑等[1-8].每种工艺都各有利弊，不同生产企业主要是根据当地的矿石种类、能源情况、环保政策等客观因素，因地制宜选取不同工艺来满足自己的生产要求.
高温高料层PSH直接还原工艺亦是在这种背景条件下开发的一种新型直接还原工艺.该工艺是20世纪末期，由加拿大冶金学家Lu等提出的[9].其主要目的是在焦炭资源短缺的条件下能够大规模高效生产低碳的优质铁水，或者处理某些特殊矿石和含铁粉尘.该工艺开发以来得到了欧美国家的高度重视[10]，但在我国却缺乏相应的投入和科学研究.为此，本文进行了还原时间及坩埚加料方式等对高料层含碳球团金属化率(metallization degree，简写为MD)影响的研究.
1 试验原料与方法本试验所用磁铁精矿的化学成分如表 1所示.煤粉的工业分析及灰分分析如表 2所示.由于采用高料层碳热还原，煤粉挥发分挥发产生还原性气体流动，既可以作为还原剂使用，也可以保护上层金属化球团，防止其再氧化.因此本试验选用烟煤，其挥发分质量分数为26%.根据前期的预备试验[11]，本文的试验所用含碳球团直径为16~18 mm，每次还原试验装5层球团.配碳量过低，球团还原不充分，金属化率较低；配碳量过高，残碳较多，球团强度差，C得不到有效利用[12].本试验配碳量设定为0.95(为了便于与工业生产中的单料层含碳球团直接还原相比较，碳以固定碳计算.若以全碳计算则约为1.20).为了对球团料层实现由上至下的一维辐射传热，在盛装球团的坩埚周围设有20 mm厚的绝热材料.
表 1(Table 1)
 表 1 铁矿粉化学成分(质量分数)Table 1 Chemical composition of iron ore concentrate (mass fraction)%
| 表 1 铁矿粉化学成分(质量分数) Table 1 Chemical composition of iron ore concentrate (mass fraction)% |
表 2(Table 2)
表 2 煤粉的工业分析与灰分分析(质量分数)Table 2 Proximate and ash composition analysis of pulverized coal (mass fraction)%
| 表 2 煤粉的工业分析与灰分分析(质量分数) Table 2 Proximate and ash composition analysis of pulverized coal (mass fraction)% | ||||||||||||||||||||||||||||||
本试验加热炉采用炉膛式二硅化钼电阻炉，温度控制如图 1所示，试验步骤如下：
图 1(Fig. 1)
 | 图 1 还原过程中炉温曲线Fig.1 Temperature profile in electric muffle furnace with reducing time |
①1 200 ℃加料，加料后5 min，控制炉温恒定在1 200 ℃.
②从1 200 ℃迅速升温至1 500 ℃.
③1 500 ℃恒温还原至卸料(恒温约25 min)，并立刻拆掉坩埚周围的耐火材料，使碳热还原反应停止，冷却至室温.
④为防止表层金属化球团被再氧化，坩埚取出后在料层上面盖上石墨盖.球团冷却后，对料层进行拆解，分别对每层金属化球团进行分析.球团层数由上至下分别为1，2，3，4，5层.
⑤采用化学分析法检测还原后球团(DRI)的金属铁(MFe)和全铁(TFe)，金属化率MD=w(MFe)/w(TFe).
2 还原时间对金属化率的影响还原时间较短时，球团金属化率较低，尤其是下层球团.即使Fe2O3被还原为Fe3O4，甚至FeO，其金属化率仍然为零.因此，短时间内金属化率难以正确反映含碳球团的还原程度.因此，本文定义了“最大失重率”和“相对失重率(degree of complete reduction，简写为DCR，%)”，并用“相对失重率”来初步评价球团的还原程度，然后再选取“相对失重率”较高的球团(还原时间分别为50和60 min)，分析其金属化率.
1)最大失重率.即假设球团中：a)矿石中与铁结合的氧全部被脱除；b)煤粉中只有灰分保留在球团中.此时球团的失重率定义为最大失重率.
2)相对失重率(DCR)=(球团的实际失重率)/(球团的最大失重率).
2.1 相对失重率和金属化率不同还原时间时含碳球团的相对失重率如图 2所示.由图 2可见：1)各层球团的DCR随着炉内还原时间的延长而增加.第1层球团、第2层球团分别在30和50 min后达最大值.其他层球团DCR在整个还原过程中不断增加；2)还原50 min，球团总DCR达81.3%；还原60 min，球团总DCR约达90%.
图 2(Fig. 2)
 | 图 2 还原时间对球团失重率的影响Fig.2 Effect of the reducing time on DCR of pellets |
可见，还原时间为50和60 min时，球团的金属化率较高(相比较于较短的还原时间)，但第4层和第5层DRI的金属化率仍然较低，尤其是50 min时(图 3).可见：1)还原50 min，球团MD较高，约80%；但4层、5层球团金属化率较低，分别为35.16%和12.76%；整个料层总的金属化率为57.31%；2)60 min时，4层、5层球团MD分别可达75%，63%，球团总MD可达80%以上.
图 3(Fig. 3)
 | 图 3 50和60 min时各层球团的金属化率Fig.3 MD of pellets reducing in 50 and 60 min |
2.2 金属化球团收缩率该工艺的限制环节是由上至下的一维辐射传热，因此本文分析了不同还原时间的收缩率(图 4).可见，第1层球团的直径收缩率可达70%，横截面收缩率可达50%，从而导致料层的空隙率较大(图 5).有利于自上而下的辐射传热.本试验采用高温操作，由于辐射传热量与温度的四次方成正比，传热量随球团的收缩而增加.因此，球团还原后在高温条件下收缩是解决热量传输这一限制性环节的关键点.
图 4(Fig. 4)
 | 图 4 还原时间对球团收缩率的影响Fig.4 Effect of reducing time on the shrinkage of pellets |
图 5(Fig. 5)
 | 图 5 收缩后的球团料层照片Fig.5 Appearance of shrunk pellets bed |
球团收缩后，分散的金属原子在高温条件下热振动加剧，容易发生碰撞并形成较大的金属颗粒.典型的金属化球团显微照片如图 6所示：白色的为金属相(点A)，已发育成较大的金属颗粒；浅灰色的主要为硅酸盐渣相(点B)；深灰色的为游离态的石英(点C)；黑色为孔洞(点D).
图 6(Fig. 6)
 | 图 6 典型的金属化球团显微照片及能谱分析Fig.6 Metallographic photo of DRI and the energy spectrum of typical phases |
2.3 炉内还原时间的讨论分析可知，若还原时间过长，可能会出现如下问题：
1)再氧化.图 7给出的是还原60 min时第一层球团的显微照片，可见其中含有一定液相和析出物.根据相图分析可知(图 8)，FeO-SiO2二元系的熔点可达1 200 ℃以下，因此还原时间过长，可产生液相，冷却过程中会有矿物析出.因为极冷，析出物达不到平衡，成分不均(图 7中，B点矿物颜色较浅，C点矿物颜色较深)，固熔体中SiO2和FeO含量不同.
图 7(Fig. 7)
 | 图 7 顶层球团的显微照片和能谱分析Fig.7 Metallographic picture and energy spectrum of 1st layer pellets |
图 8(Fig. 8)
 | 图 8 SiO2-FeO二元相图Fig.8 Binary phase diagram of SiO2-FeO |
2)热效率较低.50 min之前，上面3层球团的MD已接近最大值.50~60 min时，只有第4层、第5层球团继续还原，但继续对上面3层球团加热使得工艺过程的热效率较低.
3)生产效率有所降低.
4)底层球团MD始终最低，提高底层MD是提高总金属化率的关键.
3 坩埚热装对金属化率的影响由以上分析可知，虽然较长的还原时间可以提高球团金属化率，但也存在不足之处.为了在较短时间内(50 min)获得高金属化率球团(尤其是底层球团)，进行了向热坩埚内加入球团的试验，主要是利用坩埚底部的物理热使底层球团较早就开始还原反应，即在加料之前先把坩埚预热至1 200 ℃.虽然这种热装方式在实验室操作较困难，但实际PSH工艺中的一个台车卸料后，台车面仍然是热态的，因此这种操作方式更接近于PSH工艺的实际情况.
热坩埚与冷坩埚对球团金属化率的影响如图 9所示.由图可见，炉内还原50 min，热坩埚装料时，可以明显提高球团金属化率，尤其是底层球团，第5层球团的金属化率由12.76%提高至78.24%，整个料层总的金属化率由57.31%提高至85.24%.这主要是由于采用热装加料，坩埚底部的物理热(约1 200 ℃)可以使底层球团在较早的时间就开始发生还原反应，生成较多的金属铁，从而提高了整个料层的金属化率.而且，整个还原过程中，金属铁的生成时间越早，生成量越多，越有利于铁晶粒的聚集长大(图 10中白色部分为金属颗粒)，从而促进DRI的收缩，密度增大，有利于DRI的存储和运输.
图 9(Fig. 9)
 | 图 9 冷坩埚及热坩埚对球团金属化率的影响Fig.9 Effect of cold and hot crucible charge on the MD of DRI |
图 10(Fig. 10)
 | 图 10 不同装料方式时底层DRI的显微结构Fig.10 Micrographics of DRI in bottom layer by cold charge and hot charge |
4 结论1)还原时间为50和60 min时，球团的金属化率较高，整个料层总MD分别为57%和80%.但当还原时间过长(如60 min)时，存在上层球团再氧化、热效率低、生产效率低等问题.
2)采用热坩埚装料可以明显提高球团金属化率，尤其是底层球团.炉内还原50 min采用热坩埚装料时，第5层球团MD可达78%，整个料层总MD可达85%以上.因此，以提高高料层(5层，16~18 mm球团)碳热还原金属化率为目的，建议采用热坩埚装料，炉内还原50 min.
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