直接還原鐵再氧化是指直接還原鐵發生滲碳後使生成的直接還原鐵表面熔化,形成緻密的金屬外殼,堵塞了直接還原鐵的微氣孔,在熱態氧化氣氛下,這層緻密的金屬外殼起到防止直接還原鐵再氧化的作用。
基本介紹
- 中文名：直接還原煉鐵再氧化
- 外文名：Direct reduction of iron reoxidation
- 學科：冶金工程
- 領域：冶煉
- 防止氧化：緻密的金屬外殼
- 保護方法：氮氣保護
簡介,原理,實驗,實驗結果及分析,總結,
簡介
隨著世界上鋼鐵短流程工藝的發展,國外尤其是美國鋼產量中的電爐鋼比已接近50% ,在鋼鐵短流程中起重要作用的鐵的直接還原工藝技術吸引了很多國內煉鐵工作者的注意力。根據我國的資源特點和財政狀況,一些用煤和鐵精礦粉為原料且投資較少的直接還原工藝發展較快,最近相繼在建和建成了數十條鐵礦石直接還原生產線,其中大部分是以轉底爐為主體還原設備的Fastmet工藝和以隧道窯為主體還原設備的H g nas工藝。為了防止還原得到的熱態直接還原鐵在卸料操作中發生再氧化現象,前者採用了較為複雜的出料設備並採用氮氣保護,後者則採取將出窯後的反應罐和台車自然冷卻到200℃以下時再開始卸料,這些防再氧化措施操作複雜、費時,直接影響到直接還原工藝的生產成本和作業率。
原理
鐵礦石或含鐵氧化物在低於熔化溫度之下還原成金屬產品的煉鐵過程;給熔融還原下的定義: 用非高爐煉鐵方法獲得液態生鐵的冶煉工藝的總稱。根據上述直接還原定義可知: 由於直接還原是在含鐵物料熔化溫度以下進行的,含鐵物料在整個還原過程中保持固態,鐵礦石中的氧被奪走之後形成孔隙。
在冷卻過程中,氧化性氣體分子通過這些孔隙滲透到直接還原鐵的內部,發生嚴重的再氧化反應。A. A. EL-GEASSY等研究者用氫氣將赤鐵礦在1273 K下進行還原,然後暴露在乾空氣中,結果直接還原鐵試樣在473～1073 K的溫度區間內發生再氧化。對直接還原鐵的再氧化的反應機理進行了深入的實驗研究後得出結論: 在初始階段再氧化反應由界面化學反應控制,在中後階段則由氧化性氣體通過固體內的微氣孔的擴散環節控制,而且再氧化反應速度與反應溫度和直接還原鐵的微氣孔結構密切相關。又由經驗可知: 高爐鐵水或熔融還原鐵水在凝固的過程中僅在表面發生氧化,而在其內部並不發生氧化反應,因為氧化性氣體不能滲透到鐵水的內部。從以上分析得到啟發:如果改變熱態直接還原鐵內部的微氣孔結構分布,將熱態直接還原鐵表面的微氣孔堵塞,就能夠阻止再氧化的發生。
實驗
1 實驗設備
70— 1型、2500 W的電熱鼓風乾燥箱; 功率10kW、最高溫度1 300 ℃馬弗爐; O400 mm造球機; 混沙機; 鉻剛玉質反應罐O65× 110 mm; 振盪衝擊制樣機。
2 實驗原料
實驗使用一種巴西產赤鐵礦粉, TFe 為68. 16% , FeO為1. 66% ,所用煤粉的工業分析: 灰分9. 36% ; 揮發分5. 86% ; 固定碳84. 78% ; 硫0. 72% ,煤粉中粒度小於74 μm的部分為96. 33% 。
3 實驗方法
將鐵精礦粉按規定比例加粘結劑後混均,在成球機上製成12～ 15 mm的生球,烘乾後與過量的外配煤粉混合後裝入剛玉質的反應罐,將反應罐置於馬弗爐中按規定升溫曲線升溫至指定的反應溫度,並在該溫度下保持一定時間。還原結束後隨爐冷卻至800℃時取出反應罐,將熱態直接還原鐵從反應罐中倒出並暴露在空氣中冷卻,檢驗直接還原鐵產品的全鐵含量,金屬鐵含量,用這些指標考查直接還原鐵的再氧化狀況。
實驗結果及分析
1 實驗結果
從實驗結果來看,球團在1 200 ℃還原後,在800 ℃熱態下取出,在空氣中自然冷卻至室溫, 直接還原鐵的平均金屬化率為96. 48% ,表明直接還原鐵沒有發生明顯的再氧化。觀察直接還原鐵的外觀: 直接還原鐵形狀完整,表面沒有開裂,球與球之間有擠壓變形現象,體積有收縮,呈金屬球狀,將試樣剖開,其斷面已呈金屬鐵狀。
2 結果討論
由化驗結果可看出,高溫取出反應罐,直接還原鐵並沒有再氧化,金屬化率最低達到94. 12% ,最高97. 99% ; 平均為96. 48%。在制樣的過程中,衝擊振動制樣機制樣3 min後還未能使其完全粉碎,而一般的直接還原鐵只需1 min就可以完全粉碎,實際上本實驗中的直接還原鐵已經是一個緻密的金屬球了。
考察鐵碳相圖可知: 在碳含量為4. 3% 時,液相溫度最低為1 148℃ ,本實驗溫度為1 200℃ ,超過液相最低溫度1 148℃。在反應初期,因為有過量的煤粉存在,反應罐內為強還原氣氛,球團中的氧化鐵逐漸被直接還原,新生成的直接還原鐵因碳含量極低應呈海綿狀。因為本實驗所用的煤粉的粒度極細而且過量,直接還原鐵和煤粉的接觸條件十分優良,新生成的直接還原鐵將發生滲碳。隨著滲碳反應的進行,直接還原鐵的表面碳含量就逐漸升高,由鐵碳
相圖知,鐵的液相線溫度將逐漸下降。因此,當直接還原鐵表面的碳含量達到某一數值時,在本實驗溫度下有可能使直接還原鐵表面發生熔化。如果反應時間足夠長,這個滲碳反應發生的位置將從直接還原鐵的表面通過熔化的液體向中心擴展,理論上整個直接還原鐵球的碳含量趨於一致,此時整個直接還原鐵球都可能熔化。在冷卻的過程中,表層熔融的鐵首先凝固,在直接還原鐵的表面形成了一層緻密的鐵外殼,這層緻密的鐵外殼阻止了空氣向球團內部的滲透,使再氧化反應僅在表面進行而不能在內部進行,從而在整體上阻止了直接還原鐵在冷卻過程中發生明顯的再氧化。
根據上述分析,得到如下初步推論: 鐵氧化物在固態下進行直接還原,因直接還原鐵與周圍的煤粉接觸並發生表層滲碳反應。隨著滲碳反應的進行,直接還原鐵的碳含量將增加,當碳含量增加到一定程度時,直接還原鐵將從表層開始發生熔化。在較高的溫度下(大於800℃ )將直接還原鐵直接卸出在空氣中時,熔化的表層部分凝固,形成比較緻密的金屬外殼。正是這層緻密的金屬外殼有效地阻止了直接還原鐵的再氧化反應。
如果上述思路在工業上得以實現,會對直接還原鐵的實際生產具有重要意義。
總結
將球團礦和煤粉混合裝料,使球團礦被煤粉包裹,在固態下進行直接還原。利用直接還原鐵的滲碳現象使生成的直接還原鐵發生表面熔化,形成緻密的金屬外殼,堵塞了直接還原鐵的微氣孔,在800℃的熱態氧化氣氛下,這層緻密的金屬外殼起到了防止直接還原鐵再氧化的作用。
