基本介紹
- 中文名：金屬化率
- 外文名：Metallization rate
- 學科：冶金工程
- 領域：鋼鐵
- 範圍：煉鐵
- 用途：衡量還原產品還原程度的質量指標
簡介,試驗原料與方法,還原時間對金屬化率的影響,相對失重率和金屬化率,金屬化球團收縮率,爐內還原時間的討論,坩堝熱裝對金屬化率的影響,總結,
簡介
近年來，為了改善能源結構，非高爐煉鐵工藝技術的開發得到迅速發展，包括氣基豎爐、煤基轉底爐、迴轉窯、隧道窯等。每種工藝都各有利弊，不同生產企業主要是根據當地的礦石種類、能源情況、環保政策等客觀因素，因地制宜選取不同工藝來滿足自己的生產要求．
高溫高料層PSH 直接還原工藝亦是在這種背景條件下開發的一種新型直接還原工藝． 該工藝是20 世紀末期，由加拿大冶金學家Lu 等提出的． 其主要目的是在焦炭資源短缺的條件下能夠大規模高效生產低碳的優質鐵水，或者處理某些特殊礦石和含鐵粉塵． 該工藝開發以來得到了歐美國家的高度重視，但在我國卻缺乏相應的投入和科學研究． 為此，進行了還原時間及坩堝加料方式等對高料層含碳球團金屬化率( metallization degree，簡寫為MD) 影響的研究．
試驗原料與方法
由於採用高料層碳熱還原，煤粉揮發分揮發產生還原性氣體流動，既可以作為還原劑使用，也可以保護上層金屬化球團，防止其再氧化． 因此本試驗選用煙煤，其揮發分質量分數為26%． 根據前期的預備試驗，試驗所用含碳球團直徑為16 ～18 mm，每次還原試驗裝5 層球團． 配碳量過低，球團還原不充分，金屬化率較低; 配碳量過高，殘碳較多，球團強度差，得不到有效利用．本試驗配碳量設定為0. 95( 為了便於與工業生產中的單料層含碳球團直接還原相比較，碳以固定碳計算． 若以全碳計算則約為1. 20) ． 為了對球團料層實現由上至下的一維輻射傳熱，在盛裝球團的坩堝周圍設有20 mm 厚的絕熱材料．
本試驗加熱爐採用爐膛式二矽化鉬電阻爐，試驗步驟如下:
①1200 ℃加料，加料後5 min，控制爐溫恆定在1200 ℃．
②從1200 ℃迅速升溫至1500 ℃．
③1500 ℃恆溫還原至卸料( 恆溫約25 min) ，並立刻拆掉坩堝周圍的耐火材料，使碳熱還原反應停止，冷卻至室溫．
④為防止表層金屬化球團被再氧化，坩堝取出後在料層上面蓋上石墨蓋． 球團冷卻後，對料層進行拆解，分別對每層金屬化球團進行分析． 球團層數由上至下分別為1，2，3，4，5層．
⑤採用化學分析法檢測還原後球團( DRI) 的金屬鐵( MFe) 和全鐵( TFe) ，金屬化率MD =w( MFe) /w( TFe) ．
還原時間對金屬化率的影響
還原時間較短時，球團金屬化率較低，尤其是下層球團． 即使Fe2O3被還原為Fe3O4，甚至FeO，其金屬化率仍然為零． 因此，短時間內金屬化率難以正確反映含碳球團的還原程度． 因此定義了“最大失重率”和“相對失重率”，並用“相對失重率”來初步評價球團的還原程度，然後再選取“相對失重率”較高的球團( 還原時間分別為50 和60 min) ，分析其金屬化率．
1) 最大失重率． 即假設球團中: a) 礦石中與鐵結合的氧全部被脫除; b) 煤粉中只有灰分保留在球團中． 此時球團的失重率定義為最大失重率．
2) 相對失重率( DCR) = ( 球團的實際失重率) /( 球團的最大失重率) ．
相對失重率和金屬化率
不同還原時間時含碳球團的相對失重率:
1) 各層球團的DCR 隨著爐內還原時間的延長而增加。第1 層球團、第2 層球團分別在30 和50 min 後達最大值． 其他層球團DCR 在整個還原過程中不斷增加;
2) 還原50 min，球團總DCR 達81. 3%; 還原60 min，球團總DCR 約達90%．
可見，還原時間為50 和60 min 時，球團的金屬化率較高( 相比較於較短的還原時間) ，但第4層和第5 層DRI 的金屬化率仍然較低，尤其是50 min時還原50 min，球團MD較高，約80%; 但4 層、5 層球團金屬化率較低，分別為35. 16%和12. 76%; 整個料層總的金屬化率為57. 31%; 2) 60 min 時，4層、5 層球團MD 分別可達75%， 63%，球團總MD 可達80%以上．
金屬化球團收縮率
該工藝的限制環節是由上至下的一維輻射傳熱，第1 層球團的直徑收縮率可達70%，橫截面收縮率可達50%，從而導致料層的空隙率較大。有利於自上而下的輻射傳熱。本試驗採用高溫操作，由於輻射傳熱量與溫度的四次方成正比，傳熱量隨球團的收縮而增加。因此，球團還原後在高溫條件下收縮是解決熱量傳輸這一限制性環節的關鍵點。球團收縮後，分散的金屬原子在高溫條件下熱振動加劇，容易發生碰撞並形成較大的金屬顆粒。
爐內還原時間的討論
分析可知，若還原時間過長，可能會出現如下問題:
1) 再氧化． 通過還原60 min 時第一層球團的顯微照片，可以看出其中含有一定液相和析出物． FeO － SiO2二元系的熔點可達1 200 ℃以下，因此還原時間過長，可產生液相，冷卻過程中會有礦物析出． 因為極冷，析出物達不到平衡，成分不均，固熔體中SiO2和FeO 含量不同．
2) 熱效率較低． 50 min 之前，上面3 層球團的MD 已接近最大值． 50 ～ 60 min 時，只有第4層、第5 層球團繼續還原，但繼續對上面3 層球團加熱使得工藝過程的熱效率較低．
3) 生產效率有所降低．
4) 底層球團MD 始終最低，提高底層MD 是提高總金屬化率的關鍵．
坩堝熱裝對金屬化率的影響
雖然較長的還原時間可以提高球團金屬化率，但也存在不足之處． 為了在較短時間內( 50 min) 獲得高金屬化率球團( 尤其是底層球團) ，進行了向熱坩堝內加進球團的試驗，主要是利用坩堝底部的物理熱使底層球團較早就開始還原反應，即在加料之前先把坩堝預熱至1200 ℃．
雖然這種熱裝方式在實驗室操作較困難，但實際PSH 工藝中的一個台車卸料後，台車面仍然是熱態的，因此這種操作方式更接近於PSH 工藝的實際情況．
爐內還原50 min，熱坩堝裝料時，可以明顯提高球團金屬化率，尤其是底層球團，第5 層球團的金屬化率由12. 76% 提高至78. 24%，整個料層總的金屬化率由57. 31% 提高至85. 24%． 這主要是由於採用熱裝加料，坩堝底部的物理熱( 約1 200 ℃) 可以使底層球團在較早的時間就開始發生還原反應，生成較多的金屬鐵，從而提高了整個料層的金屬化率． 而且，整個還原過程中，金屬鐵的生成時間越早，生成量越多，越有利於鐵晶粒的聚集長大，從而促進DRI 的收縮，密度增大，有利於DRI 的存儲和運輸．
總結
1) 還原時間為50 和60 min 時，球團的金屬化率較高，整個料層總MD 分別為57% 和80%．但當還原時間過長( 如60 min) 時，存在上層球團再氧化、熱效率低、生產效率低等問題．
2) 採用熱坩堝裝料可以明顯提高球團金屬化率，尤其是底層球團． 爐內還原50 min 採用熱坩堝裝料時，第5 層球團MD 可達78%，整個料層總MD 可達85% 以上． 因此，以提高高料層( 5層，16 ～ 18 mm 球團) 碳熱還原金屬化率為目的，建議採用熱坩堝裝料，爐內還原50 min．
