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1、鞍钢技术1993年第s期研究与讨论超量内配碳球团固体碳还原的比例刘万山(鞍钢钢铁研究所)通过在管式高沮还原炉中进行的还原试脸.分析了形响超内配破球团固体碳还原的各种因t及应采取的控制措施.关.词球团扩固体暇还原因家分析内配碳 超过理论 还原 剂需要t 的球团(刹余碳用于下部造气),气孔率远高于氧化球团,还原剂与铁矿物接触条件好,因 而在一定的度和气氛条件下可获得很高的还原速度。但是,除了为满足触熔还原本身的要求而追求较高的金属化速 度之外,还 必须考虑能t 的传输和利用间题。对 竖炉部分来说,就是要将固体破的还原与气体还原剂(c o/H:)的还原控制在一个比较理想的范围内。至于这个范圈是多少为
2、最佳,要从整个流 程的化学能和热能的利用情况来考虑,需要进行大t的物料平衡、热平衡计算,这里暂不进行讨论。本文的目的是在试验的基础 上,分析一下影响这种球团 固体碳还原的各种因素以及应采取的控制措施。按四因子二次正交旋转组合设计对各因素进行编码和安排 试验,共进行了3 6次试验.试验中用电子天平记录球团失重t,还原后的样品进行化学分析。2试验结果及数据处理试验方法在管式高温还原炉中进行还原试验,还原气体为c o和c o:混合气体,流量3L /mi n,试样重ts呢。考察的形响因素为:内配碳t二,变化范 围935写;温度x:,变 化 范围80 0130 0,还原时间x:,变化范围520min;气
3、氛中c O:含量二;,变化范围53 0 呱。含碳球团在还原过程中用电子天平记录的失重t,包括失去煤中挥 发分、失氧t和失碳t及少t水分,因此这种球团不能象氧化球团还原那样直接求得还原率.为求得 固体碳还原的克分子比C/0,本文采用记录失重与化学分析相结合的方法求出失氧量和失碳t。应该指出,这里提出的固体碳 还原比例与炼铁学科“直接还原率”是有很大区别的。C/ o(克分子数之比)的具体计 算方法是,假定球团在入沪瞬间失去残存水分和煤中挥发分,并假定挥发分不参加还原反应。考虑到有碳存在时Fe o的分析数据不准确,这里 以碳为基 准进行计算:(入护前样重一失重量)X残余碳%残余碳量入护样重X原样含碳
4、 %原碳重原碳重一残余碳重失碳 重量失重量一含水 重一挥发分 重一失碳克数失氧重鞍城俐技术1 1钢技失碳重八2失氧重 / 1 6一c/0克原子比这里的挥发分是根据对太西煤四次分析结果取均值而得的。根据上述方法求得的各结果列 于表l,然后用这些数据借助电子计算机进行回归计算,求得c/o与各自变食 之 间的函数关 系式,再用此关系式进行各种条件下的c/0计算。所得 回归方程为:y-一2.406一4.910 X 10一x:+6.384X10一劣:一5.654 X10一lx一0.07 4x一0.0 0008x.x:+1.6 14 X 10一x,x,+7.534X 10一心x.二.+5.327X10一留
5、:x:+5.166 X10一忿:x;一2.07 2 X 10一心劣,构+1.867 X10一对一2.719X10一雄一l.0 68X10一月劝+4.671 X 10一月x寺检验证明,整个方程 显著性较高,且多数回归系数是显著的。3试验结果的简单分析首先绘出了在一定条件下(还原时间15min,气氛中C o:10绒)e/o的等值线图(图l)。可见,温度和配碳t是决定C/o的主 要因素。经计算,在本试验原料条件下铁矿物全部用固体碳还原成铁的理论还原剂需要t为9.0%左右。因此在图l所示范围内(超过理论配碳t)若想获得较低的C/o,即发展部分间接还原就必须降低温度,这是由于c+c仇=2C0这一反应在温
6、度较高时速度很快(该反应是吸热反应,约在90 0开始)。在有固体碳存在的条件下,该反应是铁矿物还原的控制环节,因 此在超碳t配比时,沮度较高就不可能使C/0很低。随着球团内配碳t的增加,铁矿物与煤粉顺粒的接触条件变好,即动力学条件得以改善,碳还原速度加快,即使有部分c o:产生也很快转化为CO,因此c/0增加.图2和图3给出了C/o与温度、内配 碳t之间的单因素关系。随着温度的提 高,超过理论配碳t但不是很高时(1 2 %,2 ?%).c/0随 温度增加,但当内配 碳量非常高(3 2%)时,C/0又有下降趋势.这是由于 碳高时,还原速度快,球团内部压力升高,外部还原气体向内1 10 0p侧10
7、 0 0 浦9 0 00.70。6,JIc峨J , -no甘丹。111 1 1 ICn八O )妇斗医祝10121 41 6182022242 6 配碳皿,%9 5010501150125 0温度.、图1碳氧克 原子比的等值线图1一C/00.5.2一C/0一0.6子3一C/0二0.7;4一C/0=0.8.5一C/0二 0.9图ZC/o与沮度 的关系(还原时间15m 讯.气氛中c oZ一0%) )1一配谈t1 2%,2一配 砚,2 2%.3一配旅t3 2%121993年第8期扩徽比较困难,被气体介质中c o:烧掉的c减少,但C/0均超过1.0.在较高沮度下,直接和间接还原反应均有较大发展,两者相互
8、作用,图3示出了较为复杂的趋势。夜1试禅号.试禅皿t,失tt二旅始含砚,%疚余含.,%.权旅子比c/0)4:4 251.4 949.450.751,4950.1 1皿。915 1.2 151.芍550.890.451.114:374,.肠 公5 1.314.,3 649。6 65 1.7 351。0149。3 649.7650.3 649。4450.9749.7950.744公.6 249。4551。4349.865 0。445 0。8650.75 0.751.0250.6 54.9 16.131 1.7 81 5.236.076.4 115.741 1。6 34.85.1912。0414。9
9、 .36.2614。9 516。357.9510.5 83.8211.095.591 1。5210.8 79.519.5 2 009.奋79.79。459.769.629.8210.081 1.059。559.921 1。115。22 8。1 115。228。1 115。22 8。1 115。22 8。1 11 5.22 8。1115.22 8。1 115。22 8.1115。22 8。1 19。1 23 4。3 322。5822。582 2。5 82 2.582 2。5 忍2 2。582 2。582 2。582 2.582 2。5 吕22。5822.5 82 2。5 82 2。5 82 2.
10、5 822。5 822。5 82 2.581 4。322 8。549.7 12 5。4713.8928。1 16。0121.451 4。6628.5 48。842 3.8公1 4.3228.015.672 0.715。5 732.152 2.8513。092 2.5416。12主9.831 8.0 519.1 119.5419.5419。419.5919.8819。419。9818.4319.162 0。2 220.70。673们531.0236 860.802 5 6 850.9 349 3070.6 8133051.6254 60.9 04346 81.2248 8 40.5 87 473
11、 41.07678 60.91508 461.157 7430.57596 9 31.241 4331.0018公41.3 785760.657 792 41.99810,64 410251.0408150.61267 751.400 1040.8 0254981.3肠8 2 861.06 340.94509 220.95 0 31 831.0 02 6 840.971 5 54 70.89891 4 60.98 183440.857916 91.0307861.07】9450.8315690.6 880 2682 3 45 .7:1 0”招1 3 1 41 51 61 7抽玲幼Z ln幼双幼
12、肠2 7 幼2 95 05 15 23 3 3 43 5 3 6鞍钢技术1 3,目,几0八甘RL 卜L0 .0 .0.70.6不同温度下,c/0与气氛中c o:之间的关系。内配碳球团在还原过程中产生的CO/c o:向外扩散,对内部有保护作用,外部还原气体只是作为介质通过浓度梯度向内扩散,速度较慢,因此CO:对C/0的影响不大.foO公祝十匹8111417202326 内配碳量.%OU Q11自匕J.皿 0 . 0 . 0 . 0 .0 . 0 .O、口)旧伟鹰帜图3c/0与内配碳之间的关 系1一9 0 0,2一10 0 0.3一1100.4一120 0图4是在不同温度、不同配碳盆下,C/O随时
13、间的变化规律。时间较短时(还原初期)铁矿物较 易还原,CO的利用较好,c/o低些,但随着时间的延长,铁矿物(Fo)中的氧t减少,还原趋于困难,c/o增大.691 2151821242 7 气氛中CO:.%图sc/0与气氛中c o:的关系(配碳12%.还原15min)1一9 0Ot .2一1000.3一110 0.4一1 2 00O 、口 七0.8 十 医 祝691 215182124 气氛 中CO:,环 图6c/o与气氛中co:的关系(配破22%,还原15mi。)1一9 0 0.2一10 0 0.3一1 2 00.4一1 10 0r101214161820I犷l飞小m in图4C/o与时间的关
14、系(气氛中CO:1 0%)1一100 0.12%C.2一110 0亡,1 2%C.3一12 0 0,12%C.4一10 0 0,2 2%C.5一120 0,22纬e从图4中还可看到,当内配碳童在2 2写左右时,1000和1200两条 曲线比较接近,说明在该温度和配碳量范围内,温度对C/0的作用较小,这一点与图l是相吻合的。图5和 图6分别示出了在不同配碳t、另外,内配碳较少时,温 度较低的曲线较为平直,温 度提高后 碳的气化反应 加快,C/0有所升高。配碳t较高时,球团内在单位时间内产生的气体t增加,自我保护作用增加.O:的影响减小(见图5 )。因此,这种球团可在较为恶劣的气氛下还原,这有利于
15、发展第二次燃烧等工艺。4结语能里集中和高生 产率是融熔还原的两 个1993年第8期特点,采用 内配碳冷固球团与这两个特点是相对应的。图7是在还原1 5mi n、气氛中含1 0%Co.的条件下绘出的金属化率 的等值线图。从追求高金属化率速度来看,只有高沮、高配破才能得以实现。但这会受到热盈供应、传热速度、能t 利用、设备等多方面的因素限制,盆要综合考虑统筹解决.体,化学能不能得到充分利用。、0 1100应 浦一 。夕侧1 20 0 川1012141618202 2242 6 内配碳量,%, “ 0 0卜才布节不门犷犷亥该屁犷内配碳云.%图7金属化率的等遭线图(还原时间l纬 min,气氛中CO:1
16、0%)1一金属化串(M)40%.2一60%.3一80%.4一9 0%图8金属化率、C/0的等值线图(还原20min,C仇10%)l一C/O一0.8.2一C/O一0.93一C/0一1.0:4一M一40肠.5一M一6 0%.6一M 一80%在图8中我们将两种等值线绘制在一起,从中看出,若想在 2 0 而n时间内使金属化率达到8 0%以上,必须把沮度控制在1 2OQ以上。此时,几乎10 0%是固体碳还原,需要热t非常大,如果进行二次燃烧,产生的c o:由于大t固体破存在,再次进行气化反应而转化为c o,使煤单耗提高。另外,在高的配碳t下,下部造气炉提 供的c o只能作为热载若想控制c/o比例,最有效的方法是控制沮度,但沮度降低时反应速度又很慢。因此,建议控制内配碳t,使之低于 理论还原剂需要t,利用部分c o还原.这样,既不失去内配碳球团还原速度高等特点,又可与工 业化炉中传热速度等相适应。建议在进一步能t平衡计算的基础 上,进行低配碳球团性能的研究。(编辑邹有武)
