（钢铁冶金专业论文）热压含碳球团还原特性的实验研究.pdf

j11111j1 ad i s s e r t a t i o ni nf e r r o u sm e t a l l u r g y i i l ll luli i l l l li ii iiii 18 4 4 3 4 0 e x p e r i m e n t a ls t u d y o nr e d u c t i o np r o p e r t i e so fc a r b o n c o m p o s i t ei r o no r e h o tb r i q u e t t e b y l vj i p i n g s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o r c h u m a n s h e n g n o r t h e a s t e mu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 8 1 _ 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰 写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者签名：占盗屏 日期：扩善) g 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位 论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期 东北大学硕士学位论文摘要 热压含碳球团还原特性的实验研究 摘要 当前，高炉炼铁面临着高产、低耗、低污染的巨大挑战。因此，一些革新的高炉 炼铁技术已被提出或实际应用。热压含碳球团是具有热塑性的煤与含铁物料的热压产 物，具有还原性高、高温强度好、原料适应性强等优点。开发适合我国原燃料条件的 热压含碳球团生产及应用技术，对促进我国炼铁技术水平的进步意义重大。然而迄今 为止，我国对热压含碳球团及其还原特性的研究却很少。 为了研究热压含碳球团还原行为，揭示其还原特性和还原规律，得出还原过程的 还原速率方程和限制性环节，为炼铁新工艺提供工艺参数和理论基础，本文重点研究 了热压含碳球团在n 2 气氛下自还原动力学及温度、孔隙率、配煤粒度和配碳量对热 压含碳球团的影响，并对热压含碳球团与氧化球团还原性能进行了对比性实验。实验 结果表明： ( 1 ) 得出热压含碳球团自还原还原率r 的计算式为： 兰堡盥尘一一彬+ 一8 竺鱼! 竺尘 一彬 r ：二三兰鱼堕! 竺鱼! 型：! ! 三兰鱼堕! 竺垒堕! ! 1 0 0 ，【= - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - = - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 二：- - - - - - - - - - - - - - - - 一、( ii i il o y l 、 m o ( 2 ) 运用“多孔物料反应模型描述热压含碳球团的自还原过程。在传热条件 一定的条件下，在9 0 0 1 1 5 0 时，热压含碳球团自还原过程的两个阶段均处于碳气 化反应、铁氧化物界面还原反应、气体通过还原产物层内扩散环节的混合控制； ( 3 ) 温度对热压含碳球团还原影响显著，相同气氛下温度越高，还原速率越快。 另外，中低温时气氛明显影响热压含碳球团的还原，而高温时气氛的影响趋于减小； ( 4 ) 在一定范围内，减小孔隙率、细化热压配煤粒度、增加配碳量有利于加速 热压含碳球团的还原； ( 5 ) 中高温条件下，热压含碳球团的还原性能优于氧化球团。 关键词：热压含碳球团，还原失重，自还原，还原动力学 i i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t e x p e r i m e n t a ls t u d y o nr e d u c t i o n p r o p e r t i e so f c a r b o n c o m p o s i t ei r o no r eh o tb r i q u e t t e a b s t r a c t t h eb l a s tf u r n a c e p r o c e s s i sf a c e dw i t hu r g e n tc h a l l e n g e st oa c h i e v eh i g h e r p r o d u c t i v i t y , l o w e re n e r g yc o n s u m p t i o na n dl o w e re n v i r o n m e n tl o a d ，s os o m ei n n o v a t i v e i r o n - m a k i n gt e c h n o l o g i e sh a v eb e e np u tf o m lo rp r a c t i c a l l ya p p l i e d c a r b o nc o m p o s i t e i r o no r eh o tb f i q u e a e ( c c b ) i saa t t e n t i o n g e t t i n gi n n o v a t i v et e c h n o l o g y , w h i c hi sm a d e t h r o u g hh o tb r i q u e t t i n gb yb i n d i n gc o a la n di r o n o r ef r e e s t h ec c bo w e se x c e l l e n t r e d u c i b i l i t y , b e t t e rm e t a l l u r g i c a lp r o p e r t i e s ，a n dw i d ea d a p t a b i l i t yt or a wm a t e r i a l t o d e v e l o pr e a s o n a b l ec c bm a n u f a c t u r i n gp r o c e s si ss i g n i f i c a n tt o t h ei m p r o v e m e n to f k o n - m a k i n gt e c h n o l o g y h o w e v e r ，t h ei n v e s t i g a t i o no fh i g h t e m p e r a t u r em e t a l l u r g i c a l p r o p e r t i e so fc a r b o nc o m p o s i t ei r o no r e h o tb r i q u e t t ei sf e wi nc h i n a i no r d e rt oc l a r i f yt h er e a c t i o nb e h a v i o ro fc a r b o nc o m p o s i t ei r o no r eh o tb r i q u e t t e ， a n ds h o w i n gt h ec h a r a c t e r i s t i ca n dr u l eo fc c b ，t og e tt h er a t ee q u a t i o na n dr a t e c o n t r o l l i n g - s t e p ，m o r e o v e r , t oo f f e r t h et h e o r ya n dm e a s u r e so fc c bt o t h ep r a c t i c a l m a n u f a c t u r e ，i nt h i sp a p e r , k i n e t i ca n a l y s i so fc c b i nn i t r o g e ng a sa t m o s p h e r ea r es t u d i e d a n dt h ee f f o r to ft e m p e r a t u r e ，d i f f e r e n tg a sa t m o s p h e r e ，p o r o s i t y , c o a lp o w d e rs i z e ，a n d t h er a t i oo ff c oo nt h er e d u c t i o nr a t eo fc c ba r e a l s oi n v e s t i g a t e d a tl a s t ，t h e r e d u c i b i l i t yo fc c b i sc o m p a r e d 、析mp e l l e t a c c o r d i n gt ot h ee x p e d m e n t a lr e s u l t s ，t h ec o n c l u s i o n sc o u l db ed r a w na sf o l l o w s ： 1 ) t h e e q u a t i o no f t h er e d u c t i o nr a t i ori nn e u t r a l i t ya t m o s p h e r ei sa sf o l l o w s ： r = 兰 兰暨( 竺垒 形+ 一8 竺生! 坠一形 7 2 8 疋d ( 以f ) + 4 4 尼d ( l f ) 11 2 8 尼p ( v , t ) + 4 4 f c o ：( l f ) 1 0 0 2 ) t h ep r o c e s so fr e a c t i o nf o rc c bw i t hn e u t r a la t m o s p h e r em e e t “t h eh o m o g e n e o u s a n dp o r o u sm a t e r i a l sm o d e l ”i nac e r t a i nh e a tt r a n s f e r ，t h er e a c t i o no fr e d u c t i o nf o rc c b h a st w os t e p sa tt h et e m p e r a t u r er a n g eo f9 0 0 115 0 。c t h el i m i t a t i o ns t e po fc c b r e d u c i n gp r o c e s si st h em i x e dc o n t r o l lb yc a r b o ng a s i f i c a t i o nr e a c t i o n ，i n t e r f a c er e d u c t i o n r e a c t i o n ，a n di n n e rg a sd i f f u s i o nt h r o u g ht h el a y e ro fr e d u c t i o np r o d u c t 3 ) t h et e m p e r a t u r eh a st h en o t a b l ee f f e c t so nt h er e d u c t i o np r o c e s so fc c b t h e t e m p e r a t u r ei sh i ：g h e r , t h er a t eo fr e d u c t i o ni sm u c hf a s t e ri nt h es a m ea t m o s p h e r e a tt h e m e d i u ma n dl o wt e m p e r a t u r e ，t h ee f f e c t so ft h ea t m o s p h e r eo nt h ec c br e d u c t i o na r e r e m a r k a b l e ，w h i l et h ee f f e c t so ft h ea t m o s p h e r et e n dt ow e a k e n 4 ) i nac e r t a i nr a n g e ，r e d u c i n gt h ep o r o s i t y , d e c r e a s i n gt h es i z eo fc o a lp o w d e r , a n d i n c r e a s i n gt h er a t i oo ff c oi sf a v o r a b l et oa c c e l e r a t et h er e d u c t i o no fc c b 5 ) i nt h em e d i u ma n dh i g ht e m p e r a t u r e ，t h er e d u c i b i l i t yo fc c bs u r p a s s e st h e v 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o m m o no x i d i z e dp e l l e t k e y w o r d s ：c a r b o nc o m p o s i t ei r o no r eh o tb r i q u e t t e ( c c b ) ；r e d u c t i o nw e i g h tl o s s ；s e l f r e d u c t i o n ；r e d u c t i o nk i n e t i c s v i j j l 东北大学硕士学位论文 i f l 录 目录 独创性声明i 摘要i i i a b s l 1 7 a c t v 第l 章绪论l 1 1 研究背景1 1 2 研究目的及意义。1 1 3 研究内容2 第2 章文献综述3 2 1 概j 苤3 2 2 含碳球团6 2 2 1 含碳球团的发展6 2 2 2 冷固结含碳球团6 2 2 3 热压含碳球团7 2 3 炼铁原料还原性9 2 3 1 还原性定义9 2 3 2 间接还原与直接还原1 0 2 3 3 还原过程及其限制环节1 0 2 3 4 还原速度影响因素1 2 2 4 热压含碳球团的还原性1 4 2 4 1 热压含碳球团还原速度影响因素1 4 2 4 2 热压含碳球团还原动力学研究。1 4 第3 章研究方案1 9 3 1 实验内容和步骤1 9 3 1 1 反应气氛和温度对热压含碳球团还原的影响1 9 3 2 2 热压含碳球团自还原动力学实验研究2 0 3 2 3 物性对热压含碳球团还原性能影响的实验研究2 0 3 2 试样2 0 3 2 1 实验用原料2 l 3 2 2 热压含碳球团试样准备2 l v i i 东北大学硕士学位论文 目录 3 3 实验设备2 2 3 4 热压含碳球团还原率计算公式2 3 3 4 1 热压含碳球团还原率计算公式的推导。2 3 3 4 2 热压含碳球团还原率计算公式的验证。2 5 第4 章热压含碳球团还原动力学实验研究2 9 4 1 热压含碳球团自还原特点2 9 4 1 1 温度对热压含碳球团还原过程的影响。2 9 4 1 2 热压含碳球团自还原的两阶段性3 3 4 2 热压含碳球团自还原限制环节解析3 4 4 2 1 还原机理和理论分析3 4 4 2 2 碳的气化。3 5 4 2 3 界面还原反应。3 8 4 2 4 内扩散一4 0 4 3 反应气氛对热压含碳球团还原的影响4 2 4 3 11 0 0 n 2 气氛下热压含碳球团的还原4 2 4 3 21 0 0 c 0 气氛下热压含碳球团的还原4 3 4 3 35 0 c 0 - - ，5 0 c 0 2 气氛下热压含碳球团的还原4 5 4 3 4 相同温度下气氛对热压含碳球团还原的影响4 7 4 4 列、结4 8 第5 章物性对热压含碳球团还原性能影响的实验研究4 9 5 1 孔隙率的影响4 9 5 2 配煤粒度的影响5 2 5 2 1 配煤粒度对热压含碳球团还原析出气体的影响5 2 5 2 2 配煤粒度对热压含碳球团还原速率的影响5 4 5 3 配碳量( f c o 比) 的影响5 5 5 3 1f c o 变化对还原析出气体的影响5 5 5 3 2f c o 变化对热压含碳球团还原速率的影响5 7 5 4 热压含碳球团与氧化球团还原性能的比较5 8 5 5 小结5 9 第6 章结论6 1 参考文献6 3 v i i i 东北大学硕士学位论文 目录 致i 射6 5 攻读硕士学位期间所发表的论文6 7 i r - 一i 东北大学硕士学位论文目录 x 1 i 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 节能降耗，减少污染物的排放，树立精料的新观念，研究开发新型炉料，仍是钢 铁工业发展的方向。精料为炼铁工业的基础，热压含碳球团作为以煤代焦、高效、节 能、优质的新型炼铁原料备受关注。 1 1 研究背景 高炉在生铁生产中处于统治性地位，且在相当长的时期内都不会改变。目前，全 世界9 5 左右的铁水是由高炉生产的。在钢铁生产的整个体系中，炼铁系统( 包括烧 结、炼焦、高炉) 是最耗能的，而且对环境造成的影响很大( 主要是c 0 2 排放) ，炼 铁系统的能耗占整个钢铁生产能耗的6 0 7 0 ，c 0 2 排放量占整个体系的7 0 以上。 而且，高炉生产这一环节的能量消耗和c 0 2 排放量均占整个钢铁生产体系5 0 左右 。因此，高炉效率的提高对钢铁产业乃至整个社会都具有重要意义。为了实现钢铁 产业节能降耗和生态化生产目标，必须在强化高炉生产的同时，进一步降低高炉的能 量消耗，有效减轻环境负荷。 几十年来，传统高炉炼铁技术已趋于成熟瞳1 ，而且高炉生产在大型化、精料、高 风温、高项压、富氧、喷煤、节能、炉料分布控制技术、高炉装备及冶炼过程的自动 控制水平等方面获得了显著进步，目前高炉的操作性能已经达到一个较高的水平，若 采用传统技术来进一步提高高炉效率和降低能耗是很难做到的。一些革新的高炉炼铁 技术包括喷吹含氢物质( 如废塑料、废橡胶、天然气等) 、煤气再利用、使用热压含 碳球团和低温炼铁等被广泛关注并被应用于高产、低耗、低污染的研究中口1 。 我国炼铁工业的迅速发展和炼铁原料技术的科技进步密不可分，而含碳球团由于 还原速度快、原料来源广泛等原因，在以煤代焦炼铁技术中备受关注。最初研究、发 展的含碳球团是冷固结含碳球团，且在高炉炼铁、直接还原工艺中取得一定成果，但 冷固结含碳球团会引起高炉渣量增加，对高炉冶炼产生不利影响，并且高温强度低， 限制了它在高炉中的大量使用。 本实验研究利用煤的粘结性的一种新型热压块工艺，其产品是热压含碳球团 ( c a r b o nc o m p o s i t ei r o no r eh o tb r i q u e t t e ，简称为c c b ) 。煤被加热将发生软化、熔 融、流动、膨胀和热分解变化，热分解后具有粘结固化的性质，即煤的粘结性。此工 艺利用煤的粘结性将矿粉和煤粉粘结在一起，不仅可以提高含碳球团的还原性和高温 强度，还避免了加入粘结剂给冶炼带来的影响。 1 2 研究目的及意义 我国炼铁原燃料日趋紧张，铁矿石贫矿多、富矿少。煤炭资源丰富，但炼焦用煤 地域分布不均，且某些炼焦煤品种资源不足，尤其是主焦煤、肥煤资源十分有限，热 压含碳球团的开发应用将扩大原料的来源。从工艺方面讲，我国天然气资源比较少， 1 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 而煤资源丰富；贫矿多，需经过细磨、选矿、造块后进行冶炼，因此开发煤基直接还 原技术是解决我国废钢不足的重要途径。另外，含碳球团可处理细磨铁矿粉、电路粉 尘及高炉瓦泥斯粉等原料，原料适应性强。根据我国的原燃料条件，探索适合我国国 情的热压含碳球团生产、冶炼工艺，对充分利用本国资源及进一步强化高炉冶炼以及 发展以煤代焦、非高炉、短流程冶炼工艺将有重要意义h 1 。 国外对热压含碳球团炼铁工艺已进行了多年的研究拍吲，但在我国尚处于初级阶 段。热压含碳球团与冷固结球团及其他炼铁原料相比，具有更好的冶金性能，还原性 能好更是其一大优点。本实验的目的是研究热压含碳球团的还原特性，分析其限制环 节，得出还原速率方程以研究其还原机理，为缩短还原时间、提高还原度和冶炼效率、 节能降耗等在实际生产中得以应用。 1 3 研究内容 本研究在实验室条件下对热压含碳球团进行了还原动力学的研究，分析还原过程 的限制环节，得出还原速率方程和还原机理，为热压含碳球团应用于工业化炼铁工艺 的开发与应用提供工艺参数和理论基础。 具体研究内容包括以下几个方面： 1 ) 研究热压含碳球团的还原特性，得出自还原过程中还原率随时间变化的数学 计算式； 2 ) 热压含碳球团在中性气氛下，分析反应限制环节，得出反应速率方程，研究 其还原机理； 3 ) 研究不同温度对热压含碳球团还原过程的影响，分析还原过程，得出热压含 碳球团在各温度下的还原规律； 4 ) 研究不同热压压力( 孔隙率) 、配碳量( f c o 比) 、配煤粒度等物性对热压含 碳球团还原过程的影响，分析还原过程，得出还原规律； 5 ) 研究不同气氛对热压含碳球团还原过程的影响，分析还原过程，得出热压含 碳球团在各气氛下的还原规律。 东北大学硕士学位论文第2 章文献综述 第2 章文献综述 钢铁作为一种基础原材料，在经济发展中具有不可替代的地位。据统计，在全世 界生产的所有金属材料中，钢铁材料占9 4 9 ，因此，钢铁工业的发展对于整个社会 来说，意义非常重大。目前可供选择的炼铁工艺有：高炉炼铁、直接还原、熔融还原 三种类型，但高炉炼铁投资大、流程长、能耗高、污染重。发展绿色钢铁工业，降低 能耗，减少污染物的排放是钢铁工业可持续发展的必由之路。因此一些革新的高炉炼 铁技术引起了国内外的高度重视，热压含碳球团作为以煤代焦、高效节能的炼铁新工 艺备受关注。 2 1 概述 传统的长流程炼铁技术( 炼焦烧结和球团原料造块高炉炼铁) 已趋于成熟和完 善，已经实现较高的生产率，并取得了良好的技术和经济效果。但随着钢铁工业的发 展以及人们对环保问题的日益重视，传统炼铁方式暴露出一系列问题，也面临着越来 越严峻的现实，主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 烧结、炼焦、高炉炼铁工艺不仅投资大而且环境污染严重。高炉炼铁系统的 能量来源主要是煤和焦炭，在煤及焦炭的生产和使用过程中会产生大量的c 0 2 ，环境 污染严重，钢铁冶炼过程c 0 2 的排放量占全球c 0 2 排放总量的4 6 ，而在钢铁冶金系统 中，炼铁系统更是环境污染的大户口7 1 ，如图2 1 所示。 6 9 8 5 8 7 2 8 o t h e r s 一d p o w e ra e n e r a t l o n r o l l i n g s t e e l m a k i n g 5 3 0 匿二一习b l a s tf u r n a c ；7 9 圈1 2 2 c o k e m a k in g l s i n t e r i n g| 0 2 04 06 08 01 0 0 c 0 2 e m i s s i o n m tc 0 2 图2 1 日本2 0 0 2 年冶金系统c 0 2 排放量 f i g 2 1t h ed i s c h a r g eq u a n t i t yo fc 0 2 i nm e t a l l u r g ys y s t e mi nj a p a na t2 0 0 2 ( 2 ) 精料、煤粉喷吹、富氧鼓风等常规技术的广泛应用，已使高炉各项操作指标 达到较高水平。图2 2 所示，依靠传统常规技术很难进一步明显改进高炉性能嘲。 3 j _ 3 d ui|90钫-i o 1 0 东北大学硕士学位论文第2 章文献综述 y e a r 图2 2 传统高炉炼铁技术的发展 f i g 2 2t h ed e v e l o p m e n to fc o n v e n t i o n a lb fi ni r o nm a k i n gt e c h n o l o g y ( 3 ) 原燃料条件恶化。近几年来，随着对矿产资源的开发利用，可利用矿石的品 位在逐年下降；优质煤炭，尤其是优质炼焦煤的储量也越来越少。这对于优化高炉炉 料结构和进一步强化高炉冶炼是非常不利的，以日本高炉技术指标为例，如表2 1 所 示，由于原料条件恶化，高炉各项生产指标1 9 9 0 年到1 9 9 9 年都有所降低。 表2 1 近年来日本高炉主要技术参数的变化 t a b l e2 1 t r a n s i t i o no fm a j o r o p e r a t i o np a r a m e t e r sf o rj a p a n e s eb l a s tf u r n a c e 生产指标 1 9 9 01 9 9 51 9 9 9 利用系数 【t h m m 3 d 】 1 9 91 9 31 8 4 燃料比 【k g t h m 】 5 0 05 115 1 6 低品位进口矿使用比例 【】 2 6 93 6 34 6 9 非粘结和弱粘结型煤使用比例 】 2 2 43 5 96 1 1 吨钢能耗 g j t - s t e e l 】 1 8 41 9 11 9 9 煤基燃料使用比例 】 7 7 07 7 98 2 5 原燃料条件恶化是目前钢铁企业，尤其是我国钢铁企业所面临的重大问题与巨大 挑战。就铁矿资源而言，从世界范围来看，天然富矿愈来愈短缺，可利用矿石的品位 在逐渐下降，而世界对钢铁的需求量日益增加，这就必须尽最大努力提高对贫矿的利 用率。采矿的工业品位标准界限不断往下调整，同时选矿的品位还要提高。我国铁矿 储量居世界第五位，探明铁矿资源总量4 5 8 9 4 亿吨，其中含铁5 0 以上的富矿却仅 占探明储量的4 o 左右，贫矿占储量总量的9 7 7 ，且含有许多有害杂质，这对于 高炉炼铁的炉料结构是非常不利的。建国以来，国内钢产量快速增长，连续1 0 年产 量世界第一，矿石需求量旺盛，导致2 0 0 0 年以来大量进口铁矿石曲1 们，如图2 3 我国 铁矿石需求量逐年增加。 4 一 一i - c lay一一j)ioo 东北大学硕士学位论文第2 章文献综述 o k 蚓 丑 制 赵 蚓 l 皿 k 鲻 匦 壬 年份 图2 3 中国铁矿石需求量逐年增加 f i g 2 3t h ei r o no r ep r o d u c t i o na n di m p o r tv o l u m ef o rc h i n a 炼焦用煤也同样缺乏，全球焦煤资源很少且分布不平衡，据估计优质焦煤在三四十年后 将趋于枯竭。高炉炼铁对焦炭的依赖导致传统炼铁工艺面临着焦炭奇缺，价格昂贵的 严峻问题。我国炼焦煤的资源、生产能力、产量及洗选能力和各煤种精煤产量与焦炭 生产的实际需求很不匹配，气煤和1 3 焦煤过大，而肥煤和焦煤不但储量有限，而在 地域分布方面过于集中，将长期造成西煤东运、北煤南运的困难局面。 在此背景下，通过革新的炼铁技术和工艺的开发和研究，增加生铁的产量，提高 生铁的质量，降低燃料的消耗和生产成本，提高巨大的经济效益和社会效益的实验研 究势在必行。进入了2 1 世纪，冶金界逐渐将眼光瞄准以非焦煤生产钢铁的工艺方法， 在这种形势下，铁直接还原技术在不断的开发和研究中取得了较大成果。探讨研发了 炼铁的几种新工艺发现1 ，含碳球团的生产是工业向降低焦比节约冶金焦方向发展的 有效手段。含碳球团工艺直接使用铁矿粉和普通煤生产铁水，在可免去焦化和烧结工 序以及大幅提高炼铁产业对原燃料条件的适应性之余，还将显著缩短钢铁生产流程简 化工程，降低能量消耗和减少投资成本，并对c 0 2 的减排做出贡献，并且可增加普 通煤和低品位铁矿的使用量，增强炼铁产业对原燃料的适应性。考虑到我国钢铁产业 发展势头以及低品位铁矿和非焦煤储量偏大的现实，含碳球团技术应用前景较为广 阔。因此，含碳球团炼铁工艺代表着炼铁技术发展的一个新方向。 含碳球团由于还原速度快、原料来源广泛等原因，在以煤代焦炼铁技术中备受关 注。最初研究、发展的含碳球团是冷固结含碳球团，且在高炉炼铁、直接还原工艺中 取得一定成果，但冷固结含碳球团会引起高炉渣量增加，对高炉冶炼产生不利影响， 并且高温强度低，限制了它在高炉中的大量使用。 本研究利用煤的粘结性开发研究了一种新型热压块工艺其产品是热压含碳球团。 煤被加热将发生软化、熔融、流动、膨胀和热分解变化，热分解后具有粘结固化的性 东北大学硕士学位论文 第2 章文献综述 质，即煤的粘结性。此工艺利用煤的粘结性将矿粉和煤粉粘结在一起，不仅可以提高 含碳球团的高温强度，还避免了加入粘结剂给冶炼带来的影响。 2 2 含碳球团 2 2 1 含碳球团的发展 含碳球团作为一项新的炼铁技术无论在高炉高效炼铁，还是以煤代焦、短流程炼 铁技术中都备受关注。其原因主要有如下三点：1 ) 还原速度快。含碳球团自身带有还 原剂，碳与铁矿粉紧密接触，扩大了铁氧化物与碳的反应晃面，减少了气体在固相中 的扩散行程，使还原速度的限制环节由传统传质的过程转变为界面化学反应。为还原 反应创造良好的动力学条件，使每个球团成为一个独立的自还原体系，不需要外界的 强烈还原气氛，只要加热到适当温度，就能自行快速还原。据文献介绍u2 1 ，配煤比 2 0 的含碳球团在11 0 0 还原4 0 m i n ，还原度高达9 2 4 7 ，金属化率达6 7 ，1 2 5 0 下还原2 0 m i n 时，金属化率达9 1 8 8 。可见含碳球团具有极高的还原性，这是烧结 矿和普通球团矿无法比拟的，也是含碳球团发展的潜力所在；2 ) 原料来源广泛。是处 理低品位矿石及其他含铁粉尘( 如电炉粉尘、高炉瓦斯泥等等) 的有效手段之一n 3 。1 4 1 。 另外，含碳球团可配入非炼焦用煤，节约了焦煤。含碳球团是现代钢铁企业普遍追求 的高炉降焦的最佳炼铁原料；( 3 ) 省去焦化、烧结工艺。可降低能耗，减轻环境负荷。 目前国内外对冷固结含碳球团研究、应用的比较多，且在转底炉炼铁工艺中取得 了一定的成效，而国内对热压含碳球团研究的比较少，国外近几年对热压含碳球团的 研究比较多。 2 2 2 冷固结含碳球团 最初研究、开发的含碳球团是冷固结含碳球团，它是在改善普通球团矿还原性能 的基础上发展起来的。冷固结含碳球团由含铁粉料配以固体还原剂( 煤粉和焦粉) 与适 当的粘结剂充分混合后经造球机造球或压球机压制而成的冷压块。冷固结含碳球团所 用粘结剂按化学性质分为无机类粘结剂和有机类粘结剂。最初美国、日本分别研究了 内配碳高压蒸养球团和以水泥作为粘结剂的内配碳冷固结球团n 别。近1 0 几年来我国 对冷固结含碳球团也进行了大量研究。 冷固结球团具有良好的机械强度、冶金性能，如软化温度较高，还原速度快，自 还原及抗氧化能力强等，近几年逐渐被应用于直接还原、熔融还原以及小型高炉冶炼 等冶金工艺中。但是由于大部分常用的有机粘结剂使得还原过程中出现金属铁连晶粘 结之前就完全丧失粘结能力，只有少数几种以无机物为粘结剂的冷固技术尚具生命 力，但也存在着许多制造或冶炼等使用性能方面的缺陷。这些球团添加到高炉或竖炉 后，一方面由于粘结剂用量都较多，使球团矿品位降低，引起渣量增加，对冶炼产生 不利影响；另一方面，由于这些球团中加入的粘结剂在6 0 0 。c 以上就失去粘性，使球 团的高温抗压强度降低，从而限制了冷固结球团的大量使用。这也是国内诸多冷固结 - 6 东北大学硕士学位论文 第2 章文献综述 含碳球团熔融还原工艺未获得成功的主要原因。 2 2 3 热压含碳球团 由于冷固结球团存在的缺点，在以往研究基础上开发研究一种新型热压块工艺， 其产品是热压含碳球团( c a r b o nc o m p o s i t ei r o no r eh o tb r i q u e t t e ，简称为c c b ) 。作为 一种新型的非高炉炼铁原料，热压含碳球团在国外业已展开很多的研究，但是在我国 的研究仍甚少。在我国，热压含碳球团的研究仍处于积极探索研究阶段。发展热压含 碳球团工艺对解决上述问题具有重要的现实意义。 2 2 3 1 热压工艺 热压含碳球团( c c b ) 是利用煤的粘结性将煤粉、铁矿粉经预热处理，然后按一 定的比值( 国外试验比值为2 2 ：7 8 ) 配料混合，然后热压成块，热压成团后再进一 步进行热处理得到c c b 。国外对煤粉、矿粉的预热温度分别为1 0 0 。c 和7 0 0 。c n 纠7 1 ， 其加热温度要保证使煤发挥良好的热塑性。国外实验的工艺流程如图1 2 所示。 回臣匠习 l 1 0 0 。c l i n n 。c 图2 4 热压含碳球团的生产工艺 f i g 2 4 t h ep r o d u c t i o np r o c e s so f c a r b o nc o m p o s i t ei r o no r eh o tb r i q u e t t e 由于制造工艺不加粘结剂，充分利用煤的热塑性n 羽，在煤软化、熔融时与含铁原 料粘结成块。熔融煤中的碳侵入含铁原料颗粒的空隙中或覆盖在颗粒的表面上，含铁 原料与煤粉颗粒充分接触。整个工艺流程中，加热温度最高7 0 0 ，远低于烧结、球 团及焦化生产工艺温度，由此可推知，热压含碳球团生产工艺将比传统原料处理工艺 大幅度降低能耗。 2 2 3 2 热压含碳球团的性能 热压含碳球团与冷固结球团相比高温机械强度明显改善。据有关试验证明由热塑 性良好的煤，在压力2 0 2 9 t c m 2 下制成的热压含碳球团抗压强度可达1 2 0 0 n n 6 憎1 。 热压含碳球团的抗压强度与其制造温度、煤的热塑性、热压压力有关。另外，热压含 碳球团在高温冶炼过程中的抗压强度明显高于普通烧结矿及球团矿。据此可推测在高 炉冶炼中加入c c b 可获得良好的透气性n 钔。 - 7 - ， 东北大学硕士学位论文 第2 章文献综述 热压含碳球团自身带有还原剂，且具有良好的微观结构，煤、矿颗粒紧密接触， 为还原反应提供了良好的动力学条件，使还原速度限制环节由传统传质过程转变为界 面化学反应，这是烧结矿和球团矿无法比拟的。由于热压产物内部细小颗粒的铁氧化 物和碳紧密接触，与普通的烧结矿相比还原反应可在较低的温度下开始发生( 11 0 0 时还原度达9 6 ) 。而且含碳球团内存在耦合效应，即碳的气化和铁氧化物还原反应 同时进行并相互促进，最终加速含铁炉料的还原瞳0 | ，由此可推知热压含碳球团还原性 将高于其它含铁炉料。热压含碳球团的还原性能要明显优于普通的烧结矿和普通的氧 化球团。 2 2 3 3 热压含碳球团的应用前景 热压含碳球团与冷固结球团及其他炼铁原料相比，显著特点是高温强度高、还原 性能强，在温度较低的情况下能够快速还原。 a 应用于高炉炼铁工艺 高炉使用热压含碳球团具有如下优点： 1 ) 含碳球团内碳的气化和铁氧化物还原反应同时进行并相互促进，产生耦合效 应，最终加速高炉内含铁炉料的还原。另外，热压产物内部的铁氧化物和细小的碳颗 粒紧密接触，还原反应可在较低的温度下就开始发生，此时热空区温度将不再取决于 f e o 还原开始的温度，并有望大幅降低。故高炉炉身反应效率将明显增强； 2 ) 热压球团内新还原出来的铁颗粒与细小碳颗粒充分接触，渗碳速度加速进行， 软熔滴落低温度区间与烧结矿相比将明显降低。因此，出铁的温度也可相应降低。高 炉冶炼过程可在较低的温度水平进行，称为“低温炼铁”。使用高还原性热压含碳球团 是低温炼铁的前提条件之一，成为目前炼铁研究的热点。 储满生和八木等乜门运用多流体高炉数学模型对高炉使用热压含碳球团的操作进 行了详细的数学模拟研究，根据模型计算的结果，热压含碳球团的使用导致炉内温度 水平的降低，影响了含铁炉料的还原。含碳球团使用比例达3 0 时，空区温度下降幅 度约为2 0 0 。但另一方面，高炉产量增加，焦比显著降低，炉体热损失和炉顶煤气 带走的热量减少，操作性能得到了有效改善。 b 应用于非高炉炼铁工艺 在完善现有的非高炉炼铁工艺的同时，冶金工作者一直在探索新的工艺，其中含 碳球团的直接还原和熔融还原是目前发展的方向之一乜射。 热压含碳球团的最大优势就是还原性好，但还原反应是强吸热反应，向球团传热 速度将控制总反应速度，因此，发挥含碳球团快速还原特点的必要条件是快速供热。 热压含碳球团能够在氧化性气氛中还原，为通过燃烧还原反应器内的高温煤气或还原 过程中产生的可燃气体供给还原所需热能创造了条件，因此，热压含碳球团有利于非 高炉炼铁工艺的开发。 东北大学硕士学位论文 第2 章文献综述 含碳球团熔融还原的优点是能在1 2 0 0 - - , 1 3 0 0 ( 2 高温下快速还原，突破了竖炉只能 在不大于9 0 0 * ( 2 、回转窑只能在不大于1 0 0 0 ( 2 的条件下进行还原的温度障碍，且理论 上还原速度可提高几十倍。另外，试验证明在1 4 5 0 左右的铁浴中，1 0 m i n 的终还原 率可达到9 5 ，而氧化球团的终还原率只能达到6 0 。多年来，国内外冶金专家提 出了多种含碳球团熔融还原的方法。发展热压含碳球团熔融还原法的目的是可以实现 快速预还原，并获得较高的预还原度。与其他熔融还原法如c o r e x 法相比较，预还 原时间可大大缩短，预还原设备也得到精简；与铁浴熔融还原相比，较高的预还原度 可以减轻还原负荷，降低能耗，减轻f e o 渣对耐火材料的侵蚀等问题。当前含碳球 团面临的问题是用高温烟气或弱还原性气体加热含碳球团，还原过程产生的可燃气体 的化学能在反应器内没有得到充分利用。而且，需要的烟气量会随着还原度的增加而 增加。炉内气体量比高炉多出1 5 2 倍多，不仅热损失增加，而且给操作带来困难。 2 3 炼铁原料还原性 炼铁原料包括天然铁矿石、烧结矿和球团矿等含铁原料，以及石灰石、白云石等 熔剂和焦炭、煤炭和重油等燃料