探究不同气氛和温度对试样还原性的影响

探究不同气氛和温度对试样还原性的影响

李雅龙 1 ， 刘卫东 1 ，马春元 2

河北燕钢科技有限公司，河北 唐山 064410 山东大学 山东济南 250100

摘要：[目的]冶金生产工业领域里，由于对环保和节能减排政策的要求越来越高，企业内部循环物料的处理成为重点课题，通过试验寻找还原度较高的还原条件。使用烧结厂预混颗粒物料，探究不同浓度CO、N₂及CO₂还原气氛在不同温度下，同种物料与还原气反应的还原度及金属化率，通过试验选择还原度较高时的最佳还原条件。[方法]烧结生料放入KSZ-2015A型矿石冶金性能综合测定装置的反应炉内，通入指定浓度的CO混合气体，设定不同温度进行还原试验，检测还原样在还原过程中的失重情况及还原度。[结果]试验数据显示，还原试样在CO浓度为70%的条件下还原，还原温度在1000℃以下，还原度随温度的升高而升高，温度在高于900℃，还原度指数（RI）、还原度（R）、金属化率（M）全部接近最高值；还原温度为1100℃，试样的还原度指数（RI）、还原度（R）、金属化率（M）随CO和N₂的比值升高而升高。在还原气体通入CO₂时，还原度明显偏低，不能够达到较高的还原度，即还原反应过程有CO₂的存在，会严重抑制还原性。当CO/(CO₂+CO)高于90%时，CO₂对还原性的影响会减少。 [结论] 还原度接近最高值的试验最佳条件为：CO浓度在70%温度为1000℃或CO浓度在90%温度为900℃。在其条件下，还原度指数（RI）、还原度（R）、金属化率（M）不但接近最高值，而且还原气体使用量最少，温度也是最低值。因为CO₂对还原试验有抑制作用，所以在还原试验整个过程中尽量减少CO₂的存在，使其还原性试验的还原度接近最高值。

关键词：还原度指数（RI）、还原度（R）、金属化率（M）。

前言

铁矿石的还原性是指铁矿石中与结合的氧被还原气体CO还原的难易程度。它是评价铁矿石质量的重要指标，铁矿石的还原性好，有利于降低高炉燃料比。铁矿石的还原性可用还原度来评价，还原度越高矿石的还原性越好。还原度是以三价铁状态为基准（即假定铁矿石中的铁全部以Fe₂O₃形式存在，并把这些Fe₂O₃中的氧算作100%），还原一定时间后所达到的脱氧程度，以质量百分比表示（%）。

1试验设备

KSZ-2015A型矿石冶金性能综合测定装置是测定铁矿石还原性和铁矿石低温还原粉化实验的专用仪器。仪器完全采用PLC控制，高温炉的温度采用温度闭环模糊逻辑PID控制，PLC系统对现场的炉膛中心温度、炉膛侧壁温度、电压、电流、试样重量进行全面的监控并处理。PLC系统与计算机实行网络连接，通过计算机可以操作修改PLC的应用参数，并动态显示变量曲线。系统也可以脱离上位计算机的管理，可独立运行。本软件运行环境为windows2000/XP系统，本仪器是目前国内最先进的高科技产品。

2试验方法

2.1试样制备

烧结生料为烧结厂按一定比例配料与混合制粒后试样，其比例为：外矿和铁矿粉66%，燃料（焦粉、煤粉）4%，溶剂（白云石、石灰石、白灰）7%，除尘灰8%，杂料（铁皮、钢渣）15%。随机取出样品100Kg，通过筛分得到粒级范围10.0mm-12.5mm的试样。筛出大于12.5mm的试样使用颚式破碎机小心破碎，直至全部通过16.0mm的筛子，然后合并各部分进行筛分，从试样中筛除大于12.5mm和小于10.0mm部分。然后将得到的10.0mm-12.5mm这部分试样混匀，烧结生料取样、制样采用GB/T10322的要求。10.0mm-12.5mm烧结生料成分见表1。

表1 生料成分表

10.0mm-12.5mm试验试样在105℃的电热鼓风干燥箱内烘干至恒重，然后冷却至室温，并保存在干燥器中。一般烘干时间不小于2小时。

2.2程序和参数设定

按照相同还原气CO浓度不同还原温度和相同还原温度不同还原气CO浓度，分别设定KSZ-2015A型矿石冶金性能综合测定装置还原炉气体控制程序和温度控制程序及PID参数。

2.3试样入炉

缩分出一份10.0 mm-12.5 mm还原试验试样，称取500g，记录为m0。将试样放到还原管的多孔板上，铺平，插入热电偶后将密封盖密封，还原管放入还原炉内，试样处于还原炉恒温区中心部位。还原管放入还原炉内时，还原温度≤200℃。

2.4还原炉开始升温

在通入流量5L/min氮气的条件下升温速度不大于10℃/min。当温度达到设定还原温度时，增大氮气流量至15L/min,恒温30min，称量试料质量精准至0.01g，记录为m1。然后以设定还原气氛取代保护氮气，还原180min，用热重天平连续记录还原过程中试料质量，精准至0.01g记录为mt。还原过程中，保证试料层的气体温度、试料层整体温度保持在设定温度±5℃之内。

2.5试样降温

还原试验结束后，切断还原气体，通入保护氮气，流量为5L/min，排除试验设备管路与反应管内还原气体，温度低于100℃关闭氮气，还原管出炉，还原反应结束。

2.6制样

还原后试样在缩分盘内用倒堆法进行混匀不少于三次，用十字缩分法缩分出两份。一份留作研磨制样，进行化学分析，另一份留做电镜分析。

2.7化学分析

对于还原后试样的还原程度的测定，采用GB/T 6730.5-2007的要求，利用三氯化钛还原法，测定颗粒的TFe含量；采用GB/T6730.8-86的要求，利用重铬酸钾容量法，测定颗粒的Fe²⁺含量；采用GB/T6730.6-86的要求，利用三氯化铁-乙酸钠容量法，测定颗粒的金属铁含量。

2.8计算

分别根据公式（1）、（2）、（3）计算试样的还原度R、金属化率M、还原度指数（RI）。

…………………………………………（1）

……………………………………………………（2）

Rt(%)=｛ ｝ ……………（3）

式中：

m0——试料的质量，单位为克（g）；

m1——还原开始前试料和还原管总质量，单位为克（g）；

mt——还原 t 分钟后试料和还原管总质量，单位为克（g）；

W1——试验前试样中亚铁的含量，%（质量分数）；

W2——试验前试样的全铁含量，%（质量分数）；

TFe——试验后试样中全铁含量，%（质量分数）；

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3实验结果与分析

3.1 检测相同还原气CO浓度，不同温度对还原度的影响

还原气氛CO浓度设为70%，检测试样800℃、850℃、900℃、1000℃、1100℃的还原性。

试验小结：还原试样在CO浓度为70%的条件下还原，通过计算结果得知，温度在高于900℃，还原度指数（RI）、还原度（R）、金属化率（M）全部接近最高值；还原温度在1000℃以下，还原度随温度的升高而升高。

3.2检测不同还原气CO浓度，相同温度对还原度的影响

3.2.1 还原温度设定1100℃，检测试样在CO/N₂为30%、40%、50%、70%、90%的还原性

实验小结：还原温度为1100℃，试样的还原度指数（RI）、还原度（R）、金属化率（M）随CO和N₂的比值升高而升高。当CO/N₂高于50%全部接近最高值。

3.2.2 还原温度设定900℃，检测试样在CO浓度为40%、50%、60%、80%、80%、90%、95%的还原性

实验小结：烧结生料在还原温度为900℃，CO浓度小于90%时，还原度随CO浓度的升高而升高；CO浓度高于70%，还原度指数（RI）、还原度（R）、金属化率（M）全部接近最高值。

4.3 探究CO₂对还原度的影响

4.3.1还原温度设定1100℃，检测试样在CO/ CO₂为60%、70%、80%、90%的还原性

试验小结：在还原气体通入CO₂时，还原度明显偏低，不能够达到较高的还原度，即还原反应过程有CO₂的存在，会严重抑制还原性。

4.3.2还原温度设定1100℃，检测试样在CO/( CO₂+CO)为60%、70%、80%、90%的还原性

试验小结：当CO/( CO₂+CO)高于90%时，CO2对还原性的影响会减少。

5结论

（1）通过对试样还原性试验，综合上述实验结果，还原试样在CO浓度为70%的条件下还原，还原温度在1000℃以下，还原度随温度的升高而升高，温度在高于900℃，还原度指数（RI）、还原度（R）、金属化率（M）全部接近最高值；还原温度为1100℃，试样的还原度指数（RI）、还原度（R）、金属化率（M）随CO和N2的比值升高而升高。当CO/N₂高于50%还原度接近较高值；烧结生料在还原温度为900℃，CO浓度小于90%时，还原度随CO浓度的升高而升高；CO浓度高于70%，还原度指数（RI）、还原度（R）、金属化率（M）全部接近最高值。

（2）在还原气体通入CO₂时，还原度明显偏低，不能够达到较高的还原度，即还原反应过程有CO₂的存在，会严重抑制还原性。当CO/( CO₂+CO)高于90%时，CO₂对还原性的影响会减少。

（3）还原度接近最高值的试验最佳条件为：CO浓度在70%、温度为1000℃或CO浓度在90%、温度为900℃。在其条件下，还原度不但接近最高值，而且还原气体使用量最少，温度也是最低值。因为CO₂对还原试验有抑制作用，所以在还原试验整个过程中尽量减少CO₂的存在，使其还原性试验的还原度接近最高值

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参考文献

[1] 李胜，何志军，李云飞等.不同球团矿和块矿配加条件下炉料冶金性能[J].辽宁科技大学冶金质能优化与新技术研究所，2020，55（1）：11.

[2] 徐晨光，龙跃，田铁磊等.高镁碱性球团矿冶金性能试验研究[J].华北理工大学冶金与能源学院，2016，46（6）：36.