Vol.26 No.1 冯俊小等：石人沟矿敞焰煤基直接还原的实验研究 31· 造球 VH为还原剂中挥发分的含量，%；W:为还原剂中 将生球团在球团性能实验台上进行检验，其 水分的含量，%. 抗压强度、跌落强度、水含量等主要球团性能的 根据表3的正交实验方案，在连续焙烧炉内 检测结果列于表2. 分组按两因素三水平进行了实验，经取样、制样、 表2生球团主要性能 化验和分析计算，得到了海绵铁产品的金属化率 Table 2 Properities of raw pellet 与盖炭层厚度、料层厚度、还原焙烧时间和焙烧 抗压强度kg跌落强度/次 温度之间的相互关系.实验结果分别见图2~7. 湿干湿干 φ/mmp/gcm-) 水含 量% 图2表明5mm盖炭层太薄，加热后期还原好 1.942.7010.53.012.4454.88 8.62 的产品又被再次氧化，金属化率随加热时间延长 逐渐下降.15mm盖炭层太厚，热阻太大，传热 4直接还原实验结果及分析 慢，下部产品加热温度低还原差，造成产品的金 在研究分析影响直接还原过程的诸多因素 属化率低.10mm盖炭层在较长时间内可获得较 高的金属化率.经正交回归分析最佳盖炭层厚度 的基础上，选取还原料层的料层厚度、盖炭层厚 度、加热焙烧时间和加热温度作为主要研究因 为8-12mm. 素，每个因素选取三个不同的水平.按照正交实 图3表明随着料层加厚，传热热阻加大，料层 下部加热不足，还原程度低，金属化率随料层厚 验方法安排设计直接还原焙烧方案见表3. 度增加而下降.经回归分析最佳料层厚度范围为 表3正交实验方案 3~4层.加热温度高不仅有利于炉膛内部的传热， Table3 Orthogonal experimental plan 同时球团被加热的温度也高，有利于还原反应进 水平 因 素 行，经正交回归分析得到的最佳加热温度范围为 1 2 3 1300≈1340℃. 盖炭层厚度mm 5 10 15 料层厚度/层 3 9 图4表明料层厚度的影响同图2.加热时间 时间min 40 50 60 既影响传热量，又影响化学反应的进程，同时也 温度/℃ 1280 1310 1340 决定了产品是否被再氧化，所以金属化率随加热 以产品的金属化率作为评价指标，其确定方 时间的延长首先增加，达到最大值后又逐渐减 法是称取海绵铁产品2g,在粉碎机上磨成细粉， 少，其原因是时间太短时加热不充分，还原反应 并将其与30mL50%的稀盐酸混合起反应，收集 没有完成，产品金属化率低，时间过长造成还原 产品又被二次氧化，金属化率降低.经正交回归 化学反应生成的氢气，测得该氢气体积，根据实 验条件转换成标准体积，然后由 分析最佳加热时间范围是45-55min. M:=×10% 图5至图7为盖炭厚8mm,料层厚3层的实 (2) 验结果，经正交回归分析可知，焙烧温度和加热 确定海绵铁产品的金属铁含量(2g纯铁与30mL 时间对金属铁含量、全铁含量和金属化率的影响 50%的盐酸反应能够生成800mL标准体积的氢 显著，最佳温度范围同图3结论，最佳时间范围 气).根据质量守衡原理得到计算公式 同图4结论.在实验条件下，用石人沟矿可以生 X={100+m[1-(ya+Wa)]+mw-0.2501mm.+ 产出全铁和金属化率均大于90%，金属铁大于 01944mom×05+流2mn (3) 81%的海绵铁产品. 确定直接还原海绵铁产品的金属化率.式中，M。 球团的矿相结构见图8和图9，图8为球团表 为海绵铁产品中的金属铁含量，%：V为2g海绵 层结构，图9为球团中心结构，从矿相结构可以 铁与盐酸反应所释放出的氢气标准体积，mL,X 看出，铁氧化物的还原较充分，金属相的结晶已 为海绵铁的金属化率，%；m为每100g精矿粉中 充分长大，尤其表层更加突出：表层中碳已耗尽， 全铁的质量，g:mo为每100g精矿粉中金属铁的 而中心部分有残碳存在， 质量，g:mw为每100g精刊矿粉中水分的质量，g:mw 将实验研究获得的工艺操作参数用于指导 为每100g精矿粉需要配入的粘结剂的质量，g: 唐钢石人沟铁矿年产3万t海绵铁生产线的生产 mm为每100g精矿粉需要配入的还原剂质量，g: 操作，生产出的海绵铁经化验分析其主要成分冯 俊小 等 石 人 沟矿敞焰煤 基直 接还 原 的实验研究 造 球 将 生球 团在球 团性 能实验 台上 进行 检验 ， 其 抗 压 强度 、 跌落 强 度 、 水 含 量 等主 要 球 团性 能 的 检 测 结 果 列 于 表 表 生球 团 主 要性能 廿 抗 压 强度瓜 跌落强度 次 湿 干 、 湿 干 剩 馆 · 一 今 水含 量机 直 接还 原 实验结 果 及 分析 在 研 究 分 析 影 响 直 接 还 原 过 程 的诸 多 因素 的基 础 上 ， 选取 还 原料层 的料 层 厚度 、 盖 炭层 厚 度 、 加 热 焙 烧 时 间和 加 热 温 度 作 为 主 要 研 究 因 素 ， 每个 因素选 取 三 个 不 同 的水平 按照 正 交 实 验 方 法 安排 设计 直接 还 原焙烧 方 案 见表 表 正 交 实验方 案 水平 幽 示 ‘ 艺 盖 炭层 厚度 料层 厚度 层 时 间 温度 ， 以产 品 的金 属 化率 作 为评 价 指标 ， 其 确 定方 法 是称 取海 绵 铁产 品 ， 在粉碎 机上 磨成 细粉 ， 并将 其与 的稀 盐 酸混 合 起 反 应 ， 收集 化 学 反应 生 成 的氢 气 ， 测 得 该氢 气 体积 ， 根 据 实 验 条件 转 换成 标准 体积 ， 然 后 由 代二 。 。 。 ， 麟 。 瓦元 ， 确 定海 绵铁产 品 的金 属 铁含 量 纯 铁 与 的盐 酸 反 应 能够 生 成 标 准 体 积 的氢 气 根 据质量 守衡 原 理 得 到计 算公 式 一 岭 叽 功 一 。 ， 。 一 卜〔 。 · 命 · 〕 一 ‘， 确定直接还 原海 绵铁产 品 的金 属化 率 式 中 ， 赫 。 为海 绵 铁产 品 中的金 属 铁 含 量 ， 玲 为 海 绵 铁 与盐 酸 反应 所释 放 出的氢气标准 体 积 ， ， 为海 绵铁 的金 属 化率 ， 。 为每 精矿 粉 中 全 铁 的质 量 ， 、 为每 精矿 粉 中金属铁 的 质 量 ， 为每 精矿 粉 中水分 的质量 ， 为每 精矿 粉 需要 配 入 的粘 结剂 的质 量 ， 。 为每 精矿 粉 需要 配 入 的还 原剂质 量 ， 玲 为还 原 剂 中挥 发分 的含量 ， 叽 为还 原 剂 中 水 分 的含 量 ， 根据 表 的正 交实验 方 案 ， 在 连 续 焙烧 炉 内 分组按 两 因素三 水平进 行 了实验 ， 经取样 、 制样 、 化验和 分 析计 算 ， 得 到 了海 绵铁产 品 的金 属化 率 与盖 炭 层 厚度 、 料 层 厚度 、 还 原焙烧 时 间和 焙烧 温度 之 间 的相 互 关 系 实验 结 果 分 别 见 图 一 图 表 明 盖炭层 太 薄 ， 加热 后 期还 原好 的产 品又 被再 次氧 化 ， 金 属化 率 随加 热 时 间延 长 逐渐 下 降 盖 炭层 太 厚 ， 热 阻太 大 ， 传热 慢 ， 下 部 产 品加 热温度 低 还 原差 ， 造 成产 品 的金 属 化 率低 们。 们比 盖 炭层 在 较 长 时 间 内可 获得 较 高 的金属 化 率 经 正交 回 归分析最 佳盖炭层 厚度 为 一 图 表 明随着料层 加厚 ， 传 热热 阻加 大 ， 料层 下 部加 热 不足 ， 还 原程 度 低 ， 金 属 化 率 随料层 厚 度增加 而 下 降 经 回归分析最 佳 料层 厚度范 围为 一 层 加 热温度 高不 仅 有利 于炉膛 内部 的传热 ， 同时球 团被 加 热 的温度 也 高 ， 有利 于还 原 反应进 行 ， 经 正 交 回归分析得 到 的最 佳加 热温度 范 围为 ℃ 图 表 明料层 厚 度 的影 响 同 图 加 热 时 间 既影 响传 热 量 ， 又 影 响化 学 反 应 的进 程 ， 同 时也 决定 了产 品是 否 被 再氧化 ， 所 以金属 化 率 随加 热 时 间 的延 长 首 先增加 ， 达 到 最 大值 后 又 逐 渐 减 少 ， 其原 因是 时 间太 短 时加 热 不 充 分 ， 还 原 反应 没 有完 成 ， 产 品金 属 化 率低 ， 时 间过 长 造 成还 原 产 品又 被二 次氧 化 ， 金 属化 率 降低 经 正 交回归 分 析 最佳 加 热 时 间范 围是 一 图 至 图 为盖 炭厚 ， 料 层 厚 层 的 实 验 结 果 经 正 交 回 归分 析 可 知 ， 焙烧 温 度 和 加 热 时 间对 金 属铁含 量 、 全铁含量 和 金 属化 率 的影 响 显 著 最 佳温度 范 围 同 图 结 论 ， 最 佳 时 间 范 围 同 图 结 论 在 实验 条件下 ， 用 石 人 沟 矿 可 以生 产 出全 铁 和 金 属 化 率 均 大 于 ， 金 属 铁 大 于 的海 绵铁 产 品 球 团的矿 相 结构见 图 和 图 ， 图 为球 团表 层 结构 ， 图 为球 团 中心 结构 从矿相 结构可 以 看 出 ， 铁氧 化 物 的还 原较充分 ， 金 属 相 的结 晶 己 充分长 大 ， 尤其表层 更 加突 出 表层 中碳已耗尽 ， 而 中心 部 分有残碳存在 将 实验 研 究获 得 的工 艺 操 作 参 数 用 于 指 导 唐钢 石 人沟 铁矿 年 产 万 海 绵铁 生产 线的生 产 操 作 ， 生 产 出 的海 绵 铁 经 化 验 分 析 其 主 要 成 分