预还原球团微波加热直接还原试验研究
2018-08-02 作者：佚名 网友评论 0 条
（ 中冶长天国际工程有限责任公司，湖南 长沙 410205；2. 国家烧结球团装备系统工程技术研究中心，湖南 长沙410205；3. 中南大学资源加工与生物工程学院，湖南 长沙 410083）
由于大功率设备价格昂贵，稳定性差，设计难度大，而且磁控管的互作用效率一般只能达到70～85%，使得微波加热技术最初主要应用于低温处理，高温领域的发展比较缓慢[1-3]。但通过实验发现，微波能对于一些高损耗的材料而言，具有加热效率高，升温速度快，体积加热等特性，对于一些低损耗材料的烧结，微波虽然不能直接加热，但通过和其它高损耗材料的混合加热，不仅可以降低烧结温度、缩短烧结时间和节约能耗，而且产品的致密化程度高、副产品少、晶体结构均匀完整，这些优点为微波能在高温领域的发展提供了理论支持和实验指导[4-8]。
“铁精矿氧化球团微波加热煤基竖炉直接还原炼铁”是一种新的炼铁方法[9-10]，该方法利用铁氧化物和煤粉强的吸收微波的能力以及微波对物料的活化作用，加速了煤粉的气化和球团的还原。这种方法采用微波作为热源，煤粉作为还原剂，极大降低了煤炭资源的利用，是一种环境友好型炼铁工艺。但是氧化球团进入微波加热段，会出现球团‘爆裂式膨胀’，不利于物料的顺行；煤粉用量大，物料透气性差，球团外部容易形成致密的金属壳，导致还原气体难以进入球团内部；采用低功率磁控管时，电能消耗大，加热设备多，不利于工业化的实施。为了克服以上问题，实验采用预还原球团进入微波加热段，不仅避免了气体扩散的难度，加速了球团的还原，降低煤焦油等有害物质对产品的污染和设备的腐蚀，而且能够减少微波能的使用，提高能量的利用和金属化球团的生产效率，另外预还原球团的还原是一个收缩过程，物料运行顺畅，有助于实现这一新工艺的工业化。
1 原料性能及研究方法
本实验所采用的氧化球团粒级范围在12.5～15 mm，球团强度3036 N/个，主要的化学成分如表1所示。煤粉的工业分析结果如表2，粒度组成如表3所示。
从表1可以看出，氧化球团中Fe2O3占91.21%，脉石主要有SiO2和Al2O3，其它杂质含量少。实验采用无烟煤作为还原剂，主要从无烟煤的吸波能力强以及固定碳含量高两方面考虑，从表2和表3可以看出，实验用无烟煤固定碳含量高，粒度较细，有利于实验室条件下煤气化反应的进行。
实验流程如图1所示，采用上述氧化球团在电阻炉中升温到850 ℃，然后通入40% CO和60% N2进行还原，气体流速为15 L/min，还原时间为4.5 h，球团还原度为90.23%，所得预还原球团冷却后进行相关性能检测，预还原球团渗碳过程是在600 ℃，通入80% CO和20% N2条件下进行的，气体流速为15 L/min，改变通气的时间得到不同渗碳量的预还原球团。最后对预还原球团在微波炉中进行深度还原焙烧，得到直接还原铁。
实验采用的微波设备如图2，微波频率2.45 GHz，微波功率0～1.5 kW可调，图3为微波加热反应腔体。热电偶在金属外套管保护下插入物料中实时测量温度的变化。试验过程中在微波炉内通以氮气保护，预还原球团外部配加一定量的无烟煤粉，除防止氧化外也进一步保证了球团的还原气氛。研究主要考查了预还原球团在微波场中的升温变化以及产品结构性能的改变情况。采用化学分析方法研究球团还原前后的金属化程度变化，以及采用矿相显微镜和扫描电镜研究球团微波加热还原前后的微观结构和物相组成。
2 实验结果和讨论
2.1预还原球团结构性能变化
渗碳前后预还原球团的微观结构如图4所示。从图4中的a1和a2可以看出，通过气基预还原后的球团孔隙结构发达，颗粒细而散，有助于还原气体在球团内部的扩散以及铁氧化物的快速还原。比较A1和A2发现，渗碳后的预还原球团在其颗粒表面的炭黑呈丝带状分布，证明这种渗碳方法可以使得炭黑均匀分布在球团内部，对球团在微波场中的升温和还原是相当重要的，活性炭黑作为吸波热点，快速升温，很容易与亲密接触的铁氧化物发生固-固反应，而且布多尔反应也得到快速发展，使得整个球团内部的还原气氛均匀、充沛，采用预还原球团微波加热直接还原可以真正实现铁矿球团的快速金属化。
2.2 渗碳量对微波加热升温的影响
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