徐震，潘玉柱，王彬旭，王靜松，薛慶國

（北京科技大學(xué)鋼鐵冶金新技術(shù)國家重點(diǎn)實驗室，北京 100083）

摘 要：高爐內(nèi)軟熔帶區(qū)域的透氣性是影響高爐穩(wěn)定順行的重要因素，并由爐料的軟化融化特性決定。當(dāng)爐料內(nèi)部發(fā)生軟化融化時，爐料內(nèi)對氣體的粘性阻力系數(shù)及內(nèi)部慣性阻力系數(shù)發(fā)生巨大變化，從而導(dǎo)致透氣性變差，內(nèi)部最大壓差增大。本研究旨在通過預(yù)還原實驗及軟化融化實驗，探明混合料的還原度對軟熔帶的透氣性影響。結(jié)果表明院在不同軟融階段，同一還原度混合料層的最大壓差明顯不同，當(dāng)料層溫度進(jìn)入融化區(qū)時，粘性阻力系數(shù)突增導(dǎo)致壓差突然上升。由于慣性阻力系數(shù)的變化，壓差曲線在達(dá)到融化溫度之后還會繼續(xù)發(fā)生波動。 還原度較低時會出現(xiàn)二次壓差峰值，隨著還原度增加，二次峰值現(xiàn)象減弱。當(dāng)還原度達(dá)到 90%時，二次峰值消失，最大壓差曲線在融化開始溫度后逐步下降。試驗結(jié)果對提高軟熔帶透氣性，保證高爐內(nèi)部穩(wěn)定順行具有重要的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：高爐；軟熔帶；還原度；透氣性

0 引 言

鋼鐵冶金行業(yè)一直是工業(yè)生產(chǎn)中的排放、耗能大戶，占工業(yè)一次能源消耗總量的 16%左右，而高爐煉鐵占整個鋼鐵冶金流程能耗的 70%^[1-5]。隨著溫室效應(yīng)的加劇與能源供給壓力的增大，鋼鐵冶金行業(yè)高能耗與高排放已經(jīng)成為限制行業(yè)發(fā)展的重要因素，節(jié)能減排迫在眉睫。傳統(tǒng)高爐在經(jīng)歷近現(xiàn)代的發(fā)展之后，無論是能量利用還是污染排放都已接近極限，發(fā)展完善突破性的冶金技術(shù)才能進(jìn)一步的節(jié)能減排。氧氣高爐技術(shù)是近年來出現(xiàn)的最有可能代替?zhèn)鹘y(tǒng)高爐的技術(shù)，在國內(nèi)外的多個試驗中相比于傳統(tǒng)高爐優(yōu)勢明顯，碳消耗降低 20%以上，CO₂ 減排 70%以上^[6，7]。 

此前已有眾多學(xué)者對氧氣高爐的操作工藝進(jìn)行過研究，研究了高爐高富氧煉鐵、富氧鼓風(fēng)結(jié)合PIC^[8-17]、熱還原注氣[18]和冶金爐料利用^[19，20]等多種低碳操作。但是軟熔帶的透氣性作為影響高爐內(nèi)部壓差保證高爐穩(wěn)定順行的重要因素卻缺乏研究，軟熔帶透氣性的變化原因也缺乏系統(tǒng)解釋。因此，文中將通過預(yù)還原實驗及軟融實驗，研究在氧氣高爐生產(chǎn)煤化工合成氣的新工藝條件下，在不同軟融階段，含鐵爐料的還原度對透氣性的影響，從而為氧氣高爐的應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 實驗部分

1.1 預(yù)還原實驗

實驗所用綜合爐料的總質(zhì)量為 （200±0.1） g，結(jié)構(gòu)為 62%的燒結(jié)礦、5%的球團(tuán)礦和 33%的塊礦，堿度 R=1.33，爐料粒度為 10~12.5 mm。其中，鐵礦石的主要化學(xué)成分如表 1 所示。

預(yù)還原實驗中袁綜合爐料的還原度分別設(shè)定為 60%、70%、80%和 90%，通過靜態(tài)還原實驗將綜合爐料還原到預(yù)設(shè)的還原度，作為后續(xù)軟熔實驗的原料。預(yù)還原實驗的還原度計算以三價鐵狀態(tài)為基準(zhǔn)，在不同還原度下，通過公式分別計算靜態(tài)還原實驗中綜合爐料的失重量，從而確定預(yù)還原實驗的終點(diǎn)袁計算結(jié)果如表 2 所示。

綜合爐料預(yù)還原實驗的還原條件如表 3 所示。升溫過程中通入 5 L/min 的 N₂ 進(jìn)行保護(hù)， 到達(dá)恒溫階段時（900 ℃）改為通入 15 L/min 的還原氣體（30%CO+70%N₂）進(jìn)行恒溫還原，爐料的失重量到達(dá)理論失重量時即停止還原，改通 5 L/min 的 N₂ 進(jìn)行保護(hù)，將爐料冷卻至室溫。

其中，φ（CO）、φ（N₂）分別為 CO 和 N₂ 的體積分?jǐn)?shù)，V_g 為氣體流量，υ_T 為升溫速率。將已稱量好的（200±0.1）g 綜合爐料放入烘干箱，在（105±5 ℃）的條件下干燥 3 h 以上。干燥后沿管壁將爐料裝入 反應(yīng)管，裝料完成后料面保持平整，可以盡量保證氣體通過料層各處時所受阻力一致，然后將熱電偶插入料層袁在實驗過程中實時測量溫度。通過吊鉤將還原反應(yīng)管固定懸掛在電子天平正下方，并利用電動升降裝置將反應(yīng)管中的料層放置在已測定好的還原爐恒溫區(qū)內(nèi)。為確保實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需用保溫棉塞緊爐口縫隙，減少還原爐的熱損失。以上準(zhǔn)備完成后打開還原爐電源進(jìn)行實驗，整個升溫過程將按照預(yù)設(shè)程序進(jìn)行升溫，在升溫過程中通入的 N₂ 進(jìn)行保護(hù)，流量為 5 L/min，900 ℃之前升溫速率為 10 ℃/min，升溫至 900 ℃時改通的還原氣體（30%CO+70%N₂15 L/min）進(jìn)行恒溫還原，在爐料的失重達(dá)到計算得出的理論失重量時，改通 N₂ 進(jìn) 行保護(hù)，流量為 5 L/min，待爐料冷卻至室溫，用于下一步的軟熔實驗。預(yù)還原實驗裝置如圖 1 所示。

1.2 軟融實驗

軟熔實驗的設(shè)備為測定鐵礦石熔滴特性的熔滴爐，如圖 2 所示，主要由石墨反應(yīng)管、控溫柜、電爐、電感位移計及壓差計等設(shè)備組成。

進(jìn)行實驗時，首先將已烘干的 20.0 g 焦炭裝入石墨反應(yīng)管底部，并用尺子平整料面，接著將經(jīng)過預(yù)還原的粒度為 10~12.5 mm 的球團(tuán)礦裝入石墨反應(yīng)管內(nèi)，保證料層在反應(yīng)管內(nèi)的高度為（65±5） mm，用尺子平整料面，再將 20.0 g 焦炭放入石墨反應(yīng)管內(nèi)。然后將上節(jié)石墨反應(yīng)管與中節(jié)反應(yīng)管相連，并用長鉗將其裝到熔滴爐內(nèi)的下節(jié)石墨反應(yīng)管上； 最后在上層焦炭上放好石墨壓塊并插入石墨壓桿，擰緊上蓋，加上 1 kg/cm² 荷重，使位移處于 可測的位置。軟熔實驗過程中全程通入 12 L/min 的 N₂ 進(jìn) 行保護(hù)，直至球團(tuán)礦熔化滴落，當(dāng)看到第一滴渣鐵滴落時關(guān)閉程序，結(jié)束實驗。軟熔實驗中，0~900 ℃ 的升溫速率為 10 ℃/min，900~1 600 ℃的升溫速率為 5 ℃/min。

2 實驗結(jié)果及結(jié)論

2.1 實驗結(jié)果指標(biāo)意義及數(shù)據(jù)

軟熔實驗中含鐵爐料的軟熔行為主要由以下 幾個指標(biāo)評價院軟化開始溫度（T_10%）、軟化終了溫度（T_40%）、軟化區(qū)間ΔTB、熔化開始溫度（T_s）、滴落溫度（T_d）、熔化區(qū)間（ΔTM）、最大壓差（ΔPmax）和熔滴性能特征值（S），程序軟熔實驗指標(biāo)由計算機(jī)自動 讀取記錄。各個指標(biāo)的表示符號及意義如表 4所示。球團(tuán)礦預(yù)還原軟熔實驗的實驗結(jié)果如表 5所示。

2.2 不同還原階段對透氣性影響分析

綜合含鐵料柱內(nèi)部的氣體流動所受阻力由內(nèi)部慣性阻力和粘性阻力組成，氣體受到的阻力越大則料柱透氣性越差， 最大壓差越大。慣性阻力的主要形成原因是院物體相對流體運(yùn)動時會有帶動周圍流體一起運(yùn)動的趨勢，從而產(chǎn)生阻力。粘性阻力是指物體相對流體發(fā)生運(yùn)動時，物體表面附面層存在粘性力和速度梯度表現(xiàn)為對物體的阻力。慣性阻力主要與速度梯度有關(guān)而粘性阻力主要與接觸面積、粗糙程度、物體粘度等有關(guān)。在雷諾數(shù)較小時，粘性阻力影響較大，雷諾數(shù)較大時內(nèi)部慣性阻力變大，當(dāng)慣性阻力增加到一定程度時粘性阻力的變化無法對整體阻力變化產(chǎn)生較大影響，內(nèi)部慣性阻力成為內(nèi)部阻力的主要來源。通常情況下，將礦料層的融化階段分為院塊狀帶（900℃~Ts），軟化帶（T_s~T_m），融化帶（T_m~T_d）及滴落帶（T_d 溫度以上）從圖 3 的壓差曲線及收縮率曲線中可以發(fā)現(xiàn)院在融化溫度之前，隨著料柱體積的緩慢收縮袁料層內(nèi)部壓差平穩(wěn)增加。這是因為隨著料層的收縮，孔隙度逐步減小，氣體在料層內(nèi)部所受的阻力逐漸增大，導(dǎo)致通過孔隙時所受阻力略微增加，料柱內(nèi)部最大壓差隨溫度升高而上升。由于體積的收縮以及孔隙度減小近似為一個均勻的過程，所以壓差也是無突變式的平穩(wěn)上升。

在溫度達(dá)到融化溫度即 T_m 時料層進(jìn)入融化層，直至溫度達(dá)到滴落溫度即 T_d。當(dāng)料層剛進(jìn)入融 化層階段時，料柱的體積未發(fā)生明顯變化，料層內(nèi)部壓差卻劇烈上升，其上升速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過軟化階段，這說明料層的透氣性在融化開始時明顯變差。這是因為液相的出現(xiàn)，氣體與液體的接觸面積遠(yuǎn)大于氣體與固體接觸面積，而液相粘度也遠(yuǎn)高于固相，料層內(nèi)部粘性阻力系數(shù)劇烈增加，導(dǎo)致氣體所受阻力變大；而慣性阻力系數(shù)由于液相增加與流動形成較大速度梯度，慣性阻力系數(shù)也相應(yīng)增加，氣體所受到的綜合阻力迅速增加，料層壓差曲線在液相量最多時達(dá)到峰值。其后隨著液相流動，含鐵料層內(nèi)部液相減少，慣性阻力系數(shù)減小，氣體所受阻力減小，料層透氣性改善壓差曲線逐步下降。與還原度較高的綜合爐料相比，還原度較低的綜合爐料的融化溫度較低，這是因為還原度較低的綜合爐料含有較多的 FeO，F(xiàn)eO 含量越高，生成的低熔點(diǎn)化合物量越多。因此，低還原度的綜合爐料軟化開始溫度和融化開始溫度會相對較低，在低熔點(diǎn)液相量最多時壓差曲線達(dá)到峰值，隨著液相向下流動壓差曲線逐步下降，當(dāng)溫度達(dá)到剩余物質(zhì)熔點(diǎn)時，進(jìn)一步出現(xiàn)新的液相從而使得壓差曲線形成二次峰值。而還原度越高 FeO 含量越少，所受到的低熔點(diǎn)化合物影響越小，壓差曲線二次峰值越不明顯，當(dāng)還原度達(dá)到 90%時，二次峰值徹底消失。 

2.3 不同還原度對透氣性影響分析

與還原度較高的料層相比，還原度較低的料層滴落溫度較低，這是因為低熔點(diǎn)化合物產(chǎn)生量的多少與 FeO 的含量有關(guān)，還原度低的爐料中 FeO 含量較高，產(chǎn)生的低熔點(diǎn)化合物較多，熔渣的粘度較小，流動性較好，渣鐵容易分離；隨著還原度升高，爐料中的 FeO 含量逐漸降低，熔化產(chǎn)生的渣量較少，熔渣粘度增加，熔渣流動性變差，渣鐵不易分離。圖 4 為不同還原度未滴落熔渣的 SEM 圖像。從圖中可以看出，還原度 60%和 70%的渣中滯留的金屬鐵聚集成為顆粒，與渣的界限較為明顯；而在還原度 80%和 90%的滴落物中，金屬鐵則是彌散分布在渣中。隨著還原度的提高渣量明顯減少。

隨著料層溫度升高，液相流動性增強(qiáng)，料層內(nèi)部液相逐漸向下流至焦炭層，液相產(chǎn)生速率小于向下流動的速率，料層內(nèi)部液相含量進(jìn)一步減少，孔隙度增加。 內(nèi)部慣性阻力系數(shù)及粘性阻力系數(shù)減小，氣體所受阻力減小，料層透氣性改善，壓差曲線迅速下降，說明料層融化階段主要阻力來自融化帶。FeO 含量低， 內(nèi)部產(chǎn)生的低熔點(diǎn)液相量減少，并且生成的渣相粘度較高、流動性較差渣鐵不易分離，從而延緩了融化與滴落的過程。因此袁爐料的還原度越高，其對應(yīng)的熔化溫度和滴落溫度越高。而與還原度高的爐料相比，還原度低的含鐵爐料中液相出現(xiàn)的溫度較低且量較大，這就導(dǎo)致了其最大壓差較高，而且出現(xiàn)在溫度較低的位置。還原度對綜合爐料熔滴性能的影響如圖 5 所示。隨著還原度的提高，綜合爐料的熔化開始溫度T_s 逐漸升高，從 1 309 ℃升高到 1 449 ℃；滴落溫度 T_d 略微增加，從 1 450 ℃升高到 1 497 ℃；而融化區(qū)間 ΔTM 明顯變窄，由 141 ℃減小到 48 ℃。由于融化帶是料柱內(nèi)氣體阻力主要來源， 所以當(dāng)還原度增加，料柱透氣性能改善，熔滴特征值 S /kPa•℃明顯減小，由 722.68 減小到 51.74（詳情見表 5）。

3 結(jié) 論

1）料柱不同軟融階段對氣體所造成的阻力差異明顯，氣體在整個軟熔帶所受阻力主要來源于融化區(qū)域。料柱內(nèi)部慣性阻力系數(shù)與粘性阻力系數(shù)的變化是氣體所受阻力變化的主要原因，軟化區(qū)域內(nèi)部慣性阻力系數(shù)與粘性阻力系數(shù)共同增加，導(dǎo)致氣體阻力變大。融化區(qū)域粘性阻力系數(shù)基本不變且對整體氣體阻力影響不大，而內(nèi)部慣性阻力系數(shù)的增大是導(dǎo)致透氣性變差的主要原因。滴落區(qū)域內(nèi)部慣性阻力系數(shù)減小，料柱內(nèi)部氣體阻力減小，透氣性增強(qiáng)。

2）較低還原度的預(yù)還原料柱由于含有較多的FeO，導(dǎo)致壓差曲線出現(xiàn)二次峰值，而當(dāng)還原度增加時二次峰值減弱，當(dāng)還原度達(dá)到 90%，二次峰值完全消失。 

3）隨著還原度的增大，滴落溫度逐漸升高，但融化區(qū)域逐漸變薄且向下移動，軟熔帶透氣性明顯加強(qiáng)。