鋅對煉鐵爐料冶金性能的影響論文

　　摘要：采用醋酸鋅水溶液浸泡加鋅的方法制備不同含鋅量的燒結(jié)礦和焦炭試樣，并對燒結(jié)礦試樣進(jìn)行低溫還原粉化率及還原性指標(biāo)的測試，對焦炭試樣進(jìn)行ＣＯ２反應(yīng)性及反應(yīng)后強(qiáng)度的測試。結(jié)果表明，隨著含鋅量的增加，燒結(jié)礦的ＲＤＩ＋３．１５和ＲＤＩ＋６．３減小而ＲＤＩ－０．５明顯增大，間接還原速率和ＲＩ降低，焦炭的ＣＲＩ增高而ＣＳＲ降低，燒結(jié)礦中鋅含量的增加使其低溫還原粉化性和還原性變差，同時(shí)焦炭中鋅含量的增加使其熱性能變差；與噴灑ＺｎＳＯ４水溶液加鋅方法相比，采用醋酸鋅水溶液浸泡加鋅方法能更準(zhǔn)確地確定ＺｎＯ對焦炭熱性能的影響程度。

　　關(guān)鍵詞：鋼鐵材料論文

　　高爐中的鋅主要來源于煉鐵原料，包括鐵礦石、焦炭和循環(huán)回收物［１－３］。同時(shí)，鋅在高爐內(nèi)部還會不斷地進(jìn)行循環(huán)富集，使得高爐內(nèi)爐料的鋅含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過從爐頂加入時(shí)爐料的鋅含量［４－５］。為此，研究者們針對鋅在高爐內(nèi)的分布、高鋅負(fù)荷下的適宜高爐操作制度、鋅對高爐耐火材料及冶煉過程的影響機(jī)理等問題開展了大量研究［６－９］。既有研究中，向鐵礦石和焦炭中加鋅的方法有多種。尹慧超等［１０］采用熏蒸法向鐵礦石表面引入鋅，研究了鋅對鐵礦石低溫還原粉化性的影響�？禎膳蟮龋郏保保莶捎孟蛟嚇颖砻鎳姙ⅲ冢睿樱希慈芤旱姆椒ㄑ芯苛虽\對鐵礦石低溫還原粉化性和焦炭反應(yīng)性、反應(yīng)后強(qiáng)度的影響，但是一方面ＺｎＳＯ４在６５０℃左右才開始分解，在鐵礦石低溫還原粉化率的測試溫度（５００℃）下ＺｎＳＯ４不會分解生成ＺｎＯ，所以噴灑ＺｎＳＯ４不適合用于鋅對鐵礦石低溫還原粉化性影響的研究；另一方面，在７２０℃下ＺｎＳＯ４即可劇烈分解，因而在１１００℃下進(jìn)行焦炭熱性能試驗(yàn)時(shí)，它所分解生成的ＳＯ３對焦炭反應(yīng)有催化作用［１２］，這顯然會妨礙對鋅含量與焦炭熱性能之間的內(nèi)在關(guān)系作出正確的判斷。此外，有關(guān)鋅對鐵礦石還原性的影響也尚未見有文獻(xiàn)報(bào)道。為此，為了較好地模擬高爐塊狀帶內(nèi)爐料吸附ＺｎＯ粉末的現(xiàn)象，本文采用了醋酸鋅水溶液浸泡的方法向試樣中添加ＺｎＯ，研究ＺｎＯ含量對包括鐵礦石還原性在內(nèi)的高爐爐料各種冶金性能的影響。

　　１試驗(yàn)

　　１．１試樣制備

　　試驗(yàn)所用的燒結(jié)礦和焦炭均取自武漢鋼鐵（集團(tuán)）公司五號高爐生產(chǎn)現(xiàn)場。燒結(jié)礦的化學(xué)成分如表１所示。焦炭的工業(yè)分析結(jié)果如表２所示。２Ｈ２Ｏ）為分析純。二水合醋酸鋅可溶于水，在２００℃以下即可脫去結(jié)晶水，生成的無水醋酸鋅在２４２℃下熔融，在３７０℃下完全分解為ＺｎＯ。本文根據(jù)醋酸鋅的這些特性，設(shè)計(jì)了醋酸鋅水溶液浸泡燒結(jié)礦和焦炭加鋅的方法，具體如下：首先根據(jù)需要配制一定質(zhì)量百分比濃度的醋酸鋅水溶液，將試樣放在其中浸泡并煮沸一段時(shí)間，取出進(jìn)行濾水、干燥和稱重，求得向試樣中添加的二水合醋酸鋅的質(zhì)量，在后續(xù)的煉鐵爐料冶金性能的試驗(yàn)過程中，加入的二水合醋酸鋅將脫除結(jié)晶水并分解變成固體ＺｎＯ。ＺｎＯ占未浸泡試樣的質(zhì)量百分比即為試樣的ＺｎＯ增量。通過調(diào)節(jié)醋酸鋅水溶液的濃度和煮沸時(shí)間可以比較準(zhǔn)確地控制試樣的加鋅質(zhì)量。分別取粒度為１０～１２．５ｍｍ的燒結(jié)礦每份５００ｇ和粒度為２１～２５ｍｍ的焦炭每份２００ｇ進(jìn)行浸泡加鋅，加鋅方案如表３所示。

　�。保�２測試方法

　　鐵礦石低溫還原粉化性能的測定根據(jù)ＧＢ１３２４２—９２規(guī)定的方法進(jìn)行。測定時(shí)模擬高爐上部條件：溫度５００℃，反應(yīng)時(shí)間６０ｍｉｎ，氣體成分為：Ｎ２、ＣＯ、ＣＯ２的體積分?jǐn)?shù)分別為６０％、２０％、２０％，氣體流量１５Ｌ／ｍｉｎ，轉(zhuǎn)鼓總轉(zhuǎn)數(shù)３００ｒ、轉(zhuǎn)速３０ｒ／ｍｉｎ。燒結(jié)礦的還原性依據(jù)ＧＢ１３２４１—９１規(guī)定的檢測方法進(jìn)行檢測，實(shí)驗(yàn)條件為：溫度９００℃，反應(yīng)時(shí)間１８０ｍｉｎ，氣體成分為：Ｎ２、ＣＯ的體積分?jǐn)?shù)分別為７０％、３０％，氣體流量１５Ｌ／ｍｉｎ。焦炭反應(yīng)性和反應(yīng)后強(qiáng)度按照ＧＢ／Ｔ４０００—２００８規(guī)定的方法測定，實(shí)驗(yàn)條件為：溫度１１００℃，反應(yīng)時(shí)間１２０ｍｉｎ，純ＣＯ２氣體，氣體流量５Ｌ／ｍｉｎ，轉(zhuǎn)鼓總轉(zhuǎn)數(shù)６００ｒ、轉(zhuǎn)速２０ｒ／ｍｉｎ。

　　２結(jié)果與分析

　　２．１加鋅對燒結(jié)礦低溫還原粉化性能的影響

　　加鋅前后燒結(jié)礦試樣的低溫還原粉化指數(shù)ＲＤＩ＋３．１５、還原強(qiáng)度指數(shù)ＲＤＩ＋６．３和磨損指數(shù)ＲＤＩ－０．５如圖１所示。從圖１中可以看出，隨著燒結(jié)礦中ＺｎＯ含量的增加，ＲＤＩ＋３．１５和ＲＤＩ＋６．３均呈減小趨勢，而磨損指數(shù)ＲＤＩ－０．５呈上升趨勢，表明隨著ＺｎＯ含量的.增加，燒結(jié)礦的低溫還原粉化性能變差。ＺｎＯ與Ｆｅ２Ｏ３合成為鐵酸鋅的反應(yīng)開始溫度為５００℃，且隨著溫度的升高反應(yīng)速度加快［１３］。低溫還原粉化率測試試驗(yàn)的溫度剛好為５００℃，因此推測所加入氧化鋅中的一部分能夠與燒結(jié)礦中的赤鐵礦反應(yīng)生成鐵酸鋅，而且因?yàn)闇囟容^低，生成的鐵酸鋅難以被ＣＯ還原分解而保持穩(wěn)定。鐵酸鋅屬于尖晶石型礦物，等軸晶系，密度為５．２０ｇ／ｃｍ３，而赤鐵礦屬于六方晶系，密度為４．９～５．３ｇ／ｃｍ３，二者在晶形和密度方面差異明顯，意味著新生成的鐵酸鋅會從大塊赤鐵礦上剝離下來形成粉末，并可能使赤鐵礦的強(qiáng)度降低。這可能是導(dǎo)致燒結(jié)礦低溫還原粉化性能變差特別是磨損指數(shù)ＲＤＩ－０．５急劇增大的內(nèi)在原因。

　　２．２加鋅對燒結(jié)礦還原性的影響

　　對加鋅燒結(jié)礦進(jìn)行還原性實(shí)驗(yàn)，得到試樣的失重量（包含燒結(jié)礦失重量與氧化鋅失重量）隨還原時(shí)間的變化曲線如圖２所示。分析圖２中的失重曲線可知，當(dāng)還原時(shí)間在６０ｍｉｎ之內(nèi)時(shí)，不同ＺｎＯ含量燒結(jié)礦的失重速率均較大，且失重量的值相差不大，其原因是，在還原的初始階段，主要是由于礦石表面的ＺｎＯ和鐵的氧化物被ＣＯ還原而造成的失重，ＺｎＯ對燒結(jié)礦的還原過程沒有明顯的抑制作用；反應(yīng)時(shí)間為６０～１２０ｍｉｎ時(shí)，反應(yīng)在礦石顆粒的內(nèi)部進(jìn)行，ＺｎＯ含量高的礦石因?yàn)殚_口氣孔被ＺｎＯ粉末堵塞的機(jī)會較多，減少了ＣＯ與鐵氧化物的接觸機(jī)會，而且鐵酸鋅的生成數(shù)量也較多，所以隨著ＺｎＯ含量的增加，試樣的失重速率逐漸減小；反應(yīng)時(shí)間為１２０～１８０ｍｉｎ時(shí)，４種ＺｎＯ含量燒結(jié)礦的還原速率均趨近于零，表明此階段的還原反應(yīng)基本上已經(jīng)結(jié)束。對還原性試驗(yàn)后的燒結(jié)礦樣品進(jìn)行ＳＥＭ和ＥＤＳ分析可知其中殘留的Ｚｎ元素極少，因此可以假定試驗(yàn)結(jié)束時(shí)試樣中沒有ＺｎＯ殘留，則由１８０ｍｉｎ時(shí)的失重量計(jì)算可得燒結(jié)礦各試樣的還原度ＲＩ如表４所示。從表４中可知，隨著燒結(jié)礦中鋅含量的增加，燒結(jié)礦的還原性變差，且ＺｎＯ增量對ＲＩ值的影響基本上是線性的，增幅為－７．１３％（ＲＩ）／１％（ｗ（ＺｎＯ））。燒結(jié)礦間接還原受阻意味著高爐焦比可能升高。ＺｎＯ對燒結(jié)礦還原反應(yīng)有阻礙作用的原因可能有兩點(diǎn)：一是黏附在燒結(jié)礦顆粒表面和開口氣孔壁上的ＺｎＯ粉末妨礙了氧化鐵與ＣＯ的接觸；二是ＺｎＯ與Ｆｅ２Ｏ３反應(yīng)會生成鐵酸鋅，而鐵酸鋅的還原分解要求較高的動力學(xué)條件，結(jié)果妨礙了鐵礦石的還原［１３］。

　�。玻�３加鋅對焦炭熱態(tài)性能的影響

　　不同加鋅量焦炭試樣的反應(yīng)性（ＣＲＩ）和反應(yīng)后強(qiáng)度（ＣＳＲ）的測試結(jié)果如表５所示。從表５中可以看出，隨著ＺｎＯ增量的增加，焦炭的ＣＲＩ值呈增大的趨勢，而ＣＳＲ值則有著相應(yīng)降低的趨勢，表明ＺｎＯ對焦炭熱性能有負(fù)面的影響。影響焦炭反應(yīng)性的因素主要分為兩大類：一是焦炭的微觀結(jié)構(gòu)，其中焦炭的石墨化程度和煉焦煤煤種產(chǎn)生的影響最大；二是外在因素的影響，主要包括焦炭的氣孔率、氣孔結(jié)構(gòu)和內(nèi)在礦物質(zhì)的影響。焦炭氣孔率越大，氣孔分布越均勻，焦炭的反應(yīng)性就越高；礦物質(zhì)中的堿金屬對焦炭的氣化反應(yīng)影響最大，其次為堿土金屬和過渡元素［１４］，而ⅡＢ族元素（鋅、鎘、汞）因在形成穩(wěn)定配位化合物的能力上與傳統(tǒng)的過渡元素相似，故常常也將其歸入過渡元素范圍。本研究中，由于在焦炭中加入了ＺｎＯ，而ＺｎＯ在焦炭反應(yīng)性實(shí)驗(yàn)條件下很容易被碳還原為鋅蒸氣，使焦炭氣孔率增加，在一定程度上起到促進(jìn)氣化反應(yīng)的作用，從而使ＣＲＩ值增大。另一方面，與堿土金屬類似，金屬鋅和ＺｎＯ之間的轉(zhuǎn)化符合電子遷移理論和氧遷移理論的條件［１５］，故鋅對氣化反應(yīng)也起到一定的催化作用。增大氣孔率和催化氣化反應(yīng)這兩方面的作用，使得ＺｎＯ的添加提高了焦炭的ＣＲＩ，而ＣＳＲ則由于焦炭氣孔率增大和氣化反應(yīng)增強(qiáng)而減小。文獻(xiàn)［１１］報(bào)道，焦炭中的ｗ（ＺｎＯ）由０．０６％增加到３．０９％時(shí)，ＣＲＩ從２０．７７％增至２５．５３％，升高了近５個(gè)百分點(diǎn)；ＣＳＲ約從７０％降至６０％，下降了約１０個(gè)百分點(diǎn)。而本研究中，ＺｎＯ增量由０增至３．４５％時(shí)，ＣＲＩ從２５．４４％增大到２８．８９％，增加了３．４５個(gè)百分點(diǎn)，ＣＳＲ從６１．６２％降至５７．４２％，下降了４．２個(gè)百分點(diǎn)。兩相比較發(fā)現(xiàn)，在焦炭中ＺｎＯ增量基本相同的情況下，本文測定的ＺｎＯ對ＣＲＩ的影響幅度只有文獻(xiàn)［１１］中的７０％左右，對ＣＳＲ的影響幅度只有文獻(xiàn)［１１］中的４０％左右。這可能是由于鋅的添加方法不同引起的，文獻(xiàn)［１１］中采用的是噴灑ＺｎＳＯ４水溶液的方法，ＺｎＳＯ４在１１００℃下分解生成ＳＯ３，而ＳＯ３對焦炭氣化反應(yīng)也有明顯的催化作用，結(jié)果顯得ＺｎＯ對焦炭熱性能的影響程度較大。

　　３結(jié)論

　�。ǎ保╇S著燒結(jié)礦中ＺｎＯ含量的增加，燒結(jié)礦低溫還原粉化指數(shù)ＲＤＩ＋３．１５減小，還原強(qiáng)度指數(shù)ＲＤＩ＋６．３減小，磨損指數(shù)ＲＤＩ－０．５明顯增大。燒結(jié)礦中鋅含量的增加使燒結(jié)礦的低溫還原粉化性變差。低溫還原粉化性能變差的原因可能是因?yàn)榧尤耄冢睿鲜篃�結(jié)礦在低溫還原反應(yīng)中生成的鐵酸鋅和赤鐵礦在晶形和密度方面有較大差異造成的。

　�。ǎ玻�燒結(jié)礦中鋅含量的增加使燒結(jié)礦的還原性變差，燒結(jié)礦的還原度ＲＩ降低幅度與ＺｎＯ增量基本上呈線性關(guān)系。還原性變差的原因一方面是因?yàn)闊�結(jié)礦的開口氣孔被ＺｎＯ阻塞，另一方面可能是因?yàn)樯�成的鐵酸鋅難以被ＣＯ還原分解，阻礙了Ｆｅ３＋的還原。

　�。ǎ常╇S著焦炭中ＺｎＯ含量的升高，燒結(jié)礦ＣＲＩ隨之升高，ＣＳＲ則隨之降低。焦炭中鋅含量的增加使焦炭的熱性能變差。焦炭熱性能變差的原因，一方面是因?yàn)椋冢睿媳旧砼cＣ反應(yīng)使焦炭的氣孔率增大，另一方面是因?yàn)椋冢钤�素對焦炭氣化反�?yīng)有催化作用。

　�。ǎ矗┡c噴灑ＺｎＳＯ４水溶液加鋅方法相比，采用醋酸鋅水溶液浸泡加鋅方法能更準(zhǔn)確地確定ＺｎＯ對焦炭熱性能的影響程度。

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