烧结矿气-固还原过程的矿物组成和显微结构变化.doc

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1、烧结矿气-固还原过程的矿物组成和显微结构变化赵霞1，李铁军1，潘文2(1.首钢工学院建筑与环保工程系，北京100043；2.首钢技术研究院钢铁技术研究所，北京100043)摘要：利用热重分析方法研究了烧结矿与CO气体的气-固还原反应特征，重点考察了反应的不同阶段烧结矿矿物组成和显微结构的变化以及还原过程烧结矿孔隙率的变化。研究发现：由于烧结矿内矿物组成的改变，随着还原度的增加，烧结矿还原速率逐渐减缓。还原前期主要发生赤铁矿→磁铁矿和铁酸钙→磁铁矿的转变，并且赤铁矿的还原速率要高于铁酸钙。当还原度达到70%时

2、，烧结矿内的赤铁矿、铁酸钙和磁铁矿全部被还原为浮士体和金属铁；根据还原过程烧结矿内部结构和孔隙率的变化，发现还原过程中试样的孔隙率由原来的12.43%增加至53.44%，其中大部分的增加量集中在反应的前期。另外，发现存在微气孔的区域更有利于烧结矿的还原。关键词：烧结矿；还原；CO；矿物组成；显微结构；孔隙率作为高炉主要的含铁原料，烧结矿在高炉生产，尤其在亚洲国家的高炉中发挥着重要作用。日本高炉炉料中高碱度烧结矿比例一般维持在71.3%～76.9%[1]。宝钢高炉的炉料结构与日本大多数高炉相似，烧结矿74.5

3、%，球团矿8.5%，块矿17%[1]。首钢高炉近年烧结矿使用比例也在60%以上。因此，烧结矿的质量，尤其是还原性能的好坏，在很大程度上决定了高炉中上部的煤气利用率，进而影响高炉的燃料消耗水平和生产率。围绕烧结矿还原行为，学者们开展了大量的研究工作[2-9]。概括起来主要有3个方面：1)烧结矿还原性的影响因素。包括碱度、化学成分、矿物组成等对烧结矿还原性能的影响；2)改善烧结矿还原性能的技术措施。提出了提高烧结矿碱度、增加烧结料层厚度等改善烧结矿还原性的措施。3)烧结矿还原机制。包括气-固还原动力学和还原过程

4、结构变化等。廉树杰等人[10]利用热台显微镜动态地观察了二元铁酸钙在还原过程中的显微结构变化。北京科技大学程素森等人[11]研究了烧结矿还原粉化过程中内部结构的改变。本文利用热重分析方法研究了烧结矿与CO气体的气-固还原反应特征。结合光学显微镜和孔隙率检测，探讨了还原过程各个阶段烧结矿的矿物组成、显微结构以及孔隙率的变化规律。1试验设备和方法烧结矿还原性试验设备使用的是德国CAHN仪器公司生产的热重分析仪(TGA)，型号TG-171。设备天平精度1.0μg，加热炉最高设计温度1725℃。首先，将制备好的烧结

5、矿样品置于TGA加热炉内，按照表1所示温度制度和气氛加以控制。在高纯氩气保护下加热样品，达到试验温度后将高纯氩气切换为还原气体开始试验，同时按1Hz的频率实时记录因还原失氧引起的样品失重。样品质量恒定时可视为还原完成，终止试验并在氩气保护下将样品自然冷却至室温，待后续试验检测。为了考察不同还原阶段烧结矿内部结构的变化，分别在样品还原度达到30%、70%和100%时终止试验，然后在高纯氩气保护下将还原后的样品冷却至室温，最后取出样品观察其内部矿物组成和显微结构。高炉内的逆流式能量、物质交换使得铁矿石在高炉内自

6、上而下分阶段被还原。一般认为，还原中后期浮士体到金属铁的转变为铁矿石在高炉中上部还原进程的限制性环节。因此本次试验还原气体和试验温度的选取参考了浮士体→金属铁反应较多的高炉软融带上部900～1100℃区域的气氛和温度条件[12]。还原气体使用100%CO气体，流量0.45L/min，试验温度选择1000℃。预备试验的结果表明，0.45L/min流量的还原气体足够将样品周围的边界效应减到最小。2试验样品本次试验样品来源于首钢某生产基地现场烧结矿。表2是试验样品的化学成分和转鼓强度。为了使样品尺寸和形状对试验结

7、果的影响减至最小，从样品中随机选取4块烧结矿(记为S0，S30，S70和S100)，分别将其切割成10mm×10mm×10mm大小相等，质量约10g的立方体小块，然后在80℃下烘干3h等待还原试验。每次试验使用1块切割好的10mm见方的样品。S0为基准样，S30、S70和S100被分别还原至30%、70%和100%，代表还原的前期、中期和末期。3试验结果3.1还原曲线图1是烧结矿样品被还原至30%、70%和100%时的还原曲线。可以看出，3条还原曲线几乎重叠，说明各样品之间具有较强的一致性，满足后续试验结果

8、的对比分析要求。图1中还原曲线切线的斜率表明了反应的还原速率。斜率越大，说明反应速度越快，反之还原反应则越慢。可以看出，随着还原度的上升，还原曲线逐渐趋于平缓。这说明随着还原反应的进行，烧结矿的还原速率逐渐降低。另外需要说明的是，样品S100达到还原平衡时，最终的还原度并没有达到100%，实际值在95%左右。这主要是由于反应后期CO热裂解反应(1)和渗碳体生成反应(2)共同作用的结果。2CO→C+CO2(1)3F