鋅對煉鐵爐料冶金性能的影響論文

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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礦和焦炭試樣，并對燒結礦試樣進行低溫還原粉化率及還原性指標的測試，對焦炭試樣進行ＣＯ２反應性及反應后強度的測試。結果表明，隨著含鋅量的增加，燒結礦的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確地確定ＺｎＯ對焦炭熱性能的影響程度。

鋅對煉鐵爐料冶金性能的影響論文

　　關鍵詞：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，鋅在高爐內部還會不斷地進行循環(huán)富集，使得高爐內爐料的鋅含量遠遠超過從爐頂加入時爐料的鋅含量［４－５］。為此，研究者們針對鋅在高爐內的分布、高鋅負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性、反應后強度的影響，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℃下進行焦炭熱性能試驗時，它所分解生成的ＳＯ３對焦炭反應有催化作用［１２］，這顯然會妨礙對鋅含量與焦炭熱性能之間的內在關系作出正確的判斷。此外，有關鋅對鐵礦石還原性的影響也尚未見有文獻報道。為此，為了較好地模擬高爐塊狀帶內爐料吸附ＺｎＯ粉末的現象，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的高爐爐料各種冶金性能的影響。

　　１試驗

　�。保痹嚇又苽�

　　試驗所用的燒結礦和焦炭均取自武漢鋼鐵（集團）公司五號高爐生產現場。燒結礦的化學成分如表１所示。焦炭的工業(yè)分析結果如表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。本文根據醋酸鋅的這些特性，設計了醋酸鋅水溶液浸泡燒結礦和焦炭加鋅的方法，具體如下：首先根據需要配制一定質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間，取出進行濾水、干燥和稱重，求得向試樣中添加的二水合醋酸鋅的質量，在后續(xù)的煉鐵爐料冶金性能的試驗過程中，加入的二水合醋酸鋅將脫除結晶水并分解變成固體ＺｎＯ。ＺｎＯ占未浸泡試樣的質量百分比即為試樣的ＺｎＯ增量。通過調節(jié)醋酸鋅水溶液的濃度和煮沸時間可以比較準確地控制試樣的加鋅質量。分別取粒度為１０～１２．５ｍｍ的燒結礦每份５００ｇ和粒度為２１～２５ｍｍ的焦炭每份２００ｇ進行浸泡加鋅，加鋅方案如表３所示。

　�。保矞y試方法

　　鐵礦石低溫還原粉化性能的測定根據ＧＢ１３２４２—９２規(guī)定的方法進行。測定時模擬高爐上部條件：溫度５００℃，反應時間６０ｍｉｎ，氣體成分為：Ｎ２、ＣＯ、ＣＯ２的體積分數分別為６０％、２０％、２０％，氣體流量１５Ｌ／ｍｉｎ，轉鼓總轉數３００ｒ、轉速３０ｒ／ｍｉｎ。燒結礦的還原性依據ＧＢ１３２４１—９１規(guī)定的檢測方法進行檢測，實驗條件為：溫度９００℃，反應時間１８０ｍｉｎ，氣體成分為：Ｎ２、ＣＯ的體積分數分別為７０％、３０％，氣體流量１５Ｌ／ｍｉｎ。焦炭反應性和反應后強度按照ＧＢ／Ｔ４０００—２００８規(guī)定的方法測定，實驗條件為：溫度１１００℃，反應時間１２０ｍｉｎ，純ＣＯ２氣體，氣體流量５Ｌ／ｍｉｎ，轉鼓總轉數６００ｒ、轉速２０ｒ／ｍｉｎ。

　　２結果與分析

　�。玻奔愉\對燒結礦低溫還原粉化性能的影響

　　加鋅前后燒結礦試樣的低溫還原粉化指數ＲＤＩ＋３．１５、還原強度指數ＲＤＩ＋６．３和磨損指數ＲＤＩ－０．５如圖１所示。從圖１中可以看出，隨著燒結礦中ＺｎＯ含量的增加，ＲＤＩ＋３．１５和ＲＤＩ＋６．３均呈減小趨勢，而磨損指數ＲＤＩ－０．５呈上升趨勢，表明隨著ＺｎＯ含量的增加，燒結礦的低溫還原粉化性能變差。ＺｎＯ與Ｆｅ２Ｏ３合成為鐵酸鋅的反應開始溫度為５００℃，且隨著溫度的升高反應速度加快［１３］。低溫還原粉化率測試試驗的溫度剛好為５００℃，因此推測所加入氧化鋅中的一部分能夠與燒結礦中的赤鐵礦反應生成鐵酸鋅，而且因為溫度較低，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度降低。這可能是導致燒結礦低溫還原粉化性能變差特別是磨損指數ＲＤＩ－０．５急劇增大的內在原因。

　�。玻布愉\對燒結礦還原性的影響

　　對加鋅燒結礦進行還原性實驗，得到試樣的失重量（包含燒結礦失重量與氧化鋅失重量）隨還原時間的變化曲線如圖２所示。分析圖２中的失重曲線可知，當還原時間在６０ｍｉｎ之內時，不同ＺｎＯ含量燒結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對燒結礦的還原過程沒有明顯的抑制作用；反應時間為６０～１２０ｍｉｎ時，反應在礦石顆粒的內部進行，ＺｎＯ含量高的礦石因為開口氣孔被ＺｎＯ粉末堵塞的機會較多，減少了ＣＯ與鐵氧化物的接觸機會，而且鐵酸鋅的生成數量也較多，所以隨著ＺｎＯ含量的增加，試樣的失重速率逐漸減��；反應時間為１２０～１８０ｍｉｎ時，４種ＺｎＯ含量燒結礦的還原速率均趨近于零，表明此階段的還原反應基本上已經結束。對還原性試驗后的燒結礦樣品進行ＳＥＭ和ＥＤＳ分析可知其中殘留的Ｚｎ元素極少，因此可以假定試驗結束時試樣中沒有ＺｎＯ殘留，則由１８０ｍｉｎ時的失重量計算可得燒結礦各試樣的還原度ＲＩ如表４所示。從表４中可知，隨著燒結礦中鋅含量的增加，燒結礦的還原性變差，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））。燒結礦間接還原受阻意味著高爐焦比可能升高。ＺｎＯ對燒結礦還原反應有阻礙作用的原因可能有兩點：一是黏附在燒結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反應會生成鐵酸鋅，而鐵酸鋅的還原分解要求較高的動力學條件，結果妨礙了鐵礦石的還原［１３］。

　　２．３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性（ＣＲＩ）和反應后強度（ＣＳＲ）的測試結果如表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值則有著相應降低的趨勢，表明ＺｎＯ對焦炭熱性能有負面的影響。影響焦炭反應性的因素主要分為兩大類：一是焦炭的微觀結構，其中焦炭的石墨化程度和煉焦煤煤種產生的影響最大；二是外在因素的影響，主要包括焦炭的氣孔率、氣孔結構和內在礦物質的影響。焦炭氣孔率越大，氣孔分布越均勻，焦炭的反應性就越高；礦物質中的堿金屬對焦炭的氣化反應影響最大，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在焦炭反應性實驗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氣化反應的作用，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］，故鋅對氣化反應也起到一定的催化作用。增大氣孔率和催化氣化反應這兩方面的作用，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增強而減小。文獻［１１］報道，焦炭中的ｗ（ＺｎＯ）由０．０６％增加到３．０９％時，ＣＲＩ從２０．７７％增至２５．５３％，升高了近５個百分點；ＣＳＲ約從７０％降至６０％，下降了約１０個百分點。而本研究中，ＺｎＯ增量由０增至３．４５％時，ＣＲＩ從２５．４４％增大到２８．８９％，增加了３．４５個百分點，ＣＳＲ從６１．６２％降至５７．４２％，下降了４．２個百分點。兩相比較發(fā)現，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［１１］中的７０％左右，對ＣＳＲ的影響幅度只有文獻［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［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對焦炭氣化反應也有明顯的催化作用，結果顯得ＺｎＯ對焦炭熱性能的影響程度較大。

　　３結論

　�。ǎ保╇S著燒結礦中ＺｎＯ含量的增加，燒結礦低溫還原粉化指數ＲＤＩ＋３．１５減小，還原強度指數ＲＤＩ＋６．３減小，磨損指數ＲＤＩ－０．５明顯增大。燒結礦中鋅含量的增加使燒結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為加入ＺｎＯ使燒結礦在低溫還原反應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Y礦中鋅含量的增加使燒結礦的還原性變差，燒結礦的還原度ＲＩ降低幅度與ＺｎＯ增量基本上呈線性關系。還原性變差的原因一方面是因為燒結礦的開口氣孔被ＺｎＯ阻塞，另一方面可能是因為生成的鐵酸鋅難以被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，一方面是因為ＺｎＯ本身與Ｃ反應使焦炭的氣孔率增大，另一方面是因為Ｚｎ元素對焦炭氣化反應有催化作用。

　�。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確地確定ＺｎＯ對焦炭熱性能的影響程度。

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