非高炉闪速炼铁工程研究

利用有色金属行业成熟、先进的闪速冶金技术,将其拓展用于炼铁的关键工程科学与工程技术上,通过跨领域、跨部门的合作,完成了基础研究、实验室试验工作,为开展后续的工业试验提供了必要的技术支持,并已完成工业试验关键装置的原型设计及工艺软件包编制。

焦炭在铁水中溶解的动力学实验

高炉冶炼过程中铁水最终渗碳量接近饱和,相比而言,闪速炉中没有固体炉料的压迫作用,无法发生像高炉炉缸内死料柱根部与铁水之间的渗碳反应,最终渗碳量难以预料。以还原铁粉和化学纯石墨为原料,利用管式电阻炉升温到1 855K熔化铁粉,以高纯N2作为保护气体研究焦炭在铁水中溶解的动力学,为闪速炼铁工业化打下基础。实验结果表明,在自然对流条件下,不考虑溶解速率系数kt随溶解时间的变化时,得到了各组实验条件下确定的kt值分别为4.20μm/s（第1组）、5.28μm/s（第2组）和6.50μm/s（第3组）;考虑溶解速率系数随溶解时间变化时,焦炭的kt值随着溶解时间的增加而降低,且仅受传质控制;当铁碳熔体中有硫存在时,溶解速率随着铁浴中硫含量的增加而降低。

焦炭床内铁水渗碳行为

高炉冶炼过程中铁水最终渗碳量接近饱和,相比而言,闪速炉中没有固体炉料的压迫作用,无法发生像高炉炉缸内死料柱根部与铁水之间的渗碳反应,最终渗碳量难以预料。为此,以电解铁和化学纯石墨为原料,利用管式电阻炉升温到1 855K熔化铁块,以高纯Ar作为保护气体研究焦炭床内铁水渗碳行为,并对铁水渗碳行为进行数值模拟,为闪速炼铁工业化打下基础。实验结果表明,终铁C含量随焦炭粒度增大和渗碳床高度降低而减小,且铁水初始C含量对终铁C含量具有较大影响。对于不同条件下铁水渗碳反应中C元素的迁移规律,基于VB编程技术进行了数值模拟,模拟结果与高温实验结果较吻合,相对误差在3%以内。渗流速度控制因子始终控制在0.5左右,即铁水在焦炭床中的平均速度为初始滴落速度的一半左右。

铁渣熔体穿行焦炭床的渗碳机理

由于高炉炼铁工艺流程长、对冶金焦依赖性强,尤其是焦化、烧结、球团等原料制备过程中产生的环境问题,因此该工艺的发展受到严重制约。闪速炼铁工艺是近年来提出的一种新兴熔融还原炼铁技术,发展前景可期。不同于高炉炼铁,闪速炉中没有焦炭死料柱,其铁水渗碳量难以预估。为此,以金属化球团和工业焦炭为原料,设计实验研究焦炭床内铁渣熔体渗碳行为,并基于VB编程对铁渣熔体渗碳行为进行了数值模拟。实验结果表明,球团矿金属化率对终铁C含量有较大的影响,渗碳量(w[C],%)随着金属化率(x)的提高呈指数级增加。当焦炭床高度为50mm时,拟合而得w[C]=0.014 34+exp((x-84.2)/3.253 48);基于VB编程进行的数值模拟结果与高温实验结果吻合较好,相对误差在10%以内,可直观展示铁渣熔体流经焦炭床时碳含量的变化规律。

非高炉闪速炼铁研究进展

非高炉炼铁是钢铁工业实现低碳冶金的重要方向之一,在国外已进行了近百年的研究,出现了"直接还原"和"熔融还原"等十余种新工艺,但迄今都尚未能成功取代高炉,表明其创新难度很大。介绍了基于钢铁冶金与有色冶金"学科交叉"思维所提出的将有色工业成熟的"闪速冶金"工艺拓展用于炼铁在基础理论与试验研究方面所做的工作与进展,提出了以"煤基常压气化-飘浮闪速炼铁"为技术特征的非高炉炼铁新工艺,并介绍了其产业化的初步设计方案。