料層厚度對(duì)粉末冶金用鐵粉氫還原的影響

郭培民，趙沛，孔令兵，王磊

金屬鐵粉是粉末冶金行業(yè)的基礎(chǔ)原料之一。目前鐵粉的主要生產(chǎn)工藝是采用隧道窯還原純鐵精礦粉得到海綿鐵粉，海綿鐵粉的殘余氧含量約 1%，以 FeO形態(tài)存在；海綿鐵粉需要用氫氣再次還原才能得到質(zhì)量符合要求的金屬鐵粉。目前冶煉設(shè)備有鋼帶爐和推舟爐等。以鋼帶爐為例，將海綿鐵粉放在鋼帶上，鋼帶在驅(qū)動(dòng)力作用下進(jìn)入加熱馬弗內(nèi)，氫氣通入馬弗內(nèi)還原海綿鐵粉，還原后的鐵粉冷卻后經(jīng)破碎、磁選處理，得到最終金屬鐵粉。未反應(yīng)完的氫氣在爐頭點(diǎn)火燃燒。馬弗的加熱采用電加熱或燃?xì)饧訜?。氫還原爐生產(chǎn)工藝中鋪料厚度一般只有30 mm左右，還原時(shí)間1 h左右。這種反應(yīng)爐型存在的問(wèn)題是設(shè)備產(chǎn)能低，一個(gè)還原爐年產(chǎn)量只有5 000 t或1萬(wàn)t水平。另外還原爐氫氣利用率低，只有10%水平，大量未反應(yīng)的氫氣再利用比較困難，正常生產(chǎn)中燃燒排放。研究者一直在想辦法改進(jìn)[1?5]，如加厚料層或提高還原爐內(nèi)溫度，但效果不佳。有關(guān)鋼帶氫還原爐的擴(kuò)散還原動(dòng)力學(xué)機(jī)理研究甚少，但它是鐵粉氫還原的冶煉基礎(chǔ)。筆者研究了超細(xì)鐵粉的氫還原制備工藝[6]和氧化鐵氫氣還原過(guò)程的動(dòng)力學(xué)[7]，并對(duì)氧化鐵還原過(guò)程中的氧化鐵還原及還原氣體的氧化關(guān)系進(jìn)行了耦合求解[8]，在此基礎(chǔ)上又研究了移動(dòng)床的各種工藝參數(shù)對(duì)氧化鐵的還原率和煤氣利用率的影響規(guī)律[9]，理論與實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)吻合。本文研究鐵粉氫還原擴(kuò)散反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，將微觀反應(yīng)動(dòng)力學(xué)與宏觀反應(yīng)器聯(lián)系起來(lái)，進(jìn)而研究料層厚度對(duì)鋼帶還原爐的影響規(guī)律，以期找到提高鋼帶氫還原爐的產(chǎn)量及降低氫氣消耗量的措施。

1 動(dòng)力學(xué)模型

隧道窯還原鐵精礦的還原率一般達(dá)到98%，得到的海綿鐵粉殘氧含量為 1%左右，殘氧來(lái)自海綿鐵粉中尚未徹底還原的FeO。氫還原就是進(jìn)一步將海綿鐵粉中殘氧含量降低到0.5%以下。在氫還原爐中，F(xiàn)eO與氫氣反應(yīng)如下：FeO+H2=Fe+H2O。

海綿鐵粉可看作顆粒相近的小球，一層一層地堆積在鋼帶上。因此，氫還原的本質(zhì)就是氫氣擴(kuò)散到多層鐵粉中還原鐵粉中殘余的FeO。多層球的還原示意圖如圖1所示，第i層球的進(jìn)氣濃度為ic0時(shí)，對(duì)于鐵粉的還原[8]，采用FeO還原及還原氣體氧化相耦合的動(dòng)力學(xué)模型：

圖1 多層球還原示意圖Fig.1 Schematic of multi-layer reduction of iron

離開(kāi)第i層球進(jìn)入下一層顆粒的還原氣體濃度為：

下一層球的顆粒還原分?jǐn)?shù)和氣體利用率再重復(fù)用式(1)和(2)計(jì)算。式中：k為綜合動(dòng)力學(xué)參數(shù)，m/s; K為平衡常數(shù)；平c為平衡時(shí)的氫氣濃度，mol/m3；ρ0為反應(yīng)前粉體的氧含量，mol/m3；T為還原區(qū)溫度，K；R為氣體常數(shù)；r0為粉體平均半徑，m；H為料層厚度，m；fi為第i層的顆粒還原分?jǐn)?shù)；ηi為第i層的氫氣氧化率；N為每層的粉體顆粒數(shù)；Δτ為時(shí)間間隔，s。Q為氫氣流向鐵粉層擴(kuò)散的流量，mol/s，可用下式計(jì)算：

式中：Deff為氫氣擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；S為擴(kuò)散區(qū)面積，m2；c0為通入爐內(nèi)的氫氣濃度，mol/m3。

2 模擬計(jì)算結(jié)果

2.1 計(jì)算條件

本次模擬的鋼帶氫還原爐原型在遼寧朝陽(yáng)市金河粉末材料公司，鋼帶還原爐的高溫區(qū)長(zhǎng)度12 m，寬1.5 m，還原溫度850～900 ℃。氫還原爐用的原料來(lái)自該廠隧道窯還原生產(chǎn)的海綿鐵粉，采用化學(xué)滴定法測(cè)定海綿鐵粉的鐵含量為98.01%，還原率98%，通過(guò)氫損測(cè)得殘氧含量為0.747%。鐵粉的堆密度2 500 kg/m3；鐵粉平均粒度0.2 mm。

鋼帶氫還原爐主要工藝參數(shù)為：海綿鐵粉鋪料厚度30 mm，高溫區(qū)海綿鐵粉停留時(shí)間60 min，海綿鐵粉液氨分解氣體流量 40 Nm3/h(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氣體流量，下同)。經(jīng)過(guò)氫還原后，產(chǎn)品殘氧量為0.25%，達(dá)到粉末冶金對(duì)金屬鐵粉的質(zhì)量要求。

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

在此還原溫度下，平衡常數(shù)K=0.63，動(dòng)力學(xué)速率常數(shù) k=0.003 m/s；Deff=3×10?5m2/s。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖 2。整個(gè)加熱區(qū)，海綿鐵粉的還原分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)2種狀態(tài)：一種狀態(tài)是海綿鐵粉FeO的還原分?jǐn)?shù)為1，代表海綿鐵粉中的FeO已被充分還原；另一種狀態(tài)是還原分?jǐn)?shù)為0，代表綿鐵粉中的FeO沒(méi)有被還原。從圖2可見(jiàn)，氫氣先還原料層表面的FeO，然后逐層向鋼帶下方滲透，氫氣能夠滲透到的地方，海綿鐵粉中的FeO都被完全還原。

圖2 海綿鐵的還原分?jǐn)?shù)分布Fig.2 Distribution of reducing fraction in reduction furnace

圖3 所示為還原1 h后料層不同深度處的FeO還原分?jǐn)?shù)。從圖3可見(jiàn)，氫氣穿透料層深度約為25 mm，與鋼帶底部接觸的 5 mm厚度海綿鐵粉層中的殘余FeO幾乎沒(méi)有被還原。這表明鋼帶氫還原爐氫氣從上向下穿透能力有限，鋼帶爐不能采取厚料層還原。

圖3 料層不同深度處的FeO還原分?jǐn)?shù)Fig.3 Distribution of reducing fraction along layer thickness

圖4 所示為鋼帶長(zhǎng)度方向不同位置的海綿鐵粉平均還原分?jǐn)?shù)及殘氧含量。由圖可見(jiàn)，由于海綿鐵粉中殘余FeO的還原分?jǐn)?shù)沒(méi)有達(dá)到1，在較低的還原分?jǐn)?shù)下，向下擴(kuò)散的氫氣參與FeO+H2=Fe+H2O反應(yīng)，且因?yàn)榱６燃?xì)，反應(yīng)迅速達(dá)到平衡態(tài)。因此，海綿鐵粉的平均還原分?jǐn)?shù)取決于還原爐內(nèi)滲透到下層鐵粉的氫氣流量。鐵粉中平均殘氧含量沿鋼帶長(zhǎng)度方向(或隨反應(yīng)時(shí)間變化)幾乎線性增加。

圖4 物料在鋼帶長(zhǎng)度方向不同位置的平均還原分?jǐn)?shù)及殘氧含量Fig.4 Average reducing fraction and remaining oxygen along steel belt running

模擬計(jì)算得到氫還原后海綿鐵粉的平均還原分?jǐn)?shù)為0.64，然后通過(guò)原料成分計(jì)算出鐵粉的殘氧含量為0.27%，氫氣利用率為9.94%，與2.1節(jié)的實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)相吻合。

2.3 鋪料厚度的影響

在改變海綿鐵粉的鋪料厚度，保持還原爐的氫氣流量為30 Nm3/h并與物料厚度呈正比(即保持噸鐵粉氣量不變)條件下，計(jì)算不同鋪料厚度的還原效果，結(jié)果如圖5所示。從圖5可見(jiàn)，隨海綿鐵粉鋪料厚度加大，產(chǎn)品殘氧量升高、還原分?jǐn)?shù)及氫氣利用率降低。

圖5 不同料層厚度的還原效果Fig.5 Reducing effects of various layer thickness

圖6 所示為20 mm厚度的海綿鐵粉料層，在氫氣流量為20 Nm3/h條件下還原時(shí)間對(duì)還原效果的影響。由圖可知，如果還原時(shí)間縮短為30 min，鐵粉產(chǎn)品最終的平均殘氧量為 0.223%。此時(shí)，氫氣利用率達(dá)到22.3%，即還原1 t海綿鐵粉，僅需要?dú)錃?5 Nm3。20 mm料層厚度雖然比30 mm厚度少1/3，但處理時(shí)間縮短到30 min，比30 mm料層厚度的還原時(shí)間縮短50%?？偟膩?lái)說(shuō)，20 mm料層與30 mm料層相比，產(chǎn)量反而增加了33.3%。

圖7所示為50 mm厚度的海綿鐵粉料層，氫氣流量設(shè)定為30 Nm3/h條件下，還原時(shí)間對(duì)鐵粉殘氧的影響。從圖7可見(jiàn)，還原3 h后，產(chǎn)品殘氧量為0.23%。1 t產(chǎn)品總耗氫氣量為54 Nm3，明顯高于30 mm料層厚度的氫氣消耗量。同時(shí)與30 mm料層比，50 mm厚度的料層還原時(shí)的產(chǎn)量下降 44.4%。由此可見(jiàn)，適度降低料層厚度和縮短停留時(shí)間可提高氫還原爐的產(chǎn)量。

圖6 20 mm厚度料層還原時(shí)間對(duì)還原效果影響Fig.6 Effect of reduction time on reducing effects for 20 mm layer thickness

圖7 50 mm厚度料層還原時(shí)間對(duì)鐵粉殘氧影響Fig.7 Effect of reduction time on remaining oxygen for 50 mm layer thickness

3 結(jié)論

1) 采用 FeO還原及還原氣體氧化相耦合的動(dòng)力學(xué)，建立氫還原鐵粉擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)模型。以常規(guī)氫還原爐生產(chǎn)鐵粉為例，平均粒度為0.2 mm的海綿鐵粉，殘余氧含量為0.74%，鋪料厚度為30 mm，加熱時(shí)間為 1 h，還原溫度 850～900 ℃，氫氣流量 30 Nm3/(t·h)，實(shí)際產(chǎn)品殘余氧含量為 0.25%，計(jì)算得到的產(chǎn)品殘余氧含量為0.27%，二者吻合。

2) 鐵粉中殘氧很容易被氫還原，氫還原爐內(nèi)的氫氣向鐵粉層內(nèi)部滲透，鐵粉向下逐層被還原。鋪粉厚度為30 mm時(shí)，氫氣穿透物料深度約為25 mm，靠近底部的5 mm幾乎沒(méi)有被還原。

3) 隨著海綿鐵粉鋪料厚度加大，產(chǎn)品殘氧升高、氫氣利用率變差、產(chǎn)量變低。當(dāng)料層厚度從30 mm降低到 20 mm，還原時(shí)間可縮短 50%，產(chǎn)量反而提高33%，氫氣用量降低50%。

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