高碳金屬化球團(tuán)制備與應(yīng)用研究

馬全峰，田博涵，涂凱路，王學(xué)義，魏光升，陳江書

(1. 天津鋼管制造有限公司，天津 300301； 2.北京科技大學(xué) 冶金與生態(tài)工程學(xué)院，北京 100083；3.北京科技大學(xué) 高端金屬材料特種熔煉與制備北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；4.揚(yáng)州高立達(dá)科技產(chǎn)業(yè)有限公司，揚(yáng)州 225806)

現(xiàn)代電弧爐通過提高輸入功率，強(qiáng)化用氧等技術(shù)強(qiáng)化冶煉；但與此同時(shí)，隨著冶煉強(qiáng)度的提高，爐壁的熱負(fù)荷隨之提高，使耐火材料的熔損和熱量的損失增加[1-4]。電弧爐泡沫渣冶煉技術(shù)通過在不增大渣量的前提下使?fàn)t渣發(fā)泡，形成厚厚的渣層，達(dá)到埋沒電弧、屏蔽弧光對爐襯的熱輻射的效果，從而實(shí)現(xiàn)延長爐襯使用壽命，縮短冶煉時(shí)間、降低電能消耗，解決了強(qiáng)化冶煉技術(shù)帶來的一系列問題[5-6]。在電弧爐冶煉過程中，一般通過增加爐料配碳量及熔池吹氧等手段來誘發(fā)和控制爐渣的泡沫化[7]。

高碳金屬化球團(tuán)由鐵精礦粉和含碳材料經(jīng)焙燒還原，壓球，烘干等工藝制成，具有金屬化率高，含碳量高，密度及強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)；應(yīng)用于電弧爐冶煉生產(chǎn)過程中，可有效增加爐料配碳量，并實(shí)現(xiàn)在渣鋼界面以下進(jìn)行反應(yīng)，達(dá)到良好的增碳及發(fā)泡效果[8-11]；本文通過預(yù)還原實(shí)驗(yàn)與球團(tuán)制備實(shí)驗(yàn)探究了高碳金屬化球團(tuán)的制備工藝，通過工業(yè)實(shí)驗(yàn)對應(yīng)用進(jìn)行研究，并介紹其冶金效果。

1 預(yù)還原實(shí)驗(yàn)

為滿足電弧爐冶煉生產(chǎn)要求，高碳金屬化球團(tuán)的各項(xiàng)指標(biāo)如表1所示。

表1 高碳金屬化球團(tuán)各項(xiàng)指標(biāo)

在高碳條件下，采用先制球后還原的制備方案，會造成球團(tuán)內(nèi)碳元素氧化產(chǎn)生大量氣體，從而降低球團(tuán)強(qiáng)度甚至使球團(tuán)開裂，影響成球質(zhì)量[12]。因此球團(tuán)制備所采用的方案為先進(jìn)行預(yù)還原，使用石墨粉末還原鐵精礦粉后，將得到的金屬化粉末進(jìn)行壓球，故首先在實(shí)驗(yàn)室條件下開展預(yù)還原實(shí)驗(yàn)并對其結(jié)果進(jìn)行分析。

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

預(yù)還原實(shí)驗(yàn)采用石墨粉末與鐵精礦粉原料，其成分如表2、表3所示。

表2 石墨粉末成分 %

表3 鐵精礦粉成分 %

為使得預(yù)還原后得到的金屬化粉末含碳量大于50%，考慮到石墨粉末燒損及鐵精礦粉中Fe2O3的還原反應(yīng)，石墨粉末與鐵精礦粉的質(zhì)量比應(yīng)大于1，且反應(yīng)溫度應(yīng)大于1 000 ℃。在預(yù)還原實(shí)驗(yàn)中，石墨粉末與鐵精礦粉的質(zhì)量比設(shè)計(jì)為1.6、1.3、1.0；反應(yīng)溫度設(shè)計(jì)為1 000、1 100、1 200、1 300、1 400 ℃；共進(jìn)行15組實(shí)驗(yàn)，其方案見表4。

表4 預(yù)還原實(shí)驗(yàn)方案

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)預(yù)還原實(shí)驗(yàn)方案，按總質(zhì)量30 g分組進(jìn)行配料，混勻，并裝入50 mL的剛玉坩堝中在預(yù)設(shè)還原溫度下焙燒60 min，取出后為坩堝加蓋防止氧化，待其自然冷卻，使用天平稱量金屬化粉末質(zhì)量并測定其中化學(xué)成分及含量，記錄數(shù)據(jù)。

如圖1、圖2所示為不同溫度及質(zhì)量比下金屬化粉末的金屬化率及含碳量變化，可以發(fā)現(xiàn)，只有當(dāng)石墨粉末與鐵精礦粉的質(zhì)量比為1.6時(shí)，才能保證金屬化粉末的含碳量達(dá)到50%以上，在質(zhì)量比為1.6的條件下，當(dāng)溫度在1 300 ℃時(shí)，金屬化粉末的金屬化率與含碳量最大，分別達(dá)到95%與58%?？紤]到實(shí)際生產(chǎn)的條件限制，選取質(zhì)量比為1.6、溫度為1 200 ℃作為預(yù)還原方案，可得到金屬化率與含碳量分別為91%與54%的金屬化粉末，滿足預(yù)期要求，并且更易于在生產(chǎn)中滿足對于還原溫度的要求，并且降低燃料的消耗，節(jié)約了生產(chǎn)成本。

圖1 不同溫度及質(zhì)量比下金屬化率變化圖

圖2 不同溫度及質(zhì)量比下含碳量變化圖

1.3 補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)

由于預(yù)還原實(shí)驗(yàn)中不同焙燒時(shí)間會導(dǎo)致石墨粉末與鐵精礦粉中碳元素及鐵元素的燒損及氧化量的不同，所以設(shè)計(jì)補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)，以探討不同焙燒時(shí)間對金屬化粉末的金屬化率及含碳量的影響。根據(jù)預(yù)還原實(shí)驗(yàn)結(jié)果，補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如表5所示，石墨粉末與鐵精礦粉的質(zhì)量比為1.6、溫度為1 200 ℃，焙燒時(shí)間為10、20、30、40、50、60 min共計(jì)6組實(shí)驗(yàn)。

根據(jù)補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)方案，按總質(zhì)量30 g進(jìn)行配料，混勻，并裝入50 mL的剛玉坩堝中在1 200 ℃下焙燒不同的時(shí)間，取出后為坩堝加蓋防止氧化，待其自然冷卻，使用天平稱量金屬化粉末質(zhì)量并測定其中化學(xué)成分及含量，記錄數(shù)據(jù)。

如圖3所示為補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)中不同時(shí)間金屬化粉末的金屬化率及含碳量變化，可知，隨著時(shí)間的增加，金屬化粉末的金屬化率與含碳量呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，這是由于焙燒還原與元素?zé)龘p氧化綜合導(dǎo)致的結(jié)果，當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行到40 min時(shí)，金屬化粉末的金屬化率與含碳量分別達(dá)到93%與58%，達(dá)到了實(shí)驗(yàn)預(yù)期，且具有生產(chǎn)周期短，能耗低的優(yōu)點(diǎn)。故最佳預(yù)還原方案為：石墨粉末與鐵精礦粉的質(zhì)量比為1.6、溫度為1 200 ℃，時(shí)間為40 min。

圖3 金屬化率及含碳量隨時(shí)間變化圖

2 球團(tuán)制備實(shí)驗(yàn)

通過預(yù)還原實(shí)驗(yàn)獲得合格的金屬化粉末，進(jìn)一步進(jìn)行球團(tuán)制備實(shí)驗(yàn)，獲得滿足密度強(qiáng)度要求的高碳金屬化球團(tuán)；球團(tuán)密度主要由金屬化粉末物性決定，使用合格的金屬化粉末可以滿足球團(tuán)密度的要求；本節(jié)主要通過SPSS軟件設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)，考察黏結(jié)劑配入量、混入水分以及烘干時(shí)間三個因素對球團(tuán)強(qiáng)度的影響。

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

如表6所示為正交實(shí)驗(yàn)所設(shè)置的因素及水平，通過SPSS軟件設(shè)計(jì)9組實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)中，將金屬化粉末磨細(xì)并加入相應(yīng)的黏結(jié)劑及水分?jǐn)噭?，進(jìn)行壓球，并在烘箱內(nèi)保持120 ℃溫度下進(jìn)行烘干，共制備100個球團(tuán)，進(jìn)行落下強(qiáng)度測試，計(jì)算并統(tǒng)計(jì)其平均值，正交實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果如表7所示。

表6 因素及水平設(shè)置

表7 正交實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果

2.2 結(jié)果分析與補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)

利用SPSS軟件對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如圖4所示為單因素對球團(tuán)強(qiáng)度的描述統(tǒng)計(jì)圖，其中圖4(a)為球團(tuán)強(qiáng)度隨黏結(jié)劑配比變化圖，圖4(b)為球團(tuán)強(qiáng)度隨水分混入量變化圖，圖4(c)為球團(tuán)強(qiáng)度隨烘干時(shí)間變化圖；可知，球團(tuán)強(qiáng)度與黏結(jié)劑配比呈正相關(guān)，黏結(jié)劑配比不同水平之間均存在顯著性差異，且只有當(dāng)黏結(jié)劑配比達(dá)到7.5%時(shí)，球團(tuán)落下強(qiáng)度超過3次；球團(tuán)強(qiáng)度與水分混入量呈正相關(guān)，當(dāng)水分混入量越大，其不同水平之間存在差異越顯著，且只有當(dāng)水分混入量達(dá)到12%時(shí)，球團(tuán)落下強(qiáng)度超過3次；球團(tuán)強(qiáng)度與烘干時(shí)間呈正相關(guān)，烘干時(shí)間不同水平之間相差不大，不存在顯著性差異，且當(dāng)烘干時(shí)間達(dá)到60 min，球團(tuán)落下強(qiáng)度超過3次。

圖4 單因素對球團(tuán)強(qiáng)度的描述統(tǒng)計(jì)圖

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)分析，可以看出序號為6、7、8、9的四組實(shí)驗(yàn)達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求，同時(shí)，正交實(shí)驗(yàn)得到了各因素水平對球團(tuán)落下強(qiáng)度的影響程度，依此進(jìn)行補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)，補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)操作參考正交實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)方案及實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

表8 補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果

通過補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)，可知球團(tuán)制備最佳方案為：黏結(jié)劑配比5%，水分混入量10%，烘干時(shí)間60 min。

3 冶金效果分析

高碳金屬化球團(tuán)技術(shù)應(yīng)用于某鋼廠90 t電弧爐冶煉，該廠90 t電弧爐采用料籃加料方式，在生產(chǎn)過程中，將高碳金屬化球團(tuán)鋪入料籃底部，分批次與其他物料共同加入爐中，共計(jì)投入1 000 kg；當(dāng)爐內(nèi)廢鋼全部熔清后，將其余高碳金屬化球團(tuán)由爐口加入至熔池中，共計(jì)加入800 kg。通過對比高碳金屬化球團(tuán)加入前后的主要冶煉參數(shù)，探究并分析其在工業(yè)生產(chǎn)中的冶金效果。

3.1 熔池增碳效果

圖5為熔清時(shí)熔池內(nèi)碳含量分布圖，由圖可知，加入高碳金屬化球團(tuán)可使熔清時(shí)熔池碳含量獲得顯著提高，熔清時(shí)熔池平均碳含量由0.077%提高到0.121%，增加了0.044%，達(dá)到常規(guī)冶煉熔清時(shí)熔池碳含量的157.1%。這是由于高碳金屬化球團(tuán)密度較大，能夠進(jìn)入鋼渣界面以下進(jìn)行反應(yīng)，避免了在渣面的直接燒損，從而提高了碳素回收率。

3.2 渣中FeO變化

圖6為渣中FeO含量分布圖，由圖6可知，加入高碳金屬化球團(tuán)可使渣中FeO含量顯著降低，渣中FeO的平均含量由降低26.21%到23. 05%，減少了3.16%，達(dá)到常規(guī)冶煉渣中FeO含量的87.9%。這是由于高碳金屬化球團(tuán)能夠進(jìn)入鋼渣界面以下進(jìn)行反應(yīng)，產(chǎn)生大量CO氣體，帶來良好的發(fā)泡效果，并大量還原爐渣中的氧化鐵，進(jìn)而降低了渣中FeO含量。

3.3 冶煉周期及電耗變化

如表9所示為90 t電弧爐冶煉周期與電耗對比，可知，加入高碳金屬化球團(tuán)后，冶煉周期由62.8 min降低到56.3 min，減少了6.5 min；同時(shí)，冶煉電耗由389.12 kW·h/t降低到375.33 kW·h/t，減少了13.79 kW·h/t。這是

圖5 熔清時(shí)熔池內(nèi)碳含量分布圖

圖6 渣中FeO含量分布圖

由于高碳金屬化球團(tuán)在熔化期起到了滲碳助熔的作用，加快廢鋼熔化，從而縮短了冶煉時(shí)間，同時(shí)，由于高碳金屬化球團(tuán)具有良好的發(fā)泡效果，可以有效實(shí)現(xiàn)埋弧操作，增加電能的利用效率，降低冶煉電耗。

表9 90 t電弧爐冶煉周期與電耗對比

4 總 結(jié)

本文通過預(yù)還原實(shí)驗(yàn)及球團(tuán)制備實(shí)驗(yàn)探究高碳金屬化球團(tuán)的最佳制備工藝，并將其應(yīng)用于某鋼廠90 t電弧爐冶煉生產(chǎn)中，研究分析其冶金效果，獲得以下結(jié)論：

(1)為獲得滿足生產(chǎn)要求的高碳金屬化球團(tuán)，需要先進(jìn)行預(yù)還原，即使用石墨粉末還原鐵精礦粉，預(yù)還原的最佳生產(chǎn)方案為：石墨粉末與鐵精礦粉的質(zhì)量比為1.6，溫度為1 200 ℃，時(shí)間為40 min。

(2)利用預(yù)還原得到的金屬化粉末制備球團(tuán)，應(yīng)當(dāng)滿足球團(tuán)強(qiáng)度要求，其最佳生產(chǎn)方案為：粘結(jié)劑配比5%，水分混入量10%，烘干時(shí)間60 min。

(3)某鋼廠90t電弧爐應(yīng)用高碳金屬化球團(tuán)進(jìn)行冶煉生產(chǎn)后，熔清時(shí)熔池平均碳含量由0.077%提高到0.121%，渣中FeO的平均含量由降低26.21%到23.05%，冶煉周期由62.8 min降低到56.3 min，冶煉電耗由389.12 kW·h/t降低到375.33 kW·h/t，取得了良好的應(yīng)用效果，改善了電弧爐生產(chǎn)指標(biāo)。