基于交互正交試驗(yàn)的鐵礦粉流態(tài)化還原影響因素研究①

朱國民， 丁 敬，2， 黃金玉， 胡明偉， 萬紫薇， 徐其言

（1.安徽工業(yè)大學(xué) 冶金工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243002； 2.馬鞍山鋼鐵股份有限公司特鋼公司， 安徽 馬鞍山 243003）

流化床直接還原工藝不僅可直接使用鐵礦粉作為原材料，無需進(jìn)行預(yù)先燒結(jié)造球，而且可以僅使用氫氣作為還原劑，還原過程幾乎不排放二氧化碳?xì)怏w，實(shí)現(xiàn)了煉鐵工藝的清潔生產(chǎn)，符合低碳戰(zhàn)略［1］。

流化床直接還原過程中還原溫度、還原時(shí)間、氣體線速度和還原壓力等操作參數(shù)會(huì)對鐵礦粉流態(tài)化還原效果產(chǎn)生影響［2-6］。 本文首先使用五水平無交互正交試驗(yàn)法進(jìn)行鐵礦粉流態(tài)化還原試驗(yàn)，并使用極差分析法確定還原溫度、還原時(shí)間、氣體線速度和還原壓力對還原產(chǎn)物金屬化率的影響程度；然后在五個(gè)水平值中選取最佳的二水平值，采用二水平交互正交試驗(yàn)法［7-10］進(jìn)一步進(jìn)行流化還原試驗(yàn)，使用方差分析法和極差分析法，得出各操作參數(shù)及其之間交互作用對鐵礦粉還原（以還原產(chǎn)物金屬化率作為試驗(yàn)指標(biāo)）的影響程度，并驗(yàn)證此方法所得結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性，為實(shí)現(xiàn)鐵礦粉流態(tài)化工業(yè)生產(chǎn)提供依據(jù)。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用粒徑100～120 μm 的澳大利亞鐵礦粉為原料，其主要化學(xué)成分見表1。 選用純氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣體、純度99.99%的氫氣作為還原氣體。

表1 鐵礦粉化學(xué)成分分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

1.2 試驗(yàn)設(shè)備與步驟

試驗(yàn)開始前，關(guān)閉出氣閥，向流化床中通入氮?dú)?。此時(shí)流化床內(nèi)部壓力升高，內(nèi)部壓力達(dá)到0.5 MPa 時(shí)關(guān)閉氮?dú)忾y門，停止向流化床通入保護(hù)氣體。 若壓力表讀數(shù)長時(shí)間保持穩(wěn)定，則整個(gè)裝置密封效果良好，可以開始實(shí)驗(yàn)。 稱取20.0 g 鐵礦粉加入流化床內(nèi)，采用電阻加熱爐對流化床內(nèi)部進(jìn)行加熱。 流化床內(nèi)溫度升至目標(biāo)溫度600～900 ℃時(shí)，通氮?dú)? min，排盡流化床空氣后，通入氫氣，通過計(jì)算機(jī)控制氣體流量計(jì)調(diào)節(jié)氣體線速度0.1 ～0.4 m／s，并調(diào)節(jié)出氣閥，使流化床內(nèi)部壓力0.1～0.4 MPa，鐵礦粉在高溫高壓下流化45～60 min。流化還原反應(yīng)結(jié)束后，再次通氮?dú)? min，以保護(hù)鐵礦粉免受氧化，冷卻至室溫后，停止通氮?dú)?，取出還原產(chǎn)物。 采用重鉻酸鉀體積法和氯化鐵滴定法分析測量還原樣品TFe 和MFe 質(zhì)量分?jǐn)?shù)，并計(jì)算鐵礦粉金屬化率。 重復(fù)多次試驗(yàn)，取其平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 無交互正交試驗(yàn)

通過4×4 正交試驗(yàn)，探究還原溫度（A）、還原壓力（B）、還原時(shí)間（C）和氣體線速度（D）對鐵礦粉流態(tài)化還原產(chǎn)物金屬化率的影響，其中各因素的試驗(yàn)數(shù)值滿足等間距分布，各因素及水平如表2 所示，無交互正交試驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。

表2 無交互正交試驗(yàn)因素與水平

表3 無交互正交試驗(yàn)結(jié)果

由表3 可見，RA＞RD＞RC＞RB，各因素對還原產(chǎn)物金屬化率影響的主次順序?yàn)椋篈＞D＞C＞B，即還原溫度對金屬化率的影響最大，為最重要因素，其次是氣體線速度和還原時(shí)間，還原壓力的影響較小。

2.2 交互正交試驗(yàn)

選取表3 中各因素對應(yīng)流化還原產(chǎn)物金屬化率最大的兩組水平值，進(jìn)行交互正交試驗(yàn)，其因素與水平見表4。

表4 交互正交試驗(yàn)因素與水平

根據(jù)各因素的最佳二水平值，選用L16（215）型標(biāo)準(zhǔn)正交試驗(yàn)表，其中5 列空白列作為誤差列e，具體試 驗(yàn)方案與結(jié)果如表5 所示。

從表5 可知，A×D 極差值最大，為0.459，B×C 極差值最小，為0.009，即還原溫度與氣體線速度的交互作用對流化還原產(chǎn)物金屬化率的影響最大，還原壓力與還原時(shí)間的交互作用對流化還原產(chǎn)物金屬化率的影響最小。

交互正交試驗(yàn)方差分析結(jié)果見表6。

表6 交互正交試驗(yàn)方差分析結(jié)果

由表6 可見，MSB×C＜MSe，MSA×C、MSB×D、MSC×D與MSe接近，故A×C、B×C、B×D、C×D 交互作用對試驗(yàn)結(jié)果影響不顯著，將SA×C、SB×C、SB×D、SC×D并入Se中，得到新的誤差平方和Se△，相應(yīng)的自由度也隨之發(fā)生改變。

分析表6 可知，A、B、C、D 對還原產(chǎn)物金屬化率的影響高度顯著（置信度P＝99%）；A×D 交互作用對還原產(chǎn)物金屬化率有顯著影響（置信度P＝95%）；A×B交互作用對還原產(chǎn)物金屬化率有一定影響（置信度P＝90%）；A×C、B×C、B×D、C×D 交互作用對還原產(chǎn)物金屬化率無影響。 各因素及因素間交互作用對鐵礦粉流態(tài)化還原產(chǎn)物金屬化率影響的大小關(guān)系為：A ＞D ＞C＞B＞A×D＞A×B＞C×D＞B×D＞A×C＞B×C，即還原溫度＞氣體線速度＞還原時(shí)間＞還原壓力＞還原溫度與氣體線速度的交互作用＞還原溫度與還原壓力的交互作用＞還原時(shí)間與氣體線速度的交互作用＞還原壓力與氣體線速度的交互作用＞還原溫度與還原時(shí)間的交互作用＞還原壓力與還原時(shí)間的交互作用。 這與極差分析得出的單因素作用結(jié)果、各因素交互作用結(jié)果一致。

2.3 主要因素對流態(tài)化還原的影響

2.3.1 還原溫度

還原壓力0.2 MPa、氣體線速度0.3 m／s 和反應(yīng)時(shí)間50 min 條件下，不同還原溫度下還原產(chǎn)物的金屬化率如圖1 所示，還原產(chǎn)物微觀形貌見圖2。

圖1 還原溫度對金屬化率的影響

圖2 不同溫度下還原產(chǎn)物微觀形貌

從圖1 可知，隨著還原溫度升高，還原產(chǎn)物金屬化率增加，表明較高的還原溫度有助于提高還原產(chǎn)物金屬化程度。 由圖2 可見，較低溫度下，還原產(chǎn)物表面形成了大量相互連接的鐵晶須，這些晶須在顆粒表面形成較為均勻的1～2 μm 的多孔結(jié)構(gòu)；隨著還原溫度升高，鐵晶須逐漸軟化，部分晶須甚至發(fā)生液化，并逐漸轉(zhuǎn)化為致密鐵層。 這一轉(zhuǎn)化過程說明晶須發(fā)生了變形和再結(jié)晶行為，高溫有助于晶須之間的結(jié)合和形成更致密的結(jié)構(gòu)。 試驗(yàn)結(jié)果表明，高還原溫度有助于反應(yīng)過程中晶須逐漸演變?yōu)楦€(wěn)定且緊密排列的形態(tài)，促進(jìn)鐵礦粉流態(tài)化還原反應(yīng)。

2.3.2 氣體線速度

還原壓力0.2 MPa、還原溫度800 ℃和反應(yīng)時(shí)間50 min 條件下，不同氣體線速度下還原產(chǎn)物的金屬化率如圖3 所示，還原產(chǎn)物微觀形貌見圖4。

圖3 氣體線速度對金屬化率的影響

圖4 不同氣體線速度下還原產(chǎn)物微觀形貌

從圖3 可知，在其他操作參數(shù)不變的情況下，增加還原氣體線速度會(huì)提高還原產(chǎn)物金屬化率。 較高的氣體線速度會(huì)使還原產(chǎn)物表面產(chǎn)生裂紋，甚至發(fā)生破碎，使氣體與顆粒接觸面積增大。 此外，增加氣體線速度會(huì)增加礦粉所受到的曳力，使鐵礦粉顆粒流化更充分，顆粒之間的距離增加，流態(tài)化還原反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)條件得到優(yōu)化，促使化學(xué)反應(yīng)速率加快，從而提高還原產(chǎn)物金屬化率。

3 結(jié) 論

1） 各因素及因素間的交互作用對鐵礦粉流態(tài)化還原產(chǎn)物金屬化率影響的大小為：還原溫度＞氣體線速度＞還原時(shí)間＞還原壓力＞還原溫度與氣體線速度交互作用＞還原溫度與還原壓力交互作用＞還原時(shí)間與氣體線速度的交互作用＞還原壓力與氣體線速度交互作用＞還原溫度與還原時(shí)間的交互作用＞還原壓力與還原時(shí)間交互作用。

2） 在設(shè)計(jì)鐵礦粉流態(tài)化還原試驗(yàn)與優(yōu)化方案時(shí)，應(yīng)著重考慮所選的4 個(gè)操作參數(shù)以及還原溫度與氣體線速度之間的交互作用。

3） 高溫有助于晶須之間結(jié)合、形成更致密的結(jié)構(gòu)；較高的氣體線速度改善了流態(tài)化還原反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)條件，有助于鐵礦粉流態(tài)化還原。