利用高温电阻炉模拟无罐隧道窑还原含铁物料的试验方法

摘要

本发明涉及一种利用高温电阻炉模拟无罐隧道窑还原含铁物料的试验方法。以高温电阻炉加热物体的传热方式同隧道窑具有的共性，及新型隧道窑还原含铁物料无需使用反应罐，可对窑车内含铁物料进行铺、围、盖的方式处理后直接入窑还原焙烧，可根据需求实现含铁物料的浅度还原或深度还原；而模拟试验中通过简做的模具窑车及辅助模具，即可实现铺、围、盖材料，含铁物料，还原剂等的布料，高温电阻炉温度易控制，进行浅度还原温控范围700℃‑850℃，深度还原温控范围950℃‑1150℃，利用高温电阻炉即可完成模拟无罐隧道窑还原含铁物料的试验，探索出还原温度、还原时间、还原剂量等与指标的关系，用于指导实际生产工艺参数调整。

说明书

技术领域

本发明属于矿物加工、冶金技术领域，是一种利用高温电阻炉模拟无罐隧道窑还原含铁物料的试验方法。

背景技术

含铁物料的还原焙烧根据铁氧化物还原度分为浅度还原和深度还原，浅度还原又称之为为磁化焙烧，是将不带有磁性的铁氧化物还原成带有磁性的四氧化三铁；而深度还原又被称之为直接还原，是将铁的氧化物直接还原成金属铁。在我国用于还原铁的设备很多，如隧道窑、转底炉、回转窑等，各有优缺点，但一种含铁物料直接用于该类设备进行试验，现实不可行，需要进行大量的基础试验探索，这就需要简便被用于模拟该类设备的装置，通过对隧道窑设备的研究改进，可用于含铁物料的还原，特别是粉料的等还原更具有优势，试验方法中以隧道窑为模型进行试验装置选择及模拟，以隧道窑还原含铁物料所具有的传热，料层的气氛及所处的环境等特点，选择一个合适的模拟装置及试验方法，对于隧道窑还原含铁物料工艺参数的调整及流程方法改进，使得产品取的更优指标，具有直接指导意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用高温电阻炉模拟无罐隧道窑还原含铁物料的试验方法，以兰炭或煤为铺、围料，残炭为盖面料A，防氧化料为盖面料B，以煤粉或调制煤为还原剂，以专用模具窑车及辅助模子(模具)为载体，以高温电阻炉进行模拟体，对窑车内含铁物料进行铺、围、盖的方式处理后直接入窑还原焙烧，探索优化其工艺参数及指标性能，利用高温电阻炉完成模拟无罐隧道窑还原含铁物料的试验，改进无罐隧道窑还原含铁物料现存在的一些问题。

一种利用高温电阻炉模拟无罐隧道窑还原含铁物料的试验方法，具体包括以下步骤:

以高温电阻炉炉膛为形，准备与抽屉形状一致的耐高温的模具窑车“φ110×125×200mm”，及辅助模具，辅助模具为与耐高温的模具窑车内部适配的一方形框，要求尺寸略小于模具窑车、无底面，其与模具窑车之间存在一定空隙；

步骤一：物料准备：铺、围材料，使用兰炭或煤，盖材料分为两类，一为盖面料A残炭，二为盖面料B防氧化料，含铁物料为铁矿粉或粒、球团矿，还原剂煤粒或煤粉，及模具窑车及辅助工具的准备；

步骤二：物料布装：首先将辅助模具置于模具窑车内，把铺底料兰炭或煤铺设于底部，其次将围粉料兰炭或煤填充在辅助模具与模具窑车之间的空隙处，再将含铁物料及还原剂按要求分层布料，最后将盖面料A、盖面料B依次覆盖于焙烧物料最上层，完成布料；如含铁物料进行浅度还原时无须覆盖盖面料B；

步骤三：入炉焙烧：高温电阻炉通电升温，根据模拟探索试验要求设定温度，达到设定焙烧温度后并稳定，将装满焙烧物料的模具窑车推入电阻炉炉膛，进行焙烧物料的还原；

步骤四：取料、冷却：达到预定的焙烧时间后，关闭高温电阻炉电源，夹取出料车，观察形貌变化，并置于自然环境下冷却；

步骤五：将冷却后的所有物料称为还原物料，对还原物料进行分类为：还原含铁料、残炭、残渣；若还原焙烧为深度还原焙烧，取料时注意观察盖面料B的变化，考察是否起到隔氧防氧化作用，焙烧球团进行抗压强度测试并检测含金属铁量，进一步考察试验指标，焙烧中贫矿进行磁选，富矿根据抗压强度决定是否进行磁选，抗压强度符合后续用料的直接供料，不符合的进行磁选，残炭用以下一步的围粉料或盖面炭，残渣直接排出，并做好各项记录；若还原焙烧为浅度还原焙烧，观察料面变化，分层取料，并进行磁选试验，考察各项试验指标，做好试验记录。

所述的布料中的铺底料与围粉料采用的原料一致，两者同时为兰炭，或两者同时为煤。

上述步骤三中含铁物料进行深度还原时，还原剂总配比以总碳、氧质量比为1.2进行计算配加；含铁物料进行浅度还原时，还原剂配比根据含铁物料中铁的存在形式及含量而定。

优选的，浅度还原时，含铁物料为：将原矿筛分为10-15mm、5-10mm、0-5mm三个粒级，而0-5mm粉矿在试验中磨细制成3-5mm的粒矿，3-5mm粒矿的还原剂量以 3-5mm粒矿量的质量百分比2.0%计；5-10mm粒矿的还原剂以5-10mm粒矿量质量百分比的1.0%计；布料时：铺、围料后，将3-5mm的粒矿布料于模具窑车内部下层，相应还原剂布于其上，5-10mm的粉矿布料于内部中层，相应还原剂布于其上，10-15mm的粉矿布料于5-10mm的粉矿还原剂的上层，最后将盖面料覆盖于料层上面。

本试验方法主要化学反应式为：

浅度还原：

3Fe₂O₃+C=2Fe₃O₄+CO>

6Fe₂O₃+C=4Fe₃0₄+CO_{2>-46.0kJ/mol（2）}

3FeCO₃=Fe₃O₄+CO+2CO₂-68.4kJ/mol（3）

3Fe₂O₃+CO=2Fe₃O₄+CO_{2>+37.1kJ/mol（4）}

CO₂+C=2CO-165.8kJ/mol（碳气化反应）（5）

3Fe₂O₃>2>3O₄>2O（6）

深度还原：在浅度还原的基础上，将铁的氧化物还原为金属铁。

Fe_xO_y>

深度还原存在二次氧化问题：

xFe+(y/2)O₂→Fe_xO_y（8）

或

xFe+CO₂→Fe_xO+CO（9）

或

xFe+H₂O→Fe_xO+H₂（10）

本发明的有益效果是：

本发明采用的高温电阻炉所具有的条件及其炉膛呈现的环境更接近于隧道窑还原焙烧的真实环境，并且还原焙烧过程温度易控制，可以通过高温电阻炉+自制模拟窑车用以工艺参数因素：还原温度、还原时间、还原剂量、合适粒级范围、及生产过程窑车等设施高温下保护特性、生产效率等进行试验探索，用于指导实际生产工艺参数调整及存在问题的改进，其更具有实际意义。本试验方法试验周期短，效率高，设备操作简便，数据可信度高。

本发明布料中的铺底料与围粉料采用的原料一致，两者同时为兰炭，或两者同时为煤。便于物料循环进行二次使用，节约物料，降低了成本。

附图说明

图1是本发明所述试验方法的流程图；

图2是模具窑车布料后的结构示意图；

图3是深度还原模具窑车布料后结构横截面示意图；

图中：1、盖面料B-防氧化料，2、盖面料A-残炭，3、含铁物料及还原剂，4、围粉料-广汇煤，5、铺底料-广汇煤；

图4是浅度还原模具窑车布料后结构横截面示意图。

图中：1、盖面料A-残炭，2、原矿粉料，3、还原剂-广汇煤，4、铺底料-广汇煤。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案及有益效果做进一步详细的说明。

实施例1

一种利用高温电阻炉模拟无罐隧道窑还原含铁物料的试验方法，以无罐隧道窑深度还原含铁物料经过冷却段存在二次氧化问题开展的模拟试验包括以下步骤：

步骤一：物料准备：铺、围料200g，使用广汇煤，盖材料分为两类，一为盖面料A-残炭150g，二为盖面料B-防氧化料300g，铺围料对还原效果影响较大，本次试验以酒钢自产综精矿与还原剂广汇煤按质量比100︰20的比例，混合均匀造粒制作成20-30mm含碳球团1200g，并干燥，专用模具窑车及辅助工具；

步骤二：物料布置：首先将辅助模具置于模具窑车内，把铺底料广汇煤铺设于底部，其次将围粉料广汇煤填充在辅助模具与模具窑车的空隙处，再将步骤一制造的含碳球团分层布置于内部，最后将盖面料A-残炭、盖面料B-防氧化料分别依次覆盖于含碳球团最上面，待用；

步骤三：入炉焙烧：高温电阻炉通电升温，根据模拟探索试验要求设定温度1100℃，达到设定焙烧温度后并稳定，将装满焙烧物料的模具窑车推入电阻炉炉膛，进行焙烧物料的还原，焙烧时间90min；

步骤四：取料、冷却：达到预定的焙烧时间后，关闭高温电阻炉电源，夹取出料车，观察形貌变化，并置于自然环境下冷却；

步骤五：将冷却后的所有物料称为还原物料，对还原物料进行分类为：还原含铁料、残炭、残渣；取料时注意观察盖面料B的变化，考察是否起到隔氧防氧化作用，焙烧球团进行抗压强度测试并检测含金属铁量，及考察其他各项试验指标，并做好试验记录。

对深度还原焙烧后得到的还原球团，我们称之为金属化球团，因此可进行TFe、MFe成份和抗压强度指标的检测（其中TFe表示氧化球团中铁的百分含量，MFe表示氧化球团中金属铁的百分含量，抗压强度是指金属化球团在外力施压时的强度极限），计算金属化率。检测结果见表1：

表1. 酒钢自产精矿含碳球团深度还原试验检测结果

实施例2

一种利用高温电阻炉模拟无罐隧道窑还原含铁物料的试验方法，以无罐隧道窑浅度还原粉矿为例开展的模拟试验包括以下步骤：

步骤一：物料准备：铺围料使用广汇煤100g，盖材料均使用残炭100g，原矿为酒钢0-15mm粉矿1150g，其中先将0-15mm粉矿筛分为10-15mm379.5g、5-10mm368g、0-5mm402.5g三个粒级，而0-5mm粉矿在试验中磨细制成3-5mm的粒矿，3-5mm粒矿的还原剂量以 3-5mm粒矿量的质量百分比2.0%计：还原剂广汇煤为 8.1g；5-10mm粒矿的还原剂以5-10mm粒矿量质量百分比的1.0%计：还原剂广汇煤3.7g，专用模具窑车及辅助工具；

步骤二：物料布置：首先将辅助模具置于模具窑车内，把铺、围料广汇煤铺围辅助模具与模具窑车的空隙处及底部，再将步骤一3-5mm的粒矿布料于内部下层，相应还原剂广汇煤为 8.1g布于其上，5-10mm的粉矿布料于内部中层，相应还原剂广汇煤3.7g布于其上，10-15mm的粉矿布料于内部上层，最后将盖面料残炭覆盖于料层上面，待用；

步骤三：入炉焙烧：高温电阻炉通电升温，根据模拟探索试验要求设定温度800℃，达到设定焙烧温度后并稳定，将装满焙烧物料的模具窑车推入电阻炉炉膛，进行焙烧物料的还原，时间18min；

步骤四：取料、冷却：达到预定的焙烧时间后，关闭高温电阻炉电源，夹取出料车，观察形貌变化，并进行水封冷却；

步骤五：将冷却后的所有物料称为还原物料，对还原物料进行磁干选并分类为：磁性料、非磁性料，以磁性料进行后续的磁选试验，考察磨矿选别指标，非磁性料风重联合分理出废石、残炭，残炭用做下一期实验；并做好相关试验记录。

对浅度还原焙烧还原物料的过程，我们称之为磁化焙烧，主要考察焙烧、磁选精矿指标，因此可进行TFe、FeO成份的检测（其中TFe表示焙烧矿及磁选精矿中铁的百分含量，FeO表示焙烧矿中氧化亚铁的百分含量），检测结果见表2：

表2. 酒钢粉矿磁化焙烧试验检测结果

在上述两个实施例中，深度还原以因无罐隧道窑还原含铁物料工艺在冷却段时存在二次氧化这一问题，利用高温反应炉模拟无罐隧道窑深度还原含铁物料，探索的加盖面料B-防氧化料于盖面料A-残炭上层的防氧化效果， 探索结果表明料层上方添加一层防氧化料可以起到很明显的效果，金属化率由43.53%提高到90.81%，并且金属化球团抗压强度也由837N/个增强到2880N/个，试验效果在隧道窑中试试验中得到验证；而浅度还原以无罐隧道窑还原粉矿工艺为代表开展的试验，试验指标为磁选铁铁品位57.68%，铁回收率达到82.36%。本试验方法简便快捷、可操作性强，极容易实现，对隧道窑焙烧物料工艺探索具有很好的指导作用。