CN102410966B - 测试和评价高炉内矿石还原对料柱透气性影响的方法 - Google Patents
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Abstract
一种测试和评价高炉内矿石还原对料柱透气性影响的方法，属于高炉炼铁技术领域。通过对不同种铁矿石进行的多组试验研究，建立了能够模拟铁矿石入炉后在高炉块状带逐渐升温并被还原的过程，并对此过程中矿石粉化及料柱透气性变化进行实时监测和量化评价；给出了矿石逐渐升温还原对料层透气性影响的量化评价指标，优点在于，更适合用于判断高炉整个块状带内矿石还原对料柱透气性的影响，更有利于评价矿石性能对高炉操作的影响。
Description
技术领域
本发明属于高炉炼铁技术领域，特别是涉及一种测试和评价高炉内矿石还原对料柱透气性影响的方法，模拟铁矿石入炉后在高炉块状带逐渐升温并被还原的过程，并对此过程中矿石粉化及料柱透气性变化进行实时监测和量化评价。
背景技术
高炉冶炼过程中铁矿石入炉后在炉身区域(块状带)被还原时，在矿石内部产生应力及裂纹，使矿石在高炉行程中破裂并粉化，进而引起料柱透气性下降，煤气流分布失调，严重时往往导致高炉悬料、崩料，炉况不顺，产量降低，焦比升高，而且对炉墙寿命及高炉热损失也造成影响。因此，对铁矿石在高炉炉身区域还原粉化和对料柱透气性影响的研究至关重要。目前已有的铁矿石低温还原粉化测试方法(国家传统GB/T13242-91)是将铁矿石破碎筛分至10-12.5mm，烘干后称取500±1g放入铁矿石还原炉，通入N2保护加热到500℃后保持恒温，再改通由20％CO+20％CO2+60％N2组成的混合气体恒温还原60min，还原后改通N2保护逐渐冷却至室温，再进行转鼓和人工筛分得到其粒度分布，将粒度大于3.15mm所占的比例RDI+3.15称为还原粉化指数，以此来评价铁矿石的低温还原粉化性能，并推断其对高炉炉身区域料柱透气性和高炉冶炼的影响。
目前低温还原粉化指数已成为衡量铁矿石冶金性能好坏的指标之一，如果低温还原粉化指数过低则可能意味着需要相应的配矿成份调整及高炉操作变动。但是，传统低温还原粉化测试方法是否能够真正准确直观地反映矿石入炉后在块状带的粉化和对料柱透气性的影响，越来越受到高炉工作人员的质疑，质疑的原因如下：
(1)铁矿石入炉后在高炉块状带的实际下降过程中，其温度从常温逐渐升高至1100℃左右并在此过程被还原，但是传统还原粉化测试方法仅选择500℃作为固定温度反应1小时，这和矿石在高炉内的实际行程差别较大，也必然影响粉化结果的真实性；
(2)在高炉内部块状带区域，自上而下还原气体的成分组成是逐渐发生变化的，在块状带上部和下部气体中CO和CO2的含量差别较大，而传统粉化测试方法中气体成分固定不变；
(3)在实际高炉中块状带下部存在一定区域的“热储备区”，如文献1(ISIJInternational，2008，48(7)：918-924.)所述，在此区域矿石的升温速度明显低于块状带中上部，即矿石的升温速度在高炉块状带内是不同的，而传统粉化测试方法未考虑此实际情况；
(5)传统粉化试验最终得到的测试结果和评价指标是还原反应后矿石的粒度分布，难以直观有效地表征矿层透气性的恶化程度，而且无法对升温还原过程中的料柱透气性变化进行监测。
在国内外的高炉实际生产中也发现了传统还原粉化测试方法存在着问题，如文献2(烧结球团，1987，4：69-78.)指出在高炉冶炼中采取低RDI+3.15的烧结矿得到的冶炼效果反而要远好于采取高RDI+3.15的烧结矿，并通过将两种矿石在模拟高炉内试验得出和传统还原粉化测试方法相反的结果，验证了传统粉化测试方法存在的不足。国内某钢铁企业在采用还原粉化指数较低的烧结矿进行冶炼时，其高炉透气性并未出现恶化，高炉经济技术指标反而达到国内领先水平，也说明传统还原粉化测试方法在反映矿石入炉后的实际行为和对料层透气性的影响时存在一定的问题。
由于国内建设模拟高炉对铁矿石粉化性能进行检验需要耗费大量的人力物力，也不易实现其推广应用。因此，在实验室通过研究建立一种模拟铁矿石入炉后在高炉块状带逐渐升温并被还原的过程，并对此过程中矿石粉化及料柱透气性变化进行实时监测和量化评价的方法及装置至关重要。
发明内容
本发明的目带在于提供一种测试和评价高炉内矿石还原对料柱透气性影响的方法，克服了铁矿石传统还原粉化测试方法中存在的不足，通过对不同种铁矿石进行的多组试验研究，建立了能够模拟铁矿石入炉后在高炉块状带逐渐升温并被还原的过程，并对此过程中矿石粉化及料柱透气性变化进行实时监测和量化评价，具体的发明内容为：
本发明的测试装置如图1所示，其中加热炉1由可控温加热元件2及隔热砖3组成，在还原反应管4底部首先装入氧化铝球5，再装入多孔刚玉垫圈6，上方再装入测试用矿石试样7，在矿石试样7中插入测温电偶8并将上盖9盖好密封，上盖9上有三个半圆形吊环10，钢链11将还原反应管4悬挂在电子天平12下方以实时测试矿石试样的重量变化。从进气口14通入反应气体，从出气口13将反应后的气体排出，在进气口14和出气口13处各接有一个三通15，在两个三通15之间接有压差传感器16用于测试矿石试验的阻损变化。整个测试过程中电子天平12和压差传感器16的数据都通过485通讯线传入配套的计算机系统17实时显示和保存。
本发明的工艺步骤如下：
(1)测试试样选择500g±1g粒度为10-12.5mm的矿石；
(2)将矿石装入耐高温还原反应管，再把反应管放进铁矿石还原炉膛内，吊挂在电子天平的下挂钩上，保持反应管处于自由摆动状态，使电子天平能准确地称取试样的质量；在还原反应开始后通过电子天平自动采集矿石的实时失重数据，并计算出矿石的实时还原度；
(3)在还原反应管的进气口和出气口各安装1个三通(不是三通阀，不需要控制气体是否流通，只是起到分流的作用)，三通的一头连接反应管的接头，另一头连接进气或出气的胶管，三通垂直的一端则连接压差传感器的胶管，在刚开始通入还原气体时读取的压差即为料层的初始阻损，在试验过程中每分钟读取的压差，即为升温还原过程中料柱的阻损；
(4)由于矿石在400℃以下不发生还原粉化，因此将盛有矿石试样的还原反应管放置好后，从室温至400℃以10℃/min的速率升温，并通入5l/min的N2，以提高试验效率并保护矿石试样不被氧化。
(5)由矿石入炉时为常温，到达高炉块状带下沿时(块状带是指从高炉炉喉至炉身区域，该区域内的炉料均为固态，本专利中提出的测试方法是为了研究高炉内固态炉料在升温还原过程中透气性的变化，因此选择的模拟高炉的测试范围为炉喉至块状带下沿，即炉身下部)温度一般为900℃±5℃，计算出矿石在块状带内平均升温速度一般为5℃/min，因此在400℃至900℃以5℃/min的速率升温，在温度高于400℃后矿石开始发生明显地还原粉化，因此并将通入的气体成分调整为20％CO+20％CO2+60％N2，气体流速为15l/min，以模拟矿石在高炉块状带内逐渐地升温还原；
(6)根据生产中高炉内部在炉身下部900-1100℃为热储备区，相应地此范围内升温缓慢，因此在900℃后将升温速率降低到2.5℃/min，继续升温至1100℃，同时由于在炉身以下气体中CO含量降低，因此从900℃开始将通入的气体成分调整为30％CO+10％CO2+60％N2，以模拟矿石在高炉热储备区内逐渐地升温还原。
(7)矿石温度达到1100℃后，停止加热，并改通5l/min的N2进行保护，使矿石自然冷却至室温；
(8)取出冷却至室温后的矿石试样进行转鼓(以30转/min的转速转动10min)、筛分及称重，记录大于6.3mm的质量百分比(记为NRDI+6.3)、大于3.15mm的质量百分比(NRDI+3.15)和小于0.5mm的质量百分比(NRDI-0.5)。
本发明的评价指标
(1)通过比较还原前后的料层压差增加率
可以判断不同矿石逐渐升温还原对料层透气性的影响程度；
(2)对于试验中的同种矿石，可通过料层压差随温度的变化率
比较矿石在不同温度区间料层透气性恶化程度；
(3)本测试方法下转鼓筛分后大于3.15mm的矿石比例(NRDI+3.15)可以作为逐渐升温还原对矿石粉化影响的衡量指标；
有益效果
依据上述发明的方法和步骤，测试了某钢厂高炉实际用烧结矿在模拟高炉内行程中随温度的升高还原度和料层透气性的变化，如说明书中附图所示。横轴为反应时间，横轴的起点代表从450℃开始进行记录，在记录后的90min内矿石温度基本以5℃/min的速率从450℃升高至900℃，在90min后矿石温度基本以2.5℃/min的速率从900℃升高至1100℃；纵轴分别为料层的阻损(图中左边的Y轴，单位Pa)和矿石的还原度(图中右边的Y轴，％)。由图可见，当矿石处于模拟块状带条件下的逐渐升温还原过程时，料柱透气性恶化最严重的区间并不在传统低温还原粉化测试范围。
对模拟块状逐渐升温还原和传统低温还原两种试验后的矿石粉化性能进行比较，如下表所示，可见从粉化指标上来看，烧结矿这两种试验条件下存在着明显的差别，本发明中模拟高炉实际的逐渐升温还原后的粉化明显比传统粉化测试严重，尤其是在温度超过900℃以后随还原的进行料层阻损出现了明显的增加，这也和高温下烧结矿中的铁酸钙和Fe2O3都基本被还原完，剩下的FeO、铁橄榄石、钙铁橄榄石等相的强度较低的情况相符合，如文献3(Steel Research International，2008，79(1)：5-10.)的研究发现高温还原后烧结矿的抗压强度明显下降也和用本发明的方法得到的测试结果一致。
表烧结矿在两种不同试验后的粉化比较
如下表为不同种类的矿石在传统粉化测试和本发明的测试方法比较，可见相比传统的低温还原粉化测试结果，本发明的粉化指标NRDI+3.15和料柱阻损(压差)增加率ΔP％具有更好的一致性，更适合用于对高炉整个块状带料柱透气性的判断，更有利于评价矿石性能对高炉冶炼的影响。
表不同种类矿石的粉化指标以及逐渐升温条件下的料层阻损比较
附图说明
图1为模拟测试高炉内铁矿石还原粉化及料柱透气性变化的装置，其中：1-加热炉；2-可控温加热元件；3-隔热砖；4-还原反应管；5-氧化铝球；6-多孔刚玉垫圈；7-矿石试样；8-测温电偶；9-反应管上盖；10-半圆形吊环；11-钢链；12-电子天平；13-出气口；14-进气口；15-三通；16-压差传感器；17-计算机系统。
图2为烧结矿在模拟高炉内的逐渐升温过程中料层透气性的变化。
具体实施方式
以某高炉烧结矿测试为例，首先将烧结矿试样破碎筛分至10-12.5mm，在105℃±5℃温度下烘干2小时，冷却后称取试样500g±1g至少2份。在还原反应管中装入氧化铝球和多孔刚玉垫圈后，将其中1份试样装入，装入后将还原反应管的上盖通过螺丝拧紧，并插入测温电偶，再将还原反应管放入加热炉的炉膛中，并用钢链将还原反应管悬挂在电子天平下并将天平清零。在还原反应管的进气口和出气口上安装好三通，三通的一头连接反应管上进/出气口的接头，另一头连接进/出气的胶管，垂直的一端则连接压差传感器的胶管。完成上述准备工作后，打开计算机系统实时采集热电偶温度、压差传感器压差计电子天平测得的矿石失重数据，开始正式测试：首先通过流量控制器在进气口上通入5l/min的N2，以10℃/min的升温速率从常温升高至400℃；400℃-900℃，改通20％CO+20％CO2+60％N2的还原气体，气体流速控制在15l/min；900℃-1100℃，改通30％CO+10％CO2+60％N2的还原气体；达到1100℃后停止加热，矿石试样自然冷却至室温，并改通5l/min的N2；冷却至室温后，将反应管从加热炉内取出，打开上盖后，将矿石试样倒入转鼓设备中，以30转/min的转速转动10mim；此后利用6.3mm、3.15mm和0.5mm的标准筛对试样进行筛分及称重，记录大于6.3mm的质量百分比(记为NRDI+6.3)、大于3.15mm的质量百分比(NRDI+3.15)和小于0.5mm的质量百分比(NRDI-0.5)。通过还原前后的料层压差增加率
可以判断矿石逐渐升温还原对料层透气性的影响程度；通过料层压差随温度的变化率
可以判断矿石在不同温度区间料层透气性恶化程度；通过转鼓筛分后大于3.15mm的矿石比例(NRDI+3.15)可以判断逐渐升温还原对矿石粉化的影响。此后再进行该矿石的两组平行样试验，在三组数据中取较为接近的两组数据的平均值作为该矿石性能的最终指标。
Claims (2)
1.一种测试和评价高炉内矿石还原对料柱透气性影响的方法，其特征在于，工艺步骤如下：
(1)测试试样选择500g±1g粒度为10-12.5mm的矿石；
(2)将矿石装入耐高温还原反应管，再把反应管放进铁矿石还原炉膛内，吊挂在电子天平的下挂钩上，保持反应管处于自由摆动状态，使电子天平能准确地称取试样的质量；在还原反应开始后通过电子天平自动采集矿石的实时失重数据，并计算出矿石的实时还原度；
(3)在还原反应管的进气口和出气口各安装1个三通，三通的一头连接反应管的接头，另一头连接进气或出气的胶管，三通垂直的一端则连接压差传感器的胶管，在刚开始通入还原气体时读取的压差即为料层的初始阻损，在试验过程中每分钟读取的压差，即为升温还原过程中料柱的阻损；
(4)将盛有矿石试样的还原反应管放置好后，从室温至400℃以10℃/min的速率升温，并通入5l/min的N2，以提高试验效率并保护矿石试样不被氧化；
(5)到达高炉块状带下沿时，温度900℃±5℃，在400℃至900℃以5℃/min的速率升温，在温度高于400℃后矿石开始发生明显地还原粉化，并将通入的气体成分调整为20％CO+20％CO2+60％N2，气体流速为15l/min，以模拟矿石在高炉块状带内逐渐地升温还原；
(6)根据生产中高炉内部在炉身下部900-1100℃为热储备区，在900℃后将升温速率降低到2.5℃/min，继续升温至1100℃，因此从900℃开始将通入的气体成分调整为30％CO+10％CO2+60％N2，以模拟矿石在高炉热储备区内逐渐地升温还原；
(7)矿石温度达到1100℃后，停止加热，并改通5l/min的N2进行保护，使矿石自然冷却至室温；
(8)取出冷却至室温后的矿石试样进行转鼓、筛分及称重，记录大于6.3mm的质量百分比，记为NRDI+6.3；大于3.15mm的质量百分比，记为NRDI+3.15，和小于0.5mm的质量百分比，记为NRDI-0.5；
评价指标：
通过比较还原前后的料层压差增加率
可以判断不同矿石逐渐升温还原对料层透气性的影响程度；
对于试验中的同种矿石，可通过料层压差随温度的变化率
Pa/℃比较矿石在不同温度区间料层透气性恶化程度；
转鼓筛分后大于3.15mm的矿石比例作为逐渐升温还原对矿石粉化影响的衡量指标。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的块状带是指从高炉炉喉至炉身区域，该区域内的炉料均为固态。
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