高炉粉尘球团真空碳热还原过程中Zn还原动力学

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)江苏科技大学材料科学与工程学院 作者:张荣良

  根据“收缩核模型”和扩散理论研究了高炉粉尘球团真空碳热还原过程中Zn还原动力学。详细考察了系统压强、球团直径、还原温度对Zn还原率的影响。研究结果表明,碳气化和界面反应的表观活化能相对于锌蒸汽和CO气体的扩散表观活化能来说较小,其对Zn还原过程的影响较小,而气体扩散对Zn还原过程的影响较大,高炉粉尘球团真空碳热还原过程中Zn还原的控制步骤为内扩散,表观反应级数为1。在实验选取的温度范围内,反应的表观活化能为172.39kJ/mol。根据研究结果,建立了Zn还原的宏观动力学方程。

  高炉粉尘中除含有大量的铁、碳元素外,还含有锌、铅、锰等元素。目前很多钢铁厂是将高炉粉尘经过烧结后返回高炉重新利用,由于烧结过程不除锌,这必将会导致锌元素重新进入高炉,对高炉产生如下危害:一是锌蒸汽上升过程中,一部分会渗入炉墙与炉衬内元素形成低熔点化合物而软化炉衬,加快炉衬的侵蚀速度,使高炉寿命降低;二是由于锌在高炉内的循环富集,生成炉瘤,在高炉内粘结严重,从而会影响高炉产量;三是锌循环的存在,增大高炉焦比和影响产品的产量。

  为了保证高炉寿命和铁水的质量,提高高炉产量,实现资源综合利用,有必要对高炉粉尘进行脱锌并回收锌。含碳球团的特点是可以“自还原”,而真空还原可以降低温度和还原时间,综合两者的优点,作者采用了真空碳热还原工艺处理高炉粉尘球团。高炉粉尘球团碳热还原是一个非常复杂的过程,它不是一个简单的还原反应,而是一个包含固-固反应、气-固反应、碳气化反应、传热、传质以及各种物质扩散等诸多过程。已经有很多人对常压下含碳球团还原的动力学进行了大量研究,但对真空下还原动力学研究却不多。

  本文对真空条件下碳热还原高炉粉尘球团过程中Zn还原动力学进行了研究,阐述了其还原机理,建立了Zn还原宏观动力学方程,找出了Zn还原的限制性环节,为高炉粉尘球团真空碳热还原工艺脱锌并回收锌提供了理论基础。

1、实验

  1.1、实验原料与设备

  实验用的高炉粉尘由常州中天钢铁公司提供,其元素含量和物相分析结果分别如表1和图1所示。

高炉粉尘的物相分析

图1 高炉粉尘的物相分析

  由表1中可以得出:高炉粉尘中锌含量为4.76%,碳含量为57.09%,可以用来制作球团,在真空下进行碳热还原以达到脱除锌的目的。

表1 高炉粉尘中元素含量

高炉粉尘中元素含量

  从图1可以看出,高炉粉尘中锌物相为氧化锌和铁酸锌,铁物相主要为磁铁矿、赤铁矿和和铁酸钙。因此,对锌的脱除可以采用氧化锌和铁酸锌的还原工艺。

  实验设备主要为:TCE-Ⅱ型温度控制仪,DP-AF型精密数字压力计,2XZ-Ⅰ型旋片式真空泵,SKC-1.2-10型电阻炉,反应器和冷凝器(自制)。

  1.2、实验方法

  按一定的比例取适量的高炉粉尘、碳、粘结剂和生石灰加水混合均匀,制成直径为8~15mm的球团,然后在110℃左右烘干2.5h。将球团放入石英坩埚中,再将石英坩埚放入反应器内,密封后抽到实验需要的真空度。待温度升到设定温度后,将反应器放入电阻炉中,开始计算还原时间。经还原、残渣冷却后,分别从反应器中和冷凝器上取出还原残渣和冷凝物,称重,取样,并用EDTA滴定法测定残渣中的Zn的含量,然后按照式(1)计算Zn的还原率。

a=(W0Zn0-WtZnt)/W0Zn0×100%(1)

  式中,a为还原率,W0为还原前球团的初始质量(g),Wt为还原t时间后球团(残渣)的质量(g);CZn,0为还原前球团中锌的含量(%);CZn,t为还原t时间后球团中锌的含量(%)。

3、结论

  (1)在实验选取的条件范围内,系统压强越低,球团直径越小,还原温度越高,Zn还原率越大。

  (2)高炉粉尘球团真空碳热还原过程中Zn还原反应的表观反应级数为1,碳气化和界面反应的表观活化能相对于气体扩散的表观活化能来说较小,其对Zn还原过程的影响较小,而气体扩散对Zn还原过程的影响较大,气体扩散是限制性环节。

  (3)Zn还原反应速率k与d2成反比,可以进一步确定其反应过程为内扩散控制。在1023~1173K温度范围内,反应的表观活化能为172.39kJ/mol。

  (4)高炉粉尘球团真空碳热还原过程中Zn还原动力学方程可描述为:1-2a/3-(1-a)2/3=3.2×105exp[-20734/T)]t。

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