烧结矿和球团矿吸附锌的规律及冶金性能变化的研究

烧结矿和球团矿吸附锌的规律及冶金性能变化的研究

尹慧超，  张建良

(北京科技大学冶金与生态工程学院，北京100083)

摘  要：模拟高炉中锌的还原及其蒸气在炉料吸附的过程，对入炉烧结矿、球团矿做了锌吸附及低温还原粉化的试验。试验结果表明：烧结矿和球团矿的吸附锌量随着温度的增加而提高，随着粒度的增大而减少；随着锌吸附量的增加，烧结矿和球团矿的低温还原粉化指标下降，这会影响到高炉的透气性，生产中应对入炉原料的锌含量做严格控制。

关键词：烧结矿；球团矿；锌吸附；冶金性能

在高炉条件下，ZnO在950℃以上的高温区域可以被C，CO，H₂还原。而ZnS在400～500℃时就开始热分解，并通过与其他元素的反应被还原出来，炉料中锌的还原反应要到炉腰或炉腹以下的高温区域才能发生完全^[1-2]。由于被还原出来的单质锌气化温度(900～1 000℃)不高，因此容易挥发，随煤气流上升逸出，在上升的过程中，由于温度不断降低，部分锌的蒸气被下降的炉料吸附，或者凝结在炉喉表面，其余随煤气流继续上升，最终沉积在除尘器的炉尘或洗涤塔的瓦斯泥中^[3-7]。了解烧结矿和球团矿对锌蒸气的吸附规律，并研究锌对炉料冶金性能的影响，对降低高炉锌害具有十分重要的意义。

1  试验方法

l．l试验装置

升温采用温度可控的高温管式炉，最高反应温度为1300℃。密封式制样机，可将原料磨制到小于74μm的粒度。试验装置如图1所示。

1．2试验流程

在管式炉中做烧结矿和球团矿吸附锌的试验。在管式炉1中，通过ZnO与石墨的混合物反应来模拟高炉中高温区域锌蒸气的生成；以通入的N₂作为锌蒸气的载体来模拟高炉中上升的煤气流；管式炉间暴露于外的短管约3 cm，用石棉布紧密缠绕；锌蒸气进入管式炉2后，被管中的烧结矿或球团矿吸附。锌的沸点为906℃，而ZnO和C的反应，在1000℃下也可以发生。所以本试验控制管式炉1中的温度为1000℃；管式炉2中的温度根据试验需要调整，最高为1100℃。反应管1中每次吸附用ZnO 150g，纯石墨30g，烧结矿或球团矿为200g，分别放置于反应管内的刚玉托盘上；反应时间为120 min；反应管1内径约6 cm，反应管2内径约8 cm；反应全程用N₂保护，N₂流速为2L／min，直至反应结束冷却到室温。

烧结矿的吸附选取2个变量。第一个是温度，范围300～1100℃。第二个是粒度，范围8～15 mm。球团矿的吸附也选取温度和粒度2个变量。温度范围是300～1100℃。粒度范围是5～15mm。

1．3检测方法

1)吸附锌蒸气后的烧结矿和球团矿，分别磨细至小于74μm，做化学分析以测定其锌吸附量。

2)吸附锌蒸气后的烧结矿和球团矿，参照GB／T13242—91标准规定的方法测定其低温还原粉化性能。基本原理是将一定粒度范围内的试样，在固定床中，在500℃的温度下，用由CO，CO₂和N₂组成的还原气体进行静态还原，还原1 h后，将试样冷却到100℃以下，用小转鼓共转300转，然后用孔宽为6．30mm，3．15mm和500μm的方孔筛进行筛分，用还原粉化指数表示铁矿石的粉化程度。本试验中以RDI_+3.15作为考察低温还原粉化指数的主要指标。

3)吸附了锌的烧结矿和球团矿通过PHILIPSXL—30+DX4i带能谱仪的扫描电子显微镜(SEM+EDS)进行检测，比较了烧结矿和球团矿吸附锌后的变化。

2  试验结果及分析

2．1  温度对烧结矿球团矿锌吸附的影响

对粒度在12～15mm范围内的烧结矿，分别做不同温度下的锌吸附试验，结果见图2。从图2可以看出，烧结矿在低温状态下吸附锌量很少；当温度超过900℃，到1100℃的范围内，其吸附锌量急剧增加。这主要是因为ZnO＋C=Zn＋CO的反应发生在这个温度区间，并且锌在此温度下以蒸气状态存在；低温状态则不会出现这种情况。

对粒度在5～9mm范围内的球团矿，分别做不同温度下的锌吸附试验，结果见图3。从图3可以看出，球团矿的吸附锌量也随着温度的升高而升高，且温度超过900℃时，吸附锌量有个突增的趋势。和烧结矿相比，相同温度下球团矿的吸附锌量要少一些，原因可能是两者的结构不同：烧结矿多孔而疏松，比表面积较大，故吸附锌量高；球团矿少孔而致密，比表面积相对较小，故吸附锌量少些。

2．2粒度对烧结矿球团矿锌吸附的影响

在1100℃下，对不同粒度的烧结矿做锌吸附试验，结果见图4。从图4可以看出，随着烧结矿的粒度增大，其吸附锌量减少。原因可能也是粒度越小的烧结矿其比表面积越大，对锌蒸气来说吸附条件更好。换句话说，当炉料随着反应进行在高炉中沿垂直方向下落时，上升的锌蒸气更容易被小颗粒的烧结矿吸附。提高烧结矿的强度，减少烧结矿的粉化，更有利于在高温区生成的锌蒸气随着煤气流上升，而不是被下落的烧结矿吸附后重新回到高温反应区。
在1100℃下，对不同粒度的球团矿做锌吸附试验，结果见图5。从图5可以看出，随着球团矿的粒度增大，其吸附锌量减少。且和烧结矿相比，相同粒度的球团矿吸附锌量要少很多。T6-7

对吸附试验后的烧结矿和球团矿分别制成粉样，做扫描电镜分析。图6和图7分别是锌在烧结矿和球团矿上的吸附照片。通过能谱分析发现，图上白色发亮的是锌及锌的化合物，附着在铁氧化物、脉石或其他基体物质上。烧结矿的锌吸附量明显比球团矿要多。原因可能是烧结矿表面多孔、粗糙，因此吸附的锌量较多，而球团矿表面较为平滑、整齐，吸附的锌量较少。

2．3锌吸附量对烧结矿球团矿低温还原粉化指数的影响

对锌吸附量不同的烧结矿和球团矿做了低温还原粉化试验，结果见图8、9。

从图8可以看出，随着锌吸附量的增加，烧结矿的低温还原粉化指数RDI_+3.15呈下降趋势，这同时也关系到整个高炉炉料层的透气性。故对入炉烧结矿含锌量应作严格控制，经常关注高炉锌负荷。

从图9可以看出，随着锌吸附量的增加，球团矿的低温还原粉化指数RDI_+3.15也呈下降趋势。

3  结论

1)通过对烧结矿、球团矿不同温度、不同粒度的锌吸附试验，发现烧结矿和球团矿的吸附锌量随着温度的增加而提高，随着粒度的增大而减少。

2)随着锌吸附量的增加，烧结矿的低温还原粉化指数RDI_+3.15；呈下降趋势，这也会影响到高炉料层的透气性；随着锌吸附量的增加，球团矿的低温还原粉化指数RDI_+3.15；也呈下降趋势。

3)锌在高炉高温区被还原，在随煤气流上升的过程中，被下降的炉料吸附，之后又重新回到高温区被还原，如此往复。控制入炉烧结矿和球团矿的粒度，能有效地减少其对锌的吸附，提升煤气带走的锌的比率，因而减少锌在高炉内的循环富集，对减轻高炉锌害具有重要的意义。

参考文献