预还原

冶金工程学术语

预还原是指还原熔炼前在一定的温度下，用煤或还原性气体，使矿石、精矿或球团矿中的有关组分部分或大部分还原成金属的冶金过程。其目的在于改善还原熔炼的技术经济指标，有效地综合回收伴生有益组分。由于在还原熔炼时可用无烟煤，不用或少用焦炭，尤其适于一些缺乏炼焦煤而电力资源丰富的地区。

简介

随着环境污染问题的日益严重，为了满足全球“低碳经济”发展的要求，高炉炼铁如何在现有工艺基础上实现节能减排已成为钢铁行业亟待解决的重要问题。高炉使用软熔滴落特性优良的含铁炉料，可以改善炉内软熔带状况和煤气流分布，进而降低煤气压力损耗和固体燃料消耗。

国内外研究者对如何改善高炉含铁炉料的软熔滴落特性做了大量的工作，其研究内容主要集中在炉料结构、炉料成分及布料方式等方面。近年来，人们发现在高炉内提高含铁炉料到达软熔带的金属化率，有助于改善其软熔滴落特性。矿煤团块的软熔滴落特性研究表明，矿煤颗粒的间隙降低到微米级，接触面积增大，反应速率加快，金属化率提高，含铁炉料的软熔滴落特性及软熔带的透气性得以改善。含碳烧结矿的熔滴试验结果表明，含碳烧结矿与普通烧结矿比例为1∶1时，因含碳烧结矿到达软熔带时提升了含铁炉料的金属化率，其软熔带的最大压差是使用普通烧结矿时的1/3。

含铁炉料配加小块焦的软熔滴落特性研究表明，含铁炉料层混加小块焦，可以增大矿焦的接触面积，减小含铁炉料的还原延迟效应，提高含铁炉料到达软熔带时的金属化率，改善含铁炉料的软熔滴落特性。

然而，因矿煤团块强度偏低，影响高炉料柱的透气性，故无法大量使用；含碳烧结矿的生产工艺难以有效实现；含铁炉料混加小块焦的数量及其作用均有限。因此，高炉使用预还原含铁炉料成为人们关注的对象。获得预还原含铁炉料可以借助金属化烧结工艺或者直接还原工艺。后者在铁矿石资源劣质化条件下无法生产电炉炼钢所需脉石含量低的海绵铁，而高炉使用则无限制。

由于高炉使用预还原含铁炉料条件下的软熔滴落性能研究并不深入，金属化率及预还原含铁炉料的适宜碳含量对软熔滴落特性的影响规律未见报道。为此，针对不同金属化率、碳含量的预还原含铁炉料，试验研究其软熔滴落特性，考察预还原含铁炉料的适宜金属化率和碳含量。

预还原含铁炉料的料柱高度

含铁炉料的料柱高度随着温度的升高逐渐降低；同一温度节点，预还原含铁炉料C、B的料柱收缩值相对大，其次为预还原含铁炉料D，未还原含铁炉料A 的料柱收缩值相对小。对于料柱的压差而言，随着温度升高，4种含铁炉料的料柱压差均逐渐增大，但含铁炉料D在1368℃前的压差增幅明显小；同一温度节点，未还原含铁炉料A 的料柱压差相对最大，其次为预还原含铁炉料B、C，预还原含铁炉料D的料柱压差最小。

预还原含铁炉料软熔特性的温度参数

1）软化开始温度。未还原含铁炉料A相对最高，其次是金属化率为75%的预还原炉料D，而金属化率为45%的预还原炉料B、C相对最低；

2）软化结束温度。与前述规律一致，但各种含铁炉料间的差异性变小。

3）熔化开始温度。金属化率高的预还原炉料D相对最高，其次为金属化率较高的预还原炉料B、C，而未还原含铁炉料A则明显低。

通常，含铁炉料中FeO 含量越高，低熔点化合物的生成量越多，料柱高度的收缩值越大，故所对应的软化开始温度、软化结束温度以及熔化开始温度相对低。就预还原炉料而言，因初始FeO含量相对高，加之随反应进程的推进，FeO逐渐被还原成铁，致使后期FeO含量降低，故呈现前期软化温度相对低、后期熔化温度相对高的态势。金属化率高的含铁炉料D，因预还原程度高而FeO 含量相对低，且随着反应的进行，FeO 含量更低，故表现出软化温度和熔化温度均高于预还原程度低的含铁炉料B和C。另一方面，A是未经还原的含铁炉料，试验测定中的还原历程是Fe2O3→Fe3O4→FeO→Fe。初始FeO含量低，随着反应的进行，FeO含量逐渐升高，故表现为前期软化温度相对高、后期熔化温度相对低的特征。

预还原含铁炉料软熔特性的温度区间参数

预还原含铁炉料B、C的软化温度区间相对宽，其次为预还原含铁炉料D，未还原含铁炉料A的软化温度区间相对最窄；软熔温度区间的规律与前述一致，但各种含铁炉料间的差异性变小。

与未还原含铁炉料A相比，预还原含铁炉料B、C、D的还原历程为FeO→Fe，前期FeO含量较高，导致熔化量较大，故软化开始温度较低；随着温度进一步升高，预还原含铁炉料中FeO含量逐渐减少，熔化量增加较慢，料柱收缩40%点所对应的温度或料柱压差达到490Pa对应的温度升高，故预还原含铁炉料的软化温度区间、软熔温度区间相对较大。此外，随着金属化率的增加，因料柱中熔化量减小，空隙率增大，使预还原含铁炉料的软化温度区间、软熔温度区间均变窄。未还原含铁炉料A因前期熔化量低，而后随着FeO 含量急剧增加，使料柱空隙快速减小，在相对短的时间内料柱收缩达到40%，料柱压差达到490Pa，故其软化温度区间、软熔温度区间相对最小。

预还原含铁炉料软熔特性的压差参数

含铁炉料A、B、C和D的料柱平均压差依次减小。与未还原含铁炉料A相比，金属化率为45%的预还原含铁炉料B、C，因FeO含量相对较低且料柱中熔化量相对较少，故料柱中空隙相对较大，从而B、C的料柱平均压差相对较低；预还原含铁炉料D则为大量的金属铁和少量的FeO共存，低熔点熔化物更少，料柱的空隙相对最大，故平均压差相对最低。

由此可见，含铁炉料的软化开始温度、软化结束温度、熔化开始温度、软化温度区间、软熔温度区间以及各区间内料柱压差，均取决于含铁炉料的还原历程和料柱中液相的生成行为。与未还原含铁炉料相比，虽然预还原含铁炉料的软化开始温度低，软化温度区间、软熔温度区间大，但料柱的平均压差明显低，料柱透气性更好。

预还原含铁炉料熔滴特性的温度参数

含铁炉料B、A、C和D的铁水滴落温度分别为1487、1427、1　396和1　375℃。这一排列顺序与各炉料条件下的铁水碳含量由低到高相对应。给出铁水碳含量（质量分数）与滴落温度之间的关系，即：铁水的滴落温度主要由碳含量决定。随着铁水碳含量的增加，滴落温度降低。众所周知，纯铁的熔点是1530℃，与碳形成合金后熔点下降，且碳含量越高，熔点越低。上述试验结果与这一理论基本吻合。

铁水中碳含量主要与炉内渗碳和原始炉料中的碳含量有直接关系。与预还原含铁炉料相比，未还原含铁炉料在熔滴炉中渗碳量大。究其主要原因是：未还原含铁炉料还原过程中新生的海绵铁更容易渗碳；预还原含铁炉料在炉内的渗碳量相差较小，其铁水中碳含量主要与进入熔滴炉前预还原炉料的原始碳含量相关。原始碳含量较高的预还原炉料，相应地铁水中碳含量也较高。

预还原含铁炉料的软熔滴落性能特征值

含铁炉料软熔滴落性能特征值（SD）的定义是：在软熔温度区间、熔滴温度区间内含铁炉料料层压差函数对温度的积分之和。由于难以提取压差函数，本研究采取定积分－微元法进行计算。

由此可见，与未还原含铁炉料相比，虽然低金属化率预还原含铁炉料的软熔性能特征值相对略大，但熔滴性能特征值下降幅度明显，致使低金属化率预还原含铁炉料的软熔滴落性能显著优于未还原含铁炉料A。对于相同金属化率的预还原含铁炉料，碳含量相对较高时可获得更好的软熔滴落性能。高碳含量、高金属化率的预还原含铁炉料，其软熔滴落性能更为优异。

总结

1）与未还原含铁炉料相比，使用金属化率为45%或75%的预还原含铁炉料，虽然其软熔温度区间相对较大，但区间内的料柱压差明显降低，软熔滴落性能特征值也明显减小，故高炉可获得更好的透气性。

2）随着预还原含铁炉料金属化率的提高，料柱最大压差降低，SD值减小，但滴落温度有升高趋势，对炉腹区域的透气性有负面影响。而提高预还原含铁炉料的碳含量则可明显降低其滴落温度，从而能够更加显著地改善预还原含铁炉料的软熔滴落性能。

3）针对劣质化的低品位、高脉石含量的铁矿石，采用以煤基或煤制气为还原剂的直接还原工艺，可制备具有一定金属化率且碳含量相对较高的预还原含铁炉料，有望促进高炉炼铁工艺的节能减排，提升冶炼效率。

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