預還原

隨着環境污染問題的日益嚴重，為了滿足全球“低碳經濟”發展的要求，高爐鍊鐵如何在現有工藝基礎上實現節能減排已成為鋼鐵行業亟待解決的重要問題。高爐使用軟熔滴落特性優良的含鐵爐料，可以改善爐內軟熔帶狀況和煤氣流分佈，進而降低煤氣壓力損耗和固體燃料消耗。

國內外研究者對如何改善高爐含鐵爐料的軟熔滴落特性做了大量的工作，其研究內容主要集中在爐料結構、爐料成分及布料方式等方面。近年來，人們發現在高爐內提高含鐵爐料到達軟熔帶的金屬化率，有助於改善其軟熔滴落特性。礦煤團塊的軟熔滴落特性研究表明，礦煤顆粒的間隙降低到微米級，接觸面積增大，反應速率加快，金屬化率提高，含鐵爐料的軟熔滴落特性及軟熔帶的透氣性得以改善。含碳燒結礦的熔滴試驗結果表明，含碳燒結礦與普通燒結礦比例為1∶1時，因含碳燒結礦到達軟熔帶時提升了含鐵爐料的金屬化率，其軟熔帶的最大壓差是使用普通燒結礦時的1/3。

含鐵爐料配加小塊焦的軟熔滴落特性研究表明，含鐵爐料層混加小塊焦，可以增大礦焦的接觸面積，減小含鐵爐料的還原延遲效應，提高含鐵爐料到達軟熔帶時的金屬化率，改善含鐵爐料的軟熔滴落特性。

然而，因礦煤團塊強度偏低，影響高爐料柱的透氣性，故無法大量使用；含碳燒結礦的生產工藝難以有效實現；含鐵爐料混加小塊焦的數量及其作用均有限。因此，高爐使用預還原含鐵爐料成為人們關注的對象。獲得預還原含鐵爐料可以藉助金屬化燒結工藝或者直接還原工藝。後者在鐵礦石資源劣質化條件下無法生產電爐鍊鋼所需脈石含量低的海綿鐵，而高爐使用則無限制。

由於高爐使用預還原含鐵爐料條件下的軟熔滴落性能研究並不深入，金屬化率及預還原含鐵爐料的適宜碳含量對軟熔滴落特性的影響規律未見報道。為此，針對不同金屬化率、碳含量的預還原含鐵爐料，試驗研究其軟熔滴落特性，考察預還原含鐵爐料的適宜金屬化率和碳含量 ^[1]  。

含鐵爐料的料柱高度隨着温度的升高逐漸降低；同一温度節點，預還原含鐵爐料C、B的料柱收縮值相對大，其次為預還原含鐵爐料D，未還原含鐵爐料A 的料柱收縮值相對小。對於料柱的壓差而言，隨着温度升高，4種含鐵爐料的料柱壓差均逐漸增大，但含鐵爐料D在1368℃前的壓差增幅明顯小；同一温度節點，未還原含鐵爐料A 的料柱壓差相對最大，其次為預還原含鐵爐料B、C，預還原含鐵爐料D的料柱壓差最小。

1）軟化開始温度。未還原含鐵爐料A相對最高，其次是金屬化率為75%的預還原爐料D，而金屬化率為45%的預還原爐料B、C相對最低；

2）軟化結束温度。與前述規律一致，但各種含鐵爐料間的差異性變小。

3）熔化開始温度。金屬化率高的預還原爐料D相對最高，其次為金屬化率較高的預還原爐料B、C，而未還原含鐵爐料A則明顯低。

通常，含鐵爐料中FeO 含量越高，低熔點化合物的生成量越多，料柱高度的收縮值越大，故所對應的軟化開始温度、軟化結束温度以及熔化開始温度相對低。就預還原爐料而言，因初始FeO含量相對高，加之隨反應進程的推進，FeO逐漸被還原成鐵，致使後期FeO含量降低，故呈現前期軟化温度相對低、後期熔化温度相對高的態勢。金屬化率高的含鐵爐料D，因預還原程度高而FeO 含量相對低，且隨着反應的進行，FeO 含量更低，故表現出軟化温度和熔化温度均高於預還原程度低的含鐵爐料B和C。另一方面，A是未經還原的含鐵爐料，試驗測定中的還原歷程是Fe2O3→Fe3O4→FeO→Fe。初始FeO含量低，隨着反應的進行，FeO含量逐漸升高，故表現為前期軟化温度相對高、後期熔化温度相對低的特徵 ^[2]  。

預還原含鐵爐料B、C的軟化温度區間相對寬，其次為預還原含鐵爐料D，未還原含鐵爐料A的軟化温度區間相對最窄；軟熔温度區間的規律與前述一致，但各種含鐵爐料間的差異性變小。

與未還原含鐵爐料A相比，預還原含鐵爐料B、C、D的還原歷程為FeO→Fe，前期FeO含量較高，導致熔化量較大，故軟化開始温度較低；隨着温度進一步升高，預還原含鐵爐料中FeO含量逐漸減少，熔化量增加較慢，料柱收縮40%點所對應的温度或料柱壓差達到490Pa對應的温度升高，故預還原含鐵爐料的軟化温度區間、軟熔温度區間相對較大。此外，隨着金屬化率的增加，因料柱中熔化量減小，空隙率增大，使預還原含鐵爐料的軟化温度區間、軟熔温度區間均變窄。未還原含鐵爐料A因前期熔化量低，而後隨着FeO 含量急劇增加，使料柱空隙快速減小，在相對短的時間內料柱收縮達到40%，料柱壓差達到490Pa，故其軟化温度區間、軟熔温度區間相對最小 ^[3]  。

含鐵爐料A、B、C和D的料柱平均壓差依次減小。與未還原含鐵爐料A相比，金屬化率為45%的預還原含鐵爐料B、C，因FeO含量相對較低且料柱中熔化量相對較少，故料柱中空隙相對較大，從而B、C的料柱平均壓差相對較低；預還原含鐵爐料D則為大量的金屬鐵和少量的FeO共存，低熔點熔化物更少，料柱的空隙相對最大，故平均壓差相對最低。

由此可見，含鐵爐料的軟化開始温度、軟化結束温度、熔化開始温度、軟化温度區間、軟熔温度區間以及各區間內料柱壓差，均取決於含鐵爐料的還原歷程和料柱中液相的生成行為。與未還原含鐵爐料相比，雖然預還原含鐵爐料的軟化開始温度低，軟化温度區間、軟熔温度區間大，但料柱的平均壓差明顯低，料柱透氣性更好 ^[3]  。

含鐵爐料B、A、C和D的鐵水滴落温度分別為1487、1427、1　396和1　375℃。這一排列順序與各爐料條件下的鐵水碳含量由低到高相對應。給出鐵水碳含量（質量分數）與滴落温度之間的關係，即：鐵水的滴落温度主要由碳含量決定。隨着鐵水碳含量的增加，滴落温度降低。眾所周知，純鐵的熔點是1530℃，與碳形成合金後熔點下降，且碳含量越高，熔點越低。上述試驗結果與這一理論基本吻合。

鐵水中碳含量主要與爐內滲碳和原始爐料中的碳含量有直接關係。與預還原含鐵爐料相比，未還原含鐵爐料在熔滴爐中滲碳量大。究其主要原因是：未還原含鐵爐料還原過程中新生的海綿鐵更容易滲碳；預還原含鐵爐料在爐內的滲碳量相差較小，其鐵水中碳含量主要與進入熔滴爐前預還原爐料的原始碳含量相關。原始碳含量較高的預還原爐料，相應地鐵水中碳含量也較高。

含鐵爐料軟熔滴落性能特徵值（SD）的定義是：在軟熔温度區間、熔滴温度區間內含鐵爐料料層壓差函數對温度的積分之和。由於難以提取壓差函數，本研究採取定積分－微元法進行計算。

由此可見，與未還原含鐵爐料相比，雖然低金屬化率預還原含鐵爐料的軟熔性能特徵值相對略大，但熔滴性能特徵值下降幅度明顯，致使低金屬化率預還原含鐵爐料的軟熔滴落性能顯著優於未還原含鐵爐料A。對於相同金屬化率的預還原含鐵爐料，碳含量相對較高時可獲得更好的軟熔滴落性能。高碳含量、高金屬化率的預還原含鐵爐料，其軟熔滴落性能更為優異 ^[3]  。

1）與未還原含鐵爐料相比，使用金屬化率為45%或75%的預還原含鐵爐料，雖然其軟熔温度區間相對較大，但區間內的料柱壓差明顯降低，軟熔滴落性能特徵值也明顯減小，故高爐可獲得更好的透氣性。

2）隨着預還原含鐵爐料金屬化率的提高，料柱最大壓差降低，SD值減小，但滴落温度有升高趨勢，對爐腹區域的透氣性有負面影響。而提高預還原含鐵爐料的碳含量則可明顯降低其滴落温度，從而能夠更加顯著地改善預還原含鐵爐料的軟熔滴落性能。

3）針對劣質化的低品位、高脈石含量的鐵礦石，採用以煤基或煤制氣為還原劑的直接還原工藝，可製備具有一定金屬化率且碳含量相對較高的預還原含鐵爐料，有望促進高爐鍊鐵工藝的節能減排，提升冶煉效率 ^[2]  。