高爐粉塵球團(tuán)真空碳熱還原過程中Zn還原動(dòng)力學(xué)
根據(jù)“收縮核模型”和擴(kuò)散理論研究了高爐粉塵球團(tuán)真空碳熱還原過程中Zn還原動(dòng)力學(xué)。詳細(xì)考察了系統(tǒng)壓強(qiáng)、球團(tuán)直徑、還原溫度對(duì)Zn還原率的影響。研究結(jié)果表明，碳?xì)饣徒缑娣磻?yīng)的表觀活化能相對(duì)于鋅蒸汽和CO氣體的擴(kuò)散表觀活化能來說較小，其對(duì)Zn還原過程的影響較小，而氣體擴(kuò)散對(duì)Zn還原過程的影響較大，高爐粉塵球團(tuán)真空碳熱還原過程中Zn還原的控制步驟為內(nèi)擴(kuò)散，表觀反應(yīng)級(jí)數(shù)為1。在實(shí)驗(yàn)選取的溫度范圍內(nèi)，反應(yīng)的表觀活化能為172.39kJ/mol。根據(jù)研究結(jié)果，建立了Zn還原的宏觀動(dòng)力學(xué)方程。
高爐粉塵中除含有大量的鐵、碳元素外，還含有鋅、鉛、錳等元素。目前很多鋼鐵廠是將高爐粉塵經(jīng)過燒結(jié)后返回高爐重新利用，由于燒結(jié)過程不除鋅，這必將會(huì)導(dǎo)致鋅元素重新進(jìn)入高爐，對(duì)高爐產(chǎn)生如下危害:一是鋅蒸汽上升過程中，一部分會(huì)滲入爐墻與爐襯內(nèi)元素形成低熔點(diǎn)化合物而軟化爐襯，加快爐襯的侵蝕速度，使高爐壽命降低；二是由于鋅在高爐內(nèi)的循環(huán)富集，生成爐瘤，在高爐內(nèi)粘結(jié)嚴(yán)重，從而會(huì)影響高爐產(chǎn)量；三是鋅循環(huán)的存在，增大高爐焦比和影響產(chǎn)品的產(chǎn)量。
為了保證高爐壽命和鐵水的質(zhì)量，提高高爐產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)資源綜合利用，有必要對(duì)高爐粉塵進(jìn)行脫鋅并回收鋅。含碳球團(tuán)的特點(diǎn)是可以“自還原”，而真空還原可以降低溫度和還原時(shí)間，綜合兩者的優(yōu)點(diǎn)，作者采用了真空碳熱還原工藝處理高爐粉塵球團(tuán)。高爐粉塵球團(tuán)碳熱還原是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，它不是一個(gè)簡單的還原反應(yīng)，而是一個(gè)包含固-固反應(yīng)、氣-固反應(yīng)、碳?xì)饣磻?yīng)、傳熱、傳質(zhì)以及各種物質(zhì)擴(kuò)散等諸多過程。已經(jīng)有很多人對(duì)常壓下含碳球團(tuán)還原的動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了大量研究，但對(duì)真空下還原動(dòng)力學(xué)研究卻不多。
本文對(duì)真空條件下碳熱還原高爐粉塵球團(tuán)過程中Zn還原動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了研究，闡述了其還原機(jī)理，建立了Zn還原宏觀動(dòng)力學(xué)方程，找出了Zn還原的限制性環(huán)節(jié)，為高爐粉塵球團(tuán)真空碳熱還原工藝脫鋅并回收鋅提供了理論基礎(chǔ)。
1、實(shí)驗(yàn)
1.1、實(shí)驗(yàn)原料與設(shè)備
實(shí)驗(yàn)用的高爐粉塵由常州中天鋼鐵公司提供，其元素含量和物相分析結(jié)果分別如表1和圖1所示。
圖1 高爐粉塵的物相分析
由表1中可以得出:高爐粉塵中鋅含量為4.76%，碳含量為57.09%，可以用來制作球團(tuán)，在真空下進(jìn)行碳熱還原以達(dá)到脫除鋅的目的。
表1 高爐粉塵中元素含量
從圖1可以看出，高爐粉塵中鋅物相為氧化鋅和鐵酸鋅，鐵物相主要為磁鐵礦、赤鐵礦和和鐵酸鈣。因此，對(duì)鋅的脫除可以采用氧化鋅和鐵酸鋅的還原工藝。
實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要為:TCE-Ⅱ型溫度控制儀，DP-AF型精密數(shù)字壓力計(jì)，2XZ-Ⅰ型旋片式真空泵，SKC-1.2-10型電阻爐，反應(yīng)器和冷凝器(自制)。
1.2、實(shí)驗(yàn)方法
按一定的比例取適量的高爐粉塵、碳、粘結(jié)劑和生石灰加水混合均勻，制成直徑為8～15mm的球團(tuán)，然后在110℃左右烘干2.5h。將球團(tuán)放入石英坩堝中，再將石英坩堝放入反應(yīng)器內(nèi)，密封后抽到實(shí)驗(yàn)需要的真空度。待溫度升到設(shè)定溫度后，將反應(yīng)器放入電阻爐中，開始計(jì)算還原時(shí)間。經(jīng)還原、殘?jiān)鋮s后，分別從反應(yīng)器中和冷凝器上取出還原殘?jiān)屠淠�，稱重，取樣，并用EDTA滴定法測定殘?jiān)械腪n的含量，然后按照式(1)計(jì)算Zn的還原率。
a=(W0Zn0-WtZnt)/W0Zn0×100%(1)
式中，a為還原率，W0為還原前球團(tuán)的初始質(zhì)量(g)，Wt為還原t時(shí)間后球團(tuán)(殘?jiān)?的質(zhì)量(g)；CZn，0為還原前球團(tuán)中鋅的含量(%)；CZn，t為還原t時(shí)間后球團(tuán)中鋅的含量(%)。
3、結(jié)論
(1)在實(shí)驗(yàn)選取的條件范圍內(nèi)，系統(tǒng)壓強(qiáng)越低，球團(tuán)直徑越小，還原溫度越高，Zn還原率越大。
(2)高爐粉塵球團(tuán)真空碳熱還原過程中Zn還原反應(yīng)的表觀反應(yīng)級(jí)數(shù)為1，碳?xì)饣徒缑娣磻?yīng)的表觀活化能相對(duì)于氣體擴(kuò)散的表觀活化能來說較小，其對(duì)Zn還原過程的影響較小，而氣體擴(kuò)散對(duì)Zn還原過程的影響較大，氣體擴(kuò)散是限制性環(huán)節(jié)。
(3)Zn還原反應(yīng)速率k與d2成反比，可以進(jìn)一步確定其反應(yīng)過程為內(nèi)擴(kuò)散控制。在1023～1173K溫度范圍內(nèi)，反應(yīng)的表觀活化能為172.39kJ/mol。
(4)高爐粉塵球團(tuán)真空碳熱還原過程中Zn還原動(dòng)力學(xué)方程可描述為:1-2a/3-(1-a)2/3=3.2×105exp[-20734/T)]t。
