鐵鱗制取還原鐵粉試驗

2018-10-09 12:45:08沈進杰孫炳泉高春慶

材料與冶金學報 2018年3期

沈進杰，孫炳泉，高春慶

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司選礦及自動化研究所，安徽馬鞍山 243000；2.華唯金屬礦產資源高效循環利用國家工程研究中心有限公司，安徽馬鞍山 243000)

粉末冶金作為綠色、高效、低碳、可持續性制造技術，已廣泛應用于制備高性能材料和機械零件[1].其中，在汽車制造行業應用最廣泛，國外鐵基粉末冶金制品70%以上的市場在汽車工業[2,3].粉末冶金零件生產用鐵粉主要有3種：軋鋼鐵鱗還原鐵粉、超純鐵精礦還原鐵粉及霧化鐵粉.由軋鋼鐵鱗和超純鐵精礦粉制取的還原鐵粉顆粒形狀不規則，具有多孔性，松裝密度中等以下，成形性好，壓縮性與燒結性良好.水霧化鐵粉顆粒形狀接近球形，非多孔性，松裝密度高，成形性稍差，壓制成形時易得到高密度壓坯，壓縮性與燒結性良好[4].我國生產還原鐵粉的原料基本為軋鋼鐵鱗，國外則為超純鐵精礦[5].采用軋鋼鐵鱗為原料，由于軋鋼批量、鋼種的不同容易混入雜質，使還原鐵粉質量、性能受到影響[6].因此，對原料的選擇和處理很重要，對于鐵鱗中的雜質特別是對SiO2含量質量分數的控制有較高的要求，一般要求鐵鱗中w〔TFe〕>70%～73%，w〔SiO2〕<0.25%～0.35%[7].以鐵精礦粉作為原料制備還原鐵粉所用原料來源廣泛、成分均一，制備出的還原鐵粉具有明顯優異的品質和質量穩定性[8].研究軋鋼鐵鱗制取粉末冶金用還原鐵粉技術符合我國基本國情.本文以軋鋼鐵鱗為原料，采用“磨礦—篩分—粗粒級一次還原—破碎—干式磁選—磨礦—干式磁選—二次還原—解碎”工藝，制備出牌號FHY80·25的還原鐵粉，為該類資源的深加工提供了相關技術指導.

1 原料性質及試驗流程

1.1 原料性能

1.1.1 鐵鱗化學成分

試驗鐵鱗由國內某鋼鐵企業提供，其主要化學成分見表1.鐵鱗中TFe質量分數為74.82%，主要雜質Si、Mn、Ca的質量分數分別為0.16%、0.17%、0.23%，鹽酸不溶物為0.52%.

表1 鐵鱗主要化學成分分析(質量分數)

1.1.2 鐵鱗粒度組成

參照鐵鱗預處理生產實踐，將 -1 mm 鐵鱗首先干式棒磨至 -0.076 mm 占32%，然后進行粒度組成篩析，試驗結果見圖1.各粒級Fe品位區別不大，粗粒級Si含量較細粒級低.因此，可通過篩分隔除細粒級降低原料中Si含量.

圖1 鐵鱗粒度正累積分布曲線Fig.1 Cumulative distribution curve of the iron scale particle size

1.1.3 鐵鱗礦相組成

鐵鱗XRD分析結果見圖2.主要由FeO、Fe3O4、Fe2O3組成.

圖2 鐵鱗XRD分析結果Fig.2 XRD patterns of the iron scale

1.1.4 鐵鱗礦相結構

礦相分析結果見圖3、4.鐵鱗中有少許石英(白色)顆粒，一部分呈單體分布，主要在0.01 mm左右(圖3)，部分與鐵顆粒(黑色)形成固溶體，最大粒度為0.03 mm(圖4).

圖3 正交偏光×100 Fig.3 Orthogonal polarization×100

圖4 單偏光×300 Fig.4 Single polarization×300

1.1.5 還原劑工業分析

焦炭(-0.63 mm)工業分析結果見表2.固定碳質量分數為83.07%，灰分為14.39%，揮發分為2.54%，水分為0.34%，S為0.92%.

1.2 試驗過程及方法

鐵鱗制取還原鐵粉原則工藝流程見圖5，主要包括原料預處理、一次還原制備海綿鐵、海綿鐵二次還原制備還原鐵粉三個環節.

原料預處理過程：將 -1 mm 鐵鱗干式棒磨至 -0.076 mm 占32%，篩分粗粒級用于一次還原.

表2 焦炭工業分析(質量分數)

一次還原試驗過程：將焦炭、脫硫劑生石灰(AR)按一定比例配合混勻，與粗粒級鐵鱗如圖6所示的方式裝入帶蓋剛玉坩堝內，里層與外層為還原劑與脫硫劑的混合物(質量比約為1∶1)，中間層為鐵鱗，表面再覆蓋一薄層還原劑與脫硫劑的混合物，然后用耐火泥將坩堝密封嚴實，物料隨爐升溫至 1 150 ℃，保溫一定時間后取出坩堝爐外冷卻，最后取出環形柱體焙燒樣品，進行清刷、破磨、磁選，磁選精礦即海綿鐵，用于二次還原.

二次還原試驗過程：將管式爐升溫至設定溫度，然后稱取一定量的海綿鐵裝入瓷舟置于耐高溫石英玻璃管中，將玻璃管送入管式爐中，玻璃管中通入氫氣(工業級，純度99.99%)、點火(將殘余氫氣燃燒)、還原，一定時間后將玻璃管取出，爐外冷卻后停止通入氫氣，最后取出還原產品解碎即還原鐵粉.

其中，產率及回收率計算公式如下：

(1)

(2)

式(1)、(2)中：γ為產率，%；m為產品質量，g；m0為給料質量，g；ε為實際回收率，%；β為產品全鐵品位，%；β0為鐵鱗全鐵品位，74.82%.

圖5 鐵鱗制取還原鐵粉原則工藝流程Fig.5 Principle process of the iron scale for reduce iron powder

圖6 一次還原布料示意圖Fig.6 First reduction fabric1—物料； 2—還原劑與脫硫劑混合物； 3—坩堝

2 試驗結果與分析

2.1 原料預處理試驗

將-1 mm鐵鱗磨至 -0.076 mm 占32%作為預處理試驗給料.主要進行了干式磁選、氧化焙燒—干式磁選、篩分三個工藝脫硅效果的比較.其中，磁選磁場強度均為 119.37 kA/m，氧化焙燒—干式磁選工藝焙燒溫度600 ℃，焙燒時間0.5 h，焙燒的同時抽風除去-0.038 mm細粒級.試驗結果見表3，采用篩分工藝脫硅效果最好，氧化焙燒—干式磁選效果次之.

表3 原料預處理脫硅工藝比較Table 3 Results of the raw material pretreatment desilication process %

當還原溫度為 1 150 ℃，還原時間為35 h，還原劑用量為42.5%，生石灰用量為6%，爐內冷卻時，篩分預處理不同粒級一次還原試驗結果見表4.C、S含量隨著粒級變細略有增加， +0.10 mm粒級一次還原海綿鐵Fe品位最高.因此，后續試驗選擇+0.10 mm粒級用于一次還原.

表4 不同粒級鐵鱗一次還原試驗結果

2.2 一次還原制備海綿鐵條件試驗

2.2.1 還原時間

當一次還原粒級為+0.10 mm，其他試驗條件不變時，不同還原時間試驗結果見圖7.隨著還原時間的延長，海綿鐵Fe品位w〔TFe〕略有升高，C含量增加，S含量降低.當還原時間超過35 h時，鐵品位增加不明顯，因此，試驗選擇還原時間為35 h.

圖7 還原時間對海綿鐵指標的影響Fig.7 Effect of reduction time on index of sponge iron

2.2.2 脫硫劑用量

當還原時間為35 h，其他試驗條件不變時，脫硫劑生石灰用量對海綿鐵指標的影響試驗結果見圖8.隨著生石灰用量的增加，海綿鐵Fe品位升高，C含量增加，S含量減少.當生石灰用量超過6%時，海綿鐵中Fe、C、S含量變化不明顯.因此，適宜的脫硫劑用量為6%.

圖8 脫硫劑用量對海綿鐵指標的影響Fig.8 Effect of desulfurizer dosage on index of sponge iron

圖9 還原劑用量對海綿鐵指標的影響Fig.9 Effect of reducing agent dosage on index of sponge iron

2.2.3 還原劑用量

當生石灰用量為6%，其他試驗條件不變時，還原劑用量對海綿鐵指標的影響試驗結果見圖9.隨著還原劑用量的增加，海綿鐵Fe品位升高，C含量增加，S含量增加.當還原劑用量超過55%時，Fe品位變化不明顯.因此，選擇還原劑用量為55%，此時海綿鐵Fe品位為97.29%，C的質量分數為0.256%，S的質量分數為0.042%.

2.2.4 冷卻方式

當還原劑用量為55%，其他試驗條件不變時，冷卻方式對海綿鐵指標的影響試驗結果見表5.爐外冷卻鐵品位高于爐內冷卻，海綿鐵Fe品位為97.69%，C質量分數為0.251%，S質量分數為0.040%，Fe回收率為54.55%.因為爐外冷卻時間短，可以防止因坩堝內壓力的變化導致焙燒樣品表面一次氧化.因此，冷卻方式選擇爐外冷卻.

表5 冷卻方式試驗結果

基于上述試驗，鐵鱗一次還原較優試驗條件為：磨礦粒度 -0.076 mm 占32%，一次還原鐵鱗粒級 +0.10 mm，還原溫度 1 150 ℃，還原時間35 h，還原劑用量55%，生石灰用量6%，爐外冷卻.

2.3 海綿鐵二次還原試驗

參照現有二次還原生產實踐，還原溫度950 ℃，還原時間60～90 min.將表5中爐外冷卻得到的海綿鐵作為二次還原試驗研究對象，研究了還原時間(60 min、90 min)、氫氣流量(2.0 L/min、2.7 L/min、3.0 L/min)、粒度(-0.076 mm 占43%、50%、58%)、冷卻方式對最終還原鐵粉指標的影響，限于文章篇幅，在此不詳述.

二次還原試驗結論為：延長還原時間有利于提高還原鐵粉Fe品位；氫氣流量(余氣能點著，均過量)、粒度對還原鐵粉Fe品位影響不大；爐外冷卻較爐內冷卻所得還原鐵粉Fe品位高，因為爐外冷卻時間短，可以防止還原鐵粉表面二次氧化.

二次還原較優試驗條件為：還原溫度950 ℃，還原時間90 min，氫氣流量2.0 L/min，爐外冷卻.在該條件下，可獲得還原鐵粉產率41.47%，鐵品位98.42%，回收率54.55%的指標.

2.4 產品考察

為了對還原過程產品進行考察，在較優試驗條件下，試驗制備了1 kg還原鐵粉樣品，產率為41.28%，鐵品位為98.35%，回收率為54.26%，指標接近條件試驗結果.

2.4.1 海綿鐵及還原鐵粉成分分析

海綿鐵主要化學元素分析結果見表6.結合表1及圖12，筆者認為一次還原過程發生滲碳反應，海綿鐵中大部分S來自焦炭.但是相關研究表明，還原過程與滲碳過程截然分開，微量的氧化鐵存在，氣相成分不可能轉變為滲碳氣氛.當溫度低于710 ℃左右，碳即失去還原能力.快冷和在保護氣氛下冷卻方可避免嚴重氧化現象的出現，在保護氣氛中冷卻則更好[9].

還原鐵粉主要化學元素分析結果見表7.跟黑色冶金行業標準YB/T5308-2006粉末冶金用還原鐵粉FHY80·25牌號相比，還原鐵粉產品中除Si、C及鹽酸不溶物超標外，其他指標均滿足要求.C超標主要是一次還原過程發生滲碳反應所致，二次還原過程中可考慮通入濕氫[4]或添加少量鐵鱗的氧化物，通過引入一定量的O進一步降低其含量，其可行性有待試驗論證.

表6 海綿鐵主要化學元素分析(質量分數)

表7 還原鐵粉主要化學元素分析(質量分數)

2.4.2 海綿鐵及還原鐵粉粒度組成

海綿鐵粒度組成篩析(干篩)結果見圖10.其 -0.076 mm 占43.20%，各粒級鐵品位相差不大，雜質Si、C、S的分布特點為：各粒級Si、C含量區別不大，但粒度越細，S含量越低.

還原鐵粉粒度組成篩析(干篩)結果見圖11.其 -0.076 mm 占39.06%，各粒級Fe品位相差不大，雜質Si、C、S的分布特點同海綿鐵.

圖10 海綿鐵粒度正累積分布曲線Fig.10 Cumulative distribution curve of sponge iron particle size

圖11 還原鐵粉粒度正累積分布曲線Fig.11 Cumulative distribution curve of the reduce iron powder particle size

2.4.3 還原過程鐵相轉變

還原過程產物的XRD衍射圖見圖12.鐵鱗制取還原鐵粉鐵相的轉變規律為：FeO、Fe3O4、Fe2O3→Fe、FeO、FeC→Fe、FeC.一次還原過程中FeO晶體結構由立方體(PDF#46-1312，晶胞參數a=b=c=0.4293 nm)轉變為六方體(PDF#49-1447，晶胞參數a=b=0.2574 nm，c=0.5172 nm).二次還原過程中FeO衍射峰消失，FeC衍射峰部分消失，說明進一步脫除了C、O.