降低海绵铁严重氧化现象在粉末冶金还原铁粉生产中的实践与应用.pdf

第 3 6 卷第 5 期 2 0 1 4 年 1 O 月 四 川 冶 金 Si e h u a n M e t a l l u r g y Vo I ． 3 6 No ．5 0c t ．， 2 01 4 文章编号 1 0 0 1 5 1 0 8 2 O 1 4 0 5 一O 0 8 4 一O 4 降低海绵铁严重氧化现 象 在 粉末冶金还原铁粉 生产 中的实践与应用 吕学进， 蔺存栋 莱芜市泰东粉末科技有限公司， 山东 莱芜 2 7 1 1 0 0 摘要 通过利用排除法查找造成海绵铁氧化的主要原因， 并逐条落实改进措施， 从而降低海绵铁 严重氧化现 象， 提 高了海绵铁质量和单位产能。 关键词 隧道窑； S i C罐密封； 还原剂烧损 ； 冷却速度控制 中图分类号 T F 7 4 7 文献标识码 A Pr a c t i c e a nd Ap pl i c a t i o n o f Re d u c i ng S po ng e Rr o n S e r i o u s Ox i d i z a t i o n i n t h e Pr o d u c t i o n o f Po wd e r M e t a l l u r g y I r o n Po wd e r L V X u e - j i n ， L I N C u n - d o n g La i wu Ta i Do n g P o wd e r Me t a l l u r g y Te c h n o l o g y Lt d ． ， l a i wu 2 7 1 1 0 0，S h a n d o n g，Ch i n a Ab s t r a c t By u s i n g t h e me t h o d o f e x c l u s i o n t o f i n d t h e ma i n c a u s e o f s p o n g e i r o n o x i d e ，a n d t o i m p l e me n t i mp r o v i n g me a s u r e s o n e b y o n e ，t h u s r e d u c i n g s p o n g e i r o n s e r i o u s o x i d i z a t i o n，i mp r o v i n g t h e q u a l i t y o f t h e s p o n g e i r o n a n d u n i t c a p a c i t y ． Ke y wo r d s t u n n e 1 k i l n ；S i C c a n s s e a l e d；b u r n i n g l O S S o f r e d u c t a n t ；c o o l i n g r a t e c o n t r o l 1 引言 用固体炭还原氧化铁鳞， 其获得 的海绵 铁存在着不同程度的氧化现象。海绵铁中含 有少量氧是允许的， 因为在铁粉退火时， 其中 含有的少量氧可以同铁粉中的碳作用 ， 生成 C O、 C O 2 而溢出， 从而达到降低铁粉含碳量 的目的， 但是， 海绵铁的严重氧化将使铁粉的 含氧量过高， 从而将导致铁粉的压缩性降低， 致使压制压力提高 ， 缩短模具 的使用 寿命。 同时， 压制出的压坯也易出现裂纹、 掉角等现 象。在烧结过程中， 铁粉的含氧量过高， 将使 烧结体严重脱碳 ， 进而影响产品性能。因此， 海绵铁的严重氧化将直接影响着铁基粉末冶 金产品的品质。解决海绵铁的严重氧化问题 是非常重要的[ 。 2 海绵铁严重氧化现象调查 原料铁鳞、 还原剂焦末与脱硫剂石灰石 以“ 环装法” 方式装入 S i C罐窑车， 经高炉煤 气隧道窑预热 、 烧成 、 冷却 ， 制得还原铁粉的 中间产品海绵铁 。在还原过程 中， 由于 各种原因， 海绵铁氧化现象一直较为严重 ， 单 以海绵铁头部氧化部分为例， 其长度一般为 作者简介 吕学进 ， 高级工程师， 主要从事企业管理、 技术管理工作。 第 5 期 S i c h u a n Me t a l l u r g y 1 0 0 mm - 2 0 0 m m， 以单根海绵铁 7 5 k g计算， 海 绵 铁 头 部 氧 化 1 0 0 mm～ 2 0 0 mm， 质 量 5 k g - - - 1 0 k g ， 整车质量损失 1 0 0 k g - - 2 0 0 k g ， 每 月产 量 损 失 7 2 0 0 0 k g～ 1 4 4 o o o k g 7 2 t ～ 1 4 4 t 。氧化的海绵铁表面呈蓝色或褐色， 主 要 化 学 成 分 9 ／ 6 F e 9 5 ． 0 ～ 9 6 ． 5 0 C 0 ． i 0 - ． 0 ． 1 5 H 2 ． 8 O ～ 3 ． 5 O ， 主要部位在 头部氧化、 S iC罐结合部 氧化两方面。正常 情况下， 海绵铁氧化头在一次粉破碎 时必须 去除， 以消除对一次粉质量的影响。 3 海绵铁氧化原因分析 海绵铁氧化是一个综合而复杂的过程， 可能造成氧化的原因包括 装车原料铁鳞、 焦 末石灰石成分 ， 装车工艺 ， 烧成工艺 ， 进车工 艺 ， 窑炉性能等方面。下面我们就各种因素 逐一分析 。 3 ． 1 原料 因素 装车原料铁鳞、 焦末石灰石的原料成分以 及破碎粒度和水分含量对海绵铁的还原质量影 响很大， 还原工艺要求装车原料必须质量稳定， 这样生成的海绵铁质量才能相对稳定。采用热 轧铁鳞作原料和焦化厂副产品焦末作还原剂的 厂家， 在进厂原料成分控制上， 选择铁鳞原料成 分 T F e 稳定在 7 O 以上， 焦末 V I 一4 ． 4 8 ， A I 一 1 4 ． 3 8 ， C f 8 0 ． 1 2 左右且质量稳定的原料， 即能 f c - 生产海绵铁的原料要求， 装车原料成分原 因可以排除； 装车原料铁鳞大多系中宽带高压 水除鳞产生、 焦末系焦炭水熄焦产生， 且进厂后 露天存放， 受天气 因素影响大， 因此， 原料水分 含量极不均匀。装车原料水分含量的不稳定， 在升温过程 中， 水分蒸发成蒸汽与炽热的碳发 生水煤气反应， 若原料含有少量水分时， 反应产 生的 H 2 与水气对铁鳞还原起到催化加速作用， 但还原过程中存在着过量的水分是有害的， 水 气不能与 C或 C O生成大量的可作为氧化铁还 原剂的 H 2 ， 从而影响了反应速度。在备料工序 使用 自 动称重皮带秤加铁鳞烘干机和焦末烘干 机的生产方式， 较好地解决了装车原料水分含 量不均问题， 达到了装车铁鳞水分≤1 、 焦末 水分≤3 的工艺要求， 装车原料水分原因可以 排除； 同时备料工序的焦末破碎机和铁鳞球磨 机等装置， 经实践检验也达到了装车原料铁鳞 粒度--4 0目≥6 0 ， 焦末破碎粒度3 mm的工 艺要求。通过在烘干前加装料仓和斜皮带传送 装置， 采用新焦末 废焦末一8 1 ， 新废焦末 石灰石一4 1 体积比 的工艺配比， 用搅拌机 搅拌均匀后打人烘干前料仓的工艺操作模式， 较圆满地解决了焦末、 石灰石料粉不均匀的问 题。综上， 可以确定装车原料不是造成海绵铁 氧化的主要原因。 3 ． 2 装车环节 包括装车工艺和 S i C罐组罐方式两个方 面。采用先铺底焦末 2 0 mm并碾平， 然后分 别装入铁鳞、 焦末， 最后用焦末封口的环装法 装车工艺， 此种装车方法具有操作简单 ， 易于 掌握， 装车时间短的特点， 适合工业化生产要 求， 是成熟稳定、 效率高的装车方式 ， 且装车 人员大都为一年以上的熟练工人 ， 可以排除 装车方法是导致海绵铁氧化的原因。从海绵 铁头部氧化严重的现象来看， S i C罐封 口料 选择及封 口方法不 当， 造成焦末烧损严重应 是造成海绵铁氧化的主要原因之一。采用每 车 2 O 组罐， 每组 4 个 4 0 0 m m4 0 0 m r r l 罐体 的组车模式， 罐体之间密封不良， 使窑内氧与 罐内铁结合 ， 也是造成海绵铁氧化的主要原 因之一 。 3 ． 3 窑炉；陛能及还原工艺因素 从窑炉结构来看， 隧道窑分预热带 、 还原 带、 冷却带三个部分， 还原工艺要求还原过程 要在密封情况下进行 ， 预热带温度应从窑头 逐步升高 ， 还原完毕后迅速冷却， 防止重新氧 化。窑头温度不 宜超过 5 0 0 ℃， 否则 易出现 进窑窑车 S i C罐急热炸裂导致倒罐事故 ， 并 且在温度低于 5 7 0 ℃时， 还原反应主要体 现在 1 口 F e 3 0 4 c 一寻F e c O， △H 2 9 8 ‘ 一1 6 7 ． 6 7 0 KJ 同时， 由于氧化亚铁 F e O 不能稳定存 四J t f 冶金 第 3 6卷 在， 因此， F e 。 o 4 直接还原成金属铁 Fe 3 O4 4 CO一 3 F e 4 CO2 ， △ H2 9 8 一一1 7 ． 1 6 3 KJ 当温 度 高 于 5 7 0 ℃， 反 应 按 下 述 过 程 进行 3 Fe 2 O3 CO一2 Fe 3 04 CO2 ， △ H2 9 8 一一6 2 ． 9 9 9 KJ F e 3 O4 CO3 Fe OCO2 ， △ H2 9 8 2 2 ． 3 9 5 KJ Fe OCO F e COz ， △ H2 9 8 一 一 1 3 ． 6 0 5 KJ 固体碳能直接还原铁的氧化物 3 F e 2 O3 C一 2 Fe 3 04 CO， △ H2 9 8 1 0 8 ． 9 1 KJ F e 3 O 4 C3 F e OC O， △ H2 9 8 1 9 4 ． 2 6 KJ Fe O CFe CO， △ H2 9 8 1 5 8 ． 2 8 KJ E 3 但因固体与 固体之间的接触面很有限， 因而固一固反应速度慢 ， 隧道窑窑车罐体 内 有过剩 固体碳存在， C C O z 一2 C O的反应 总在进行 ， 在 1 0 0 0 ℃以上时， 反应剧烈， 还原 剂减少 即所谓的烧损 ， 罐顶密封性变差， 使 海绵铁尤其是海绵铁顶部氧化， 在冷却段 ， 还 原罐温度从 1 0 5 0 ℃降至 7 1 0 ℃以上时， 由于 气相是还原性气氛， 罐中海绵铁不致被氧化 ， 当还原罐温度降至 7 1 0 ℃以下时， 罐 中碳的 气化反应虽仍存在， 但气相 中 C O含量 已低 于 F e O还原反应平衡时 C O的含量， 于是， 海 绵铁的氧化作用必然发生， 原来的还原性气 氛已转变为氧化性气氛。但是 ， 假如降温速 度较快， 即使温度降至 7 1 o C以下， 罐中气氛 将不完全沿着碳的气化反应平衡曲线下降， 致使罐 内C O 2 含量较少而 C O含量仍高于此 时 F e O还原反应平衡时的 C O含量， 在此情 况下， 将不足以造成海绵铁 的氧化。若降温 速度较慢 ， 罐 内气氛沿着碳气化反应的平衡 曲线而下降， 于是 ， 碳 的气化反应逆 向移动， 将导致气相体积缩小， 同时， 随着温度的不断 下降， 罐 内气体因冷却也将收缩， 还原罐内将 会出现负压， 空气必将趁机而人 ， 使刚还原好 的新鲜活化 的海绵铁 由表及里地相继被氧 化。具 体 体 现 在 窑车 出窑 温 度 不 超 过 1 0 0 。C， 但在 实 际检测 中， 出窑 窑 车温 度在 2 0 0 ℃左右 ， 因此， 冷却带冷却速度过慢也是 海绵铁氧化的主要原因之一。隧道窑冷却段 由薄壁冷却、 水箱冷却、 风箱冷却和风直冷组 成， 其中， 水箱冷却是降低窑车温度的最重要 方式。 综上所述， S iC罐封 口料选择及封 口方 法不当， 罐体之间密封不良， 冷却带冷却速度 过慢是造成海绵铁氧化的主要原因。 4 改进措施 4 ． 1 改善还原罐体连接密封 将用于 S i C罐体密封的耐火泥， 做对比 试验 试验一 将耐火泥用水在池 内浸泡 2 4小 时， 然后用于 S i C罐体间密封， 在 1 窑 4 6 窑 车做实验 ， 经预热、 还原、 冷却工艺， 在三天的 还原过程中， 有几列密封泥脱落， 由于罐体密 封不良， 造成部分海绵铁氧化。 试验二 将耐火泥用工业玻璃水 以 1 3 的比例配比， 然后在池内浸泡 2 4小时， 然后 用于罐体 间密封， 在 2 窑 7 8 窑车试验， 经 预热、 还原、 冷却工艺， 在三天的还原过程 中， 密封泥无脱落现象， 整车海绵铁无氧化现象 。 通过对 比试验 ， 在耐火泥中加入相应 的 玻璃水 ， 对 S i C罐起到了良好的密封效果， 主 要意图是在耐火泥中加入玻璃水 ， 提高耐火 泥的粘结性 ， 在烧制过程 中， 提高了 S i C罐与 耐火泥的粘合度， 使密封泥在高温过程 中不 易脱落， 有效解决了因罐体密封不良造成的 海绵铁体氧化 。 4 ． 2 改善还原罐 口密封性 做如下对比试验 选取一组待装窑车 中 4 排罐子， 每排用 不同封 口料封 口， 出窑后测量氧化头长度， 结 果如下 第 5期 S i c h u a n Me t a l l u r g y 表 1 出窑海绵铁氧化头测量表 序号 封口料 操作 氧 c m 试验证明， 用废焦末与黄土 1 1 混合加 少量水拌匀所烧成 的海绵铁氧化头最短 ， 同 时， 使用该种封 口料 ， 使密封性增强 ， 更符合 海绵铁还原工艺要求。 4 ． 3 改善水冷箱循环性 隧道窑用水采用循环水 ， 原水及补充水 为硬质新水 ， 一次粉系统、 二次还原系统 、 压 缩空气系统与其风机和水箱等多个系统共用 循环水池作为冷却水水源。硬质新水在加热 至 6 O 。C - - 7 0 。C以上时结垢严重 ， 水垢在冷却 器、 回水管内结圈、 积存， 使冷却效果变差， 进 回水流量变小 。经检测 ， 隧道窑水箱 的出水 温度最高 ， 达到 8 5 ℃～9 0 ℃， 经此水箱冷却 的出窑海绵铁氧化现象频繁并导致粉末冷却 水系统水温升高 ， 威胁其他系统的产 品质量 和设备安全 。 改进措施 1 在原循环水池一侧新建循 环水池一座 ， 用 于一次粉系统、 二次还原 系 统、 压缩空气系统的冷却水循环， 原水池专供 隧道窑 ， 以避免 隧道窑水箱对其他冷却水系 统的影响； 2 将窑炉水箱 由 3 mX 2 节结构改 造为 2 ． 5 m3节 结构 ， 增 大水箱 的换热 面 积 ， 同 时将 每 座 水 箱 进 出水 流 量 设 计 为 5 0 m。 ／ h ， 实现水箱冷却水 的大流量、 高流速 循环， 达到工艺要求进水箱温度≤3 0 C， 水箱 出口温度≤6 5 ℃， 以杜绝或减慢水箱结垢速 度的 目 标E 引。 5 实施效果检验 1 统计 2 0 1 4 年 3 月～5 月与 2 0 1 3 年同 期海绵铁氧化头长度对比如下 2 5 2 0 1 5 1 O 5 O 图 I 海绵铁氧化头长度对比图 2 对 2 0 1 4 年 3 月- - - 5 月与 2 0 1 3 年同期 海绵铁氧化部分 氧化头与罐体结合部 氧化 对海绵铁造成的产量损失统计如下 通过以上效果图， 可以得出， 该项改造达 到并超过了海绵铁氧化头≤ l O c m， 氧化造成 质量损失≤5 0 t ／ 月的预期 目的， 取得了理想 的效果 。 1 5 0 1 0 0 5 O 5 图 2 海绵铁氧化损失产量统计图 6 结语 通过对造成海绵铁氧化的原因进行了深 人的研究 ， 利用排除法找 出了导致海绵铁氧 化的主要原因， 并逐条进行了相应的改造， 经 过分析、 对 比， 该项改造达到并超过了预期 目 的， 取得 了良好 的效果， 为生产成分稳定 、 质 量优 良的还原铁粉奠定 了坚实基础。同时也 看到， 海绵铁氧化现象依然存在， 在今后的工 作中， 将进一步强化生产过程质量控制， 继续 降低海绵铁氧化 ， 提高产品质量。 参考文献 E 1 ] 崔建民， 李松林， 袁勇． 钢铁粉末[ M] ． 长沙 中 南大学出版社 ， 2 0 1 2 4 5 ． E 2 ] 黄培云． 粉末冶金原理 第 2 版 [ M] ． 北京 冶 金工业 出版社 ， 1 9 9 7 2 4 2 6 ． i- 3 1 吕学进， 王道伟， 等． 隧道窑拱顶式快速冷却 安全水箱 中国， Z I 2 0 1 3 2 0 2 5 1 9 2 3 ． 5 E P ] ． 2 0 1 4