铁矿粉和煤粉复合等温还原

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1995.05.013 第17卷第5期 北京科技大学学报 Vol.17 No.5 199510 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct1995 铁矿粉和煤粉复合等温还原* 傅念新张圣弼 北京科技大学理化系，北京100083 摘要通过铁矿粉和煤粉复合圆柱试样在1100~1250℃等温还原，研究了还原温度、还原时间 和W爆。/W,。比对还原度的影响，确定了适宜配煤量，用积分法计算了不同还原阶段的表观活 化能，通过化学分析和电镜观察，检查了试样沿直径方向的还原均匀程度. 关键词直接还原，还原度、，铁矿石 中图分类号T559 Isothermal Reduction for Composites of Iron Ore Fines and Coal Fines" Fu Nianxin Zhang Shengbi Department of Physical Chemistry,USTB,Beijing 100083.PRC ABSTRACT A composite cylindrical column of iron ore fines and coal fines was re- duced isothermally at 11001250c.The effects of temperature,time and WW 'ratio on degree of reduction were studied and suitable additions of coal fines were deter- mined.Activation energy values of the redution at different levels of fracational reac- tion were calculated with the help of an integration method.The reduction homogeneity of the composite cylindrical column in the radial directions were examined by chemical analysis and SEM observation. KEY WORDS direct redution,degree of reduction,iron ore 我国电弧炉炼钢所需的废钢供应不稳定，满足不了电弧炉炼钢增长幅度，此外，随着废钢 循环使用次数的增加，一些有色金属杂质元素不断富集，影响钢材质量.直接还原铁具有较高 的含铁量、低的含碳量，因而成为废钢的理想代用品.采用固体碳作还原剂，与铁精矿粉或含 铁氧化物的冶金废料混合，生产直接还原铁，已经具有一定工业生产规模，相关的基础研究也 有较多报导Ⅱ~列然而，普通铁精矿粉含脉石较多(>7%)，普通煤粉含灰分较多(>15%以两 者混合体系还原产物的含铁品位较低，脉石含量较高(>10%~15%)不能满足炼钢电炉对直 接还原铁质量要求，因此有必要研究铁精矿粉和煤粉非混合体系的还原规律，为提高直接还 原铁产品质量寻找可行途径. 195-01-11收稿第一作者男34岁博士 *国家教委博士点基金资助项目

第 卷 第 期 北 京 科 技 大 学 学 报 姚 年 月 正 沈 生珍 铁矿粉和 煤粉复合等温还原 ’ 傅念新 张 圣 弼 北 京科技大学理 化系 ， 北京 侧洲〕 摘要 通过铁矿粉和 煤粉复合圆柱试样在 一 夕〕 ℃ 等温还原 ， 研究 了还原温度 、 还原时间 和 煤 。 矿 粉 比对还 原度的影 响 ， 确定 了适宜配煤量 用积分法计算了不 同还 原 阶段 的表 观 活 化能 通过化学分析和 电镜观察 ， 检查 了 试样沿直径方 向的还原均匀程度 关健词 直接还 原 ， 还 原度 ， 铁矿石 中图分类号 哪 ’ 凡 必 飞 ， ， ， 一 ， 而 而 】万 众犯 耐 ， ， 我 国 电弧 炉炼钢 所需 的废 钢供 应不稳 定 ， 满 足 不 了 电弧炉炼 钢 增 长 幅 度 此 外 ， 随着 废 钢 循 环使 用 次数 的增 加 ， 一 些有 色金 属 杂 质元 素不 断 富集 ， 影 响钢材 质量 直 接 还 原 铁 具 有 较 高 的含 铁量 、 低 的含碳 量 ， 因而 成 为废钢 的理 想 代 用 品 采 用 固 体 碳 作 还 原 剂 ， 与 铁 精 矿 粉 或 含 铁氧化物 的冶 金 废料 混合 ， 生产直 接还 原铁 ， 已 经具有 一 定工 业生产规模 ， 相 关 的 基 础 研 究 也 有较多报导 〔 ’ 一 ’ 然 而 ， 普通铁精 矿 粉含脉 石 较 多 ， 普通煤粉含灰分较多 ， 两 者混合体系还 原产物 的含铁品位较低 ， 脉 石含量 较高 一 不 能满足炼钢 电炉 对直 接还 原铁质量要 求 因此有必 要研究 铁精矿粉 和 煤 粉 非 混 合 体 系 的还 原 规 律 ， 为提 高 直 接 还 原铁产 品质量 寻 找可 行途径 卯 一 一 收稿 第一 作 者 男 岁 博士 国家教委博士 点基金 资助 项 目 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1995．05．013

Vol.17 No.5 傅念新等：铁矿粉和煤粉复合等温还原 465. 1试验方法 1.1试样制备 铁矿粉选用舞阳钢铁公司提供的轧钢氧化铁皮，还原剂选用平顶山无烟煤粉，氧化铁皮 成分(%)：TFe-73.19;Fe0-58.40;Si02-0.76;A1,03-0.029;Ca0-0.55;Mg0-1.44 S-0.077;P-0.014.无烟煤成分(%)：固定碳-68.5；灰分-15.42；挥发分-9.83：水分 -6.25.氧化铁皮和煤粉分别在球磨机内干磨至-160+200月，粘结剂采用有机粘结剂C.氧 化铁皮和煤粉的堆密度分别为3.53g/cm和1.42g/cm. 将铁矿粉和煤粉分别加入2%有机粘结剂C和 适量水，按W翰/Wr粉比为0.4混碾均匀.以20MP 压力压制铁矿粉和煤粉复合圆柱试样，如图1所 示.试样于烘干箱中干燥4h,温度180℃.测得试 样千态抗压强度为0.95MPa. 矿中0 1.2还原试验 -中40 将试样用钼丝篮吊于管式炉内上部低温区·炉 气成分为50%C0和50%C02的混合气体，总流量 为l50 ml/min.在通人混合气体的同时，还原炉开始 升温，当恒温带温度达到预定的还原温度1100~ 1250℃时，测定试样预热温度为400~520℃， 此时将试样直接置于恒温区，还原开始，还原反应图1复合圆柱试样及化学分析取样示意图 进行20~50min后，迅速将试样提升到炉管上部低 1~5取样层号 温区随炉冷却，到约300℃以下时，取出试样.在试样指定部位取样（见图1），进行化学 分析，分析全铁含量和金属铁含量，并计算还原度和金属化率，用扫描电镜观察试样不同 部位的微观结构，确定试样沿径向的还原均匀程度. 2试验结果与分析 2.1适宜配煤量的确定 按不同煤粉量与矿粉量的比值(W粉/Wr翰)制备试样，在温度为1250℃下还原 40min,试样的还原度与W煤粉/Wr粉比值的关系见图2.由图2可以看出，W粉/Wg比在 0.1~0.4之间，还原度随之逐渐增加.当W/W。粉比为0.1时，由于碳不足还原度很 低，只有当配碳量比化学计量有一定过量的情况下，还原度才能大幅度提高·这是由于碳量 足够，加上煤粉中含有较多的烃类挥发物，对还原的进行极为有利.所以当W爆翰Wg粉比为 0.4时，还原度可达到0.93.该比值继续增加，还原度不再有明显的提高，可以确定适宜的 配煤量应该选择W媒翰/W粉比为0.4

傅念新等 铁矿 粉 和 煤粉 复合等温还 原 · · 试验方法 试样制 备 铁矿 粉 选 用 舞 阳钢铁公 司提供 的轧钢 氧 化铁 皮 ， 还 原 剂 选 用平 顶 山 无烟煤 粉 氧化铁皮 成 分 一 一 一 一 一 一 一 一 无 烟 煤 成 分 固 定 碳 一 灰 分 一 一 挥 发 分 一 水 分 一 氧化铁皮 和煤粉分别 在球磨 机 内干磨 至 一 目 ， 粘结 剂采 用有 机 粘结 剂 氧 化铁皮 和 煤 粉 的堆 密度分别 为 〕 和 飞 将铁矿 粉和 煤 粉 分 别 加 人 有 机 粘 结 剂 和 适量 水 ， 按 煤粉 呱 粉 比为 混碾均匀 以 压 力 压 制 铁 矿 粉 和 煤 粉 复 合 圆 柱 试 样 ， 如 图 所 示 试样 于 烘干箱 中于燥 ， 温度 ℃ 测 得 试 样 干态抗 压 强 度 为 还 原试验 之毛 八 冬泛 二兰 如 将 试 样 用 钥 丝 篮 吊于 管 式 炉 内上 部 低 温 区 炉 气成分 为 和 。 的混合气体 ， 总 流 量 为 师 在 通 入 混合气体的 同时 ， 还 原 炉 开 始 升 温 ， 当恒 温 带 温 度 达 到 预 定 的 还 原 温 度 一 ℃ 时 ， 测 定 试 样 预 热 温 度 为 一 ℃ ， 此 时将 试 样 直 接 置 于 恒 温 区 ， 还 原 开 始 还 原 反 应 图 复合圆柱试样及化学分析取样示 意图 进行 一 而 后 ， 迅 速将试样提 升到 炉 管上 部 低 一 取样层号 温 区 随炉冷 却 ， 到 约 ℃ 以 下 时 ， 取 出试样 在 试样 指 定 部 位 取 样 见 图 ， 进 行 化 学 分 析 ， 分 析全铁含量 和 金 属铁含量 ， 并计算 还 原 度和金 属化率 用扫描 电镜观 察试 样 不 同 部位 的微观 结构 ， 确 定试样 沿 径 向的还 原均 匀程 度 试验结果 与分析 适宜配煤量 的确 定 按 不 同煤 粉 量 与 矿 粉 量 的 比值 煤 粉 叽 粉 制 备 试 样 ， 在 温 度 为 ℃ 下 还 原 ， 试样 的还 原 度 与 叽 粉 矿 粉 比值 的关 系见 图 由图 可 以 看 出 ， 叽 粉 矿 粉 比 在 一 之 间 ， 还 原度 随之 逐 渐 增加 当 叽 粉 叽 粉 比为 时 ， 由于 碳 不 足 还 原 度 很 低 只有 当配碳量 比化学计量 有 一 定过量 的情 况下 ， 还 原度 才能大 幅度提 高 这是 由于碳量 足够 ， 加上煤粉 中含有较 多 的烃类 挥 发物 ， 对还 原 的进 行极 为有利 所 以 当 叽 粉 矿 粉 比为 时 ， 还 原度 可 达到 该 比值 继续增 加 ， 还 原度 不 再 有 明 显 的提 高 ， 可 以 确 定 适 宜 的 配煤量 应该 选 择 呱 粉 岭 粉 比为

466 北京科技大学学报 1995年No.5 2.2还原温度和时间对还原度的影响 还原试验的温度分别为1100,1150,1200和1250℃，试验结果如图3所示，由图3可 见，还原度随还原温度的提高而提高，在1100℃时，即使还原时间达到50mi以上，还 原仍然没有进行彻底，最大还原度仅为0.63；而在1250℃时，还原时间20mi时，还原度 可达0.93.由此可见，还原温度越高，还原速度就越快.已有的研究结果5~刀都认为碳的 气化反应是铁氧化物还原反应的控速环节，而碳的气化反应恰好依赖于高温条件才能快速进 行，所以温度越高，还原反应速度越快， 1.0r 1.U 0.8 0.8 0.6 0.4 .01250t 0.6h ●120r o1150℃ 0.2 o110t 0.4L 00 0.00.10.2030.40.50.60.7 0 1020 3040S06070 W量/W,要 图2W标/W。比与还原的关系 图3不同温度下还源度与时间的关系 还原速度与温度的关系可以用下式表示： dx/dt=k·F(x) (1) 式中，F(a):还原度的函数，k:速度常数，sl.应用Arrhenius公式，k=A·exp(-E/RT, 其中，A,频率因子，s;E,表观活化能，kJ/mol;R,气体常数，8.314J/mol·K; T,绝对温度，K.将式(1)写成积分形式： do dt=- (2) A·exp(-E/RT) F() 由(2)式可知，对于一定的x值，令 B= F(a) 则有还原时间： t=B·exp(E/RT/A (3) 与之对应，B为常数，t表示在一定温度下达到一定的还原度x值所需时间，由式(3)可 知，t与温度倒数之间的关系为直线关系，通过求直线的斜率，即可求出表观活化能E 值，由图3可以得到在不同温度下达到不同还原度所需的时间，从而可以得到lt,与温度倒 数的关系，如图4所示.根据图4求出各直线的斜率，即得到不同还原阶段表观活化能，见 表1.结果表明，表观活化能没有明显的变化趋势，基本为同一数量级·

北 京 科 技 大 学 学 报 年 还原 温度和 时 间对还原 度 的影 响 还原试验 的温度分别 为 ， 巧 ， 和 ℃ ， 试验 结 果 如 图 所示 ， 由图 可 见 ， 还 原度 随还 原温度 的提 高 而 提 高 ， 在 ℃ 时 ， 即使 还 原 时 间 达 到 刀 以 上 ， 还 原仍然 没有 进行 彻底 ， 最大还 原度仅 为 而 在 ℃ 时 ， 还 原 时 间 时 ， 还原 度 可 达 由此可 见 ， 还 原温度越 高 ， 还 原 速度就越快 已 有 的研 究 结 果 一 ’ 都认 为碳 的 气化反 应是 铁氧 化物还原反 应 的控速环节 ， 而碳 的气化反 应恰好依赖于 高温条件才能快速进 行 ， 所 以 温 度越 高 ， 还 原反 应速度越快 熟脚夕 丫邢 鹭出划 ， 侧鹭日 岭 阵 ， 图 ，粉 矿粉 比与还原 的关系 还 原速 度 与 温度 的关 系可 以 用下式表示 式 中 ， 幻 还 原度 的 函 数 ， 速度 常数 ， 一 ’ 其 中 ， ， 频 率 因 子 ， 一 ’ ， 表 观 活 化 能 ， ， 绝 对 温 度 ， 将 式 写 成 积 分 形 式 图 不 同温度下还原 度与时间的关系 · 应 用 公 式 ， 二 · 一 乃 ， ， 气 体 常 数 ， · 通 · 一 刀 令 〔卫生 以 产 厂阮 由 式 可 知 ， 对于 一 定 的 值 ， 厂 万 二 一 二二了二， 户 仪 则有 还 原 时 间 · 与之 对应 ， 为 常数 ， 。 表示 在 一定 温度下 达到 一 定 的还 原 度 值 所 需 时 间 由式 可 知 ， 与温 度倒 数 之 间 的 关 系 为直 线 关 系 ， 通 过 求直 线 的斜 率 ， 即可 求 出表观 活 化能 值 由图 可 以 得到 在 不 同温 度下 达到 不 同还 原 度所需 的 时 间 ， 从 而 可 以得 到 与 温 度 倒 数 的关系 ， 如 图 所示 根 据 图 求 出各直 线 的斜 率 ， 即得到 不 同还 原 阶段 表观 活化 能 ， 见 表 结果表 明 ， 表 观 活 化能没有 明显 的变化趋 势 ， 基本 为 同一 数量级

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北 京 科 技 大 学 学 报 年 还原 温度和 时 间对还原 度 的影 响 还原试验 的温度分别 为 ， 巧 ， 和 ℃ ， 试验 结 果 如 图 所示 ， 由图 可 见 ， 还 原度 随还 原温度 的提 高 而 提 高 ， 在 ℃ 时 ， 即使 还 原 时 间 达 到 刀 以 上 ， 还 原仍然 没有 进行 彻底 ， 最大还 原度仅 为 而 在 ℃ 时 ， 还 原 时 间 时 ， 还原 度 可 达 由此可 见 ， 还 原温度越 高 ， 还 原 速度就越快 已 有 的研 究 结 果 一 ’ 都认 为碳 的 气化反 应是 铁氧 化物还原反 应 的控速环节 ， 而碳 的气化反 应恰好依赖于 高温条件才能快速进 行 ， 所 以 温 度越 高 ， 还 原反 应速度越快 熟脚夕 丫邢 鹭出划 ， 侧鹭日 岭 阵 ， 图 ，粉 矿粉 比与还原 的关系 还 原速 度 与 温度 的关 系可 以 用下式表示 式 中 ， 幻 还 原度 的 函 数 ， 速度 常数 ， 一 ’ 其 中 ， ， 频 率 因 子 ， 一 ’ ， 表 观 活 化 能 ， ， 绝 对 温 度 ， 将 式 写 成 积 分 形 式 图 不 同温度下还原 度与时间的关系 · 应 用 公 式 ， 二 · 一 乃 ， ， 气 体 常 数 ， · 通 · 一 刀 令 〔卫生 以 产 厂阮 由 式 可 知 ， 对于 一 定 的 值 ， 厂 万 二 一 二二了二， 户 仪 则有 还 原 时 间 · 与之 对应 ， 为 常数 ， 。 表示 在 一定 温度下 达到 一 定 的还 原 度 值 所 需 时 间 由式 可 知 ， 与温 度倒 数 之 间 的 关 系 为直 线 关 系 ， 通 过 求直 线 的斜 率 ， 即可 求 出表观 活 化能 值 由图 可 以 得到 在 不 同温 度下 达到 不 同还 原 度所需 的 时 间 ， 从 而 可 以得 到 与 温 度 倒 数 的关系 ， 如 图 所示 根 据 图 求 出各直 线 的斜 率 ， 即得到 不 同还 原 阶段 表观 活化 能 ， 见 表 结果表 明 ， 表 观 活 化能没有 明显 的变化趋 势 ， 基本 为 同一 数量级

·468· 北京科技大学学报 1995年No.5 3结论 (1)采用的氧化铁皮和无烟煤粉情况下，W/W比为0.4是适宜的配煤量. (2)化学分析和显微组织观察均表明，在1250℃温度下还原50min,复合圆柱试样可 以完全还原，沿直径方向还原度趋于均匀· 参考文献 I Bryk C,Lu W K.Reduction Phenomena in Composites of Iron Ore Concentrates and Coals. Ironmaking and Steelmaking,1986.13(2):70~75 2 Sajal Kumar DEY.Kinetics and Reduction Characteristics of Hematite-noncoking Coal Mixed Pellets under Nitrogen Gas Atmosphere.ISIJ International,1993,33(7):735~739 3 Sharma T.Reduction of Iron Ore Fines with Coal Fines.Ironmaking and Steelmaking,1993, 20(5:362-365 4傅念新，高运明，张圣弼，用化学分析法研究复合球团还原动力学，见：全国冶金物理化学学术 会议.冶金过程物理化学学会，广州，1994.273~279 5 Mookher Jee S.Isothermal Reduction of Iron Ore Fines Surrounded by Coal or Char Fines. Ironmaking and Steelmaking.1986,13(5):229~235 6 Rao Y K.The Kinetics of Reduction of Hematite by Carbon.Met Trans,1971,2(5): 1439-1447 7 Abraham M C.Kinetics of Reduction of Iron Oxide by Carbon.Ironmaking and Steelmaking, 1979,6(1:14-23 ◇⊙t今令◇⊙⊙⊙⊙⊙⊙令⊙令令⊙令⊙点⊙⊙令⊙⊙⊙⊙⊙⊙众令◇⊙令⊙⊙ (上接463页) 参考文献 1涂序彦.人工智能及其应用，北京：电子工业出版社，1988 2黄可鸣，专家系统，南京：南人学出版社，1991 3涂序彦.智能管理系统的研究设计与开发.北京科技人学学报.92（传辑6）：】~1山 4涂序彦，李秀山等，LSESS:大型专家系统开发工具，见：第一届全球华人智能控制与智能自动化大会 论文集（上卷）.北京：科学出版杜，1993

北 京 科 技 大 学 学 报 年 结论 采 用 的氧 化铁皮 和 无烟 煤 粉情 况下 ， 煤粉 矿 粉 比为 是 适宜 的配煤量 化学分 析和 显微组 织观察均 表 明 ， 在 ℃ 温度下 还 原 ， 复 合 圆柱 试 样 可 以完 全还 原 ， 沿直径 方 向还 原度趋 于 均 匀 参 考 文 献 ， ， ， 一 一 ， ， 一 ， ， 一 傅 念 新 ， 高 运 明 ， 张 圣 弼 用 化 学 分析 法 研 究 复 合球 团还 原 动力 学 见 全 国 冶金 物理 化学 学 术 会 议 冶 金 过 程 物 理 化 学 学 会 ， 广 州 ， 一 ， ， 一 ， ， 一 ， ， 一 上 接 页 参 考 文 献 涂序彦 人工 智能 及 其应 用 北 京 电子 工 业 出 版社 ， 黄可 鸣 专家 系 统 南 京 东南人 学 出版社 ， 涂序彦 智能管理 系 统 的研究设计 与开 发 北 京科技大学 学报 卯 传 辑 一 涂序 彦 李秀 山等 此 二大型专家系统开 发工具 见 第 一 届 全球 华 人 智 能 控 制 与 智 能 自动 化 大 会 论文集 上 卷 北 京 科 学 出 版社