超细赤铁矿粉非熔态还原实验研究

D0110.13374/i.issnl001053x.2010.11.07 第32卷第11期 北京科技大学学报 Vo32N911 2010年11月 Journal ofUniversity of Science and Technobgy Bejjing Noy 2010 超细赤铁矿粉非熔态还原实验研究 李士琦》李瑾12) 高金涛”谷林1)侯娜娜) 陈代明)赵 传) 1)北京科技大学治金与生态工程学院，北京1000832)北京市环境保护科学院，北京100037 3)中国投资协会，北京100037 摘要研究了平均粒度为2rm的超细赤铁矿粉和粒度分布为Q18~Q154m的常规细矿粉在非熔态下的还原情况.以 矿粉的还原度为目标，用改造后的【6(2“)正交表安排4×2次试验，以排除还原气氛，还原温度和还原时间等因素的干扰. 结果表明，在纯H,100%QO两种气氛下，温度为650~850℃时，均能实现不同程度F9Q→F的还原，与常规粒度矿粉相 比，超细矿粉的还原度较高，获得相同还原度时所需的还原温度约低365℃.试验中，各因子之间均无相关性，可分别估计其 定量的影响，建立线性回归式。超细赤铁矿粉非熔态还原后的粒度分布观察表明，颗粒间并未发生烧结，还原产物仍为粉状. 关键词赤铁矿：还原：正交试验：线性回归 分类号TF5331 Experm ental study on reducton of ultrafine hematite powder at nonmolten state LI Shiqi L.I Jin 2)GAO Jin to GU Lin 3 HOU Na_nal)CHEN Daiming ZHAO Chuan) 1)SchoolofMeallugcal and Ecopgical Engmeering University of Science and Technokgy Beijing Beijng 100083 Chna 2)Beijng Acadmy of Enviomenl Prorection Beijng 100037 China 3)The hvest Assoc iation ofChina Beijing100037 China ABSTRACT The reduction degrees of ultra fine hematite powder(the average particle size is2um and conventional hem atite pow der(he range ofparticle size isa 18 p0.154mm)in non molten process were suded Takng the reducton degree of hem atite pow der as a target and accordng p he tanspmed)orhopnal b a seres of4x tmes expermentswere arranged to elmi nate he ntererence of reducton amosphere reduction temperature and reduction tine The resu lts show hat ultra fine hematite pow der can be reduced from Fe(p Fe at different degrees Conpared wih conventional particle sze hematite powder ultra fine hematite powder has a h gher reductpn degree and he reductpn tmpenture required to access he sae reduction degree lowers about365C under the conditpn of650 to850C and pureH or100 CO amosphere There is no comelation amang these actor he quantitative mpact of them can be separatey estinated and his provies a basis pr estab lishing an equaton of linear regress ion for each of them Afer reduction at non molten ste the particle size distribu tion of hematite powder nd icates that inter-particle si erng does not occur and the reduction product is still powdery KEY WORDS hematite reduction orthogonal test linear regress ion 目前，由铁矿石制取生铁的工艺路线是“先还 本研究根据对典型高磷赤铁矿的化学分析和物 原，后熔分”，在高炉炼铁过程中，磷等杂质元素几 相分析结果，提出“超细赤铁矿粉在非熔态下实现 乎全部进入铁熔体，还需在转炉炼钢过程中再氧化 还原”的工艺思想，试图在熔分工序前将铁的氧化 去除”.尽管我国钢铁工业在一定程度上受制于铁 物予以还原，而避免磷、硫等杂质元素在高温熔分过 矿资源，然而仍有大量的赤铁矿资源未能开发利 程中被还原而进入铁熔体 用23 本文研究选用湖北恩施某企业的赤铁矿，使用 收稿日期：2010一05一27 作者简介：李士琦(1942-)，男，教授，顾士，Ema@me1 ust edu cn

第 32卷 第 11期 2010年 11月 北 京 科 技 大 学 学 报 JournalofUniversityofScienceandTechnologyBeijing Vol.32 No.11 Nov.2010 超细赤铁矿粉非熔态还原实验研究 李士琦 1) 李 瑾 1, 2 ) 高金涛 1) 谷 林 1, 3 ) 侯娜娜 1) 陈代明 1) 赵 传 1 ) 1)北京科技大学冶金与生态工程学院, 北京 100083 2)北京市环境保护科学院, 北京 100037 3)中国投资协会, 北京 100037 摘 要 研究了平均粒度为 2 μm的超细赤铁矿粉和粒度分布为 0.18 ～ 0.154 mm的常规细矿粉在非熔态下的还原情况.以 矿粉的还原度为目标, 用改造后的 L16 ( 2 15 )正交表安排 4 ×2 3次试验, 以排除还原气氛、还原温度和还原时间等因素的干扰. 结果表明, 在纯 H2、100% CO两种气氛下, 温度为 650 ～ 850 ℃时, 均能实现不同程度 Fe2O3※Fe的还原, 与常规粒度矿粉相 比, 超细矿粉的还原度较高, 获得相同还原度时所需的还原温度约低 365 ℃.试验中, 各因子之间均无相关性, 可分别估计其 定量的影响, 建立线性回归式.超细赤铁矿粉非熔态还原后的粒度分布观察表明, 颗粒间并未发生烧结, 还原产物仍为粉状. 关键词 赤铁矿;还原;正交试验;线性回归 分类号 TF533.1 Experimentalstudyonreductionofultra-finehematitepowderatnon-molten state LIShi-qi1) , LIJin1, 2) , GAOJin-tao1) , GULin1, 3) , HOUNa-na1) , CHENDai-ming1) , ZHAOChuan1) 1) SchoolofMetallurgicalandEcologicalEngineering, UniversityofScienceandTechnologyBeijing, Beijing100083, China 2) BeijingAcademyofEnvironmentalProtection, Beijing100037, China 3) TheInvestAssociationofChina, Beijing100037, China ABSTRACT Thereductiondegreesofultra-finehematitepowder( theaverageparticlesizeis2μm ) andconventionalhematitepow￾der( therangeofparticlesizeis0.18 to0.154mm) innon-moltenprocesswerestudied.Takingthereductiondegreeofhematitepow￾derasatargetandaccordingtothetransformedL16 ( 2 15 ) orthogonaltable, aseriesof4 ×2 3 timesexperimentswerearrangedtoelimi￾natetheinterferenceofreductionatmosphere, reductiontemperatureandreductiontime.Theresultsshowthatultra-finehematitepow￾dercanbereducedfromFe2O3 toFeatdifferentdegrees.Comparedwithconventionalparticlesizehematitepowder, ultra-finehematite powderhasahigherreductiondegree, andthereductiontemperaturerequiredtoaccessthesamereductiondegreelowersabout365℃ undertheconditionof650 to850℃ andpureH2 or100% COatmosphere.Thereisnocorrelationamongthesefactors, thequantitative impactofthemcanbeseparatelyestimated, andthisprovidesabasisforestablishinganequationoflinearregressionforeachofthem. Afterreductionatnon-moltenstate, theparticlesizedistributionofhematitepowderindicatesthatinter-particlesinteringdoesnotoccur andthereductionproductisstillpowdery. KEYWORDS hematite;reduction;orthogonaltest;linearregression 收稿日期:2010-05-27 作者简介:李士琦 ( 1942— ), 男, 教授, 硕士, E-mail:lishiqi@metall.ustb.edu.cn 目前, 由铁矿石制取生铁的工艺路线是 “先还 原, 后熔分 ”, 在高炉炼铁过程中, 磷等杂质元素几 乎全部进入铁熔体, 还需在转炉炼钢过程中再氧化 去除 [ 1] .尽管我国钢铁工业在一定程度上受制于铁 矿资源, 然而仍有大量的赤铁矿资源未能开发利 用 [ 2 -3] . 本研究根据对典型高磷赤铁矿的化学分析和物 相分析结果, 提出 “超细赤铁矿粉在非熔态下实现 还原 ”的工艺思想, 试图在熔分工序前将铁的氧化 物予以还原, 而避免磷、硫等杂质元素在高温熔分过 程中被还原而进入铁熔体. 本文研究选用湖北恩施某企业的赤铁矿, 使用 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2010.11.007

第11期 李士琦等：超细赤铁矿粉非熔态还原实验研究 ·1413 高速气流深度细磨，在650~850℃和纯H、1009% 氛下升温过程中热重和差热的变化情况，最终测得 C两种气氛下进行非熔态还原实验研究. 不同粒度矿粉中游离水和结晶水的质量分数分别为 1超细赤铁矿粉还原实验 常规细粉3.45%、超细粉3.23%. 1.3还原实验原理 1.1超细赤铁矿粉制备 铁氧化物由高价逐级向低价还原转变的热力学 将湖北恩施赤铁矿样品进行化学分析，主要成 研究结果已为公认【一9.不同温度下的平衡气相成 分（质量分数）为：TFe42.89%,Fe01789%, 分如图2所示7-.可以看出：在纯H或100%C0 P086%,经由粗磨、筛分和烘干后，采用高速气流 的强还原气氛下，在较低温度下均可实现FO→ 磨技术，将0.18~0.154的常规细矿粉磨至超细 FSQ→F),F的转变，在实际过程中影响还原度 粒度，激光衍射散射粒度分布测定情况如图1所示. 的因素主要为动力学因素 可以看出：超细矿粉颗粒平均粒度为2四粒度分 一C0/C0+C0) 布范围为10~10四 Fe -…H/H+H.0) 100 d 710 60 0 8 40 H)d FrO 60 6 Fe0. 20 300500700900110013001500 2 温度℃ 图2不同温度下QH,还原铁氧化物的平衡气相成分图 10 10 10 Fg2 Equilbrim gs composition of iran oxide educed by CO or 粒度m 月atdifrt mperaures 图1超细赤铁矿粉的粒度分布情况(Q为累积分布，为粒度分 布) 铁氧化物还原反应前、后均有气相存在，且气相 Fg 1 Panicle size distrbution of fe grinding hematite powder 分子数不变，其他参加反应的物质皆为纯固态，反应 1.2赤铁矿粉含水量测定 的平衡状态不受系统总压力的影响. 使用WCT一1C型微机差热天平，采用热重分 14还原实验装置 析和差热分析联用的方法（即TG一DTA法），分别 非熔态还原实验采用热重方法测量还原前、后 对0.18~0.154m的常规细粉和平均粒度为2μm 矿粉的失重量，进而计算其还原情况.实验装置如 的超细粉进行了差热分析，得到矿粉在氩气保护气 图3所示，主要包括以下几部分. C0.+C=2C0 一氮气源：2一氢气源：3一二氧化碳气源：4一煤气重整装置：5一流量计：6一电阻炉：7一坩埚：8失重计量仪：9刚玉球 图3铁矿石还原实验装置图 Fg 3 Schem atic diagram of expermenal appara us for iron ore reduction

第 11期 李士琦等:超细赤铁矿粉非熔态还原实验研究 高速气流深度细磨, 在 650 ～ 850 ℃和纯 H2 、100% CO两种气氛下进行非熔态还原实验研究. 1 超细赤铁矿粉还原实验 1.1 超细赤铁矿粉制备 将湖北恩施赤铁矿样品进行化学分析, 主要成 分 ( 质 量 分 数 ) 为 :TFe42.8%, FeO 1.78%, P0.86%, 经由粗磨、筛分和烘干后, 采用高速气流 磨技术, 将 0.18 ～ 0.154 mm的常规细矿粉磨至超细 粒度, 激光衍射散射粒度分布测定情况如图 1所示 . 可以看出:超细矿粉颗粒平均粒度为 2 μm, 粒度分 布范围为 10 2 ～ 10 4 nm. 图 1 超细赤铁矿粉的粒度分布情况 (Q为累积分布, q为粒度分 布) Fig.1 Particlesizedistributionoffinegrindinghematitepowder 1.2 赤铁矿粉含水量测定 使用 WCT-1C型微机差热天平, 采用热重分 析和差热分析联用的方法 (即 TG-DTA法 ), 分别 对 0.18 ～ 0.154 mm的常规细粉和平均粒度为 2 μm 的超细粉进行了差热分析, 得到矿粉在氩气保护气 氛下升温过程中热重和差热的变化情况, 最终测得 不同粒度矿粉中游离水和结晶水的质量分数分别为 常规细粉 3.45%、超细粉 3.23%. 1.3 还原实验原理 铁氧化物由高价逐级向低价还原转变的热力学 研究结果已为公认 [ 4 -6] .不同温度下的平衡气相成 分如图 2所示 [ 7 -8] .可以看出:在纯 H2或 100% CO 的强还原气氛下, 在较低温度下均可实现 Fe2 O3 ※ Fe3O4※FeO※Fe的转变, 在实际过程中影响还原度 的因素主要为动力学因素. 图 2 不同温度下 CO、H2还原铁氧化物的平衡气相成分图 Fig.2 EquilibriumgascompositionofironoxidereducedbyCOor H2 atdifferenttemperatures 铁氧化物还原反应前、后均有气相存在, 且气相 分子数不变, 其他参加反应的物质皆为纯固态, 反应 的平衡状态不受系统总压力的影响. 1.4 还原实验装置 非熔态还原实验采用热重方法测量还原前、后 矿粉的失重量, 进而计算其还原情况 .实验装置如 图 3所示, 主要包括以下几部分. 1—氮气源;2—氢气源;3—二氧化碳气源;4—煤气重整装置;5—流量计;6—电阻炉;7—坩埚;8—失重计量仪;9—刚玉球 图 3 铁矿石还原实验装置图 Fig.3 Schematicdiagramofexperimentalapparatusforironorereduction · 1413·

。1414 北京科技大学学报 第32卷 (1)气源：氮气源1、氢气源2和二氧化碳气源 HG100%C9?矿粉粒度为因子DD0.18~ 3H还原使用装置1和2C0还原使用装置1、3和 0.154m四D2μ四每次实验矿粉用量取50g氮 4C)通过高温焦炭生成CQ经NaCH KCH和 气流量为4~5Lmr;氢气或一氧化碳流量为 NaCO等过滤吸收残余的CO和HQ得到100% 2 L min! CQ 表1正交试验因素水平表 (2)煤气重整装置4功率3.5W电压AC Tabl 1 Facior levels of onhogonal test 0~150V发热元件为FCA电热丝.最高使用温 度1250℃. 水平 温度℃还原时间/h 气氛 矿粉粒度 (3)电阻炉6发热元件为FCA1额定功率 650 H 0.18mm 8N最高工作温度1100℃.工作电压220V 700 1 0 2μm (4)失重计量仪&精度为01g 3 750 一 1.5试验指标、因子和水平 4 850 按GB/T13241一91由失重量计算出还原度R 作为目标变量： 16正交表试验设计 R=01I1W+ 円-m 考虑到气氛、温度等因素有可能对粒度造成干 0.430ym×0.430y (1) 扰，特采取正交试验设计予以排除，分离.超细 式中，R为还原度；为试样的质量，多叫为还原开 赤铁矿粉非熔态还原实验按改造后的【6(2“)正交 始前试样的质量，多m为还原t(m后试样的质 表安排试验，表头设计如表2所示，16次试验的方 量，多W为实验前试样中FO的质量分数；为实 案和结果列于表3其中，四水平的因子A占据了 验前试样中全铁的质量分数. 第1、2和3列，考虑到还原时间和温度对还原的影 还原实验的因素水平如表1所列.温度为因子 响可能有交互作用，固留出第56和7三列来估计 AA650℃，A700℃A750℃A850℃：还原时 交互作用AX的影响，其余第10~15列作为误差 间为因子BB4hB7h还原气氛为因子CC纯 项(，与高级交互作用混杂 表2改造后的【(25)正交表表头设计 Table2 Design of the(25)onhogonal outsuand ng head after tmrspmaticn 因子 A A B AXB AXB AXB C D e e e e e 列 3 6 7 89101112 131415 表3正交试验方案及实验结果 Table 3 Orthoganal est Progrms and expermental esults 列号 试验 还原度， 4 号 123 567 8 9 10112131415 方案 A B AXB C D e R/ 1 650(1) 4(1) 马(1) 018mm1) AECD 15.10 2 650(1) 41) 002) 2m2) ABCD 30.64 650(1) 7(2) H(1) 018mm1) ABC D 28.33 4 650(1) 7(2) 002) 2μm2) ABCD 41.66 5 7002) 4(1) 马() 0.18mm) ABCD 27.23 6 700(2) 4(1) C02) 2μ2) ABCD 427 7 700(2) 7(2) H() 018mm1） ABC D 34.94 8 700(2) 7(2) C0X2) 2μm2) ABCD 47.18 9 750(3) 4(1) H,() 2μm2) ABCD 51.58 10 750(3) 4(1) C02) 018mmy1)） ABCD 11.9 11 750(3) 7(2) H(1) 2μm2) ABC D 74.3 12 750(3) 7(2) C02) 018mm1) ABCD 20.61 13 8504) 4(1) () 2μm(2) ABCD 64.81 14 850(4) 4(1) C02) 018mm1) ABCD 18.41 5 850(4) 7(2) H() 2μm2) ABCD 76.94 16 850(4) 7(2) C02) 018mm1） ABCD 28.33

北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 ( 1) 气源:氮气源 1、氢气源 2和二氧化碳气源 3.H2还原使用装置 1和 2;CO还原使用装置 1、3和 4, CO2通过高温焦炭生成 CO, 经 NaOH、 KOH和 NaCO3等过滤吸收残余的 CO2和 H2 O, 得到 100% CO. ( 2) 煤气重整装置 4:功率 3.5 kW, 电压 AC 0 ～ 150 V, 发热元件为 FeCrAl电热丝, 最高使用温 度 1 250 ℃. ( 3) 电阻炉 6:发热元件为 FeCrAl, 额定功率 8 kW, 最高工作温度 1 100℃, 工作电压 220 V. ( 4) 失重计量仪 8:精度为 0.1 g. 1.5 试验指标、因子和水平 按 GB/T13241— 91由失重量计算出还原度 R, 作为目标变量: Rt= 0.111w1 0.430w2 + m1 -mt m0 ×0.430w2 , ( 1) 式中, Rt为还原度 ;m0为试样的质量, g;m1 为还原开 始前试样的质量, g;mt为还原 t( min) 后试样的质 量, g;w1为实验前试样中 FeO的质量分数 ;w2为实 验前试样中全铁的质量分数. 还原实验的因素水平如表 1所列 .温度为因子 A:A1 650℃, A2 700 ℃, A3 750 ℃, A4 850 ℃;还原时 间为因子 B:B1 4 h, B2 7 h;还原气氛为因子 C:C1纯 H2, C2 100% CO;矿粉粒度为因子 D:D1 0.18 ～ 0.154 mm, D2 2 μm.每次实验矿粉用量取 50 g.氮 气流量为 4 ～ 5 L·min -1;氢气或一氧化碳流量为 2 L·min -1. 表 1 正交试验因素水平表 Table1 Factorlevelsoforthogonaltest 水平 A, 温度 /℃ B, 还原时间 /h C, 气氛 D, 矿粉粒度 1 650 4 H2 0.18mm 2 700 7 CO 2μm 3 750 — — — 4 850 — — — 1.6 正交表试验设计 考虑到气氛、温度等因素有可能对粒度造成干 扰, 特采取正交试验设计予以排除 、分离 [ 9 -10] .超细 赤铁矿粉非熔态还原实验按改造后的 L16 ( 2 15 )正交 表安排试验, 表头设计如表 2 所示, 16 次试验的方 案和结果列于表 3.其中, 四水平的因子 A占据了 第 1、2和 3列, 考虑到还原时间和温度对还原的影 响可能有交互作用, 固留出第 5、6 和 7三列来估计 交互作用 A×B的影响, 其余第 10 ～ 15列作为误差 项 ( e), 与高级交互作用混杂. 表 2 改造后的 L16 ( 2 15 )正交表表头设计 Table2 DesignoftheL16 ( 2 15 ) orthogonaloutstandingheadaftertransformation 因子 A A A B A×B A×B A×B C D e e e e e e 列 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 表 3 正交试验方案及实验结果 Table3 Orthogonaltestprogramsandexperimentalresults 试验 号 列号 1, 2, 3 4 5, 6, 7 8 9 10, 11, 12, 13, 14, 15 A B A×B C D e 方案 还原度, R/% 1 650( 1) 4( 1) H2 ( 1) 0.18mm( 1) A1B1C1D1 15.10 2 650( 1) 4( 1) CO( 2 ) 2μm( 2) A1B1C2D2 30.64 3 650( 1) 7( 2) H2 ( 1) 0.18mm( 1) A1B2C1D1 28.33 4 650( 1) 7( 2) CO( 2 ) 2μm( 2) A1B2C2D2 41.66 5 700( 2) 4( 1) H2 ( 1) 0.18mm( 1) A2B1C1D1 27.23 6 700( 2) 4( 1) CO( 2 ) 2μm( 2) A2B1C2D2 42.77 7 700( 2) 7( 2) H2 ( 1) 0.18mm( 1) A2B2C1D1 34.94 8 700( 2) 7( 2) CO( 2 ) 2μm( 2) A2B2C2D2 47.18 9 750( 3) 4( 1) H2 ( 1) 2μm( 2) A3B1C1D2 51.58 10 750( 3) 4( 1) CO( 2 ) 0.18mm( 1) A3B1C2D1 11.79 11 750( 3) 7( 2) H2 ( 1) 2μm( 2) A3B2C1D2 74.73 12 750( 3) 7( 2) CO( 2 ) 0.18mm( 1) A3B2C2D1 20.61 13 850( 4) 4( 1) H2 ( 1) 2 μm( 2) A4B1C1D2 64.81 14 850( 4) 4( 1) CO( 2 ) 0.18mm( 1) A4B1C2D1 18.41 15 850( 4) 7( 2) H2 ( 1) 2μm( 2) A4B2C1D2 76.94 16 850( 4) 7( 2) CO( 2 ) 0.18mm( 1) A4B2C2D1 28.33 · 1414·

第11期 李士琦等：超细赤铁矿粉非熔态还原实验研究 1415 2结果及分析 于表4可以看出：各因子主效应的影响远大于因 子之间的交互作用和误差，四个因子对还原度的 2.1方差分析 影响与交互作用及误差相比较均非常显著(P~ 根据表3所列实验结果进行方差分析，结果列 103). 表4方差分析结果 Tle4 Results of vari知ce aa pysis 影响因素 离差平方和，SS 自由度，DF 均方差，S F值 否定概率，5区 A 6.91 223.30 23.58 1.01×10-3 B 510.65 1 51065 53.94 326×10-4 C 103.46 1 1093.46 115.50 3.83×10-5 D 37.04 1 3769.04 39813 L.03×10-6 AX B 50.16 3 1672 177 0.25 e 50.80 6 9.47 一 总计 6150.02 15 2.2相关分析 还原剂、经7还原时，还原度可达近78%.即每 对本实验中各因子之间进行了相关分析.结果 l00高磷赤铁矿粉还原后，可得到金属铁MF 表明：各因子之间不相关，在实验中，各影响因子对 28.2gF0188g高磷赤铁矿中铁元素约有23已 还原度的影响是相互独立的，不存在交互作用，正交 转化为金属铁 试验设计是有效的，可以分别单独估计主效应，其定 2.4逐步回归分析 量影响可以写成线性回归式， 对实验结果涉及的因子及其交互作用项、温度 2.3主效应分析 平方项、温度对数项，按显著性水准P=005进行 方差分析结果表明，实验中各因子对还原度的 逐步回归分析，剔除不显著因子，得到定量的经验关 影响均非常显著，将各显著因子的主效应列于表5 系式： 从表中可以看出：铁矿粉粒度对还原度的影响最为 R=-43.32-155.03d16.53a+841T+3.77t 显著，粒度为2μm的超细矿粉比粒度为0.18~ (3) 0.154m的常规细矿粉的还原度高30.70%：在氢 式(3)的否定概率P为1.15X10式中，R为还原 气气氛中还原比在CO气氛中还原的还原度高 度；d妫矿粉粒度，m四P(5.08×10):a为还原气 16.54%:因装置条件所限，还原时间影响较弱，由 氛（还原气氛为H时取0CO时取1），P(2.85× 4延长至7h还原度仅提高11.30%.最佳工况为 106)片为还原温度.102KP(407×105):为 ABGD,相应的最佳还原度平均估计值为 还原时间，h9.45×103). R-T+(R-D十(B-)+ 在式(3)中，各因子的否定概率均高于0.05而 (R-①+(R,-)=77.59%, （2) 低于0.05者未进入方程.前述相关分析结果表明 式中，为16组实验结果的加权平均值.对于平均 各因子之间的独立性，故式(3)是合理有效的. 粒度为2μm的超细赤铁矿粉，在850℃、用纯H为 由式(3)可估算得出：在本实验条件下，超细矿 粉的还原动力学条件大为改善，获得相同还原度所 表5主效应分析 Table5 Man effect ana pysis 需的温度比常规粒度矿粉约低365℃. 水平 RA% Ra/ RA R防 2.5还原后粒度分布 对还原后颗粒的粒度分布情况进行测定，粒度 1 2893 3279 4671 23.09 2 3803 44.09 3017 53.79 分布情况如图4所示，表明颗粒之间并未发生烧结， 其还原产物仍为粉状，可采用物理方法将铁元素与 3 39.68 其他杂质元素进一步分离，而其他直接还原方法需 47.12 T 造球一还原一破碎一磁选，会遇到因还原度高而球 38049% 团难以被破碎、细磨分选的问题

第 11期 李士琦等:超细赤铁矿粉非熔态还原实验研究 2 结果及分析 2.1 方差分析 根据表 3所列实验结果进行方差分析, 结果列 于表 4.可以看出 :各因子主效应的影响远大于因 子之间的交互作用和误差, 四个因子对还原度的 影响与交互作用及误差相比较均非常显著 ( P< 10 -3 ) . 表 4 方差分析结果 Table4 Resultsofvarianceanalysis 影响因素 离差平方和, SS 自由度, DF 均方差, S F值 否定概率, sig A 669.91 3 223.30 23.58 1.01 ×10 -3 B 510.65 1 510.65 53.94 3.26 ×10 -4 C 1 093.46 1 1 093.46 115.50 3.83 ×10 -5 D 3 769.04 1 3 769.04 398.13 1.03 ×10 -6 A×B 50.16 3 16.72 1.77 0.25 e 50.80 6 9.47 — — 总计 6 150.02 15 — — — 2.2 相关分析 对本实验中各因子之间进行了相关分析 .结果 表明:各因子之间不相关, 在实验中, 各影响因子对 还原度的影响是相互独立的, 不存在交互作用, 正交 试验设计是有效的, 可以分别单独估计主效应, 其定 量影响可以写成线性回归式. 2.3 主效应分析 方差分析结果表明, 实验中各因子对还原度的 影响均非常显著, 将各显著因子的主效应列于表 5. 从表中可以看出 :铁矿粉粒度对还原度的影响最为 显著, 粒度为 2 μm的超细矿粉比粒度为 0.18 ～ 0.154 mm的常规细矿粉的还原度高 30.70%;在氢 气气氛中还原比在 CO气氛中还原的还原度高 16.54%;因装置条件所限, 还原时间影响较弱, 由 4 h延长至 7 h, 还原度仅提高 11.30%.最佳工况为 A4 B2 C1 D2, 相应的最佳还原度平均估计值为 R=T+( RA4 -T) +( RB2 -T) + (RC1 -T) +( RD2 -T) =77.59%, ( 2) 式中, T为 16组实验结果的加权平均值 .对于平均 粒度为 2 μm的超细赤铁矿粉, 在 850 ℃、用纯 H2为 表 5 主效应分析 Table5 Maineffectanalysis 水平 RA/% RB/% RC/% RD/% 1 28.93 32.79 46.71 23.09 2 38.03 44.09 30.17 53.79 3 39.68 — — — 4 47.12 — — — T 38.04% 还原剂、经 7 h还原时, 还原度可达近 78%.即每 100 g高磷赤铁矿粉还原后, 可得到金属铁 MFe 28.2 g, FeO18.8g, 高磷赤铁矿中铁元素约有 2/3已 转化为金属铁 . 2.4 逐步回归分析 对实验结果涉及的因子及其交互作用项、温度 平方项、温度对数项, 按显著性水准 P=0.05 进行 逐步回归分析, 剔除不显著因子, 得到定量的经验关 系式 : R=-43.32 -155.03d-16.53a+8.41T+3.77t ( 3) 式 ( 3)的否定概率 P为 1.15 ×10 -8.式中, R为还原 度;d为矿粉粒度, mm, P( 5.08 ×10 -9 ) ;a为还原气 氛 (还原气氛为 H2时取 0, CO时取 1), P( 2.85 × 10 -6 ) ;T为还原温度, 10 -2 K, P( 4.07 ×10 -5 ) ;t为 还原时间, h, P( 9.45 ×10 -5 ) . 在式 ( 3)中, 各因子的否定概率均高于 0.05, 而 低于 0.05者未进入方程 .前述相关分析结果表明 各因子之间的独立性, 故式 ( 3)是合理有效的 . 由式 ( 3)可估算得出:在本实验条件下, 超细矿 粉的还原动力学条件大为改善, 获得相同还原度所 需的温度比常规粒度矿粉约低 365 ℃. 2.5 还原后粒度分布 对还原后颗粒的粒度分布情况进行测定, 粒度 分布情况如图 4所示, 表明颗粒之间并未发生烧结, 其还原产物仍为粉状, 可采用物理方法将铁元素与 其他杂质元素进一步分离, 而其他直接还原方法需 造球 —还原—破碎 —磁选, 会遇到因还原度高而球 团难以被破碎 、细磨分选的问题. · 1415·

。1416 北京科技大学学报 第32卷 100 15 R CO) 3 CO)+CO) 、对非熔态还原实验的 12 影响 在实际工业生产中，多以煤气或煤作还原剂，将 6 铁矿石还原成海绵铁或铁水，还原气氛中 RC0十日C0)一般低于100%.因此在原实验 RCO RCO 基础上补充0气源、调整HC0十C四为 104 10P 0 10 粒度um 50%~100%,使用超细赤铁矿粉在800℃进行非熔 图4超细赤铁矿粉非熔态还原后的粒度分布情况(Q为累积分 RO 布.为粒度分布) 态还原实验，进一步研究日C0十日C四对非熔态 F4 Particle size distrbution of ultfe hematite reduced at non molt知state 还原实验的影响，具体正交试验方案和结果分别如 表6和图5所示. 表6正交试验方案及实验结果 Table6 Onhogmnal test Programn and experimental results RCO 试验号 矿粉/8温度心时间hC0十C0万%00（上r)C0(上）N(上F)净失重量/g还原度所 50 800 7 50 120 120 300 30 329 2 50 800 7 60 120 80 300 34 37.3 3 50 800 7 70 120 分 300 36 39.5 4 50 800 7 80 120 30 300 40 43.9 50 800 7 90 120 13 300 45 49.4 5.0 55 4结论 4.5 ·失重量 50 ◆还原度 (1)实验中各影响因子之间几乎不相关，各影 40 45 响因子对还原度的影响是独立的，不存在交互作用， 35 40a 因此正交试验设计是有效的，可以单独估计主效应， 3.0 35 其定量影响可以写成线性回归式. (2)在纯H、100%CO两种气氛下，温度为 25L 50 0 70 80 930 650~850Q时，均能实现不同程度FQ→F的还 PCO) P(COHp(CO/% 原，与常规粒度矿粉相比，超细矿粉的还原度较高， RCO 获得相同还原度所需的还原温度约低365℃. 图5C0十C0对非熔态还原的影响 F5 mnfuence of) RCO a nonmolten reduction RC0)十月0)控制在50%~100%时也能实现由 RCO 无磁性的FQ→有磁性F和氧化物方向转化，可 根据实际条件对还原参数进行调整. R CO 可以看出：还原度与RC0,十日C0近似呈线 (3)非熔态还原后赤铁矿粉还原产物仍为粉 状，颗粒间并未发生烧结，说明可采用物理方法将矿 性关系随着了四 R 一增大，还原度逐渐增 粉中铁元素与其他杂质元素进一步分离. 大.并且均能实现由无磁性的FSQ→有磁性F和 参考文献 氧化物方向转化，因此可根据实际条件对还原反应 II Luo G A Ion Sudies Beijng Metalurgical hdustoy Press 的技术参数进行调整. 1994

北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 图 4 超细赤铁矿粉非熔态还原后的粒度分布情况 ( Q为累积分 布, q为粒度分布 ) Fig.4 Particlesizedistributionofultra-finehematitereducedatnon￾moltenstate 3 p( CO) p( CO) +p( CO2 ) 对非熔态还原实验的 影响 在实际工业生产中, 多以煤气或煤作还原剂, 将 铁矿 石 还 原 成 海 绵 铁 或 铁 水, 还 原 气 氛 中 p( CO) p( CO) +p( CO2 ) 一般低于 100%.因此, 在原实验 基础上 补充 CO2 气源 、调整 p( CO) p( CO) +p( CO2 ) 为 50% ～ 100%, 使用超细赤铁矿粉在 800 ℃进行非熔 态还原实验, 进一步研究 p( CO) p( CO) +p( CO2 ) 对非熔态 还原实验的影响, 具体正交试验方案和结果分别如 表 6和图 5所示. 表 6 正交试验方案及实验结果 Table6 Orthogonaltestprogramandexperimentalresults 试验号 矿粉/g 温度 /℃ 时间 /h p(CO) p( CO) +p( CO2 ) /% CO/( L·h-1 ) CO2 /( L·h-1 ) N2 /(L·h-1 ) 净失重量 /g 还原度 /% 1 50 800 7 50 120 120 300 3.0 32.9 2 50 800 7 60 120 80 300 3.4 37.3 3 50 800 7 70 120 51 300 3.6 39.5 4 50 800 7 80 120 30 300 4.0 43.9 5 50 800 7 90 120 13 300 4.5 49.4 图 5 p(CO) p( CO) +p( CO2 ) 对非熔态还原的影响 Fig.5 Influenceof p( CO) p( CO) +p( CO2 ) onnon-moltenreduction 可以看出:还原度与 p( CO) p( CO) +p( CO2 ) 近似呈线 性关系, 随着 p( CO) p( CO) +p( CO2 ) 增大, 还原度逐渐增 大 .并且均能实现由无磁性的 Fe2 O3 ※有磁性 Fe和 氧化物方向转化, 因此可根据实际条件对还原反应 的技术参数进行调整 . 4 结论 ( 1) 实验中各影响因子之间几乎不相关, 各影 响因子对还原度的影响是独立的, 不存在交互作用, 因此正交试验设计是有效的, 可以单独估计主效应, 其定量影响可以写成线性回归式 . ( 2) 在纯 H2 、 100% CO两种气氛下, 温度为 650 ～ 850 ℃时, 均能实现不同程度 Fe2 O3 ※Fe的还 原, 与常规粒度矿粉相比, 超细矿粉的还原度较高, 获得相同还原度所 需的还原温 度约低 365 ℃. p( CO) p( CO) +p( CO2 ) 控制在 50% ～ 100%时也能实现由 无磁性的 Fe2 O3 ※有磁性 Fe和氧化物方向转化, 可 根据实际条件对还原参数进行调整. ( 3) 非熔态还原后赤铁矿粉还原产物仍为粉 状, 颗粒间并未发生烧结, 说明可采用物理方法将矿 粉中铁元素与其他杂质元素进一步分离 . 参 考 文 献 [ 1] LuoG A.IronStudies.Beijing:MetallurgicalIndustryPress, 1994 · 1416·

第11期 李士琦等：超细赤铁矿粉非熔态还原实验研究 1417 (罗吉敖.炼铁学.北京：治金工业出版社，1994) lurgical hdustry Press 1981 [1 China Steel Industry Assoc jation China Iron and Steel Statistics (黄希祜.钢铁治金原理.北京：治金工业出版社，1981) 2006 Beijng China Ion&SteelAsocatin 2006 [7W angX I,Iron and SteelMem lugy(Ion Pary.Beijing Met (中国钢铁工业协会.中国钢铁统计)06北京：中国钢铁工 alug ical Industry Pres 2000 业协会，2006) (王筱留.钢铁治金学（炼铁部分）.北京：治金工业出版社， 31 WangH Y hfluence of ion ore esource stus on devebpmentof 2000) ion&steel industry in Chna and measures to be taken Foregn 【阁Fang J HaoS】LiZG et al The Non blast Fumace Iommak MetMinMag 2002 27(5):6 ing Pooess and Theory Beijng Metalurgical Industoy Press (任亨炎。浅谈铁矿石资源对我国钢铁工业的影响及对策。国 2002 外金属矿山.200227(5)：6 (方觉郝素菊，李振国，等。非高炉炼铁工艺与理论.北京：治 [4 Guo PM Zhao p ZhangDW.Sudy on can Mticmechanism of 金工业出版社，2002) reduc ng hem atite by carbon at b temperatire Iron Stee Vanadi 【9身Mahematical Sttistics Gou吧Pobabilit Theory Teaching and m Titanim200627(4):1 Research Sec tion Deparm ent ofMathem atics andMechan ics Pe (郭培民，赵沛，张股伟，等.低温下碳还原氧化铁的催化机理 kng University Test Design Methols Beijing BeijingMa them ati 研究.钢铁钒钛，200627(4)：1) calSociet 1966 【习Zhao P Guo PM CoaLbased bv..mperaure me段Ion (北京大学数学力学系概率论教研室数理统计组.试验设计 S网2004399h1 法讲义.北京：北京市数学会，1966) (赵沛，郭培民.煤基低温治金技术的研究钢铁，20049 [10 Taguchi G Expermental Plnning Act Tokyo Maruzen Co (9):1) Ltd,1976 [6 HuangX H Iron and SteelMena llgy Principles Beijing Menl (田口玄一.实验计划法.东京：丸善株式会社，196)

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