邵剑华：颗粒粒径对流态化还原铁矿粉黏结失流的影响 ·1279 并且没有发现多个颗粒烧结而成的颗粒团，各个颗粒 ■Fe,O (a)还原前原样 仍保持相对独立状态.可见低于1073K时该粒级的铁 ◆Si0 b)还原后未失流样 精粉颗粒会发生黏结失流，并非是低熔点物熔化成液 Fe ,C 相所致. *C 图9为不同粒径铁精粉还原前后颗粒的微观形 态.由图9(a)可见，还原前颗粒表面较为致密平整， b 并吸附了部分小颗粒的脉石和矿粉.图9(b)和(c)分 别为粒径0.074~0.11mm和0.11~0.15mm的铁精 (a) 粉颗粒经过还原黏结失流后试样表面的扫描电镜照 102030405060708090100110 片，发现颗粒表面形态较为接近，表面不仅出现部分窄 20/9 缝和空洞，还析出了大量胶状物.能谱分析发现其都 图70.15~0.18mm铁精粉还原前后试样X射线衍射谱 是铁晶体，多为致密状，部分为晶须状.由于还原新生 Fig.7 X-ray patterns of iron ore fines with the particle size of 0.15 to 0.18 mm before and after reduction 成的金属铁相在还原温度时具有一定黏性切，颗粒间 NONE SEI 200kV X500 WD 12.Bmm 10gmm 200k X WD 12.10gm 图8粒径小于0.058mm的颗粒试样扫描电镜照片.(a)原样：(b)中性气氛失流样 Fig.8 SEM images of iron ore fines with the particle size less than 0.058 mm:(a)original sample:(b)sticking sample in neutral atmosphere 都通过表面金属铁黏结一起的，最终导致了床层的 比表面积就越大，颗粒间的碰撞机会大大增加，在以下 失流. 黏附力的作用下易发生布朗团聚四： 图9(d)为粒径(0.15~0.18mm)相对大的铁精粉 第一，颗粒间的范德华力.通常矿粉还原前后的 经过较长时间的流态化还原后颗粒表面形貌.虽然颗 颗粒都是没有极性的，但由于构成颗粒的分子或原子， 粒整体上还维持原貌，但表面与图9(b,©)类似也出现 特别是颗粒表面分子和原子的电子运动，使得颗粒会 了部分裂缝和孔洞，通过能谱分析发现表面覆盖物主 有瞬时偶极.当两颗粒相互靠近接触时，由于瞬时偶 要为Fe和C元素，Fe、C和0原子数比约为12：88：0. 极的作用，两颗粒间将产生相互吸引的作用力，即为颗 可见此时反应器内已经发生C0的析碳反应，并有大 粒间的范德华力.它是构成颗粒的原子或分子间相互 量的碳沉积于颗粒表面. 作用力的总和，且不受环境条件的影响.范德华力作 2.5粒径对黏结失流影响机理分析 用于固体表面分子之间，一般在距离0.14m内起作 根据流化时间的不同，铁精粉颗粒可分为三大粒 用☒.根据Hamaker理论，等直径的两颗粒相互接触 径区间：在一定温度和表观气速条件下不能流化的$ 时，颗粒间的范德华力为 颗粒，即小颗粒（其逃逸速度须大于表观气速）：相同 AD (1) 条件下可正常流化但还原过程中会发生黏结失流的M F=24Zo 颗粒，即中颗粒：相同条件下能流态化还原至较高的金 式中：A为Hamaker常数，材料的固有性质，磁铁矿颗 属化率（大于60%）时仍不发生失流的L颗粒，即大颗 粒为2.3×10~9J:Z。为颗粒间的距离，通常取为 粒（其起始流化速度须小于表观气速）.这三类颗粒的 0.4nm;D,为颗粒的直径. 划分需要通过实验得到，因其主要受矿物颗粒本身属 第二，颗粒间的静电力.相互接触的颗粒或颗粒 性影响.他们在流化床中有以下不同的黏结机理. 与床壁间有相对运动，它们之间易发生电荷的转移. (1)S颗粒.一方面，颗粒粒径越小，颗粒数量和 当相互接触的颗粒为导体时，由于它们电子电动势的邵剑华: 颗粒粒径对流态化还原铁矿粉黏结失流的影响 图 7 0. 15 ～ 0. 18 mm 铁精粉还原前后试样 X 射线衍射谱 Fig． 7 X-ray patterns of iron ore fines with the particle size of 0. 15 to 0. 18 mm before and after reduction 并且没有发现多个颗粒烧结而成的颗粒团，各个颗粒 仍保持相对独立状态． 可见低于 1073 K 时该粒级的铁 精粉颗粒会发生黏结失流，并非是低熔点物熔化成液 相所致． 图 9 为不同粒径铁精粉还原前后颗粒的微观形 态． 由图 9( a) 可见，还原前颗粒表面较为致密平整， 并吸附了部分小颗粒的脉石和矿粉． 图 9( b) 和( c) 分 别为粒径 0. 074 ～ 0. 11 mm 和 0. 11 ～ 0. 15 mm 的铁精 粉颗粒经过还原黏结失流后试样表面的扫描电镜照 片，发现颗粒表面形态较为接近，表面不仅出现部分窄 缝和空洞，还析出了大量胶状物． 能谱分析发现其都 是铁晶体，多为致密状，部分为晶须状． 由于还原新生 成的金属铁相在还原温度时具有一定黏性［7］，颗粒间 图 8 粒径小于 0. 058 mm 的颗粒试样扫描电镜照片． ( a) 原样; ( b) 中性气氛失流样 Fig． 8 SEM images of iron ore fines with the particle size less than 0. 058 mm: ( a) original sample; ( b) sticking sample in neutral atmosphere 都通过表面金属铁黏结一起的，最终导致了床层的 失流． 图 9( d) 为粒径( 0. 15 ～ 0. 18 mm) 相对大的铁精粉 经过较长时间的流态化还原后颗粒表面形貌． 虽然颗 粒整体上还维持原貌，但表面与图 9( b，c) 类似也出现 了部分裂缝和孔洞，通过能谱分析发现表面覆盖物主 要为 Fe 和 C 元素，Fe、C 和 O 原子数比约为 12∶ 88∶ 0． 可见此时反应器内已经发生 CO 的析碳反应，并有大 量的碳沉积于颗粒表面． 2. 5 粒径对黏结失流影响机理分析 根据流化时间的不同，铁精粉颗粒可分为三大粒 径区间: 在一定温度和表观气速条件下不能流化的 S 颗粒，即小颗粒( 其逃逸速度须大于表观气速) ; 相同 条件下可正常流化但还原过程中会发生黏结失流的 M 颗粒，即中颗粒; 相同条件下能流态化还原至较高的金 属化率( 大于 60% ) 时仍不发生失流的 L 颗粒，即大颗 粒( 其起始流化速度须小于表观气速) ． 这三类颗粒的 划分需要通过实验得到，因其主要受矿物颗粒本身属 性影响． 他们在流化床中有以下不同的黏结机理． ( 1) S 颗粒． 一方面，颗粒粒径越小，颗粒数量和 比表面积就越大，颗粒间的碰撞机会大大增加，在以下 黏附力的作用下易发生布朗团聚［11］: 第一，颗粒间的范德华力． 通常矿粉还原前后的 颗粒都是没有极性的，但由于构成颗粒的分子或原子， 特别是颗粒表面分子和原子的电子运动，使得颗粒会 有瞬时偶极． 当两颗粒相互靠近接触时，由于瞬时偶 极的作用，两颗粒间将产生相互吸引的作用力，即为颗 粒间的范德华力． 它是构成颗粒的原子或分子间相互 作用力的总和，且不受环境条件的影响． 范德华力作 用于固体表面分子之间，一般在距离 0. 1 μm 内起作 用［12］． 根据 Hamaker 理论，等直径的两颗粒相互接触 时，颗粒间的范德华力［13--14］为 Fvdw = ADp 24Z2 0 ． ( 1) 式中: A 为 Hamaker 常数，材料的固有性质，磁铁矿颗 粒为 2. 3 × 10 － 19 J; Z0 为 颗 粒 间 的 距 离，通 常 取 为 0. 4 nm; Dp为颗粒的直径． 第二，颗粒间的静电力． 相互接触的颗粒或颗粒 与床壁间有相对运动，它们之间易发生电荷的转移． 当相互接触的颗粒为导体时，由于它们电子电动势的 ·1279·