·158 工程科学学报，第37卷，第2期 印尼的海砂矿氧化球氢气还原机理做了较详细的研、 结剂来进行造球，充分利用有机粘结剂冷固结强度好 究，以期为该矿的有效利用提供一定的理论依据 和无机粘结剂高温强度好的特点.具体方法是，先将 1实验原料 海砂矿磨细到100~150目的范围（有机粘结剂效果最 佳)，接着加入适量的有机粘结剂和膨润土混合造球， 气体还原对球团矿的要求较高，如果球团矿的强 然后将烘干的生球放入箱式炉中进行氧化焙烧，炉中 度不够，在较高温度还原时球团容易粉化，给实验过程 最高温度保持在1220℃. 带来不利影响，因而球团的制备工艺非常的关键.印 焙烧好的氧化性球团的化学成分和物理性能列于 尼海砂矿颗粒较大、表面光滑、难以润磨并且吸水性较 表1.球团矿经X射线衍射分析，其物相主要由Fe,03 差，给矿粉造球带来一定的困难。本实验选用复合粘 和Fe,TiO,组成，见图1. 表1氧化球团的化学成分和物理性能 Table 1 Chemical composition and physical properties of the oxidized pellets 化学成分（质量分数）/% 孔隙度/% 抗压强度/N T.Fe FeO Ca0 SiO2 MgO A山203 TiO, 55.5 1.93 0.27 4.23 2.42 3.26 9.59 13.5 2178.1 射分析，并对相关数据进行整理分析.这里定义，反应 7000 4—FeO ◆-FTi0 分数=(m,-m,)/m(式中m,表示反应开始时球团 6000 矿质量，m,表示反应时间为t时的球团矿质量，m表示 5000 球团矿中理论氧的质量)，作时间1和的图. 4000 3000 2000 1000 40 60 10 29/9 图1海砂矿氧化球X射线衍射谱 Fig.I XRD patterns of the oxidized pellets 2实验方法和设备 1一天平：2一反应管：3一加热炉：4一流量什：5一试样：6一气体净 化器：7一三通开关：8一温度控制器 实验采用热天平减重法测定氢气在不同实验条件 图2还原用设备 下还原球团的情况，实验内容包括在不同温度下、不同 Fig.2 Experimental equipment for hydrogen reduction 的时间、不同的球团粒度、不同的还原气流量等条件下 3 球团矿的氢气还原情况，实验装置如图2所示.该装 实验结果 置是按照球团还原性标准检验GB13241一91的要求 为了消除还原气体在球团矿表面边界层中的扩散 设计的，反应管由耐热合金钢(GH44)制成，管外径 影响，便于研究其内在的机理，首先进行了还原气流量 80mm,内径75mm,管长500mm,在反应管底部放入用 大小的实验，结果见图3.从图3中可知，随着气体流 于预热还原气的刚玉球，整个实验过程中球团质量的 量的增大，反应速度加快，待气体流量增大到15L· 损失由天平记录.反应过程中为了防止在较高温度时 min后，反应分数变化很小，可认为气体在边界层的 生成氮钛化合物，用氩气作保护气体，实验所用氢气或 扩散不会对还原反应产生影响.接下来的全部实验均 氩气纯度均为99.999%.具体实验方法是，先将还原 选择氢气流量为l5L·min. 管在氩气气氛中升温到所需温度，接着换成氢气进行 图4和图5为球团矿粒度和造球用矿粉粒度（球 还原，反应结束后再将氢气换作氩气，直到冷却至室 团矿直径I2mm)对还原实验的影响情况，实验温度为 温，以防止还原产物再氧化，每次实验所用球团矿质量 900℃.从图4中可以看出，随着球团粒度的增加，达 均为500g.实验结束后，将有关还原样品用X射线衍 到同一反应分数需要的时间延长.还原反应开始时球工程科学学报，第 37 卷，第 2 期 印尼的海砂矿氧化球氢气还原机理做了较详细的研 究，以期为该矿的有效利用提供一定的理论依据． 1 实验原料 气体还原对球团矿的要求较高，如果球团矿的强 度不够，在较高温度还原时球团容易粉化，给实验过程 带来不利影响，因而球团的制备工艺非常的关键． 印 尼海砂矿颗粒较大、表面光滑、难以润磨并且吸水性较 差，给矿粉造球带来一定的困难． 本实验选用复合粘 结剂来进行造球，充分利用有机粘结剂冷固结强度好 和无机粘结剂高温强度好的特点． 具体方法是，先将 海砂矿磨细到 100 ～ 150 目的范围( 有机粘结剂效果最 佳) ，接着加入适量的有机粘结剂和膨润土混合造球， 然后将烘干的生球放入箱式炉中进行氧化焙烧，炉中 最高温度保持在 1220 ℃ ． 焙烧好的氧化性球团的化学成分和物理性能列于 表 1． 球团矿经 X 射线衍射分析，其物相主要由 Fe2O3 和 Fe2TiO5组成，见图 1． 表 1 氧化球团的化学成分和物理性能 Table 1 Chemical composition and physical properties of the oxidized pellets 化学成分( 质量分数) /% T． Fe FeO CaO SiO2 MgO Al2O3 TiO2 孔隙度/% 抗压强度/N 55. 5 1. 93 0. 27 4. 23 2. 42 3. 26 9. 59 13. 5 2178. 1 图 1 海砂矿氧化球 X 射线衍射谱 Fig． 1 XＲD patterns of the oxidized pellets 2 实验方法和设备 实验采用热天平减重法测定氢气在不同实验条件 下还原球团的情况，实验内容包括在不同温度下、不同 的时间、不同的球团粒度、不同的还原气流量等条件下 球团矿的氢气还原情况，实验装置如图 2 所示． 该装 置是按照球团还原性标准检验 GB13241—91 的要求 设计的，反应管由耐热合金钢( GH44) 制成，管 外 径 80 mm，内径 75 mm，管长 500 mm，在反应管底部放入用 于预热还原气的刚玉球，整个实验过程中球团质量的 损失由天平记录． 反应过程中为了防止在较高温度时 生成氮钛化合物，用氩气作保护气体，实验所用氢气或 氩气纯度均为 99. 999% ． 具体实验方法是，先将还原 管在氩气气氛中升温到所需温度，接着换成氢气进行 还原，反应结束后再将氢气换作氩气，直到冷却至室 温，以防止还原产物再氧化，每次实验所用球团矿质量 均为 500 g． 实验结束后，将有关还原样品用 X 射线衍 射分析，并对相关数据进行整理分析． 这里定义，反应 分数 ξ = ( m1 － mt ) /m0 ( 式中 m1表示反应开始时球团 矿质量，mt表示反应时间为 t 时的球团矿质量，m0表示 球团矿中理论氧的质量) ，作时间 t 和 ξ 的图． 1—天平; 2—反应管; 3—加热炉; 4—流量计; 5—试样; 6—气体净 化器; 7—三通开关; 8—温度控制器 图 2 还原用设备 Fig． 2 Experimental equipment for hydrogen reduction 3 实验结果 为了消除还原气体在球团矿表面边界层中的扩散 影响，便于研究其内在的机理，首先进行了还原气流量 大小的实验，结果见图 3． 从图 3 中可知，随着气体流 量的增大，反应速度加快，待气体流量增大到 15 L· min － 1后，反应分数变化很小，可认为气体在边界层的 扩散不会对还原反应产生影响． 接下来的全部实验均 选择氢气流量为 15 L·min － 1 ． 图 4 和图 5 为球团矿粒度和造球用矿粉粒度( 球 团矿直径 12 mm) 对还原实验的影响情况，实验温度为 900 ℃ ． 从图 4 中可以看出，随着球团粒度的增加，达 到同一反应分数需要的时间延长． 还原反应开始时球 · 851 ·