李林等：氢气还原褐铁矿实验研究与动力学分析 19* 后，还原管内温度大幅降低，因为此时氢气还原反应剧 (李林，彭劼，孟样龙，等.钛磁铁矿预还原后渣铁熔融分离 烈进行，反应吸收的热量高于高温管式炉传输的热量， 影响因素实验研究.矿治工程，2014,34（增刊1）：379) 导致反应管内温度降低.反应后期温度基本恒定是因 [6]Fan L J,Lui QG,Na Y J,et al.Experimental investigation on di- rect reduction of iron ore powder by pulverized coal in a circulating 为氢气还原反应吸收热量与高温管式炉传输的热量趋 fluidized bed.Chin J Process Eng,2011,11(1):91 于平衡，所以反应后期温度可以在预设的反应温度上 (范丽娟，吕清刚，那永洁，等。铁矿石粉循环流化床煤基直 下保持小幅波动 接还原的实验研究.过程工程学报，2011,11(1)：91) ] Li J L,Liu W S,Li Y R,et al.Applied research on thermal de- 5结论 composition of limonite with crystal water by thermal analysis tech- (1)褐铁矿焙烧后，在750~950℃五个温度下使 nology.Iron Steel,2011,46(5)19 (李金莲，刘万山，李艳茹，等.热分析技术在褐铁矿结品水 用氢气还原后得到的还原率随时间变化曲线可知：还 热分解中应用研究.钢铁，2011,46(5)：19) 原率随时间逐渐增加，但还原速率逐渐降低；还原率随 Zhong Y W,Gong X Z,Wang Z,et al.Effect of iron surfaces 温度的升高而升高：在750℃下还原率曲线位置最低， with nano/micro structures on the sticking of Fe2O,in fluidized 随温度升高还原率曲线依次升高 bed reduction.J Unie Sci Technol Beijing,2011,33(4):406 (2)通过线性程度最佳的动力学函数G(α)对不 (钟怡玮，公旭中，王志，等.Fe表面纳微结构对Fc2O,流态 同温度下还原率随时间的变化关系做线性拟合计算， 化还原过程黏结失流的影响.北京科技大学学报，2011,33 (4):406) 得到其表观活化能E=15.323kJ·mol,可知扩散为 9]Gao Z G,Cao Y H,Liu HZ,et al.Application of direct reduc- 限制环节. tion roasting-magnetic separation process in recovering refractory (3)通过对铁矿石试样在不同温度还原后的表面 limonite ore.Min Metall Eng,2013,33(4):49 形貌分析可知：试样表面裂纹随温度升高加深加宽，未 (高照国，曹耀华，刘红召，等.某难选褐铁矿直接还原培烧一 还原铁矿石所占比例下降. -磁选工艺研究.矿治工程，2013,33(4)：49) (4)还原管内温度变化趋势为先升高后出现一个 [io] Li Q J,Liao Z L,Wang X,et al.Experiment and mathematical 明显峰值再降低后趋近于直线.这是由于氢气还原铁 simulation on reduction of fine iron oxide with hydrogen at medi- 氧化物的吸热反应在t>4min剧烈进行，反应后期趋 um-ow temperatures.Chin Process Eng,2011,11 (2):299 (李秋菊，廖增丽，王秀，等.中低温氢还原铁矿微粉过程的 于平稳. 实验研究与数值模拟.过程工程学报，2011,11(2)：299) 参考文献 [11]Zhang X Y,Li JL,Liu X Y.Study on the dehydration kinetics for the limonitic.Met Mater Metall Eng,2010,38(4):10 [1]Hu J G,Zhou W T,Guo Y L,et al.Development of gasbased (张翔宇，李家林，刘小银.某褐铁矿脱水反应动力学的研 shaft furnace direct reduction pellet technology.Sintering Pelleti- 究.金属材料与治金工程，2010,38(4)：10) zing,2012,37(2）:40 [12]Dai T,Li B W,Wu W F.Reduction model for gas magnetization (胡俊鸽，周文涛，郭艳玲，等.气基竖炉直接还原球团技术 roasting process of single limonite particles.Met Mine,2014 的发展.烧结球团，2012,37(2)：40) (2):79 Qi Y H,Qian H,Zhou YS,et al.Present status and trend of di- (代涛，李保卫，武文裴。单颗粒褐铁矿气基磁化培烧过程 rect reduction technology development in China.Chin Metall, 的还原模型.金属矿山，2014(2)：79) 2013,23(1):9 03] Pan W,Wu K,Zhao X,et al.Reduction kinetics of Shougang (齐渊洪，钱晖，周渝生，等.中国直接还原铁技术发展的现 iron ore sinter.J Univ Sci Technol Beijing,2013,35(1):35 状及方向.中国治金，2013,23(1)：9） (潘文，吴铿，赵霞，等.首钢烧结矿还原动力学.北京科技 B]Li L,Li Y Q,Guo H J,et al.Experimental research on influen- 大学学报，2013,35(1)：35) cing factors for pre-reduction of titanomagnetite pellets.Min Metall [14]Pang J M,Guo P M,Zhao P,et al.Study on kinetics of hema- Eng,2014,34(3):80 tite reduction by hydrogen at low temperature.Iron Steel,2008, (李林，李永麒，郭汉杰.钛磁铁矿球团预还原影响因素的实 43(7):7 验研究.矿治工程，2014,34(3)：80) (庞建明，郭培民，赵沛，等.低温下氢气还原氧化铁的动力 4]Zhang F M,Cao CZ,Xu H.Current status and prospects of gas- 学研究.钢铁，2008,43(7)：7) based shaft furnace direct reduction technology.Iron Steel,2014, [15]Zhao ZL,Tang H Q,Guo Z C.In situ observation and mecha- 49(3):1 nism research of the influence of Ca0 on the growth of iron whisk- (张福明，曹朝真，徐辉.气基竖炉直接还原技术的发展现状 ers under CO atmosphere.J Univ Sci Technol Beijing,2011,33 与展望.钢铁，2014,49(3)：1) (7):817 5]Li L,Peng J.Meng X L,et al.Experimental research on influen- (赵志龙，唐惠庆，郭占成.C0气氛下C0对铁品须生长影 cing factors of metal-slag melting separation after titanomagnetite 响的原位观察和机理研究.北京科技大学学报，2011,33 pre-reduction.Min Metall Eng,2014,34(Suppl 1):379 (7):817)李 林等: 氢气还原褐铁矿实验研究与动力学分析 后，还原管内温度大幅降低，因为此时氢气还原反应剧 烈进行，反应吸收的热量高于高温管式炉传输的热量， 导致反应管内温度降低． 反应后期温度基本恒定是因 为氢气还原反应吸收热量与高温管式炉传输的热量趋 于平衡，所以反应后期温度可以在预设的反应温度上 下保持小幅波动． 5 结论 ( 1) 褐铁矿焙烧后，在 750 ～ 950 ℃ 五个温度下使 用氢气还原后得到的还原率随时间变化曲线可知: 还 原率随时间逐渐增加，但还原速率逐渐降低; 还原率随 温度的升高而升高; 在 750 ℃下还原率曲线位置最低， 随温度升高还原率曲线依次升高． ( 2) 通过线性程度最佳的动力学函数 G( α) 对不 同温度下还原率随时间的变化关系做线性拟合计算， 得到其表观活化能 E = 15. 323 kJ·mol － 1，可知扩散为 限制环节． ( 3) 通过对铁矿石试样在不同温度还原后的表面 形貌分析可知: 试样表面裂纹随温度升高加深加宽，未 还原铁矿石所占比例下降． ( 4) 还原管内温度变化趋势为先升高后出现一个 明显峰值再降低后趋近于直线． 这是由于氢气还原铁 氧化物的吸热反应在 t ＞ 4 min 剧烈进行，反应后期趋 于平稳． 参 考 文 献 ［1］ Hu J G，Zhou W T，Guo Y L，et al． Development of gas-based shaft furnace direct reduction pellet technology． Sintering Pelleti￾zing，2012，37( 2) : 40 ( 胡俊鸽，周文涛，郭艳玲，等． 气基竖炉直接还原球团技术 的发展． 烧结球团，2012，37( 2) : 40) ［2］ Qi Y H，Qian H，Zhou Y S，et al． Present status and trend of di￾rect reduction technology development in China． Chin Metall， 2013，23( 1) : 9 ( 齐渊洪，钱晖，周渝生，等． 中国直接还原铁技术发展的现 状及方向． 中国冶金，2013，23( 1) : 9) ［3］ Li L，Li Y Q，Guo H J，et al． Experimental research on influen￾cing factors for pre-reduction of titanomagnetite pellets． Min Metall Eng，2014，34( 3) : 80 ( 李林，李永麒，郭汉杰． 钛磁铁矿球团预还原影响因素的实 验研究． 矿冶工程，2014，34( 3) : 80) ［4］ Zhang F M，Cao C Z，Xu H． Current status and prospects of gas￾based shaft furnace direct reduction technology． Iron Steel，2014， 49( 3) : 1 ( 张福明，曹朝真，徐辉． 气基竖炉直接还原技术的发展现状 与展望． 钢铁，2014，49( 3) : 1) ［5］ Li L，Peng J，Meng X L，et al． Experimental research on influen￾cing factors of metal-slag melting separation after titanomagnetite pre-reduction． Min Metall Eng，2014，34( Suppl 1) : 379 ( 李林，彭劼，孟祥龙，等． 钛磁铁矿预还原后渣铁熔融分离 影响因素实验研究． 矿冶工程，2014，34( 增刊 1) : 379) ［6］ Fan L J，Lü Q G，Na Y J，et al． Experimental investigation on di￾rect reduction of iron ore powder by pulverized coal in a circulating fluidized bed． Chin J Process Eng，2011，11( 1) : 91 ( 范丽娟，吕清刚，那永洁，等． 铁矿石粉循环流化床煤基直 接还原的实验研究． 过程工程学报，2011，11( 1) : 91) ［7］ Li J L，Liu W S，Li Y Ｒ，et al． Applied research on thermal de￾composition of limonite with crystal water by thermal analysis tech￾nology． Iron Steel，2011，46( 5) : 19 ( 李金莲，刘万山，李艳茹，等． 热分析技术在褐铁矿结晶水 热分解中应用研究． 钢铁，2011，46( 5) : 19) ［8］ Zhong Y W，Gong X Z，Wang Z，et al． Effect of iron surfaces with nano /micro structures on the sticking of Fe2O3 in fluidized bed reduction． J Univ Sci Technol Beijing，2011，33( 4) : 406 ( 钟怡玮，公旭中，王志，等． Fe 表面纳微结构对 Fe2O3 流态 化还原过程黏结失流的影响． 北京科技大学学报，2011，33 ( 4) : 406) ［9］ Gao Z G，Cao Y H，Liu H Z，et al． Application of direct reduc￾tion roasting-magnetic separation process in recovering refractory limonite ore． Min Metall Eng，2013，33( 4) : 49 ( 高照国，曹耀华，刘红召，等． 某难选褐铁矿直接还原焙烧- -磁选工艺研究． 矿冶工程，2013，33( 4) : 49) ［10］ Li Q J，Liao Z L，Wang X，et al． Experiment and mathematical simulation on reduction of fine iron oxide with hydrogen at medi￾um-low temperatures． Chin J Process Eng，2011，11( 2) : 299 ( 李秋菊，廖增丽，王秀，等． 中低温氢还原铁矿微粉过程的 实验研究与数值模拟． 过程工程学报，2011，11( 2) : 299) ［11］ Zhang X Y，Li J L，Liu X Y． Study on the dehydration kinetics for the limonitic． Met Mater Metall Eng，2010，38( 4) : 10 ( 张翔宇，李家林，刘小银． 某褐铁矿脱水反应动力学的研 究． 金属材料与冶金工程，2010，38( 4) : 10) ［12］ Dai T，Li B W，Wu W F． Ｒeduction model for gas magnetization roasting process of single limonite particles． Met Mine，2014 ( 2) : 79 ( 代涛，李保卫，武文裴． 单颗粒褐铁矿气基磁化焙烧过程 的还原模型． 金属矿山，2014( 2) : 79) ［13］ Pan W，Wu K，Zhao X，et al． Ｒeduction kinetics of Shougang iron ore sinter． J Univ Sci Technol Beijing，2013，35( 1) : 35 ( 潘文，吴铿，赵霞，等． 首钢烧结矿还原动力学． 北京科技 大学学报，2013，35( 1) : 35) ［14］ Pang J M，Guo P M，Zhao P，et al． Study on kinetics of hema￾tite reduction by hydrogen at low temperature． Iron Steel，2008， 43( 7) : 7 ( 庞建明，郭培民，赵沛，等． 低温下氢气还原氧化铁的动力 学研究． 钢铁，2008，43( 7) : 7) ［15］ Zhao Z L，Tang H Q，Guo Z C． In situ observation and mecha￾nism research of the influence of CaO on the growth of iron whisk￾ers under CO atmosphere． J Univ Sci Technol Beijing，2011，33 ( 7) : 817 ( 赵志龙，唐惠庆，郭占成． CO 气氛下 CaO 对铁晶须生长影 响的原位观察和机理研究． 北京科技大学学报，2011，33 ( 7) : 817) · 91 ·