摘要
高炉炼铁产量高、生产稳定、产品性能优异、工艺成熟，仍是我国目前主要的炼铁方式，但由于其能耗高、污染严重、投资大等缺点，以及近年来国家对环境问题的高度重视，使高炉炼铁的长远发展受到了一定影响。而直接还原作为近些年新兴的炼铁技术,由于其具有流程短，对焦煤依赖性小以及污染轻等优点，受到了越来越多的关注。在直接还原工艺的研究中，如何提高铁矿石中铁氧化物的还原度、解释其还原机理、优化还原工艺是专家学者们关注的几个热点问题。 本文主要对含碳球团直接还原过程和还原机理进行了研究，并就不同温度、不同碳氧比以及不同还原气氛等因素对含碳球团还原过程的影响进行了分析。首先，文中对含碳球团直接还原的热力学进行了分析，说明其可行性，并利用正交实验法确定了各因素对含碳球团直接还原过程影响的主次顺序，为进一步的单因素工艺参数研究提供了依据。然后，采用热重分析法对含碳球团还原过程的还原度和还原速率进行了分析，确定了含碳球团直接还原的反应级数、活化能和反应限制性条件等动力学参数。最后，利用化学分析、XRD、SEM-EDS等方法对不同工艺参数下的还原产品进行了物相、元素价态、元素含量以及微观形貌变化的分析，同时也考察了含碳球团还原后的抗压强度以及金属化率等性能指标，为进一步优化还原工艺提供依据。 热力学计算表明，在含碳球团还原过程中，当温度低于570℃时，CO与铁氧化物的还原反应可部分自发进行，即CO在该温度范围可以将Fe3O4和FeO还原成金属Fe单质，而H2和铁氧化物几乎不发生反应;当温度高于710℃时，H2和CO均能将Fe3O4还原为FeO和Fe单质，但两种还原气体在同一温度下的利用率存在差异。810℃之前，CO的利用率大于H2,而在810℃以后，CO的利用率低于H2。 通过三因素四水平的正交实验发现，各因素对于含球团还原影响结果的主次顺序为还原温度＞碳氧比＞还原气氛;由热重分析结果可知，含碳球团的质量随反应时间的增加逐渐下降，在反应初期，质量下降幅度明显，反应后期，质量变化幅度趋于稳定;反应速率在反应5min左右达到峰值，此后，速率连续下降，直至反应结束。 含碳球团单因素实验及结果分析表明，随着温度的升高，含碳球团的金属化率呈现上升趋势，反应分数也得到了相应的提高。而适当提高碳氧比、调节还原气氛（如增加H2比例）同样可促进原反应的进行，提高产品性能。由XRD物相分析可知，随着温度继续升高，Fe的衍射峰逐渐增强，当温度达到1100℃时，样品中已不存在FeO的衍射峰，表明FeO已经全部转化为金属铁，Fe的占据了主要地位。 还原过程动力学研究表明，在含碳球团的气固协同还原过程中，当以扩散为限制性环节对还原过程进行线性拟合时，得到了良好的拟合效果，拟合度高于以界面反应和碳气化等限制性条件。且对应的表观活化能最高，即反应所需要的能垒最大，表明还原反应的控速环节为气体的扩散，活化能为93.18kJ/mol。
NETL