机械力促进低温快速反应的研究

研究了机械力作用下铁矿粉与碳粉的物理化学性能的变化规律.在球磨过程中,铁矿粉与碳粉的颗粒度及晶粒不断细化、比表面积不断增大,随着作用时间的延长,粉体会无定形化,甚至发生相变.在晶粒细化过程中,晶粒发生畸变和位错,形成了许多活化中心,这样就可以显著降低反应活化能,同时由于粉体比表面积的不断增加,极大改善了粉体的化学反应性能,促进了气固反应和固固反应,与传统粗粉体相比,氧化铁的还原温度下降300℃左右.采用催化剂和机械力共同作用,会更加明显降低碳还原铁矿粉、气基还原铁矿粉的反应温度.     

氢气还原氧化铁动力学的非等温热重方法研究

 用非等温热重分析法对氢气还原不同粒度细微氧化铁的动力学进行了研究。研究表明：铁矿粉粒度越小,起始反应温度越低,反应速度越快,反应达到平台期时所对应的还原率越高;平均粒度为3.5 mm的铁矿粉在400 ℃还原反应开始,700 ℃左右开始反应加快,达到平台期时的还原率为77%,而平均粒度为2 μm的铁矿粉在100 ℃已经开始反应,350 ℃反应加快,达到平台期时的还原率为98%,而且在600 ℃时还原率就达到了100%;铁矿粉粒度从3.5 mm降到2 μm后,还原反应的表观活化能从73.3 kJ/mol降低到30.46 kJ/mol;同时通过分析氢气还原氧化铁的反应机理得出,内扩散和界面化学反应均对整个反应过程起限制作用。     

铁矿粉反应性研究

研究了铁矿粉与氧化钙反应的熔化特性。实验结果表明，铁矿娄与氧化钙反应生成液相的熔点温度受氧化钙的配比和铁矿粉本身的特性影响。氧化钙配比越高，熔点温度越低；铁矿粉中氧化铝提高了液相生成的熔点温度，在氧化钙配比较低时，影响比较明显；当不同矿种中的氧化铝含量接近时，含结晶水的矿种与氧化钙反应生成液相的熔点温度较低；矿种相同时，粒度越细，熔化温度越低。     

储能铁矿粉的还原热力学研究

研究了机械力作用下铁矿粉储能的变化规律和还原热力学.对于特定的一种球磨机,铁矿粉的粒度细化程度是有限度的,但其微观晶粒可以逐步细化直至晶粒完全无定形化.铁矿粉储能主要来自表面能、晶界能和位错能,其中贡献最大的为晶界能,表面能贡献较小.储能后,CO或H2还原Fe3O4和FeO的平衡气体浓度降低,有利于提高气体利用率;煤基铁矿粉的还原反应温度也相应降低.     

微型流化床内CO还原铁矿粉动力学试验

 采用微型流化床-过程质谱反应分析仪进行了铁矿粉的CO还原动力学研究。结果表明：微型流化床可抑制外扩散作用,利用等温方法算出的铁矿粉还原反应的活化能为2628kJ/mol,指前因子003946s-1,证明该铁矿粉还原符合气体内扩散控制机制模型,并且采用等温动力学方法可实现反应速率常数与模型函数的分离,极大地简化了计算过程,增加了动力学参数的准确性,为铁矿粉还原动力学的研究提供了一种简单可靠的测试方法。     

低温下氢气还原氧化铁的动力学研究

 用热重分析法研究了低温下不同粒度氧化铁的氢还原动力学,得出在同一温度下,铁矿粉粒度从107.5 μm降到2.0 μm后,由于粉体的表面积大幅度增加,提高了粉气接触面积,从而使得化学反应的速度提高了8倍左右,还原反应的表观活化能从78.3 kJ/mol降低到36.9 kJ/mol;当反应速度相同时, 粒度6.5 μm的粉体的反应温度比107.5 μm的降低了80 ℃左右。同时,通过理论推导和实验结果表明,当反应扩散层厚度相同时,铁矿粉粒度越小,反应扩散层厚度越薄,其还原率越高。     

添加铁矿粉对焦炭质量影响的研究

高反应性焦炭能够降低高炉焦比,减少CO2的排放量,改善高炉内铁矿石还原反应的反应效率。研究了在配合煤中添加碱性铁矿粉和酸性铁矿粉炼焦,铁矿粉的配入量对焦炭热性能的影响规律。试验结果表明,随着铁矿粉配入量的提高,焦炭的反应性增大,随后增幅放缓,且添加碱性矿粉的焦炭反应性高于添加酸性矿粉的焦炭,反应后强度与机械强度均有明显劣化;焦炭的灰分增大、硫含量逐步下降;焦炭的各向异性指数不断下降。     

铁矿粉对铁焦性能的影响及机理

为促进铁焦的工业化应用,利用40 kg试验焦炉制备铁焦,研究了铁矿粉成分、配比对铁焦灰分、硫分、机械强度、热反应性等性能的影响,利用热重分析了铁焦的碳溶损反应,并利用SEM扫描电镜和光学显微镜对铁焦的微观形貌和光学组织进行了分析。结果表明,添加铁矿粉,铁焦的灰分明显增加,硫分变化不大,机械强度降低,热反应性提高,反应后强度降低,添加配比不宜超过10%;铁矿粉具有催化焦炭与CO_2反应、降低起始反应温度的作用,铁质量分数越高,催化性越强;炭化还原后得到的金属铁及铁氧化物以不规则的尺寸和形态分布在铁焦气孔壁和碳基质中,充当催化中心和裂纹中心作用,导致CRI上升,CSR降低。     

铁矿粉配比对铁焦性能影响的试验研究

 高反应性铁焦是一种能够改善高炉内铁矿石还原反应效率,大幅削减CO2发生量,提高弱黏结煤和低品位矿石使用率的新型高炉原料。系统地研究了铁矿粉种类及配比对铁焦灰分、硫分、相对密度、气孔率、机械强度、热性质、铁矿粉的还原程度等性能的影响。试验结果表明,随着铁矿粉配比的增加,铁焦的硫分有所增加,灰分线性增加,真、假相对密度均提高,总、显气孔率均降低,抗碎强度和耐磨强度均降低,反应性提高、反应后强度降低,金属铁含量增加,加矿和鄂矿的还原程度提高、澳矿有所降低。当铁矿粉配比为15%时,加矿或鄂矿铁焦中金属铁（MFe）的质量分数为6%~9%,铁矿粉中的氧化铁有55%~70%还原成铁。     

低温冶金技术理论和技术发展

低温冶金通过细化铁矿粉、并运用催化等手段来研究加快铁矿粉在较低反应温度下的还原速度的理论和方法,为开发低能耗、低碳排放、高效的非高炉炼铁新工艺提供理论基础。低温还原理论方面的研究成果,包括细微铁矿粉具有纳米晶粒、储能的铁矿粉能够提高还原气体的利用效率、细粒度改善反应效率、催化剂提高反应速度、改善低温冶金反应的传输条件、多级循环流化床的流化规律以及低温还原冶炼粒铁等理论。在低温还原冶金新技术方面包括改进的熔融还原炼铁工艺、优质海绵铁和粒铁的低温还原工艺。低温还原工艺有望实现节能、低碳、高效和低成本冶金,并能应用于低品位铁矿、含铁冶金渣、赤泥以及钒铁磁铁矿、钛精矿等的综合利用。     

Hydrogen reduction characteristics and mechanism of ultrafine iron ore powder under mechanical activation

The hydrogen based reduction characteristics of iron ore powder with different degrees of mechanical activation were studied by thermogravimetry, and the reduction reaction mechanism was analyzed and discussed. The experimental results show that mechanical activation has a facilitating effect on the reduction of iron ore powder by hydrogen, and the longer the mechanical activation time, the lower the reduction characteristic temperature and the lower the activation energy required for the reduction reaction, but the reaction mechanism remains unchanged, and the restrictive step of the reaction is its interfacial reaction. Mechanical activation obviously affects the step by step reaction of ultrafine iron ore powder, for the unactivated iron ore powder, the step by step reaction level is extremely insignificant, while for the activated iron ore powder the step by step reaction level becomes more and more distinct with the increase of activation time.     

氢气还原1～3mm铁矿粉的动力学研究

在自制的kg级高温流化床中研究了氢气还原1～3 mm矿粉的动力学试验。随着时间的增加,气体利用率下降,表明还原前期反应速度快,后期反应慢;温度越高,气体利用率越高,但随着还原时间的增加,差距在逐步缩小;对于750℃,前20 min的气体利用率为9%,金属化率达到84%,说明氢气还原矿粉反应是非常迅速的。随着气速的增加,金属化率在增加,并且几乎成线性关系,因此使用氢气作为还原剂,可以允许更高的气速,从而提高设备的生产效率。随着料高的增加,金属化率不断下降,然而气体利用率却在不断升高。使用氢气作为还原剂,可以将还原温度降低到700～750℃,避免流化床过程中的粘结难题;试验中氢气还原1～3 mm铁矿粉时的表观活化能为58.4kJ/mol。     

白云鄂博铁精矿氢气流化还原试验

通过可视流化床研究不同温度和氢气流速下对还原白云鄂博铁精矿的影响。试验表明,同一温度下,氢气流速的增加有利于提高流化还原反应的还原效率,但这种作用在低温下更为明显。随温度的升高,流化还原效率提高,但高温下流化效率增长幅度小于低温。应用热重分析研究了不同温度下氢气还原白云鄂博铁精矿的还原动力学,结果表明:其反应的限制性环节为内扩散,活化能随还原时间呈现先下降后上升的现象,而表观活化能的降低更有利于反应的加速进行。在试验条件下,5~10 min时的还原反应速度较快。     

微纳米氧化铁粉低温还原特性的研究

研究了低温还原微纳米氧化铁粉的还原特性与机理。用高能球磨法获得的微纳米氧化铁粉在280～400 ℃内用氢气还原,并测定还原后粉末中氧、计算氧化铁粉末的还原率,通过扫描电子显微镜来观察还原铁粉的形貌;找出了氧化铁粒度、还原温度和还原时间等参数对氧化铁还原率、铁粉粒度和粒度分布、铁粉形貌等的影响。从动力学的角度,探讨了粉末细化对低温氢气还原氧化铁活化能的影响。研究结果指出,微纳米氧化铁粉的还原反应遵循吸附自动催化理论,反应动力学遵循界面化学反应理论,研究获得了反应所对应的反应机制函数和相应的动力学方程。     

微纳米氧化铁粉低温还原特性的研究

研究了低温还原微纳米氧化铁粉的还原特性与机理。用高能球磨法获得的微纳米氧化铁粉在280～400 ℃内用氢气还原,并测定还原后粉末中氧、计算氧化铁粉末的还原率,通过扫描电子显微镜来观察还原铁粉的形貌;找出了氧化铁粒度、还原温度和还原时间等参数对氧化铁还原率、铁粉粒度和粒度分布、铁粉形貌等的影响。从动力学的角度,探讨了粉末细化对低温氢气还原氧化铁活化能的影响。研究结果指出,微纳米氧化铁粉的还原反应遵循吸附自动催化理论,反应动力学遵循界面化学反应理论,研究获得了反应所对应的反应机制函数和相应的动力学方程。     

铁焦初始反应温度的降低及其机理

 在铁矿粉配比为10%的条件下,系统地研究了加矿粉、澳矿粉和鄂矿粉对铁焦的反应性、初始反应温度和活化能等的影响。试验结果表明,与传统焦炭相比,加矿铁焦、澳矿铁焦和鄂矿铁焦的初始反应温度明显降低,降低的幅度取决于铁矿粉的种类和性质;其原因是铁矿粉的催化作用使铁焦的活化能降低,也致使焦炭的反应性提高;初始反应温度、活化能和反应性三者之间具有良好的相关性。     

LiCl催化剂对含铌铁矿粉氢气选择性还原的影响

在自制的扩散床底供气管式电阻炉内进行实验,研究了添加LiCl催化剂对H2选择性还原白云鄂博含铌铁矿粉中铁氧化物的影响。发现含铌铁矿粉中加入LiCl催化剂后对还原反应有促进作用,还原度和金属化率明显提高,铁氧化物几乎全部被还原为金属铁。改变催化剂的加入比率（质量分数）分别为2.14%、1.71%、1.43%、1.00%、0.71%、0.43%,结果表明,70g含铌铁矿粉中添加质量分数为0.71%的LiCl催化剂的催化效果最好,且杂质含量相对较少,其还原度达到95.82%,金属化率达93.73%。     

氧化亚铁颗粒氢还原过程的结构演变

采用热重法实验研究了773~1273K氧化亚铁的等温氢还原动力学,发现873K温度以上,反应动力学曲线有明显转折,说明反应机理发生了变化．在973~1073K的温度范围,出现了反常的温度效应．即反应速率随温度升高而减小．为讨论产物结构对反应动力学的影响,分别对不同温度的反应产物,以及一定温度不同还原状态（不同反应时间）的产物进行形貌观察．结果显示．随着反应温度升高,还原产物表面的孔洞增多,枝状特征显著增加,而973K和1023K时表面的烧结现象明显．一定温度下,随着反应进行,表面的孔洞增多,并逐渐出现烧结．973K和1023K温度条件下反应产物大体保留原来的大颗粒外形,而1173K时还原2min开始,就大量出现枝状产物,并逐渐烧结．结合产物形貌变化和反应动力学曲线,反应前期为界面化学反应控速,随着反应进行．还原的金属铁发生烧结现象,致密的结构阻碍了产物气体向外扩散,反应控速环节转变为产物气体的外扩散,还原速率也随之降低．