不同还原条件还原磁铁矿的试验研究.doc

氢气在不同还原条件还原磁铁矿的试验研究姚玺，郭汉杰，李永麒，孙贯永，李林（北京科技大学冶金与生态工程学院，北京100083）摘要试验研究了不同温度和还原时间对某磁铁矿的还原速帽金属化率和抗压强度的影 响，同时研究了随着还原反应的进行，炉内温度的变化规律试验中设置750 C, 800 C, 850 C, 900 C, 950 C 5个不同的还原温度，使用流量为10L/min的压还原某磁铁矿 结果表明：在800笆以上还原50 min,可以使其得到充分的还原，金属化率达到93%以上； 同一温度下，前30 min内球团矿被迅速还原，金属化率可达80%以上；反应温度越高，还 原产品的抗压强度越低，并且温度与抗压强度呈线性关系关键词 不同温度还原速率金属化率抗压强度Research on the Direct Reduction of Magnetite fordifferent reducing conditions by HydrogenYAO Xi,GUO Hanjie. LI Ycmgqi, SUN Guanyong, LI Lin(School of Metallurgical and Ecological Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)Abstract The experiment was designed to study the impact of diffident temperatures and reduction time on the direct reduction rate, metallization rate and compressive strength of magnetite, the trends of the furnace temperature during the process of the reduction reaction, the reduction temperature was set at 750 C, 800 C, 850 C, 900 C and 950 C in the order, and the hydrogen flow was set at lOL/min in the experiment, the results show that after the magnetite was reduced fbr 50 minutes above 800 C, the metallization rate reached above 93%; the metallization rate of pellet reached above 80% at first 30 minutes at the same temperature; a linear relation between temperature and compressive strength was found, which presented the higher temperature, the lower compressive strength.Key words Diflerent temperature metallization ratio Rate of reduction Compressive Strength随着钢铁工业的迅速发展和人们对环境质量的日益密切关注，铁矿石，焦炭 资源的日益匮乏，同时炼焦过程中对环境造成了巨大污染，所以直接还原越来越 受到研究者的重视气基直接还原是指在矿石尚未熔化温度下，采用气体对 矿粉进行还原，直接将铁氧化物还原成金属铁的工艺方法，还原产品呈多孔低密 度海绵状结构，被称为直接还原海绵铁（DRI） [8]o氢气作为一种清洁能源，其 还原产物为H2O,不产生CO2等温室气体，完全环保，而且氢气反应是吸热反 应，温度越高越有利于反应的进行，这就为反应提供了很好的热力学与动力学条 件，同时由于氢气分子具有质量小，易扩散，反应速度快等优点，成为21世纪 钢铁环保生产研究的热点阡叫，本文采用氢气在不同温度下对矿粉进行还原研 究，以期能对后续混合气基直接还原的有效利用提供理论支撑。

1试验原料作者简介姚玺（1991-）硕士研究生研究方向：气基直接还原冶炼及应用邮者18101031872@ 通讯作者郭汉杰（1957・）博士生导师教授研充方向：直接还原冶炼技术邮箱guohanjie@在实验室中进行试验，试验原料为山西某地所产磁铁矿，主要矿物相为磁 铁矿Fe3O4,其XRD图谱如图1所示10 20 30 40 50 60 70 80 9020/0300025002000M 150 10005000图1磁铁矿原矿的XRD图谱Fig.l XRD map of magnetite该矿粉磨圆度好，粒度均匀，其主要化学成分如表1所示表1磁铁矿元素组成（%）Table 1 Particle size analysis of ore samplesTFeFeOSiSiO2Mg3AlSPMn65.7632.301.944.570.350.240.090.040.04从表1可以看出铁矿粉品味较高，杂质元素硫磷含量少，符合直接还原炼铁工艺 所要求的原料标准2试验方案2.1试验仪器主要还原设备为一台12 KW h带称量系统的高温节能管式炉，额定温度 1200 C,称量精度0.1g,使用PID可控温程序控制。

其余设备包括耐高温钢制 成的还原管，抽风式干燥箱，伯佬热电偶等还原试验装置如图2所示，采用此 试验装置是基于：生/ 1/ M西1 ■电子天平；2.电炉；3.还原管；4-试样；5.氧化铝球；6.热电偶;7.温度控制仪；8.流量计；9.换向阀；10.氢气；11 .氮气；2还原试验装置Fig.2 Experimental reduction device1） 电子天平与还原管相连接，可直接记录氢气还原磁铁矿时还原管质量变 化，间接计算氢气还原磁铁矿的还原率2） 在还原管内部同样有一个热电偶，其作用是测量球团矿试样中心的温度, 电炉热电偶的作用则是测量当前炉内温度因为球团矿试样中心温度与炉内温度 存在一定温差，所以在还原管中另设一支热电偶3） 还原管底部垫一层氧化铝球是为防止球团矿堵塞还原管进气口，同时预 热气体，使气体均匀的与球团矿接触2.2试验步骤（1） 实验时先将矿粉在抽风干燥箱中105 C烘干2 h,去除矿粉中的水分，采用 矿粉筛进行筛选，得到矿粉2） 为了达到有效的粘结效果,选择配1.5 %膨润土与0.5 %有机粘结剂以及8 % 水，使其充分混合均匀3） 在手扳式压球机上进行压球，采用15MPA压力进行压球。

4） 压完球团放入烘箱中烘干2 h,去除水分5） 在室温下将烘干过后的球团放入高温电阻炉内进行焙烧，升温时间为90 min,升到950 C,保温30 min,继续升温至1220 C,保温20 min,球团抗压 强度达到350No（6） 为了研究还原机理对此球团的影响，分别采用750 C, 800 C, 850 C, 900 C, 950 C采用氢气对氧化球团进行直接还原7） 将氧化铝刚玉球装入试验管中，刚玉球的作用是预热还原气体，放入带有 孔隙的钢垫片，然后将焙烧后的球团装入，每次装入500g,盖上试管的盖子， 插入热电偶，将还原管放入管式炉内，首先通入N2,然后通还原气体H2,检查 装置是否漏气，然后设置管式炉升温程序，启动加热至预定温度后保持恒定8） 反应管温度到达还原温度时，以10 L/min的流量向反应管内通入出进行 还原，记录随时间进行球团质量减少的量以及热电偶所显示的炉内温度，还原时 间设定为50 min9） 还原结束后，使用N2气体保护温度降到700 C时，将还原管从管式炉 中迅速取出以缩短降温时间使用N2保护直至温度降至80 C,防止还原后球 团再次氧化1.2.3试验数据处理方法1.23.1质量变化的数据处理使用带称量系统的高温节能管式炉加还原管可测量球团质量变化。

试验目的 是用球团矿还原前后质量变化测定铁氧化物的失氧量，即进行球团还原率的测 定数据采集由人工每分钟读取电子天平的显示数值，将天平的读数按时间绘制 在图4中，绘图采用每5分钟间隔的数据，取Omin, 5 min, 10 min, 15 min,20 min, 25 min, 30 min, 35 min, 40 min, 45 min, 50 min,图 4 为不同温度条 件下球团质量随时间的变化曲线图4不同温度条件下球团质■随时间的变化曲线Fig.4 The relationship of quality and reaction time at different temperature随着时间的进行，球团的质量逐渐减少从0—5 min这5 min内，950C的 条件下还原进行的最快，球团质量减少了 43g, 900 C, 850 C, 800 C分别减 少了 34g, 30g, 30g, 750 C下球团质量减少了 17g整个趋势来看，950 C时，球团质量减少的最快，当反应进行到35 min时, 已经减少到373g,接近完全反应L2.3.2反应分数的数据处理表1显示试验用磁铁矿全铁含量为65.76%,根据磁铁矿全铁含量计算其 中总氧含量，即定义反应物参加还原反应减少的量与其理论计算减少的 量之比为反应分数，以R表示，可以得出因此，铁氧化物在还原过程中t时刻的反应分数可按式1求解。

r=小"%mr -O%（式1）式中：R—反应分数或还原率；△O 提氧化物失去氧的量；Z一 铁氧化物还原前总氧量；m—还原前球团矿的质量;mt一还原t时刻后球团矿质量;叫.—还原刖球团御质量；由全铁量计算后铁氧化物的氧含量 将每一分钟的反应分数计算出来，标在图5中2试验结果与讨论2.1温度对反应分数的影响图5为不同温度条件下反应分数随时间的变化曲线，可以看出:夏iHfininin图5不同温度条件下反应分数随时间的变化曲线Fig.5 The relationship of quality and reaction time at different temperature950 C各点的反应分数明显大于其他温度下各点的反应分数，当反应进行到 35min时反应基本完成，此时反应分数为97.7%(50min时，反应分数为98%)； 900 C, 850 C, 800 C在反应进行到45 min时，反应基本结束，最终得到这 三个温度下反应分数分别为97.8%, 97%, 97%在0—20 min内，900 C与850 C两个反应条件下，反应的反应分数基本相 当，20 min后，各个时间段900 C的反应条件下的反应分数比850 C的反应分 数要大。

从图5中可以明显看出，还原温度越高，越有利于还原反应的快速进行，950 C与900 C的还原进行程度明显优于其他温度下反应所能进行的程度这 与采用压还原有关，氢气(H2)还原铁氧化物反应如式(2), (3)所示［以H,=2FcQ+HQ（式2）A,G=-15547-74.40T J/mol。