鐵精礦直接還原影響因素研究論文

1、攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 摘要攀枝花鐵精礦直接還原影響因素研究摘 要以攀枝花鐵精礦為原料、煤粉作還原劑、d1和d2作聯(lián)合催化劑，研究還原溫度、還原時(shí)間、配碳量、催化劑以及各因素之間交互作用對(duì)冷固球團(tuán)直接還原工藝的影響。采用五元二次回歸正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果回歸出了金屬化率、碳失重率及失氧率與各因素間關(guān)系，發(fā)現(xiàn)各單因素及因素之間交互作用對(duì)直接還原均有影響，尤其是兩種催化劑的交互作用對(duì)金屬化率的影響較大，經(jīng)過(guò)優(yōu)化試驗(yàn)得到溫度在1280左右，時(shí)間在30min左右，配碳量在22.7%左右，催化劑d1加入量在2.5%左右，催化劑d2加入量在0.5%左右時(shí)，其金屬化率可達(dá)到95.54%，試驗(yàn)過(guò)程中

2、沒(méi)有出現(xiàn)球團(tuán)崩潰的現(xiàn)象。關(guān)鍵詞 攀枝花鐵精礦,直接還原，回歸正交設(shè)計(jì)，球團(tuán)iii攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） abstractabstractthis paper studied the influence of factors about reducing temperature、reducing time、carbon quantity and catalyst as well as the interaction between the factors in which directing reduce iron concentrate of pan zhihua with powde

3、red coal as reducing agent and e d1 and the d2 as union catalyst. using the regression orthogonal design to arrange the experiments,and getting the relationship of the metallization rate,the carbon lost rate and the oxygen lost rate with the factors ,and concluding that the single factor and the int

4、eraction between the factors are all have impact to the direct reduction, especially the interaction between the two catalysts have an important impact to the metallization rate. after optimized experiments, when the reducing temperature is about 1280 ,the reducing time is about 30 minutes, the carb

5、on quantity is about 22.7 percent ,the content of the d1 is about 2.5 percent, and the content of d2 is about 0.5 percent, its metallization rate might achieve 95.54%,of course,there has not presented the phenomenon which the pellets are collapsed in the testing process.key words panzhihua iron conc

6、entrate,direct reduction, regression orthogonal design, pellet攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 目錄攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 目錄目 錄摘 要iabstractii1 緒論11.1 課題研究背景11.2 主要直接還原方法11.2.1 氣基直接還原11.2.2 煤基直接還原21.3 直接還原發(fā)展?fàn)顩r21.3.1 國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況21.3.2 直接還原優(yōu)勢(shì)31.3.3 存在問(wèn)題31.4 課題研究意義41.5 課題研究目的42 基本原理62.1 還原劑的選擇62.2 鐵氧化物還原特點(diǎn)62.3 影響因素82.3.1 還原溫度82.3.2

7、還原時(shí)間102.3.3 配碳量102.3.4 催化劑作用機(jī)理103 試驗(yàn)內(nèi)容113.1 試驗(yàn)設(shè)備113.1.1 試驗(yàn)設(shè)備113.1.2 化驗(yàn)設(shè)備123.2 試驗(yàn)原料123.3 工藝流程133.4 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)133.5 試驗(yàn)過(guò)程143.5.1 試驗(yàn)基本步驟143.5.2 球團(tuán)的壓制153.5.4 制樣154 試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析164.1 試驗(yàn)結(jié)果164.2 數(shù)據(jù)處理164.2.1 方程回歸164.2.2 數(shù)據(jù)分析184.3 驗(yàn)證試驗(yàn)184.3.1 驗(yàn)證試驗(yàn)方案184.3.2 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果194.4 討論20結(jié) 論21參考文獻(xiàn)22附錄a：碳的氣化反應(yīng)和浮士體還原平衡常數(shù)計(jì)算23附錄b：試驗(yàn)方案2

8、4附錄c：回歸方程計(jì)算過(guò)程26附錄d：極值點(diǎn)的討論32致 謝336攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 緒論1 緒論1.1 課題研究背景攀枝花鐵精礦大多為鐵、釩、鈦等多元素共生的復(fù)合礦，其主要成分包括鈦磁鐵礦feofe2o3n(feotio2)、鈦鐵礦(feotio2)和鈦鐵晶石(2feotio2)。攀枝花釩鈦磁鐵礦屬于品質(zhì)低的礦物（鐵品位只有52左右），結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要探索不同的方法加以處理，目前應(yīng)用較為廣泛的依然是比較傳統(tǒng)且成熟的高爐煉鐵。對(duì)于攀枝花釩鈦磁鐵礦而言，高爐煉鐵工藝要求大量的富礦來(lái)支撐鋼鐵規(guī)?；?，對(duì)焦煤需求旺盛，以全鐵利用和部分回收釩鈦為主要特征，資源利用率偏低，形成的二次資源性固

9、體廢棄物量大，而且用途不廣，造成一定的環(huán)境社會(huì)問(wèn)題1。但三十多年的攀鋼實(shí)踐證明，高爐流程具有技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性，鐵釩鈦產(chǎn)品滿足國(guó)家相關(guān)技術(shù)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，有強(qiáng)大的市場(chǎng)需求，但攀枝花焦煤供應(yīng)不足和資源利用率偏低的狀況始終存在，得不到很好解決。因此，根據(jù)攀枝花經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展實(shí)際，有必要多途徑尋求攀枝花釩鈦資源綜合利用的方法，以實(shí)現(xiàn)鐵釩鈦全面有效利用的目標(biāo)。20世紀(jì)7080年代，我國(guó)組織了釩鈦磁鐵礦鋼鐵冶煉新流程科技攻關(guān)，探索采用直接還原技術(shù)冶煉釩鈦磁鐵礦，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)鐵、釩、鈦資源綜合利用的合理途徑，先后進(jìn)行了回轉(zhuǎn)窯、豎爐、流化床等設(shè)備形式的試驗(yàn)研究，但是由于當(dāng)時(shí)工藝、設(shè)備和市場(chǎng)條件的限制，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。直

10、接還原煉鐵技術(shù)自20世紀(jì)60年代出現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)以來(lái)，經(jīng)過(guò)40多年的發(fā)展，由于其在原料、工藝、設(shè)備和生產(chǎn)組織等方面的靈活性和環(huán)保優(yōu)勢(shì)，迄今已成為高爐煉鐵技術(shù)的重要補(bǔ)充，在一些國(guó)家和地區(qū)獲得了很大的發(fā)展。1.2 主要直接還原方法隨著世界經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，直接還原冶煉工藝也在不斷推陳出新。世界上已應(yīng)用和正在試驗(yàn)研究的直接還原工藝有40多種，而應(yīng)用于大規(guī)模生產(chǎn)的有20多種。直接還原工藝按其主體能源的不同，可分為氣基直接還原、煤基直接還原和電熱直接還原三大類。其中，電熱直接還原因消耗大量電力而多已停產(chǎn)，另兩類是直接還原鐵生產(chǎn)的主要方法。1.2.1 氣基直接還原氣基直接還原是指以還原性氣體(主要指天然氣)做

11、還原劑的直接還原工藝。由于此法具有能耗低、生產(chǎn)規(guī)模大、生產(chǎn)效率高、易操作等優(yōu)點(diǎn)，故自問(wèn)世以來(lái)就得到了鋼鐵企業(yè)的青睞，發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁，目前已成為海綿鐵生產(chǎn)的最主要方法。其產(chǎn)量已占到世界dri總產(chǎn)量的90%以上。但該方法主要是以一次能源(天然氣)為還原劑，受地理環(huán)境影響很大，其主要分布在中東、南美等天然氣資源較豐富的地區(qū)。發(fā)展氣基直接還原氣基直接還原的代表工藝有hyl法、midrex豎爐法、流態(tài)化法等2。1.2.2 煤基直接還原以固體(煤炭等)作還原劑生產(chǎn)直接還原鐵的方法稱為煤基直接還原法。煤基直接還原法主要用廉價(jià)的非焦煤為還原劑，可有效避免氣基法的地域限制。但該方法有易結(jié)圈結(jié)瘤、生產(chǎn)規(guī)模小、生產(chǎn)效

12、率低等弊端，目前主要分布在南非、印度、新西蘭等一些天然氣資源缺乏，但卻擁有優(yōu)質(zhì)的鐵礦和豐富煤炭資源的地區(qū)。我國(guó)天然氣資源儲(chǔ)量不足，發(fā)展氣基還原工藝存在困難。但我國(guó)煤炭資源豐富，總儲(chǔ)量達(dá)6400億t，非焦煤儲(chǔ)量占45%左右，且分布很廣，僅適合用于直接還原的褐煤就占14%；我國(guó)鐵礦資源豐富，居世界第三，僅次于前蘇聯(lián)和巴西，但適于直接還原用的鐵塊礦很少，而可用于直接還原的高鐵、低雜鐵精礦資源豐富、分布較廣。因此，根據(jù)我國(guó)資源條件，在今后相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，應(yīng)以發(fā)展煤基回轉(zhuǎn)窯直接還原法為主，并以鐵精礦球團(tuán)礦為主要原料3。綜合上述理由，應(yīng)用煤基法來(lái)生產(chǎn)直接還原鐵的工藝?yán)響?yīng)成為我國(guó)的首選工藝。目前，在國(guó)內(nèi)實(shí)施

13、的煤基法工藝主要有：隧道窯工藝、回轉(zhuǎn)窯工藝和倒焰窯工藝等。其中機(jī)械化、自動(dòng)化程度較高的fastmet法和codir回轉(zhuǎn)窯法等都是先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)、可靠且可借鑒的工藝4。1.3 直接還原發(fā)展?fàn)顩r1.3.1 國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況20世紀(jì)70年代，直接還原技術(shù)在國(guó)外得到迅猛發(fā)展。美國(guó)、西德、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家相繼建立了百萬(wàn)噸的大型直接還原工廠。在快速發(fā)展的過(guò)程中，研究人員不斷摸索并開(kāi)發(fā)了數(shù)百種直接還原工藝。1968年midrex直接還原法的投產(chǎn)成功，直接導(dǎo)致了直接還原鐵生產(chǎn)的迅速發(fā)展，產(chǎn)量穩(wěn)步上升。1970年世界海綿鐵產(chǎn)量達(dá)79萬(wàn)t，2003年增長(zhǎng)到4600萬(wàn)t。日本神戶預(yù)測(cè)，到2010年將達(dá)10700萬(wàn)噸5。自上

14、世紀(jì)50年代開(kāi)始，國(guó)內(nèi)對(duì)直接還原工藝技術(shù)進(jìn)行了大量研究，但主要集中在回轉(zhuǎn)窯煤基直接還原工藝上。中南工業(yè)大學(xué)80年代末研究開(kāi)發(fā)出復(fù)合粘結(jié)劑冷固球團(tuán)“一步法”煤基直接還原工藝6。1991年6月至1993年2月間，中南工業(yè)大學(xué)、長(zhǎng)沙冶金設(shè)計(jì)研究院、遼寧喀左縣三方合作，在攀鋼410廠3.430鏈篦機(jī)回轉(zhuǎn)窯上進(jìn)行900預(yù)熱球團(tuán)直接入窯的“一步法”煤基直接還原工業(yè)試驗(yàn)，并于1994年11月在喀左建成投產(chǎn)一座年產(chǎn)能力為2.5萬(wàn)t、采用一步法鏈篦機(jī)回轉(zhuǎn)窯的直接還原鐵廠，產(chǎn)品tfe90 ，金屬化率94，s0.03。我國(guó)先后開(kāi)發(fā)了多種dri生產(chǎn)工藝，但目前已實(shí)施或?qū)嵤┻^(guò)工業(yè)化生產(chǎn)的方法有：倒焰窯罐式法、隧道窯罐式

15、法、冷固結(jié)球團(tuán)回轉(zhuǎn)窯法、回轉(zhuǎn)窯一步法(鏈篦機(jī)回轉(zhuǎn)窯法)、斜坡?tīng)t法(xsha法)，以及使用塊礦的回轉(zhuǎn)窯法等。此外，還有許多工藝正在建廠或開(kāi)發(fā)研究5。如：自固結(jié)球團(tuán)回轉(zhuǎn)窯法(crimm法)，回轉(zhuǎn)窯兩步法，轉(zhuǎn)底爐法，改進(jìn)轉(zhuǎn)底爐法，連續(xù)爐法，自熱式煤礦球團(tuán)法，煤基流化床法，煤制氣豎爐法，水煤漿制氣豎爐法，含碳球團(tuán)(壓塊)法等6。1.3.2 直接還原優(yōu)勢(shì) 世界多數(shù)國(guó)家嚴(yán)重缺乏焦煤，但其中不少國(guó)家擁有優(yōu)質(zhì)豐富的鐵礦以及天然氣和非焦煤資源，可以因地制宜地發(fā)展直接還原來(lái)解決生鐵資源問(wèn)題。委內(nèi)瑞拉、墨西哥、伊朗等國(guó)具有豐富的天然氣及優(yōu)質(zhì)鐵礦，主要發(fā)展豎爐氣基直接還原工藝，而南非、印度、新西蘭等國(guó)家具有豐富的煙煤

16、及優(yōu)質(zhì)鐵礦，則主要發(fā)展回轉(zhuǎn)窯煤基直接還原工藝。隨著電爐短流程生產(chǎn)線的興起，對(duì)廢鋼的需求日益增長(zhǎng)，而發(fā)展中國(guó)家由于廢鋼量不足，客觀需要發(fā)展直接還原鐵來(lái)補(bǔ)充。與使用廢鋼相比，電爐使用直接還原鐵的好處有7，8： 還原鐵有害元素(cu、ni、cr、mo、sn、as、pb、bi)含量很低，能夠稀釋、降低鋼中的有害元素； 使用直接還原鐵可實(shí)現(xiàn)連續(xù)裝料、成渣迅速、連續(xù)融化及熔池沸騰，促進(jìn)脫氣，降低鋼中n含量，利于快速形成泡沫渣，從而減少鋼中夾雜物； 縮短電爐精煉周期，提高ni、mo等有價(jià)元素收得率。直接還原低碳海綿鐵還可用于直接生產(chǎn)電工純鐵、鐵氧體及工業(yè)鐵料，有利于電爐鋼廠發(fā)展精品、提高產(chǎn)品附加值。由于直接

17、還原電爐連鑄軋制的短流程生產(chǎn)規(guī)模小、建設(shè)周期短、投資省、生產(chǎn)靈活，便于按市場(chǎng)調(diào)整產(chǎn)品種類和數(shù)量。因此，可為資金和技術(shù)缺乏的發(fā)展中國(guó)家提供可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)資金和技術(shù)密集型的高爐轉(zhuǎn)爐長(zhǎng)流程，因地制宜地發(fā)展本國(guó)的鋼鐵工業(yè)，不僅對(duì)發(fā)展中國(guó)家有極大的吸引力，而且對(duì)為解決地區(qū)性鋼材需求和品種調(diào)劑的發(fā)達(dá)國(guó)家也有吸引力。1.3.3 存在問(wèn)題雖然國(guó)內(nèi)外有關(guān)直接還原方面的研究已經(jīng)很多,而且相當(dāng)成熟了,但也還存在地域、資源、經(jīng)濟(jì)等因素的制約，存在很多需要進(jìn)一步解決的問(wèn)題： 還原溫度太高。已有的生產(chǎn)實(shí)踐證明，在沒(méi)有使用催化劑的情況下，單純以提高溫度、延長(zhǎng)時(shí)間或改變配碳量的方法來(lái)提高金屬化率是可行的，但這些因素提高到一定程

18、度后對(duì)金屬化率的影響并不明顯，并且不論哪種因素的提高都將大大增加生產(chǎn)成本，尤其是還原溫度的升高對(duì)成本的需求就更大，不利于生產(chǎn)實(shí)踐。 工藝落后。我國(guó)多數(shù)直接還原生產(chǎn)廠采用隧道窯反應(yīng)罐法，生產(chǎn)工藝落后，能耗高，對(duì)環(huán)境的污染嚴(yán)重，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性差7。已完成的研究工作表明：經(jīng)過(guò)強(qiáng)化和改造后，隧道窯反應(yīng)罐法的能耗有望大幅度降低，產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性得到提高，環(huán)境問(wèn)題得到一定程度的改善。但這些改造工程投資不菲，并不能解決根本問(wèn)題。 還原球團(tuán)易崩潰。前人研究證明，在直接還原過(guò)程中，加入d2作催化劑可明顯降低還原溫度，但是極易引起球團(tuán)的災(zāi)難性崩潰，難以在生產(chǎn)實(shí)踐中應(yīng)用9。 分選困難。直接還原工藝流程較其它方法短，

19、且適合用于還原攀枝花釩鈦磁鐵礦。但前人經(jīng)實(shí)踐證明，在沒(méi)有催化劑的存在下，釩鈦鐵精礦的還原過(guò)程雖然可以進(jìn)行，但還原產(chǎn)物中的金屬鐵晶粒細(xì)小，不能有效分離出磁性物及非磁性物10。而且由于攀枝花釩鐵精礦鐵品位只有52左右，含鐵相晶粒小，呈彌散分布，難以分選。1.4 課題研究意義縱觀目前世界上所有的直接還原工藝技術(shù)，由于生產(chǎn)效率高、能耗低、操作容易、產(chǎn)品潔凈、單機(jī)產(chǎn)能大等原因，豎爐氣基直接還原工藝midrex和hyl-成為絕對(duì)主流工藝，其各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)亦趨穩(wěn)定，生產(chǎn)工藝成熟可靠。但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，世界礦物能源總貯藏量中煤是天然氣的7080倍，另外，天然氣是重要的化工原料，在石化工業(yè)的利用率可達(dá)95，自20

20、世紀(jì)70年代以來(lái)，天然氣產(chǎn)量和價(jià)格大幅波動(dòng)，已嚴(yán)重影響和制約了氣基直接還原工藝的發(fā)展。煤基直接還原卻能用廉價(jià)的非焦煤為還原劑，可有效避免氣基法的地域限制。攀枝花是一座礦藏資源寶庫(kù)，已探明的釩鈦磁鐵礦儲(chǔ)量達(dá)一百億噸，是全國(guó)四大鐵礦之一。然而，天然氣和焦煤資源匱乏，同時(shí)缺乏高品位塊礦，絕大部分貧鐵礦需經(jīng)細(xì)磨深選后才能得到高品位的鐵精礦，但是，非焦煤資源比較豐富，因此，采用非焦煤粉和鐵礦粉(鐵精礦)的直接還原技術(shù)比較適合本地資源特點(diǎn)。1.5 課題研究目的前人在直接還原方面的研究已經(jīng)比較成熟了，已經(jīng)有相關(guān)研究證實(shí)，在一定程度上提高還原溫度可以提升金屬化率，延長(zhǎng)還原時(shí)間、改變配碳量也可以達(dá)到類似效果。攀

21、枝花學(xué)院和龍蟒集團(tuán)就已經(jīng)采用轉(zhuǎn)底爐代替隧道窯直接還原鐵精礦球團(tuán)取得了成功，從而克服了隧道窯還原帶來(lái)的弊端，但還原溫度高達(dá)1400，不但對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的要求很高，而且總的生產(chǎn)成本也難以降低。曾有相關(guān)報(bào)導(dǎo)稱加入15%的d2作催化劑可以降低還原溫度并提高金屬化率，從而降低生產(chǎn)成本。大量的生產(chǎn)實(shí)踐證明加入d2可以降低還原溫度，但是加入d2又帶來(lái)球團(tuán)崩潰的問(wèn)題，使得生產(chǎn)難以進(jìn)行。本次試驗(yàn)在使用d2作催化劑的同時(shí)還引入d1作催化劑，考察兩者之間是否存在聯(lián)合催化作用，同時(shí)不能引起球團(tuán)崩潰。本課題就是在前人研究的基礎(chǔ)之上，進(jìn)一步討論直接還原過(guò)程中各因素聯(lián)合作用對(duì)還原過(guò)程的影響，重點(diǎn)探索催化劑在還原過(guò)程中的作用。試

22、驗(yàn)因素包括還原溫度、還原時(shí)間、配碳量、催化劑（d1、d2），除了要考慮各因素的單獨(dú)影響，還要探索是否存在因素之間的聯(lián)合作用，以及它們對(duì)金屬化率的貢獻(xiàn)大小。攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 基本原理2 基本原理2.1 還原劑的選擇金屬氧化物還原反應(yīng)可用通式表示；meo+r=me+ro。即用還原劑r去奪取金屬氧化物meo中的氧，還原出金屬me。還原反應(yīng)對(duì)金屬氧化物而言是me+2e=me0，即獲得電子的過(guò)程，金屬價(jià)數(shù)變低；而對(duì)還原劑是失去電子，價(jià)數(shù)變高，即r0-2e=r+。由通式可知，還原劑r對(duì)氧的親和力大于me與o2的親和力，r能把me從meo中還原出來(lái)，所以還原反應(yīng)的條件是(po2)ro(po

23、2)meo，凡是對(duì)氧親和力大于金屬與氧親和力的物質(zhì)，均可作還原劑11。但綜合考慮還原成本及還原方法，本試驗(yàn)以碳作還原劑。還原產(chǎn)物層可以是疏松的，也可以是致密的。如果是疏松的，則反應(yīng)劑進(jìn)入反應(yīng)界面不受阻礙或阻礙很小，反應(yīng)產(chǎn)物層不影響反應(yīng)速度。本試驗(yàn)中，碳除了做還原劑外，還起到疏松劑的作用，使得反應(yīng)在后期也得以進(jìn)行，而且還能降低能耗。2.2 鐵氧化物還原特點(diǎn)鐵氧化物無(wú)論用何種還原劑還原，都是從高級(jí)到低級(jí)逐級(jí)還原的。圖2.1表示鐵的各級(jí)氧化物形成和分解的規(guī)律。由圖2.1可見(jiàn)，fe2o3曲線位置最高，即fe2o3最不穩(wěn)定；fe3o4次之，feo穩(wěn)定性最強(qiáng)。但在570以下時(shí)，feo也是不穩(wěn)定的，會(huì)分解成

24、fe3o4和fe。這是由于feo是一種缺位固溶體，以浮士體（fexo）形式存在，其含氧量是變化的。lgpo2圖2.1 鐵氧化物分解壓與溫度的關(guān)系鐵氧化物的還原順序?yàn)椋?570 fe2o3fe3o4feofe570 fe2o3fe3o4fe當(dāng)體系中有固體碳存在時(shí)，還原過(guò)程中將存在下列各反應(yīng)的平衡：co2+c=2co 式（2.1）meo+co=me+co2 式（2.2）meo+c=me+co 式（2.3）meo+c=2me+co2 式（2.4）如果反應(yīng)在9501000以上的高溫范圍內(nèi)進(jìn)行，則式（2.4）沒(méi)有實(shí)際意義，因?yàn)閏o2在此高溫下會(huì)與固體碳作用而全部變成co12。當(dāng)溫度高于570時(shí)，直接還原

25、反應(yīng)如下：3fe2o3+ c =2fe3o4+co 式（2.5）fe3o4+c= 3feo+co 式（2.6）feo+c= fe+co 式（2.7）當(dāng)溫度高于570時(shí)，間接還原反應(yīng)如下：3fe2o3+ co =2fe3o4+co2 式（2.8）fe3o4+co= 3feo+co2 式（2.9）feo+co= fe+co2 式（2.10）當(dāng)溫度低于570時(shí)，由于氧化亞鐵（feo）不能穩(wěn)定存在，因此，fe3o4直接還原成金屬鐵 fe3o4+4co= 3fe+4co2 式（2.11）還原全過(guò)程基本由兩階段組成，第一階段發(fā)生如式（2.5）、（2.6）、（2.7）的直接還原，即固-固還原，第二階段主要發(fā)

26、生如式（2.8）、（2.9）、（2.10）的間接還原，即氣-固還原13，這一階段又分兩部分，開(kāi)始時(shí)隨溫度升高，co含量升高，反應(yīng)速度加快，但隨溫度繼續(xù)升高，生成物增加，熱傳導(dǎo)速度變慢，且co與feo接觸受阻，反應(yīng)速度減緩14。有相關(guān)研究認(rèn)為，第二階段后期還原反應(yīng)速率主要由反應(yīng)（2.10）決定15。目前認(rèn)為，還原過(guò)程大部分是在1000左右甚至更高溫度下進(jìn)行，隨著反應(yīng)進(jìn)行，固-固（還原劑-鐵氧化物）的接觸面積變小，原子之間距離變長(zhǎng)，原子長(zhǎng)距離擴(kuò)散時(shí)間長(zhǎng)，固-固還原變得困難，同時(shí)co2不斷發(fā)生反應(yīng)（2.1）生成co，促進(jìn)間接還原反應(yīng)進(jìn)行，因此還原過(guò)程大多為間接還原反應(yīng)。 2.3 影響因素2.3.1

27、還原溫度根據(jù)上節(jié)反應(yīng)式（2.1）的平衡氣相組成（以co%表示）對(duì)溫度作圖，可得圖2.2；根據(jù)式（2.8）、（2.9）、（2.10）和（2.11）的平衡常數(shù)及平衡氣相組成（以co%表示）的分析結(jié)果，將其平衡氣相組（以co%表示）成對(duì)溫度作圖，便得到圖2.3中的四條曲線a（未畫出）、b、c和d 12 ，四條曲線將co%-t平面分成四區(qū)，當(dāng)實(shí)際氣相相當(dāng)于圖中b區(qū)內(nèi)任一點(diǎn)時(shí)，所有鐵的氧化物和全部金屬鐵都會(huì)轉(zhuǎn)變成fe3o4，即在b區(qū)內(nèi)只有fe3o4能穩(wěn)定存在，同樣，c區(qū)內(nèi)只有feo能穩(wěn)定存在，d區(qū)內(nèi)則只有金屬鐵能穩(wěn)定存在。溫度，k溫度，圖2.3 fe-o-c系平衡氣相組成與溫度關(guān)系圖2.2 碳?xì)饣磻?yīng)平

28、衡氣相組成與溫度關(guān)系tl t1 t2 th溫度，溫度，圖2.4 有固定碳存在時(shí)鐵氧化物的還原圖2.5 固定碳還原鐵氧化物的等壓線綜合圖2.2和圖2.3中曲線可以得到圖2.4，從圖2.4可以看出：曲線c與碳的氣化反應(yīng)曲線相交于2點(diǎn)（685），說(shuō)明該點(diǎn)兩反應(yīng)（2.10和2.1）同時(shí)參與平衡，它們的總反應(yīng)即反應(yīng)（2.7），所以685也就是固體碳直接還原feo的開(kāi)始還原溫度。同樣，曲線b與碳的氣化反應(yīng)曲線相交于1點(diǎn)（650），也就是固體碳直接還原fe3o4成feo的開(kāi)始還原溫度。 從圖2.4還可以看出：當(dāng)溫度高于交點(diǎn)t2時(shí)，由于碳的氣化反應(yīng)的平衡氣相組成中co%總是高于feo還原反應(yīng)平衡氣相中的co%

29、，因此，反應(yīng)（2.10）一直進(jìn)行到底?；蛘哒f(shuō)溫度高于t2時(shí)，金屬鐵能穩(wěn)定存在，而fe3o4、feo都不穩(wěn)定存在。碳的氣化反應(yīng)平衡氣相組成中的co%比f(wàn)eo還原所的co%高，該兩反應(yīng)無(wú)法同時(shí)達(dá)到平衡。例如，體系處于圖2.5所示的4點(diǎn)條件下，對(duì)曲線c來(lái)說(shuō)是處于平衡狀態(tài)，但對(duì)碳的氣化反應(yīng)線來(lái)說(shuō)，則有co2過(guò)剩，碳的氣化反應(yīng)的平衡被破壞；這樣，碳的氣化反應(yīng)平衡向co的方向進(jìn)行，從而使體系中co%增加。這又破壞了間接反應(yīng)c曲線的平衡，meo+come+co2和碳的氣化反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行，只要?dú)庀嘟M成中co%高于圖2.5中4點(diǎn)所示的組成時(shí)，總的結(jié)果是meo+cme+co。這個(gè)過(guò)程一直進(jìn)行到meo全部被還原為止。

30、當(dāng)meo消失時(shí)，碳的氣化反應(yīng)將使氣相組成向3點(diǎn)的方向變化，最后在3點(diǎn)達(dá)到平衡。當(dāng)溫度低于交點(diǎn)溫度t1時(shí)，由于碳的氣化反應(yīng)的平衡氣相組成的co%總是低于曲線b和曲線c平衡氣相組成中的co%，因此，feo和fe都將被氧化。也就是說(shuō)，當(dāng)溫度低于t1時(shí)，只有fe3o4能穩(wěn)定存在。因?yàn)闇囟鹊陀趖1時(shí)，曲線b和曲線c的平衡氣相組成中的co%比碳的氣化反應(yīng)的平衡組成中的co%高，碳實(shí)際上無(wú)法使fe3o4、feo還原。同樣，當(dāng)體系溫度介于t1和t2之間時(shí)，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)只有feo能穩(wěn)定存在，因?yàn)樵谶@范圍內(nèi)，碳的氣化反應(yīng)平衡曲線在曲線b之上，曲線c之下，co%比曲線b的大，比曲線c的小。所以fe3o4按曲線b還原

31、成feo，而fe按曲線c被co2氧化成feo12。根據(jù)以上分析，在有固體碳存在時(shí)，只有當(dāng)體系的實(shí)際溫度高于t2時(shí)，co才能還原鐵氧化物。另外，通過(guò)對(duì)平衡常數(shù)的分析，也可得到反應(yīng)（2.10）和（2.1）的平衡常數(shù)表達(dá)式如下： 式（2.12） 式（2.13）其推導(dǎo)過(guò)程見(jiàn)附錄a。由上式（2.12）和(2.13)可知當(dāng)反應(yīng)（2.10）和（2.1）在同一溫度下，其平衡常數(shù)是不同的，也就說(shuō)明反應(yīng)（2.10）和（2.1）不可能同時(shí)達(dá)到平衡。所以，反應(yīng)（2.1）生成co促進(jìn)反應(yīng)（2.10）不斷向右邊進(jìn)行，同時(shí)反應(yīng)（2.10）消耗co使得反應(yīng)（2.1）不斷向生成co的方向進(jìn)行，使反應(yīng)可以持續(xù)進(jìn)行。2.3.2 還

32、原時(shí)間前人已有研究證明，提高還原溫度可以減少還原時(shí)間，但是在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中高溫是不易達(dá)到的，對(duì)設(shè)備及成本的要求都很高16。同樣，時(shí)間過(guò)長(zhǎng)也可能會(huì)引起成本提高及產(chǎn)物質(zhì)量變化。2.3.3 配碳量試驗(yàn)所用鐵精礦中的鐵氧化物主要是feo和fe2o3，其配碳量依據(jù)以下反應(yīng)式計(jì)算：fe2o3+3c=2fe+3co 式（2.14）feo+c=fe+co 式（2.15）粗略計(jì)算得到反應(yīng)中鐵精礦與所需碳的質(zhì)量比約為m鐵精礦：m碳=6：1。由于反應(yīng)過(guò)程中碳除了與feo和fe2o3發(fā)生反應(yīng)外，在高溫下還可能與tio2等氧化物發(fā)生反應(yīng)，并且以上兩式還不能代表還原過(guò)程中所發(fā)生的其它還原反應(yīng)。因此最小配碳量必須高于這一理

33、論值，即配碳量（含碳量與鐵精礦和含碳量總和的百分比）必須大于14.3%，試驗(yàn)方案中所確定最小理論值為15.9%。但配碳量也不是越大越好，加入的碳太多，使還原后球團(tuán)中含碳量過(guò)高，且可能使還原鐵中嚴(yán)重滲碳，既增加了成本又不利于還原球團(tuán)的后續(xù)處理。2.3.4 催化劑作用機(jī)理催化劑在還原過(guò)程中起重要作用，可以降低活化能，加速反應(yīng)的進(jìn)行，縮短反應(yīng)時(shí)間，還有可能降低還原溫度，從而降低還原成本。本試驗(yàn)在前人研究了單獨(dú)以d2或d1為催化劑的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究d1和d2的聯(lián)合催化作用。d1的加入主要可以為還原出來(lái)的鐵提供非均勻形核的場(chǎng)所，促進(jìn)非均勻形核的進(jìn)行，加速反應(yīng)向生成金屬鐵的方向進(jìn)行。前蘇聯(lián)研究者在500

34、用co還原純fe2o3時(shí)添加了3%的堿金屬化合物，明顯提高了fe2o3的還原百分率。堿金屬鹽強(qiáng)化還原過(guò)程的原因是當(dāng)鐵氧化物與堿金屬鹽相互作用后，鐵氧化物內(nèi)部結(jié)構(gòu)起了變化，當(dāng)鐵陽(yáng)離子（fe2+）被堿金屬陽(yáng)離子(me+)取代時(shí)，或者在鐵的結(jié)晶點(diǎn)陣的結(jié)點(diǎn)上形成空位時(shí)，鐵氧化物點(diǎn)陣中的空穴濃度增加，有利于co的吸附，從而加速了反應(yīng)的進(jìn)行12。11攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析22攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 試驗(yàn)內(nèi)容3 試驗(yàn)內(nèi)容3.1 試驗(yàn)設(shè)備3.1.1 試驗(yàn)設(shè)備設(shè)備：sx3-10-14型快速升溫電阻爐（圖3.1）、sic坩堝（圖3.2）、769yp-15a粉末液壓成形機(jī)

35、（圖3.3）、燒杯、玻璃棒、電子天平、不銹鋼盆等。圖3.1 sx3-10-14型快速升溫電阻爐圖3.2 sic坩堝爐圖3.3 769yp-15a粉末液壓成形機(jī)爐 3.1.2 化驗(yàn)設(shè)備fm-1型制樣粉碎機(jī)，箱式電阻爐（北京市永光明醫(yī)療儀器廠），ksw電爐溫度控制器（北京市永光明醫(yī)療儀器廠），電熱板，電子天平，電爐，燒杯、錐形瓶、各種量程量筒、玻璃棒若干；電熱板，電子天平，電爐，錐形瓶、各種量程量筒、漏斗、玻璃棒及濾紙若干；高溫定碳爐（上海躍進(jìn)醫(yī)療器械廠），hxe-80型碳、硫聯(lián)測(cè)分析儀（華欣分析儀器制造有限公司），可控硅溫度控制器（江陰市遠(yuǎn)東數(shù)字儀器廠），電子天平，瓷舟若干。3.2 試驗(yàn)原料原料

36、：攀枝花鐵精礦（各成分含量如3.1表所示）、煤粉（成分如表3.2所示）、純d1、d2、pva（聚乙烯醇）、碳化硅粉末等。表3.1 攀枝花鐵精礦各成分含量/%成分fe2o3feotfetio2al2o3sio2caocr2o3v2o5含量54.39023.45056.50012.5302.4102.3601.2500.0950.400表3.2 試驗(yàn)中所用煤分成分含量/%成分固定碳灰分揮發(fā)物含量79.26011.7609.9803.3 工藝流程試驗(yàn)工藝流程如圖3.1圖3.1 工藝流程圖鐵精礦+粘結(jié)劑+催化劑原料混合壓球干燥還原還原球團(tuán)3.4 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)由于試驗(yàn)過(guò)程涉及因素較多，要通過(guò)試驗(yàn)找到各因

37、素單獨(dú)作用以及各因素之間的相互作用，不宜采用單因素試驗(yàn)，否則會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)次數(shù)繁多而且不容易達(dá)到預(yù)期目的。而回歸正交設(shè)計(jì)可以利用較少的試驗(yàn)次數(shù)獲得較好的試驗(yàn)結(jié)果17，并且還能夠擬定回歸方程，不僅可以得到優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果，而且還可以通過(guò)回歸方程對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行外延，預(yù)測(cè)因素范圍之外的可能性。因此，本課題采用回歸正交設(shè)計(jì)安排試驗(yàn)，確定因素五個(gè)，預(yù)期回歸出包括金屬化率、碳失重率和還原率在內(nèi)的各目標(biāo)函數(shù)與各因素間關(guān)系的五元二次方程，再通過(guò)方程找出相對(duì)優(yōu)化的試驗(yàn)方案。根據(jù)前人的研究結(jié)果確定的各因素范圍為：還原溫度x1（10001280）、還原時(shí)間x2（30 min120min）、配碳量x3（15.9%22.7%）

38、、d1加入量x4（1%4%）、d2加入量x5（0%1.5%），其中x3=；x4=；x5=（煤中c含量為79.26%，實(shí)際上煤粉加入量為：w=)。可得各因素水平如表3.3所示：表3.3 因素水平編碼表規(guī)范變量自然變量(x1)溫度/(x2)時(shí)間/min(x3)配碳/%(x4)d1/%（x5)d2/%上星號(hào)臂長(zhǎng)1280.0120.022.74.01.5上水平 11224.2102.021.33.41.2零水平 01140.075.019.32.50.75下水平 -11055.848.017.31.60.3下星號(hào)臂長(zhǎng)-1000.030.015.91.00.0變量間距j84.227.02.00.90.4

39、5注：查表知=1.66217變量間距： 零水平：以x1為例的具體計(jì)算如下： ； ；同理計(jì)算可得表3.3中其余各數(shù)據(jù)，再根據(jù)五因素(m=5)選用正交表l32(231)（附錄b.1），表頭設(shè)計(jì)為1,2,4,8,16列，其中兩水平試驗(yàn)mc=25=32次，星號(hào)試驗(yàn)次數(shù)mr=2m=10次，零水平試驗(yàn)m0=2次。由此可得到試驗(yàn)方案(附錄b.2)。3.5 試驗(yàn)過(guò)程3.5.1 試驗(yàn)基本步驟 試驗(yàn)準(zhǔn)備。所需原料及設(shè)備準(zhǔn)備； 球團(tuán)壓制。按附錄b.2中方案配料，并分批在769yp-15a粉末液壓成形機(jī)上壓球； 球團(tuán)干燥。將球團(tuán)用烘箱烘干，或者自然風(fēng)干，后者所用時(shí)間要長(zhǎng)些； 球團(tuán)還原。對(duì)達(dá)到入爐要求的球團(tuán)在入爐前稱重

40、，再按試驗(yàn)號(hào)分組裝入坩堝并密封，將坩堝編號(hào)入sx3-10-14型快速升溫電阻爐內(nèi)還原； 球團(tuán)冷卻。將出爐后的坩堝立刻埋于煤粉底下進(jìn)行冷卻； 制樣。將球團(tuán)從坩堝中取出并再次稱重，再將還原后的球團(tuán)搗碎，用制樣機(jī)制樣，以待化學(xué)分析； 化學(xué)分析。所分析成分包括全鐵（tfe）、金屬鐵(mfe)和碳（c）。3.5.2 球團(tuán)的壓制球團(tuán)在整個(gè)還原過(guò)程中非常重要，這就要求壓制球團(tuán)時(shí)達(dá)到一定的強(qiáng)度。球團(tuán)配料嚴(yán)格按照試驗(yàn)方案進(jìn)行。其具體操作如下： 配料。將原料按試驗(yàn)方案中的比例配好，用電子秤精確稱量各組分重量； 混合。將稱量好的原料混合均勻，并按比例配以粘結(jié)劑，攪拌均勻； 壓球。將原料分次在液壓成形機(jī)上壓球，保證每

41、次壓球質(zhì)量相同，力度相同； 干燥。自然風(fēng)干。3.5.3 球團(tuán)的還原這是本試驗(yàn)的中心環(huán)節(jié)，每一步的操作都關(guān)系到試驗(yàn)成功與否，還原過(guò)程如下： 裝爐。將已經(jīng)干燥并且稱量的球團(tuán)裝入坩堝并標(biāo)號(hào)，再按照溫度和時(shí)間不同分組入爐； 爐子調(diào)節(jié)。每次試驗(yàn)都需要調(diào)節(jié)爐子參數(shù)，尤其是還原溫度和保溫時(shí)間各不相同； 出爐。待保溫時(shí)間到達(dá)后，從馬弗爐取出坩堝； 煤冷。將坩堝埋入煤粉中冷卻。3.5.4 制樣將冷卻后的球團(tuán)從坩堝中取出，稱量，再將還原球團(tuán)搗碎，用制樣機(jī)制樣。制樣時(shí)要調(diào)整參數(shù)，以保證每次制樣粒度一致，每個(gè)樣品制樣時(shí)間保證在三分鐘以上。每次制樣之前要用樣品清洗制樣機(jī)，每個(gè)樣制完后要清理制樣機(jī)，不能將樣品污染，影響化

42、驗(yàn)結(jié)果。制樣完成后，將樣品編號(hào)并送化驗(yàn)室化驗(yàn)。攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析4 試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析4.1 試驗(yàn)結(jié)果本試驗(yàn)最關(guān)心的試驗(yàn)結(jié)果為金屬化率（y3），同時(shí)總失重率（y1）、碳失重率（y2）、失氧率（y4）等對(duì)于找出各影響因素與還原過(guò)程間關(guān)系有不可替代的作用。理論上，金屬化率、總失重率、還原率、失碳率的變化趨勢(shì)應(yīng)該一致，但還原過(guò)程中還有tio2還原的影響，使得變化趨勢(shì)不完全一致。試驗(yàn)結(jié)果如表4.1所示（其中x1為加熱溫度；x2為加熱時(shí)間；x3為配碳量；x4d1加入量；x5為d2加入量；令：m1-入爐前重/g，m2-還原球團(tuán)重/g，w-配煤量/%，wc1-配碳量/%，

43、wc2-還原球團(tuán)含碳量/%，w0-鐵精礦加入量/g ,mfe-還原球團(tuán)中金屬鐵含量/%，tfe-全鐵含量/%。）。 表4.1中相關(guān)計(jì)算：y1=（m1-m2）m1100%；y2=（m1wc1-m2wc2）（m1wc1）100%；y3=（mfetfe）100%；y4=（m1-m2-11.76%wm1-wc1m1+wc2m2）（21.5%w0m1）100%（其中mfe和tfe的含量為化驗(yàn)分析所得數(shù)據(jù)，21.5%為計(jì)算所得鐵精礦中含氧量，11.76%為煤粉中揮發(fā)物含量）。4.2 數(shù)據(jù)處理4.2.1 方程回歸 按照五元二次回歸正交設(shè)計(jì)，所設(shè)定的數(shù)學(xué)模型為：其中， 都是待定系數(shù), i=2,3,4。按照文獻(xiàn)

44、17中方法確定出待定系數(shù)（附錄c），便可以得到如下回歸方程：由于本試驗(yàn)主要關(guān)心金屬化率、碳失重率及失氧率，總的失重率只作為參考，可以由碳失重率及失氧率所體現(xiàn)，故沒(méi)有將其回歸。表4.1 試驗(yàn)結(jié)果序號(hào)x1/x2/minx3/%x4/%x5/%y1/%y2/% y3/%y4/%11224.210221.33.41.232.968.1796.4587.0221224.210221.33.40.332.970.8492.4384.1031224.210221.31.61.232.863.4386.3892.3041224.210221.31.60.332.268.5895.5182.5651224.21

45、0217.33.41.232.478.4894.6188.961224.210217.33.40.331.074.4294.7784.7071224.210217.31.61.232.475.592.7391.5481224.210217.31.60.329.277.3294.8272.3291224.24821.33.41.232.166.1995.7084.80101224.24821.33.40.331.752.2480.7099.87111224.24821.31.61.231.564.0082.6984.15121224.24821.31.60.331.449.6797.97101.

46、09131224.24817.33.41.230.968.8584.0989.77141224.24817.33.40.330.871.9389.7486.30151224.24817.31.61.231.368.7583.1592.12161224.24817.31.60.330.669.8284.9586.91171055.810221.33.41.229.562.5676.0374.70181055.810221.33.40.329.560.8374.3076.64191055.810221.31.61.230.358.3079.5884.04201055.810221.31.60.32

47、9.857.0979.0682.83211055.810217.33.41.230.470.8377.7184.90221055.810217.33.40.329.471.1877.379.32231055.810217.31.61.231.176.0878.5584.15241055.810217.31.60.329.774.3172.277.77251055.84821.33.41.227.859.5974.4268.29261055.84821.33.40.326.555.4468.9466.15271055.84821.31.61.226.755.5970.1767.97281055.

48、84821.31.60.326.153.6168.6066.08291055.84817.33.41.225.957.1162.2373.60301055.84817.33.40.325.659.1865.3969.85311055.84817.31.61.227.764.1368.6176.56321055.84817.31.60.326.657.5064.3276.98331280.07519.32.50.7534.981.6181.3590.95341000.07519.32.50.7526.560.0362.1067.40351140.012019.32.50.7531.267.937

49、7.4985.46361140.03019.32.50.7529.866.1875.6079.47371140.07522.72.50.7529.760.2681.7973.44381140.07515.92.50.7530.562.1879.2198.46391140.07519.340.7530.168.4780.3878.37401140.07519.310.7531.270.4079.4582.52411140.07519.32.51.530.966.7082.3484.95421140.07519.32.503071.5477.5674.73431140.07519.32.50.75

50、30.872.3378.2078.38441140.07519.32.50.7530.571.1080.1978.104.2.2 數(shù)據(jù)分析 顯著性分析以金屬化率(y3)為例，從附錄中c.2可知，因素影響程度由大到小順序?yàn)椋簻囟取r(shí)間、配碳量平方、時(shí)間和配碳量交互作用、d2加入量的平方、d1加入量的平方、配碳量、d1和d2交互作用、溫度和d2交互作用。 失擬性分析失擬分析見(jiàn)附錄c,表明式（4.2）和（4.3）失擬不顯著，回歸模型與實(shí)際情況擬合得很好，而式（4.4）失擬顯著，回歸模型與實(shí)際情況擬合得較差。 優(yōu)化方案根據(jù)高等數(shù)學(xué)原理令（i=1,2,3,4,5） 式（4.5）由式（4.2）、（4.3）、（4.4）分別代入式（4.5）可計(jì)算得到各yi的穩(wěn)定點(diǎn):y2=72.25(當(dāng)x1=1280.000，x2=74.753，x3=19.294，x