本文關(guān)鍵詞：氣基還原氧化鐵動(dòng)力學(xué)機(jī)理研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

江 蘇 科 技 大 學(xué)

本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論文）

學(xué) 專

院 業(yè)

冶金與材料工程學(xué)院 冶金工程 盛建飛 1045562119 楊志彬

學(xué)生姓名 班級(jí)學(xué)號(hào) 指導(dǎo)教師

二零一四年六月

江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)論文
鐵礦石氣基直接還原鐵技術(shù)研究
Research of Gas-based Direct Reduction Technology of Iron Ore

江 蘇 科 技 大 學(xué)

畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)

學(xué)院名稱：冶金與材料工程學(xué)院 專 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 盛建飛 楊志彬 學(xué) 職

業(yè)： 號(hào)： 稱：

冶金工程 1045562119 講師

畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目： 鐵礦石氣基直接還原鐵技術(shù)研究
一、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）內(nèi)容及要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)要求、達(dá)到的 指標(biāo)和應(yīng)做的實(shí)驗(yàn)等） 1.研究?jī)?nèi)容： 以永鋼和沙鋼礦石為原料，采用氣基直接還原工藝，借助于鐵礦石 冶金綜合性能測(cè)試儀，考察 CO 和 H2 兩種氣體氣氛下礦石成分對(duì)直接 還原的影響。 2. 實(shí)驗(yàn)方案 （1）將做好的試樣置于反應(yīng)管中，分別使用由 H2-40%，N2-60%、 CO-40%，N2-60%、H2-100%以及 CO-100%組成的還原氣體在 750℃的 溫度下進(jìn)行等溫還原，利用電子天平連續(xù)稱量試樣的質(zhì)量變化。以三價(jià) 鐵狀態(tài)為基準(zhǔn)，計(jì)算還原一段時(shí)間后的還原速率和還原度。 （2） 通過(guò) XRD 實(shí)驗(yàn)， 分析所用原料礦石及反應(yīng)后樣品的主要成分， 比較三種礦石的成分差別， 通過(guò)這些差別來(lái)探討礦石成分對(duì)直接還原效 果的影響。

二、完成后應(yīng)交的作業(yè)（包括各種說(shuō)明書(shū)、圖紙等） 1. 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文一份（不少于 1.5 萬(wàn)字）； 2. 外文譯文一篇（不少于 5000 英文單詞）； 3. 中期檢查表一份； 4. 開(kāi)題報(bào)告一份。

三、完成日期及進(jìn)度 2014 年 3 月 9 日至 2014 年 6 月 2 日。 進(jìn)度安排： 1、3.9－3.15 文獻(xiàn)檢索、閱讀及外文文獻(xiàn)翻譯； 2、3.16－3.22 撰寫(xiě)開(kāi)題報(bào)告及實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備； 3、3.23－5.10 設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)； 4、5.10－5.25 撰寫(xiě)畢業(yè)論文； 5、5.26－6.2 論文評(píng)閱； 6、6.7－6.8 畢業(yè)論文答辯。

四、主要參考資料（包括書(shū)刊名稱、出版年月等）: [1] 梁中渝. 煉鐵學(xué)[M]. 冶金工業(yè)出版社， 2009：311-320 [2] 黃雄源，周興靈. 現(xiàn)代非高爐煉鐵技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與前景[J]. 金屬 材料與冶金工程， 2007，35（6） ：50-51 [3] 趙慶杰，儲(chǔ)滿生. 非高爐煉鐵技術(shù)及其在我國(guó)的發(fā)展[R]. 2008 年全 國(guó)煉鐵生產(chǎn)技術(shù)會(huì)議暨煉鐵年會(huì)，中國(guó)浙江寧波，2008. 浙江，中國(guó)金 屬學(xué)會(huì)，2008：24-26 [4] 張漢泉， 朱德慶. 直接還原的現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 鋼鐵研究， 2002， 125 （2） ：51-54 [5] 胡俊鴿.，毛艷麗，趙小燕. 氣基豎爐直接還原技術(shù)的發(fā)展[J]. 鞍鋼 技術(shù)， 2008，352（4） ：9-11 [6] 張清岑，白國(guó)華. 影響含鐵原料直接還原的若干因素[J]. 燒結(jié)球團(tuán)， 1996，21（3） ：44-45 [7] 劉國(guó)根，王淀佐，邱冠周. 國(guó)內(nèi)外直接還原現(xiàn)狀及發(fā)展[J]. 礦產(chǎn)綜 合利用， 2001，5：21-24 [8] 儲(chǔ)滿生，王兆才，趙慶杰，柳政根. 我國(guó)發(fā)展煤制氣-氣基豎爐直接 還原工藝的可行性探討[R]. 2010 年全國(guó)煉鐵生產(chǎn)技術(shù)會(huì)議暨煉鐵學(xué)術(shù) 年會(huì)，中國(guó)北京，2009. 中國(guó)金屬學(xué)會(huì)，2010：1029-1030 [9] 王麗麗. 焦?fàn)t煤氣直接還原鐵礦石動(dòng)力學(xué)研究[D]. 內(nèi)蒙古科技大學(xué) 碩士學(xué)位論文. 2011：11-24 [10] 陳庚. 氣基還原氧化鐵動(dòng)力學(xué)機(jī)理研究[D]. 大連理工大學(xué)碩士學(xué)

位論文. 2011：18-28 [11] 程鵬輝 . HYL-ZR 法冶煉直接還原鐵工藝概述 [J]. 山西冶金， 2013，36（6） ：1-3 [12] 杜俊峰，袁守謙. 積極發(fā)展直祖還原鐵(DRI)生產(chǎn)技術(shù)，應(yīng)對(duì) 21 世 紀(jì)電護(hù)廢銅緊缺的挑戰(zhàn)[J]. 工業(yè)加熱， 2002，2：2-3

系(教研室)主任： 學(xué)院主管領(lǐng)導(dǎo)：

（簽章） （簽章）

年 月 日 年 月 日

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摘

要

我國(guó)是世界最大的生鐵出產(chǎn)國(guó)， 約占世界生鐵產(chǎn)量的 60%， 導(dǎo)致我國(guó)焦煤資源日 益短缺；我國(guó)電爐鋼的產(chǎn)量?jī)H占世界總產(chǎn)量的 10%，鋼鐵生產(chǎn)的總能耗十分巨大；鋼 鐵生產(chǎn)過(guò)程排放的 CO2 和硫化物含量，給低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展帶來(lái)巨大的阻力；我國(guó)在 改善產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，提高產(chǎn)品質(zhì)量和減少鋼鐵產(chǎn)品實(shí)物消耗量中的任務(wù)也極其繁重�；� 這些問(wèn)題， 我國(guó)發(fā)展直接還原技術(shù)是十分必要的， 是解決這些困擾和壓力的有效途徑。 氣基直接還原因其反應(yīng)易于控制、反應(yīng)器利用率高、能量利用率高、產(chǎn)品潔凈、碳量 可根據(jù)要求調(diào)整等優(yōu)點(diǎn)而得到迅速發(fā)展。 本實(shí)驗(yàn)采用模擬豎爐進(jìn)行氣基直接還原。通過(guò)考察礦石在 40%H2 和 100%H2 濃 度，750℃溫度下以及在 40%CO 和 100%CO 濃度，750℃溫度下三種不同成分的原料 的失重行為探究礦石成分的不同對(duì)直接還原的影響程度。 結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)中三種礦石的還原速率和還原度從高到低排序都為永鋼 >混合> 沙鋼。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是，永鋼礦石還原開(kāi)始時(shí)直接由 Fe3O4 轉(zhuǎn)變成 FeO，而沙 鋼礦石需要先由 Fe2O3 轉(zhuǎn)變成 Fe3O4，所以前者還原速率較快；永鋼礦石中雜質(zhì)元素 較少， 而沙鋼礦石中雜質(zhì)元素較多， 且部分元素會(huì)在還原過(guò)程生成難以被還原的物質(zhì)， 導(dǎo)致沙鋼礦石還原度較低。

關(guān)鍵詞：氣基直接還原；失重；還原度；成分

I

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Abstract
China is the world 's largest pig iron producer, accounting for about 60% of world’s output of pig iron, which resulting in a growing shortage of coking coal resources. EAF steel production in China accounted for only 10% of world production,and the total energy consumption is a huge number. CO2 and sulfur content which produced during the process of iron and steel production caused a tremendous resistance to low-carbon economy. It is also a extremely arduous task in improving our product structure,improve product quality and reduce real consumption of steel products. Based on these issues, it is quite essential to develop direct reduction technology, which is a effective way to solve these problems and pressures. Gas-based direct reduction is developing fast because the reaction is easy to control, the reactor utilization is high, the energy efficiency is high, the products are clean, and the amount of its carbon can be adjusted according to the requirements. In this study, we use simulated vertical furnace to conduct gas-based direct reduct ion. We study the weightless behavior of ferric oxide in the following reaction atomosphere, firstly at the tempture of 750℃, hydrogen concentration of 40% and 100%; then carbon monoxide concentration of 40% and 100% at the tempture of 750℃ to explore the impact of different component on the direct reduction. The results show that the reduction rate and reduction degree of three kinds of ore in this experiment are in a descending order of Yong gang>Hun he>Sha gang. Yong gang ore reduction directly change from Fe3O4 to FeO, whilet the Sha gang ore needs firstly change from Fe2O3 to Fe3O4, this is why the former has a faster reduction rate; Sha gang ore has more impurity elements than Yong gang ore, and some of them will generate substance that is hard to be reducted, which result in a lower reduction degree of Sha gang ore.

Key words：gas-based direct reduction; weight loss; reduction degree; component

II

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目

錄

第一章 緒

論 .............................................................................................................................. 1

1.1 研究背景 .................................................................................................................................. 1 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 .................................................................................................................... 2 1.2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀.............................................................................................................. 2 1.2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀.............................................................................................................. 3 1.3 選題意義和目的 .................................................................................................................... 6 1.4 本課題研究?jī)?nèi)容 .................................................................................................................... 8

第二章 鐵礦石直接還原實(shí)驗(yàn) ............................................................................................ 9
2.1 實(shí)驗(yàn)原料及設(shè)備 .................................................................................................................... 9 2.1.1 實(shí)驗(yàn)原料....................................................................................................................... 9 2.1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備....................................................................................................................... 9 2.2 實(shí)驗(yàn)條件 ................................................................................................................................ 10 2.3 鐵礦石中溫還原性測(cè)定 ......................................................................................................11 2.3.1 測(cè)定原理......................................................................................................................11 2.3.2 測(cè)定步驟......................................................................................................................11 2.4 計(jì)算公式 ................................................................................................................................ 12 2.4.1 還原度的計(jì)算............................................................................................................ 12 2.4.2 還原性公式的推導(dǎo) .................................................................................................. 12 2.5 實(shí)驗(yàn)方案 ................................................................................................................................ 13 2.5.1 40%氫氣下的還原實(shí)驗(yàn) .......................................................................................... 13 2.5.2 100%氫氣下的還原實(shí)驗(yàn) ............................................................................. 14 2.5.3 40%一氧化碳下的還原實(shí)驗(yàn) ................................................................................. 14 2.5.4 100%一氧化碳下的還原實(shí)驗(yàn) ............................................................................... 14 2.6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 .................................................................................................................. 15

第三章 X 射線衍射分析實(shí)驗(yàn) .......................................................................................... 25
3.1 實(shí)驗(yàn)原料 ................................................................................................................................ 25
III

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3.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?................................................................................................................................ 25 3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 .................................................................................................................. 25

結(jié) 致

論 ............................................................................................................................................. 29 謝 ............................................................................................................................................. 30

參考文獻(xiàn) .......................................................................................................................................... 31

IV

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第一章 緒
1.1 研究背景

論

目前， 煉鐵生產(chǎn)主要仍依靠高爐， 高爐煉鐵技術(shù)起源于我國(guó)， 大約在公元 6 世紀(jì)， 距今已有千余年的歷史。20 世紀(jì)后，高爐煉鐵技術(shù)高速發(fā)展，經(jīng)幾百年的應(yīng)用發(fā)展， 擁有技術(shù)比較完善、生產(chǎn)量大、設(shè)備壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。但是隨著高爐發(fā)展，其帶來(lái)的問(wèn) 題也漸趨嚴(yán)峻。通常，高爐煉鐵系統(tǒng)由焦化、燒結(jié)、高爐等工序組成，有流程長(zhǎng)、投 資大、 污染嚴(yán)重、 靈活性差這些通病， 致使高爐煉鐵的競(jìng)爭(zhēng)達(dá)到了前所未有的水平[1]。 高爐有效高度隨高爐容積的擴(kuò)大而增高，如 5580m3 高爐的有效高度已達(dá) 35m。為使 高爐保持良好的透氣性，要求其所用礦石和焦炭具有高強(qiáng)度，這不僅使原料加工變得 復(fù)雜，且增加了煉焦煤的使用比例。高爐發(fā)展過(guò)程中帶來(lái)的問(wèn)題主要有： （1）在燒結(jié) 礦、球團(tuán)礦和焦炭的生產(chǎn)，以及在原料、燃料的生產(chǎn)中，造成各種嚴(yán)重的環(huán)境污染， 如大氣污染、水污染以及粉塵污染； （2）在高爐生產(chǎn)中，焦炭消耗過(guò)多和廣泛的煉焦 煤短缺的問(wèn)題，給以后的高爐發(fā)展帶來(lái)巨大的危機(jī)； （3）高爐規(guī)模過(guò)大，會(huì)造成鐵、 燃燒、焦炭生產(chǎn)設(shè)備過(guò)于龐大且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致生產(chǎn)過(guò)程太長(zhǎng)，增加投資成本，減少 高爐有效競(jìng)爭(zhēng)。為此，人們不停探索新的煉鐵方式，開(kāi)創(chuàng)出了包括現(xiàn)代非高爐煉鐵在 內(nèi)的各類新流程、新方法的煉鐵技術(shù)[2]。 非高爐煉鐵法是指高爐煉鐵之外不用焦炭的各種工藝過(guò)程。 按照產(chǎn)品類型可分為 直接還原法和熔融還原法， 其中直接還原煉鐵工藝又可分為煤基直接還原和氣基直接 還原兩類，此外還有流態(tài)化直接還原煉鐵工藝等[3]。非高爐煉鐵工藝去掉了燒結(jié)、球 團(tuán)和焦化工序，能夠節(jié)約能源，具有環(huán)境友好且生產(chǎn)成本低的優(yōu)勢(shì)。非高爐煉鐵發(fā)展 的主要優(yōu)勢(shì)有以下幾點(diǎn)：（1）擺脫了焦煤資源短缺對(duì)鋼鐵工業(yè)發(fā)展的限制，改變了 鋼鐵生產(chǎn)能源結(jié)構(gòu)；（2）改進(jìn)了傳統(tǒng)的鋼鐵生產(chǎn)流程，節(jié)約能源，減少二氧化碳、 硫化物等的排放，適應(yīng)環(huán)境保護(hù)要求；（3）解決了廢鋼的短缺問(wèn)題與質(zhì)量不斷惡化 的問(wèn)題，電爐鋼生產(chǎn)的發(fā)展，形成鋼的“緊湊型”過(guò)程，增強(qiáng)鋼的結(jié)構(gòu)和提高鋼的質(zhì) 量；（4）資源綜合利用率提高，可以促進(jìn)和實(shí)現(xiàn)鋼鐵工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[3]。 非高爐煉鐵技術(shù)是世界鋼鐵工業(yè)技術(shù)發(fā)展的前沿技術(shù)之一，是鋼鐵工業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié) 能、減排、低碳生產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展的重要方向和手段。本文將就非高爐煉鐵中的氣基 直接還原鐵技術(shù)作一定研究和探討。
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1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1.2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀
很早之前就有矮爐直接用煤進(jìn)行還原的方法，百年之后，Jenes 在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)利用 天然氣進(jìn)行了直接還原實(shí)驗(yàn)。20 世紀(jì)以來(lái)，許多國(guó)家對(duì)直接還原進(jìn)行過(guò)大量的研究， 世界首次投入工業(yè)生產(chǎn)的直接還原工藝是 Wiberg 法�，F(xiàn)今，全世界共有 12 種工業(yè)規(guī) 模的直接還原法。DRI 主要生產(chǎn)國(guó)在全世界共有 24 個(gè)，共有百余家直接還原廠。根 據(jù)專家統(tǒng)計(jì)，2000 年全世界的直接還原鐵產(chǎn)量將達(dá) 4000～4500 萬(wàn)噸。到現(xiàn)在為止， 氣基直接還原法的整體產(chǎn)能和產(chǎn)量占 DRI 市場(chǎng)的 90%。當(dāng)前，氣基直接還原法主要 包括豎爐法、流化床法和罐式法，其中 Midrex 法和 HYL 法生產(chǎn)能力占總生產(chǎn)量的 80%以上，而 Midrex 法更為突出，其產(chǎn)量達(dá)總產(chǎn)量的一半以上。氣基直接還原法具 有反應(yīng)易于控制，反應(yīng)器利用率高，能量效率高，產(chǎn)品清潔，碳量可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào) 整等優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)使氣基直接還原法得到快速發(fā)展[4]。 雖然直接還原工藝已經(jīng)較為成熟，但在其各個(gè)方面的研究一直沒(méi)有停止過(guò)，并取 得了一定的突破。 （1）氣基豎爐法 Sidor 公司研制的一種新的 AREX-SBD 直接還原新工藝， 它通過(guò)將催化重整爐和 豎爐合二為一，使得天然氣在豎爐下冷卻海綿鐵時(shí)，因鐵的催化作用而得到重整。目 前，該工藝已進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn)，產(chǎn)品金屬化率達(dá) 92%，天然氣消耗為 260m3/t DRI， DRI 產(chǎn)量提高了 30%， 只需對(duì)現(xiàn)有豎爐法稍加改進(jìn)即可在提高產(chǎn)量的同時(shí)降低生產(chǎn)成 本和能耗。 （2）氣基反應(yīng)罐法 HYL 工藝中 DRI 含碳量為 1.2%～2.4%，為了使其含碳量增至 2.4%～4.0%，人 們開(kāi)發(fā)了 Hytemp 工藝，高碳 DRI 具有足夠的抗氧化能力與生產(chǎn)熱壓塊鐵（HBI）相 比生產(chǎn)成本有所下降，電爐煉鋼時(shí)可提高電爐生產(chǎn)率降低能耗。 （3）氣基流化床法 1992 年 11 月開(kāi)始，委內(nèi)瑞拉 Fior 公司與奧地利林茨的奧鋼聯(lián)合開(kāi)發(fā)出了新型 氣基流化床法(FINMET)， 它以天然氣為還原劑還原鐵礦， 然后生產(chǎn)出熱壓塊鐵 （HBI） 。 新 Fior 廠于 1994 年 5 月初步完成設(shè)計(jì)，年產(chǎn) 100 萬(wàn)噸 HBI，現(xiàn)已投入工業(yè)生產(chǎn)，可
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直接使用礦粉，無(wú)需造塊，每噸 HBI 的生產(chǎn)成本僅 50 美元[5]。

1.2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀
我國(guó)進(jìn)行了大量的直接還原技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)，在過(guò)去的一個(gè)世紀(jì)中，實(shí)現(xiàn)了工 業(yè)化生產(chǎn)直接還原鐵。與其他煉鐵工藝相比，氣基豎爐直接還原法的優(yōu)點(diǎn)是單套設(shè)備 產(chǎn)量大、不消耗焦煤、節(jié)能、環(huán)境友好，是直接還原無(wú)焦煉鐵的一個(gè)有效途徑。但是， 由于缺乏天然氣和富礦資源，我國(guó)迄今為止尚未建設(shè)成技術(shù)成熟、節(jié)能的大型氣基直 接還原豎爐和粉礦直接還原工業(yè)生產(chǎn)等煉鐵前沿技術(shù)生產(chǎn)裝置，更缺乏其應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)
[6]

。除天津鋼管還原鐵廠和新疆金山礦冶等 4 家外，我國(guó)多數(shù)工廠直接還原鐵的生產(chǎn)

能力小于 5 萬(wàn)噸/年。至 2004 年底，中國(guó)的直接還原鐵企業(yè)（包括在建中）的總數(shù)已 逾 60，但其總產(chǎn)能只有 100～150 萬(wàn)噸/年。生產(chǎn)規(guī)模過(guò)小，使原燃料供應(yīng)緊張，也給 企業(yè)的產(chǎn)品銷售、環(huán)境保護(hù)和其他方面的帶來(lái)諸多問(wèn)題，這使得中國(guó)的 DRI 產(chǎn)量不 超過(guò) 60 萬(wàn)噸/年，且產(chǎn)品含 SiO 高、體密度小、質(zhì)量不穩(wěn)定，這些問(wèn)題嚴(yán)重降低了其 使用價(jià)值[7]。因此，依靠現(xiàn)有的煤基直接還原工藝生產(chǎn)的直接還原鐵，難以滿足經(jīng)濟(jì) 發(fā)展的高需求。氣基直接還原豎爐具有還原速度快、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、自動(dòng)化程度高、 單機(jī)容量大、技術(shù)成熟、單位產(chǎn)能投資低、能耗低、對(duì)環(huán)境的影響低等優(yōu)勢(shì)。國(guó)外生 產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)也表明，發(fā)展氣基豎爐法可以迅速擴(kuò)大 DRI 產(chǎn)量。氣基豎爐工藝的 DRI 產(chǎn)量 居于主導(dǎo)地位，約占總產(chǎn)量的 80％[8]。2008 年世界直接還原各工藝 DRI 產(chǎn)量所占的 比例如圖 1-1 所示：

圖 1-1 2008 年各直接還原工藝 DRI 產(chǎn)量 Fig1-1 2008’s DRI production of each direct reduction process

從圖中我們可以看出世界還原鐵生產(chǎn)以 Midrex、 HYL 工藝等氣基豎爐法為代表，
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在 DRI 產(chǎn)量中占主要地位，但是這兩種工藝主要以天然氣作為還原劑，而天然氣資 源在我國(guó)的儲(chǔ)量不大且地區(qū)分布很不平衡， 并且其他行業(yè)中對(duì)天然氣的需求量也比較 大，因此我國(guó)氣基豎爐直接還原的發(fā)展受到比較嚴(yán)重的限制，這直接導(dǎo)致了我國(guó)無(wú)法 實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)氣基 DRI 的狀況。然而隨著直接還原技術(shù)的不斷創(chuàng)新，氣基豎 爐直接還原工藝日趨成熟和完善，墨西哥的 HYL 公司基于 HYL-111 法[9]提出了天然 氣“零重整”的 HYL-ZR 工藝，其流程如圖 1-2 所示：

圖 1-2 HYL﹣ZR 工藝流程 Fig1-2 HYL﹣ZR Process

HYL-ZR 工藝使用還原性氣體直接還原鐵礦石。 鐵礦石中的氧通過(guò)與氫氣及一氧 化碳的化學(xué)反應(yīng)而去除，從而得到金屬化率較高的直接還原鐵（DRI）。該工藝流程 包含兩個(gè)主要部分，即還原線路及冷卻線路。還原線路中，F(xiàn)e2O3 在還原性氣體 CO、 H2 作用下得到 Fe，主要的設(shè)備是直接還原塔，包括豎爐、頂部煤氣交換器等；冷卻 線路中，溫度高達(dá) 600℃的 DRI 直接利用或送入外部冷卻器，得到冷態(tài)直接還原鐵， 主要的設(shè)備是外部冷卻器[10]。 HYL-ZR 的工藝特點(diǎn)： （1）產(chǎn)品靈活，可以根據(jù)具體要求，生產(chǎn)三種不同的產(chǎn)品，即冷態(tài) DRI、冷態(tài) DRI 和熱態(tài) DRI； （2）DRI 金屬含量高，鐵含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）可達(dá) 95%； （3）DRI 碳含量高，在 DRI 中大量的碳是以 Fe3C 的形式存在的，該工藝生產(chǎn)的 DRI
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含碳量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）可達(dá) 2~4%； （4）DRI 熱裝入爐，該工藝通過(guò)氣體輸送系統(tǒng)，將熱態(tài) DRI 直接裝入電爐，可以極 大地減少熔化車(chē)間里的能量消耗，節(jié)約生產(chǎn)成本； （5）原料適應(yīng)性強(qiáng)，可加工礦石范圍廣，球團(tuán)礦、塊礦或二者以任何比例進(jìn)行混合 的混合礦； （6）還原氣體少，還原氣體可以進(jìn)行循環(huán)，從而天然氣消耗量較少； （7）可以使用其他的還原煤氣，該工藝可以用多種還原氣體作為補(bǔ)充，例如天然氣、 焦?fàn)t煤氣、煤化氣等； （8）與傳統(tǒng)的高爐煉鐵工藝相比，直接還原鐵工藝不使用焦炭，極大減輕了對(duì)環(huán)境 的污染[11]。 世界對(duì)環(huán)保的要求逐步提高，同時(shí)直接電爐鋼對(duì)優(yōu)質(zhì)原料的需求增加，直接還原 鐵的需求量將逐步增大。作為世界領(lǐng)先的直接還原鐵生產(chǎn)工藝，HYL-ZR 工藝由于可 加工礦石范圍廣、所用氣體靈活、產(chǎn)品質(zhì)量高等諸多優(yōu)點(diǎn)[12]，必將獲得新的發(fā)展。該 工藝將還原部分和制氣部分相對(duì)獨(dú)立的結(jié)合起來(lái)， 使豎爐可以使用焦?fàn)t煤氣和煤制合 成氣為還原氣進(jìn)行還原，彌補(bǔ)了部分地區(qū)天然氣資源不足的情況。現(xiàn)在化工行業(yè)的常 規(guī)技術(shù)主要是使用煤制氣工藝，其經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性已十分可行和可靠，煤制合成氣完 全可作為氣基豎爐還原劑的可靠來(lái)源，同時(shí)我國(guó)的煤炭資源非常豐富、適應(yīng)性也比較 強(qiáng)。因此，新形成的煤制氣-豎爐直接還原煉鐵新工藝，為我國(guó)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn) DRI 提供了便利條件，同時(shí)煤制氣-豎爐也會(huì)成為我國(guó)今后發(fā)展直接還原鐵生產(chǎn)的重 要方向之一[13]。 當(dāng)前，我國(guó)發(fā)展直接還原技術(shù)所具有的一些有利條件如下： （1）隨著調(diào)整鋼鐵產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，鋼材質(zhì)量?jī)?yōu)化，環(huán)保要求和電力供應(yīng)的逐漸改善，電 爐短流程工藝必然得到迅速發(fā)展。 中國(guó)當(dāng)前廢鋼資源不多， 并且優(yōu)質(zhì)廢鋼資源短缺[14]， 這會(huì)很大程度地限制高質(zhì)多品種電爐鋼的發(fā)展， 因此直接還原鐵在我國(guó)有著極大的潛 在發(fā)展空間； （2）雖然我國(guó)可用于生產(chǎn)直接還原鐵的富鐵礦資源比較缺少，但在許多地區(qū)都還是 可以獲得較高鐵品味、含雜質(zhì)元素低且殘余元素少的鐵礦，適于生產(chǎn)高質(zhì)量直接還原 鐵的優(yōu)質(zhì)鐵精礦，同時(shí)價(jià)格也比較低廉，今后我國(guó)發(fā)展直接還原的特點(diǎn)將是使用細(xì)精 礦為原料[15]；
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（3）我國(guó)天然氣資源非常豐富，然而天然氣的分布受地域的限制十分突出。近年來(lái)， 我國(guó)天然氣儲(chǔ)量隨著西部大開(kāi)發(fā)有了大幅度增加，但對(duì)我們這個(gè)人口眾多的大國(guó)來(lái) 講，仍然是一個(gè)缺乏天然氣的國(guó)家。天然氣作為清潔能源，首先要滿足民用需要，如 在東部地區(qū)，人口眾多，需求量十分大；其次還要滿足石化工業(yè)的需要，再其次才能 供給冶金生產(chǎn)。由此看來(lái)，把天然氣用于直接還原鐵的生產(chǎn)余地是不多的。另外，天 然氣的價(jià)格（特別是在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)途輸送后）相當(dāng)高，而且天然氣的漲價(jià)因素十分敏感， 幅度也較大。但在我國(guó)，煤炭資源非常充足，許多地區(qū)存在著適于生產(chǎn)直接還原鐵的 非焦煤資源，因此長(zhǎng)遠(yuǎn)看倆，我國(guó)非常適合發(fā)展煤制氣-氣基豎爐直接還原工藝[16]。 我國(guó)目前存在著 4500 萬(wàn)噸以上的廢鋼缺口，然而我們完全可以用直接還原鐵來(lái) 彌補(bǔ)這些廢鋼缺口， 我國(guó)對(duì)于直接還原鐵的總需求量可以說(shuō)十分巨大[17]。 當(dāng)前在我國(guó)， 直接還原鐵還是一樣新事物，許多鋼廠正在逐步了解和使用它，它也成為特殊鋼不可 缺少的原料，這可以看出我國(guó)對(duì)直接還原鐵的需求正在不斷增長(zhǎng)，因此，為適應(yīng)中國(guó) 目前的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化，加快直接還原鐵及鋼鐵行業(yè)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展是中國(guó)的當(dāng)務(wù)之急。

1.3 選題意義和目的
當(dāng)前的主要鋼鐵生產(chǎn)流程為煉焦—燒結(jié)—煉鋼過(guò)程。 高爐煉鐵作為煉鐵生產(chǎn)的主 體，經(jīng)過(guò)了漫長(zhǎng)的發(fā)展，它已經(jīng)成為非常成熟的技術(shù)。然而，高爐與焦化、燒結(jié)工藝 密不可分，焦化和燒結(jié)工藝對(duì)環(huán)境的污染占鋼鐵生產(chǎn)整體流程污染的主要部分，在裝 煤和焦炭時(shí)出現(xiàn)的焦?fàn)t煤氣泄漏很?chē)?yán)重， 并且燒結(jié)過(guò)程中排放的大量煙塵和污染物也 亟待解決[18]。據(jù)聯(lián)合國(guó)環(huán)保組織的調(diào)查，傳統(tǒng)的鋼鐵工業(yè)是嚴(yán)重污染的根源，所排放 的廢氣（CO2、CO、NO、SO2 等）是造成溫室效應(yīng)的主要來(lái)源。高爐煉鐵存在著先 天的不足之處， 即對(duì)冶金焦的過(guò)度依賴， 然而， 全球焦煤儲(chǔ)量?jī)H占煤炭總儲(chǔ)量的 10%， 焦煤的短缺勢(shì)必會(huì)限制高爐的發(fā)展。 我國(guó)鋼鐵行業(yè)正面臨著焦炭資源短缺、 廢鋼短缺、 能耗高、減排壓力大的問(wèn)題，這制約了我國(guó)鋼鐵行業(yè)的健康和可持續(xù)發(fā)展[18]。 高爐煉鐵表現(xiàn)出的種種局限性，促使了非高爐煉鐵技術(shù)的出現(xiàn)，氣基直接還原鐵 技術(shù)作為其中的一種，具有廣泛的應(yīng)用。氣基直接還原法因具有容積利用率高、熱效 率高、生產(chǎn)率高等優(yōu)點(diǎn)而成為非焦煤冶金工藝的主流技術(shù)。本文旨在進(jìn)行氣基直接還 原初步探究，探索影響直接還原程度和還原速率的部分影響因素。 氣基直接還原法，是在低于融化溫度之下將鐵礦石直接還原成鐵的煉鐵生產(chǎn)過(guò) 程，其產(chǎn)品為直接還原鐵（Direct Reduced Iron 縮寫(xiě)為 DRI），也稱海綿鐵。因?yàn)槭?br />6

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在低于鐵礦石的軟化溫度之下進(jìn)行的還原，節(jié)省了大量焦炭燃燒所需要的熱量。DRI 由于其成分穩(wěn)定，有害元素含量低，可以用作為冶煉優(yōu)質(zhì)鋼、特殊鋼的純凈原料，也 可作為鑄造、 鐵合金、 粉末冶金等工藝的含鐵原料。 由于直接還原工藝不用焦炭煉鐵， 含鐵原料是使用球團(tuán)、塊礦等，不用燒結(jié)礦，所以是一種優(yōu)質(zhì)、低耗、低污染的煉鐵 新工藝， 也是全世界鋼鐵冶金的前沿技術(shù)之一， 直接還原煉鐵法已得到工業(yè)化應(yīng)用[22]。 根據(jù)直接還原的發(fā)展來(lái)看，無(wú)論在產(chǎn)量還是生產(chǎn)能力上，氣體直接還原法均占主導(dǎo)地 位，約占 90％。當(dāng)前氣基直接還原法主要有：Midrex 法、HYL 法和 Fior 法，當(dāng)前只 有氣基豎爐工藝 Midrex 和 HYL 法可以實(shí)現(xiàn)大型化工業(yè)生產(chǎn)，具有產(chǎn)品質(zhì)量高、投資 低、能耗在現(xiàn)行直接還原生產(chǎn)方法中最低的優(yōu)點(diǎn)。 由下表 1-1 可知，采用氣基直接還原煉鋼具有以下優(yōu)越性： （1）鋼中有害元素 Sn、Sb、As、Bi 含量大幅度降低，提高了鋼材斷裂韌性、熱加 工塑性、冷加工塑性； （2）鋼中 S、P 含量降低，提高鋼材沖擊韌性，降低脆性轉(zhuǎn)變點(diǎn)溫度[18]； （3）縮短電爐精煉期，提高 Ni、Mo 等有價(jià)元素收得率； （4）降低鋼中［H］及［N］含量； （5）用 DRI 煉優(yōu)質(zhì)合金鋼變形能力良好，適合于作深沖鋼板； （6）用煤基回轉(zhuǎn)窯法生產(chǎn) DRI 可不經(jīng)冷卻簡(jiǎn)直接熱裝電爐，可提高電爐生產(chǎn)率與降 低噸鋼電耗[19]。

表 1-1 煤基 DRI 和氣基 DRI 指標(biāo) Table 1-1 Coal-based and gas-based DRI index 項(xiàng)目 單爐生產(chǎn)能力/萬(wàn) t· a-1 窯利用系數(shù)/t· (m3d)-1 燃料 熔劑/kg· t-1 電耗/kWh· t 熱耗/GJ· t TFe/% 金屬化率/% wc/% ws
-1

煤基 DRI 3~5 0.3~0.7 煤 800~1000kg/t 約 60 約 130 14 >89 >92 0.1~0.25 <0.025
7

氣基 DRI 15~16 9~12 天然氣 400m3/t / 約 100 11 >93 >93.4 0.77~1.07 <0.003

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DRI 既可以作為電爐煉鋼爐料和煉鋼冷卻劑，也可用于高爐，減少焦炭的使用。 直接還原鐵作為轉(zhuǎn)爐煉鋼冷卻劑時(shí)， 冷卻效果是廢鋼的 1.5～2.0 倍， 并且不含銅、 鋁、 鉛、鋅、錫等雜質(zhì)。我國(guó)是鋼鐵生產(chǎn)大國(guó)和廢鋼利用大國(guó)，但我國(guó)仍存在著十分大的 廢鋼缺口。不斷上漲的鐵礦石價(jià)格以及價(jià)格居高不下的進(jìn)口廢鋼，使得我國(guó)廢鋼缺口 不能得到足夠的補(bǔ)充，這使得國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的供應(yīng)更加緊張。直接還原過(guò)程中不使用焦炭 和燒結(jié)礦，所以它可以適應(yīng)當(dāng)前日益嚴(yán)格的環(huán)保要求。因此，在這種情況之下，適時(shí) 發(fā)展直接還原技術(shù)是十分可行和必要的[12]。 近年來(lái)，隨著我國(guó)鋼鐵產(chǎn)量穩(wěn)步增加，每年要開(kāi)采 47425 萬(wàn)噸以上的焦煤。根據(jù) 總煤炭資源估計(jì)，約 60 年以后我國(guó)將面臨焦煤資源枯竭的狀況，傳統(tǒng)的焦煤煉鐵工 藝將不能再正常進(jìn)行，而與此同時(shí)，大量的非焦煤資源還沒(méi)有得到充分利用，因此我 國(guó)十分有必要發(fā)展直接還原煉鐵工藝[21]。在所有氣基 DRI 工藝中，豎爐還原法使用 天然氣作為能源進(jìn)行生產(chǎn)，其 DRI 產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的 80%以上。我國(guó)已探明的天 然氣資源正在迅速增長(zhǎng)，并且隨著近幾年來(lái)中國(guó)能源戰(zhàn)略的調(diào)整，天然氣、石油資源 的開(kāi)拓和開(kāi)發(fā)，利用煤制氣或地區(qū)性豐富的焦?fàn)t煤氣資源等，適當(dāng)發(fā)展氣基直接還原 鐵技術(shù)是十分可行和必要的[22]。

1.4 本課題研究?jī)?nèi)容
本課題旨在探究和分析不同成分的礦石對(duì)其還原度的影響， 主要方案為在相同溫 度下，通過(guò)在分成四組不同濃度的氣體中進(jìn)行直接還原實(shí)驗(yàn)，比較三種不同礦石的還 原速率和還原度的變化，探討礦石成分對(duì)還原過(guò)程的影響。 本課題具體研究?jī)?nèi)容包括： （1） 將做好的試樣置于反應(yīng)管中， 分別使用由 H2-40%， N2-60%、 CO-40%， N2-60% 和 H2-100%， N2-100%以及 H2-100%組成的還原氣體在 750℃的溫度下進(jìn)行等溫還原， 利用電子天平連續(xù)稱量試樣的質(zhì)量變化。以三價(jià)鐵狀態(tài)為基準(zhǔn)，計(jì)算還原一段時(shí)間后 的還原速率和還原度[20]。 （2）通過(guò) XRD 實(shí)驗(yàn)，分析所用原料礦石和反應(yīng)后樣品的主要成分，比較三種礦 石的成分差別，通過(guò)這些差別來(lái)探討礦石成分對(duì)直接還原效果的影響。

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第二章
2.1 實(shí)驗(yàn)原料及設(shè)備 2.1.1 實(shí)驗(yàn)原料

鐵礦石直接還原實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)所用原料共三種，分別為永鋼礦石（TFe 68.86％，F(xiàn)eO 26.17％）、沙鋼 礦石 （TFe 57.42％， FeO 9.87％） 以及兩者等比例混合之后的礦石 （TFe 61.67％， FeO 17.56％）。實(shí)驗(yàn)所用氣體為：普通氮?dú)猓胀錃夂推胀ㄒ谎趸細(xì)怏w。

2.1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備
本實(shí)驗(yàn)所采用的設(shè)備主要包括： （1）電爐（豎式電爐） 爐體尺寸： ?內(nèi) 150 ? ?外 500 ? 600mm（高度） 最高使用溫度：1100℃ 常用溫度：900℃ 恒溫區(qū)：900 ? 10 不小于 200mm 發(fā)熱體功率：12kw（三段加熱，三段控溫） （2）反應(yīng)管： 材質(zhì)為：GH44 高溫合金，反應(yīng)管內(nèi)徑為：75 ? 1mm。為了放置試樣，在還原管 中裝有孔板。 （3）控制柜： 電源：AC.3 相 380 伏 50Hz 功率：12KVA 二次電壓：0—200V （4）電子天平： 帶下鉤的電子天平可連續(xù)稱量反應(yīng)管內(nèi)試樣的質(zhì)量變化，以數(shù)字量顯示，并通 過(guò) RS-232 串行口傳輸至微計(jì)算機(jī)。 （5）氣體凈化及干燥裝置： 煤氣的凈化，由煤氣發(fā)生爐產(chǎn)生的氣體經(jīng)堿性石棉洗氣塔去除 CO2，經(jīng)裝有硅 膠的干燥塔脫水后再通入反應(yīng)管。
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（6）質(zhì)量流量控制器： 質(zhì)量流量控制器（MFC）用于測(cè)量和控制氣體的質(zhì)量流量，流量范圍 0—50SCCM—10SLM，準(zhǔn)確度 ? 1%F S，可在實(shí)驗(yàn)窗口進(jìn)行流量設(shè)定。 （7）氣體瓶 氣體瓶用于儲(chǔ)存還原用反應(yīng)氣體氫氣和一氧化碳以及保護(hù)氣體氮?dú)�，可通過(guò)減 壓閥來(lái)控制其出氣量，配合操作軟件控制還原反應(yīng)進(jìn)度。 實(shí)驗(yàn)設(shè)備總體圖如圖 2-1 所示：

圖 2-1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備總體圖 Fig2-1 The overall equipment of the experiment

2.2 實(shí)驗(yàn)條件
本裝置為采用國(guó)標(biāo)鐵礦石還原性測(cè)定方法的專用試驗(yàn)裝置， 將一定粒度范圍的式 樣置于反應(yīng)管中， 用 CO、 H2、 N2 組成的還原氣體， 在 750℃條件和 40%濃度以及 100% 濃度氣體氣氛下分別進(jìn)行等溫還原，利用電子天平連續(xù)稱量試樣的質(zhì)量變化。以三價(jià) 鐵狀態(tài)為基準(zhǔn)，計(jì)算還原一段時(shí)間后的還原速率和還原度。
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本標(biāo)準(zhǔn)所用的氣體體積和流量采用標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（0℃和 0.101325MPa）下的體積和 流量。 還原氣體中的雜質(zhì)含量不得超過(guò)： H2 CO2 O2 H2O 0.2%（V/V） 0.2%（V/V） 0.1%（V/V） 0.2%（V/V）

2.3 鐵礦石中溫還原性測(cè)定： 2.3.1 測(cè)定原理：
將規(guī)定粒度范圍的試樣置于反應(yīng)管中，分別使用由 H2-40%，N2-60%、CO-40%， N2-60%和 H2-100%，N2-100%以及 H2-100% 組成的還原氣體在 750℃的溫度下進(jìn)行 等溫還原，利用電子天平連續(xù)稱量試樣的質(zhì)量變化。以三價(jià)鐵狀態(tài)為基準(zhǔn)，計(jì)算還原 一段時(shí)間后的還原速率和還原度。

2.3.2 測(cè)定步驟
（1）試樣準(zhǔn)備 試樣在烘烤箱為 105 ? 5℃條件下烘烤兩小時(shí)，稱取試樣 90 ? 10g。 （2）測(cè)試步驟 打開(kāi)計(jì)算機(jī)，運(yùn)行軟件，打開(kāi)電子天平。 通過(guò)主窗口觀察天平是否有重量值輸出，并與主窗口顯示值一致。單擊“鐵礦石 中溫還原測(cè)定”菜單的“開(kāi)始測(cè)定”項(xiàng)，彈出稱重窗口。將試樣直接加入空盤(pán)里，直 至“測(cè)試樣初重”欄內(nèi)的值達(dá)到 90 ? 10g，單擊“測(cè)試樣初重”。 將稱好的試樣置于反應(yīng)管中，將其表面鋪平，封閉還原管的頂部，把反應(yīng)管放入 加熱爐中，爐溫不高于 200℃。將氮?dú)馔ㄈ敕磻?yīng)管，流量為 2L/min。 連接好反應(yīng)管與天平的下稱鉤，待測(cè)量值穩(wěn)定單擊“測(cè)入爐總重”。 反應(yīng)管入爐后，還原爐繼續(xù)加熱，升溫速度 10℃/min，當(dāng)試樣接近 750℃時(shí)增大 氮?dú)饬髁繛?3L/min，同時(shí)通入還原氣體，流量為 2L/min。在 750℃下恒溫 3 小時(shí)， 使試樣的重量 m1 達(dá)到穩(wěn)定值，溫度恒定在 750 ? 10℃之間。 還原期間內(nèi)記錄試樣質(zhì)量變化。還原完畢后關(guān)閉還原氣體，同時(shí)通入氮?dú)猓髁?為 2L/min，直至取出試樣。持續(xù)通入冷卻水進(jìn)行冷卻，將試樣冷卻到 300℃以下再關(guān)
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閉冷卻水。

2.4 計(jì)算公式 2.4.1 還原度的計(jì)算
用下列公式（2-1）計(jì)算時(shí)間 t 時(shí)的還原度 Rt，用質(zhì)量百分?jǐn)?shù)表示。

Rt ? [

0.11 W1 m1 ? ? 100] ? 100 0.43W2 m0 ? 0.43W2

（2-1）

式中 m0—試樣的質(zhì)量，g； m1—還原開(kāi)始試樣的質(zhì)量，g； mt—還原 t min 后試樣的質(zhì)量，g； W1—試驗(yàn)前試樣中 FeO 的含量，%； W2—試驗(yàn)前試樣的全鐵含量，%； 根據(jù)上式計(jì)算還原度并畫(huà)出還原度 Rt—t 曲線。

2.4.2 還原性公式的推導(dǎo)
還原度表示從鐵氧化物中排除氧的難易程度，通常表示如下：
還原度（ %） ? 從氧化物中排出的氧量 ? 100 原先與鐵結(jié)合的氧量

（2-2）

在式（2-2）中，假定所有與鐵結(jié)合的氧都以 Fe2O3 的形式存在，但實(shí)質(zhì)上大部分 鐵礦石都存在一些 Fe3O4、FeO 甚至金屬鐵。因此，應(yīng)根據(jù)還原試樣的質(zhì)量損失和試 樣原先的理論含量與實(shí)際含氧量之差的和來(lái)評(píng)價(jià)還原度。 而試樣原先的理論含氧量是 根據(jù)所有的鐵都結(jié)合為 Fe2O3 計(jì)算的。實(shí)際含氧量是根據(jù)試樣中實(shí)際存在的 Fe2O3、 Fe3O4 和 FeO 的含量計(jì)算的。

8 m1 ? mt 71.85 ? 100 ? Rt(%) ? ? 19 ? 100 48 W2 48 m0W1 ? m0 ? 111.7 100 111.7 mo W1 ?
將公式（2-3）化簡(jiǎn)后即可得出式（2-4）
Rt (%) ? [ 0.11W 1 m1 ? mt ? ? 100 ] ? 100 0.430W 2 m0 ? 0.430 ? W 2

（2-3）

（2-4）

在式 （2-3） 中， 假定從鐵礦石中取出氧的速率對(duì)其瞬時(shí)含氧量來(lái)說(shuō)屬于一級(jí)反應(yīng)。
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?

dO ? K ? Ov dt
Ot 100

（2-5） （2-6）

dO=-dRt

Ov R ? 1? t Ot 100

（2-7）

式中：Ov—鐵礦石在還原過(guò)程中的瞬時(shí)含氧量； Ot—與鐵結(jié)合的氧含量（Fe2O3 計(jì)算）； Rt——時(shí)間為 t 時(shí)的還原度； t—時(shí)間，min。 從式（2-5）、（2-6）、（2-7）推導(dǎo)出還原速率：
dRt R ? K ? (1 ? ) ? 100 dt 100

（2-8）

式(2-8)積分后得到：
log 10(1 ? Rt ) ? ?0.434 K ? t 100

30%和 60%之間的還原度為：
? log10(1 ? 60 ? log10(1 ? 30 / 100) 0.56 100 ? 0.434(t 60 ? t 30 ) t 60 ? t 30

K?

（2-9）

在 Fe2O3 的情況下，O/Fe 原子比 0.9 與 R=40%有同樣的意義，把 R=40%和式（2-9） 代入（2—8），得到
dRt O ? 0.9 ）時(shí)，即 值（在 dt Fe

RVI ?

dRt 33.6 ? dt t 60 ?t 30

（2-10）

2.5 實(shí)驗(yàn)方案
本課題分四組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)照探究礦石成分對(duì)氣基直接還原過(guò)程的影響。

2.5.1 40%氫氣下的還原實(shí)驗(yàn)
（1） 永鋼礦石 （TFe 68.86％， FeO 26.17％） 在氫氣濃度為 40％、 氣體總流量為 5L/min 時(shí)，在 750℃下恒溫還原 3h，根據(jù)還原反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定還原過(guò)程中還原速率和
13

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還原度的變化。 （2） 沙鋼礦石 （TFe 57.42％， FeO 9.87％） 在濃度為 40％氫氣、 氣體總流量為 5L/min 時(shí)，在 750℃下恒溫還原 3h，根據(jù)還原反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定還原過(guò)程中還原速率和 還原度的變化。 （3） 混合礦石 （TFe 61.67％， FeO 17.56％） 在濃度為 40％氫氣、 氣體總流量為 5L/min 時(shí)，在 750℃下恒溫還原 3h，根據(jù)還原反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定還原過(guò)程中還原速率和 還原度的變化[23]。

2.5.2 100%氫氣下的還原實(shí)驗(yàn)
（1） 永鋼礦石 （TFe 68.86％， FeO 26.17％） 在濃度為 100％氫氣、 氣體總流量為 2L/min 時(shí)，在 750℃下恒溫還原 7h，根據(jù)還原反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定還原過(guò)程中還原速率和 還原度的變化。 （2） 沙鋼礦石 （TFe 57.42％， FeO 9.87％） 在濃度為 100％氫氣、 氣體總流量為 2L/min 時(shí)，在 750℃下恒溫還原 7h，根據(jù)還原反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定還原過(guò)程中還原速率和 還原度的變化。 （3） 混合礦石 （TFe 61.67％， FeO 17.56％） 在濃度為 100％氫氣、 氣體總流量為 2L/min 時(shí)，在 750℃下恒溫還原 7h，根據(jù)還原反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定還原過(guò)程中還原速率和 還原度的變化。

2.5.3 40%一氧化碳下的還原實(shí)驗(yàn)
（1）永鋼礦石（TFe 68.86％，F(xiàn)eO 26.17％）在濃度為 40％一氧化碳、氣體總流量為 5L/min 時(shí)，在 750℃下恒溫還原 3h，根據(jù)還原反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定還原過(guò)程中還 原速率和還原度的變化。 （2）沙鋼礦石（TFe 57.42％，F(xiàn)eO 9.87％）在濃度為 40％一氧化碳、氣體總流量為 5L/min 時(shí)，在 750℃下恒溫還原 3h，根據(jù)還原反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定還原過(guò)程中還 原速率和還原度的變化。 （3）混合礦石（TFe 61.67％，F(xiàn)eO 17.56％）在濃度為 40％一氧化碳、氣體總流量為 5L/min 時(shí)，在 750℃下恒溫還原 3h，確定還原過(guò)程中還原速率和還原度的變化。

2.5.4 100%一氧化碳下的還原實(shí)驗(yàn)
（1）永鋼礦石（TFe 68.86％，F(xiàn)eO 26.17％）在濃度為 100％一氧化碳、氣體總流量
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江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）

為 2L/min 時(shí)，在 750℃下恒溫還原 7h，根據(jù)還原反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定還原過(guò)程中 還原速率和還原度的變化。 （2）沙鋼礦石（TFe 57.42％，F(xiàn)eO 9.87％）在濃度為 100％一氧化碳、氣體總流量 為 2L/min 時(shí)，在 750℃下恒溫還原 7h，根據(jù)還原反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定還原過(guò)程中 還原速率和還原度的變化。 （3）混合礦石（TFe 61.67％，F(xiàn)eO 17.56％）在濃度為 100％一氧化碳、氣體總流量 為 2L/min 時(shí)，在 750℃下恒溫還原 7h，根據(jù)還原反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定還原過(guò)程中 還原速率和還原度的變化[14]。

2.6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
為了了解實(shí)驗(yàn)過(guò)程中還原的規(guī)律，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中每隔一段時(shí)間稱重一次，把所得 到的實(shí)驗(yàn)中各組的稱重?cái)?shù)據(jù)列表，計(jì)算出各個(gè)時(shí)間段的各試樣失重量，并根據(jù)失重量 計(jì)算得出各時(shí)間段的還原度，最后畫(huà)出各組實(shí)驗(yàn)的對(duì)比失重曲線和還原度曲線，分析 各圖得出相應(yīng)結(jié)論[24]。 （1）40%H2 氣氛下礦石成分對(duì)還原過(guò)程的影響 將 40%H2 氣氛下還原的各組試樣的稱重?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行整理列表，如表 2-1 所示：
表 2-1 40%H2 下各時(shí)間段的重量變化（g） Table 2-1 The weight change of each time period under 40%H2 反應(yīng)時(shí)間(min) 永鋼 沙鋼 混合 0 94.3 92.1 92.3 30 82.6 88.4 89.4 60 77.4 86.9 85.9 90 74.3 84.4 83.7 120 72.7 83.2 81 150 72.2 81.5 79.4 180 72.2 80.9 78.4

根據(jù)表 2-1 的數(shù)據(jù)由公式 Δm=m2-m1 計(jì)算出各時(shí)間段試樣的失重量，列在表 2-2 中，由公式 Rt ? [

0.11 W1 m1 ? ? 100] ? 100 計(jì)算出實(shí)驗(yàn)各時(shí)間段試樣的還 0.43W2 m0 ? 0.43W2

原度，列在表 2-3 中，如下所示：

15

江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 表 2-2 40%H2 下各時(shí)間段的失重量（g） Table 2-2 Weight loss of each time period under 40%H2 反應(yīng)時(shí)間(min) 永鋼 沙鋼 混合 0 0 0 0 30 11.7 3.7 2.9 60 16.9 5.2 6.4 90 20.0 7.7 8.6 120 21.6 8.9 11.3 150 22.1 10.6 12.9 180 22.1 11.2 13.9

表 2-3 40%H2 下各時(shí)間段的還原度（%） Table 2-3 Reduction degree of each time period under 40%H2 反應(yīng)時(shí)間(min) 永鋼 沙鋼 混合 0 0 0 0 30 54.8 20.7 19.1 60 74.6 27.3 33.4 90 86.4 38.3 42.4 120 92.5 43.5 53.5 150 94.4 51.0 60.0 180 94.4 53.6 64.1

根據(jù)以上兩個(gè)表格中計(jì)算出的數(shù)據(jù)分別繪制出失重量對(duì)比曲線如圖 2-2，還原度 對(duì)比曲線如圖 2-3：
24 22 20 18 16

Weight Loss(g)

14 12 10 8 6 4 2 0 -2 0 45 90 135 180

永鋼 沙鋼 混合

Reduction Time (min)

圖 2-2 40%H2 下失重量對(duì)比曲線 Fig 2-2 Weight loss contrast curve with hydrogen concentration of 100%

16

江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）

125

100

Reduction Degree

75

50

25

0

永鋼 沙鋼 混合
0 45 90 135 180

-25

Reduction Time (min)

圖 2-3 40%H2 下還原度對(duì)比曲線 Fig 2-3 Reduction degree contrast curve with hydrogen concentration of 40%

從圖 2-2 中可以看出，永鋼試樣還原速率最快，沙鋼試樣還原速率最慢，且三種 礦石還原反應(yīng)的速率前 30min 最快， 然后慢慢變緩， 其中永鋼試樣的失重曲線體現(xiàn)出 的這種特點(diǎn)最為明顯，150min 之后基本不再變化；同時(shí)，由圖 2-3 可以看出永鋼試 樣的還原度最大，沙鋼試樣的還原度最小，且 3h 后的最終還原度相差較大，表明 40%H2 下試樣未能完全還原。 （2）100%H2 氣氛下礦石成分對(duì)還原過(guò)程的影響 將 100%H2 氣氛下還原的各組試樣的稱重?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行整理列表，如表 2-4 所示
表 2-4 100%H2 下各時(shí)間段的重量變化（g） Table 2-4 The weight change of each time period under 100%H2 反應(yīng)時(shí)間(min) 沙鋼 混合 反應(yīng)時(shí)間(min) 沙鋼 混合 0 82.2 95.8 210 65.5 79.5 30 81.1 94.1 240 64.9 76.6 60 78.4 92.6 270 64.8 75.3 300 64.7 74.2 90 76.1 89.2 330 64.7 74.1 120 73.1 86.7 360 64.7 74.1 150 70.5 84.6 390 64.7 74.1 180 67.3 82.1 420 64.7 74.1

17

江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 反應(yīng)時(shí)間(min) 永鋼 反應(yīng)時(shí)間(min) 永鋼 0 102.2 70 78.0 10 88.7 80 77.8 90 78.0 20 85.4 100 78.1 30 83.6 110 78.0 40 79.8 120 77.9 50 78.0 130 78.3 60 77.8 140 78.3

根據(jù)表 2-4 的數(shù)據(jù)由公式 Δm=m2-m1 計(jì)算出各時(shí)間段試樣的失重量，列在表 2-5 中，由公式 Rt ? [

0.11 W1 m1 ? ? 100] ? 100 計(jì)算出實(shí)驗(yàn)各時(shí)間段試樣的還 0.43W2 m0 ? 0.43W2

原度，列在表 2-6 中，如下所示：
表 2-5 100%H2 下各時(shí)間段的失重量（g） Table 2-5 Weight loss of each time period under 100%H2 反應(yīng)時(shí)間(min) 沙鋼 混合 反應(yīng)時(shí)間(min) 沙鋼 混合 0 0 0 210 16.7 16.3 30 1.1 1.7 240 17.3 19.2 60 3.8 3.2 270 17.4 20.5 300 17.5 21.6 90 6.1 6.6 330 17.5 21.7 120 9.1 9.1 360 17.5 21.7 150 11.7 11.2 390 17.5 21.7 180 14.9 13.7 420 17.5 21.7

反應(yīng)時(shí)間(min) 永鋼 反應(yīng)時(shí)間(min) 永鋼

0 0 70 24.2

10 13.5 80 24.4

20 16.8 90 24.1 100 24.1

30 18.6 110 24.2

40 22.4 120 24.3

50 24.2 130 23.9

60 24.4 140 23.9

表 2-6 100%H2 下各時(shí)間段的還原度（%） Table 2-6 Reduction degree of each time period under 40%H2 反應(yīng)時(shí)間(min) 沙鋼 混合 反應(yīng)時(shí)間(min) 沙鋼 混合 0 0 0 210 86.7 71.4 30 9.8 14.0 240 89.6 82.9 60 23.1 19.9 270 90.1 88.0 90 34.5 33.3 300 90.6 92.3 120 49.2 43.1 330 90.6 92.7 360 90.6 92.7 150 62.0 51.4 390 90.6 92.7 180 77.8 61.2 420 90.6 92.7

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反應(yīng)時(shí)間(min) 永鋼 反應(yīng)時(shí)間(min) 永鋼

0 0 70 95.2

10 57.7 80 95.9

20 69.3 90 94.9

30 75.6 100 94.9 110 95.2

40 88.9 120 95.6

50 95.2 130 94.2

60 95.9 140 94.2

根據(jù)以上兩個(gè)表格中計(jì)算出的數(shù)據(jù)分別繪制出失重量對(duì)比曲線如圖 2-4，還原度 對(duì)比曲線如圖 2-5：
26 24 22 20 18

Weight Loss (g)

16 14 12 10 8 6 4 2 0 -2 0 70 140 210 280 350 420

永鋼 沙鋼 混合

Reduction Time (min)

圖 2-4 100%H2 下失重對(duì)比曲線 Fig 2-4 Weight loss contrast curve of with hydrogen concentration of 100%H2

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125

100

Reduction Degree (%)

75

50

25

0

永鋼 沙鋼 混合

-25 0 70 140 210 280 350 420

Reduction Time (min)

圖 2-5 100%H2 下還原度對(duì)比曲線 Fig 2-5 Reduction degree contrast curve with hydrogen concentration of 100%

從圖 2-4 可以看出，100%H2 下仍是永鋼試樣還原速率最快，且永鋼試樣 40min 左右已經(jīng)基本反應(yīng)完全，沙鋼試樣和混合試樣在 210min 之前還原速率比較接近，之 后沙鋼試樣還原基本達(dá)到完全，混合試樣速率減慢；從圖 2-5 中可以看出，三種礦石 的最終還原度均在 90%以上，且相差不大，表明在 100%H2 下試樣能夠比較充分的還 原，還原度從高到低順序?yàn)橛冷?gt;混合>沙鋼。
（3）40%CO 氣氛下礦石成分對(duì)還原過(guò)程的影響

將 40%CO 氣氛下還原的各組試樣的稱重?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行整理列表，如表 2-7 所示：
表 2-7 40%CO 下各時(shí)間段的重量變化（g） Table 2-7 The weight change of each time period under 40%CO 反應(yīng)時(shí)間(min) 永鋼 沙鋼 混合 0 90.4 85.2 88.2 30 86.2 82.8 84.5 60 84.2 81.1 82.8 90 82.7 79.9 81.3 120 81.7 78.7 80.4 150 80.5 77.7 79.3 180 79.8 76.9 78.3

根據(jù)表 2-7 的數(shù)據(jù)由公式 Δm=m2-m1 計(jì)算出各時(shí)間段試樣的失重量，列在表 2-8 中，由公式 Rt ? [

0.11 W1 m1 ? ? 100] ? 100 計(jì)算出實(shí)驗(yàn)各時(shí)間段試樣的還 0.43W2 m0 ? 0.43W2

原度，列在表 2-9 中，如下所示：

20

江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 表 2-8 40%CO 下各時(shí)間段的失重量（g） Table 2-8 Weight loss of each time period under 40%CO 反應(yīng)時(shí)間(min) 永鋼 沙鋼 混合 0 0 0 0 30 4.2 2.4 3.7 60 6.2 4.1 5.4 90 7.7 5.3 6.9 120 8.7 6.5 7.8 150 9.9 7.5 8.9 180 10.6 8.3 9.9

表 2-9 40%CO 下各時(shí)間段的還原度（%） Table 2-9 Reduction degree of each time period under 40%CO 反應(yīng)時(shí)間(min) 永鋼 沙鋼 混合 0 0 0 0 30 27.0 15.8 23.1 60 34.9 23.9 30.4 90 40.9 29.6 36.8 120 44.8 35.3 40.6 150 49.6 40.0 45.3 180 52.4 43.9 49.6

根據(jù)以上兩個(gè)表格中計(jì)算出的數(shù)據(jù)分別繪制出失重量對(duì)比曲線如圖 2-6， 還原度對(duì)比曲線如圖 2-7：
12

10

8

Weight Loss (g)

6

4

2

永鋼 沙鋼 混合

0 0 45 90 135 180

Reduction Time (min)

圖 2-6 40%CO 下失重量對(duì)比曲線 Fig 2-6 Weight loss contrast curve with carbon monoxide concentration of 40%

21

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60

48

Reduction Degree (%)

36

24

12

0

永鋼 沙鋼 混合
0 45 90 135 180

Reduction Time (min)

圖 2-7 40%CO 下還原度對(duì)比曲線 Fig 2-7 Reduction degree contrast curve under carbon monoxide concentration of 40%

從圖 2-6 中可以看出，， 在 CO 氣氛下， 永鋼試樣在 30min 以前還原速率仍為最高， 沙鋼試樣還原速率為最低， 在 30min 之后三中礦粉還原速率都開(kāi)始減緩， 且還原速率 走勢(shì)接近，但永鋼還原速率仍最高，沙鋼試樣最低；在圖 2-7 中我們可以看到，3h 后，三種礦粉都沒(méi)有明顯趨于完全還原的趨勢(shì)，并且還原度比 H2 氣氛下的要低得多， 還原度從高到低順序?yàn)橛冷?gt;混合>沙鋼。
（4）100%CO 氣氛下礦石成分對(duì)還原過(guò)程的影響

將 100%CO 氣氛下還原的各組試樣的稱重?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行整理列表，如表 2-10 所示：
表 2-10 100%CO 下各時(shí)間段的重量變化（g） Table 2-10 The weight change of each time period under 100%CO 反應(yīng)時(shí)間(min) 永鋼 沙鋼 混合 反應(yīng)時(shí)間(min) 永鋼 沙鋼 混合 0 93.4 94.8 94.1 210 62.7 74.4 74.1 30 75.6 89.3 90.7 240 62.6 72.7 73.1 60 72.4 85.4 85.4 270 62.6 72.6 73.0 300 62.7 72.7 72.9
22

90 70.3 82.5 82.1 330 62.6 72.6 73.0

120 67.9 80.3 79.7 360 62.6 72.7 73.0

150 66.2 77.2 77.0 390 62.6 72.7 73.0

180 63.9 75.4 75.9 420 62.6 72.7 73.0

江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）

根據(jù)表 2-7 的數(shù)據(jù)由公式 Δm=m2-m1 計(jì)算出各時(shí)間段試樣的失重量，列在表 2-9 中，由公式 Rt ? [

0.11 W1 m1 ? ? 100] ? 100 計(jì)算出實(shí)驗(yàn)各時(shí)間段試樣的還 0.43W2 m0 ? 0.43W2

原度，列在表 2-11 中，如下所示：
表 2-10 100%CO 下各時(shí)間段的失重量（g） Table 2-10 Weight loss of each time period under 100%CO 反應(yīng)時(shí)間(min) 永鋼 沙鋼 混合 反應(yīng)時(shí)間(min) 永鋼 沙鋼 混合 0 0 0 0 210 21.7 18.4 20.0 30 8.8 3.5 3.4 240 21.8 20.1 21.0 60 12.0 7.4 8.7 270 21.8 20.2 21.1 300 21.7 20.1 21.2 90 14.1 10.3 12.0 330 21.7 20.2 21.1 120 16.5 12.5 14.4 360 21.7 20.1 21.1 150 18.2 15.6 17.1 390 21.7 20.1 21.1 180 20.5 17.4 18.2 420 21.7 20.1 21.1

表 2-11 100%CO 下各時(shí)間段的還原度（%） Table 2-11 Reduction degree of each time period under 100%CO 反應(yīng)時(shí)間(min) 永鋼 沙鋼 混合 反應(yīng)時(shí)間(min) 永鋼 沙鋼 混合 0 0 0 0 210 93.6 83.0 88.0 30 44.1 19.4 21.4 240 94.0 90.3 92.0 60 56.4 36.0 42.7 270 94.0 90.7 92.4 300 93.6 90.3 92.8 90 64.5 48.4 56.0 330 93.6 90.7 92.8 120 73.7 57.8 65.5 360 93.6 90.3 92.4 150 80.2 71.0 76.4 390 93.6 90.3 92.4 180 89.0 78.7 80.8 420 93.6 90.3 92.4

根據(jù)以上兩個(gè)表格中計(jì)算出的數(shù)據(jù)分別繪制出失重量對(duì)比曲線如圖 2-8， 還原度對(duì)比曲線如圖 2-9：

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24 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 -2 -60 0 60 120 180 240 300 360 420

Weight Loss (g)

永鋼 沙鋼 混合

Reduction Time (min)

圖 2-8 100%CO 下失重對(duì)比曲線 Fig 2-8 Weight loss contrast curve of under carbon monoxide concentration of 100%

24 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 -2 -60 0 60 120 180 240 300 360 420

Weight Loss (g)

永鋼 沙鋼 混合

Reduction Time (min)

圖 2-9 100%CO 下還原度對(duì)比曲線 Fig 2-9 Reduction degree contrast curve under carbon monoxide concentration of 100%

從圖 2-8 中可以看出， 30min 以前， 永鋼試樣還原速率最快， 沙鋼試樣最慢， 30min 之后永鋼礦粉還原速率開(kāi)始明顯減緩， 混合試樣在 60min 之后還原開(kāi)始減緩， 沙鋼在 90min 之后還原開(kāi)始減緩；從圖 2-9 中可以看出，三種礦粉最終還原度比較接近，且 完全還原，表明 100%CO 氣氛下試樣也能夠充分反應(yīng)，但最終還原度要比 H2 氣氛下 要略低，還原度從高到低順序?yàn)橛冷?gt;混合>沙鋼。
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第三章
3.1 實(shí)驗(yàn)原料

X 射線衍射分析實(shí)驗(yàn)

本 XRD 實(shí)驗(yàn)所用原料為：100%H2 氣氛下和 100%CO 氣氛下三種礦石還原后的 試樣以及還原之前的三種礦石的試樣。

3.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?br />進(jìn)行此 XRD 實(shí)驗(yàn)，目的在于： （1）分析出還原前后的鐵及鐵氧化物的變化，考 察氣基還原實(shí)驗(yàn)的還原效果； （2）分析原礦中對(duì)還原效果有主要影響的氧化物，考察 這些氧化物對(duì)還原的影響[25]。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
下圖 3-1 所示為 100%H2 氣氛下三種礦石還原前后的 XRD 成分分析：
△ △ H2永鋼

Intensity

◇ ☆ ☆ ◇ ☆

△

☆ ◇ ★

★☆

★

☆

B ★ A

20

40

60

80

100

2θ (°)

（1） 永鋼礦石 XRD 成分分析 （1）XRD component analysis of Yong gang ore

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△ ▲ ◇ H2沙鋼

Intensity

☆ ☆ ★ △ ▲

☆ ▲ △

☆

◇

◇ B

★ ◆ ★ ▲
20 40

★ △ ▲
60 80

A
100

2θ (°)

（2）沙鋼礦石 XRD 成分分析 （2）XRD component analysis of Sha gang ore
◇

☆ △

H2混合

Intensity

△ ☆ ◆ ☆

△ ◆ ☆ △ ◆
60

◇ ● ☆

◇ B

☆

△
20

● ●
80

A
100

40

2θ (°)

（3）混合礦石 XRD 成分分析 （3）XRD component analysis of Hun he ore 圖 3-1 100%H2 下三種礦石還原前后 XRD 成分分析 Fig3-1 XRD component analysis of three kinds of ore before and after the reduction under 100%H2 A：before the experiment；B：after the experiment ☆—Fe3O4；△—Fe2O3；◇—Fe； ★—SiO2；▲—CaO；●—MgO；◆—Al2O3

由圖 3-1 可知： （1）永鋼礦石中雜質(zhì)較少，以 SiO2 為主，而沙鋼礦石中所含雜
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質(zhì)較多，以 SiO2，CaO，Al2O3 為主，混合礦石雜質(zhì)數(shù)量居中，以 Al2O3 和 MgO 為主； （2）永鋼礦石的鐵氧化物主要為 Fe3O4，沙鋼礦石的鐵氧化物主要為 Fe2O3，混合礦 石的鐵氧化物則兩種氧化物都有； （3）三種礦石在還原實(shí)驗(yàn)后，不同程度的都出現(xiàn)了 Fe。 如圖 3-2 為 100%CO 氣氛下三種礦石還原前后的 XRD 成分分析：
◇ CO永鋼

Intensity

△ △ △ ★☆
20 40

☆ ☆

△ ★

◇ ☆ ☆ ☆
60

◇ ★
80

B A
100

2θ (°)

（1）永鋼礦石 XRD 成分分析 （1）XRD component analysis of Yong gang ore
△ ▲ CO沙鋼

Intensity

△

☆ ★ △

◇ △☆ △ ▲ △ ★ ◆ ★ ▲ ★ △

☆ ◇

◇

B

▲

▲
60 80

A
100

20

40

2θ (°)

（2）沙鋼礦石 XRD 成分分析 （2）XRD component analysis of Sha gang ore

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江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）

△ △ CO混合

Intensity

☆ ☆ ◆ ☆

◇ ◇ ◇ ◆ ☆ ◆

△ ☆

☆ △ B

☆ ☆ ● ● ●
60 80

A
100

20

40

2θ (°)

（3）混合礦石 XRD 成分分析 （3）XRD component analysis of Hun he ore 圖 3-2 100%CO 下三種礦石還原前后 XRD 成分分析 Fig3-2 XRD component analysis of three kinds of ore before and after the reduction under 100%CO

A：before the experiment；B：after the experiment
☆—Fe3O4；△—Fe2O3；◇—Fe； ★—SiO2；▲—CaO；●—MgO；◆—Al2O3

對(duì)比圖 3-2 和圖 3-1 可知，在 100%H2 和 100%CO 兩種不同氣氛下，三種礦石還 原后由 XRD 分析出的鐵及鐵氧化物差別不大，表明不同氣體對(duì)還原效果的影響相比 比成分對(duì)其影響較弱。

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結(jié)

論

本文以永鋼和沙鋼礦石為原料，采用氣基直接還原工藝，借助于鐵礦石冶金綜合 性能測(cè)試儀進(jìn)行了模擬豎爐還原實(shí)驗(yàn)，考察了在 CO 和 H2 兩種氣體氣氛下礦石成分 對(duì)直接還原速率和還原度的影響。在此工作中，得出如下結(jié)論[26]： （1）同一種還原氣體氣氛下，隨著氣體濃度的增加，不同成分的礦石的還原度都隨 之增加，且隨還原時(shí)間的增加，還原速率逐漸降低，還原度的增加也隨之變緩，一定 時(shí)間后還原速率和還原度都漸趨水平而不再增加。 （2） 同一還原氣氛下， 實(shí)驗(yàn)中三種礦石的還原速率從高到低排序?yàn)橛冷?gt;混合>沙鋼， 這是由于永鋼礦石主要鐵氧化物為 Fe3O4，而沙鋼礦石的鐵氧化物主要為 Fe2O3，混 合礦石鐵氧化物為兩者摻半。 氧化鐵在上述氣體氣氛和溫度下的還原反應(yīng)分為三個(gè)階 段，第一個(gè)階段是由 Fe2O3 ?Fe3O4，第二個(gè)階段是由 Fe3O4 ?FeO，第三個(gè)階段是 由 FeO ?Fe，永鋼礦石的還原過(guò)程直接由第二階段開(kāi)始，所以反應(yīng)速率較快，并且 最先達(dá)到完全反應(yīng)狀態(tài)。 （3） 同一還原氣體氣氛下， 實(shí)驗(yàn)中三種礦石還原度從高到低排序?yàn)橛冷?gt;混合>沙鋼， 這是因?yàn)橛冷摰V石中的雜質(zhì)較少，沙鋼礦石中的雜質(zhì)較多，并且 SiO2 和 CaO 會(huì)與鐵 氧化物結(jié)合成難以還原的物質(zhì)，而沙鋼中含這兩中雜質(zhì)較多，所以還原效果最差。

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致

謝

經(jīng)過(guò)兩個(gè)月的堅(jiān)持不懈，終于完成了本篇本科生論文。本論文的研究和撰寫(xiě)離不 開(kāi)導(dǎo)師楊志彬老師的悉心指導(dǎo)和耐心講解。 楊老師為我們的實(shí)驗(yàn)提供了良好的實(shí)驗(yàn)設(shè) 備和實(shí)驗(yàn)室條件以及專業(yè)性的指導(dǎo)， 楊老師務(wù)實(shí)求真的科研態(tài)度和精益求精的做事風(fēng) 格深深地感染了我，為我將來(lái)的研究工作樹(shù)立了良好的楷模。 其次，我要感謝宗煜學(xué)長(zhǎng)，從論文開(kāi)始到論文的完成，及時(shí)地給予我學(xué)術(shù)上的幫 助和生活上的照顧，耐心地解答論文寫(xiě)作中的種種問(wèn)題，給我?guī)?lái)了莫大的幫助。 然后，我還要感謝黃艾東，王崢，何亞勝，項(xiàng)南，李政，李建軍等同學(xué)，有他們 一路陪伴，論文寫(xiě)作的過(guò)程才不那么枯燥和無(wú)聊，是他們讓論文的寫(xiě)作充滿了激情和 歡笑。 最后，我要感謝各位評(píng)審老師百忙之中抽出時(shí)間，來(lái)對(duì)我的論文進(jìn)行指導(dǎo)和提出 寶貴的修改意見(jiàn)，我會(huì)再接再厲、更加認(rèn)真和努力面對(duì)以后的各種挑戰(zhàn)。

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  本文關(guān)鍵詞：氣基還原氧化鐵動(dòng)力學(xué)機(jī)理研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。