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中国有色冶金 2023年第6期52卷 119-124页

作者：汪兴楠高永亮黎敏中国恩菲工程技术有限公司北京100038

高炉炼铁工艺存在流程长、能耗高以及强烈依赖冶金焦等问题,发展绿色低碳的非高炉炼铁工艺对钢铁生产具有重大意义。本文采用超级铁精矿粉进行了甲烷闪速还原试验,考察还原温度及甲烷体积分数对金属化率的影响,研究铁精矿粉在试验条件... 详细信息

高炉炼铁工艺存在流程长、能耗高以及强烈依赖冶金焦等问题,发展绿色低碳的非高炉炼铁工艺对钢铁生产具有重大意义。本文采用超级铁精矿粉进行了甲烷闪速还原试验,考察还原温度及甲烷体积分数对金属化率的影响,研究铁精矿粉在试验条件下的闪速还原行为,并对还原产物微观形貌进行观察,分析闪速还原机理。结果表明:还原温度为1550 K、甲烷体积分数7.5%、还原时间为5.49 s时,矿粉金属化率可达90.0%;还原温度的升高及甲烷体积分数的增加提高了矿粉的金属化率;甲烷在还原过程中发生裂解,生成的固体碳在还原产物表面沉积,促进铁氧化物的还原和金属铁的渗碳;渗碳过程降低了金属铁的熔点,还原产物由不规则形状向球型转变;矿粉内部为致密的铁层包裹着未反应的铁氧化物的结构,在FeO/Fe界面处FeO的还原主要是由铁中的固溶碳[C]完成。

关键词：非高炉炼铁铁精矿粉甲烷闪速还原金属化率反应机理节能降碳

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赤铁矿粉在H_(2)气氛中闪速还原过程的数值模拟

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中国冶金 2023年第5期33卷 27-36页

作者：国爱曲迎霞邢力勇高叶邵磊邹宗树东北大学多金属共生矿生态化冶金教育部重点实验室辽宁沈阳110819 东北大学冶金学院辽宁沈阳110819 河钢材料技术研究院河北石家庄050023

为了考察赤铁矿粉在不同反应条件下的闪速还原行为,基于欧拉-拉格朗日方法建立了描述赤铁矿粉在氢气气氛中闪速还原过程的数学模型。通过数值计算获得了反应器内气粒两相的温度分布、速度分布以及颗粒运动轨迹,并对赤铁矿粉在反应器中... 详细信息

为了考察赤铁矿粉在不同反应条件下的闪速还原行为,基于欧拉-拉格朗日方法建立了描述赤铁矿粉在氢气气氛中闪速还原过程的数学模型。通过数值计算获得了反应器内气粒两相的温度分布、速度分布以及颗粒运动轨迹,并对赤铁矿粉在反应器中的闪速还原过程进行了分析,考察了炉温、氢气体积分数、粒度等操作条件对闪速还原行为的影响。结果表明,当炉温不高于1550 K时,赤铁矿粉在运动过程中经历了升温、热分解和气-固还原反应;当炉温高于1550 K时,赤铁矿粉还会发生气-液还原反应且该反应区域随着炉温和氢气体积分数的升高而增大。当氢气体积分数为40%时,炉温每升高150 K,粒度为53~64μm的赤铁矿粉在0.5 m反应区内的最终还原度提高约40个百分点。模型的建立为闪速还原炼铁技术的开发提供了理论指导。

关键词：赤铁矿粉气粒两相闪速还原动力学模型数值模拟

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赤铁粉矿在H_2气氛中的闪速还原行为

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材料与冶金学报 2019年第2期18卷 79-86页

作者：曲迎霞罗勇进石邵钦张冰东北大学冶金学院沈阳110819

通过高温下的动力学实验对铁粉矿在H_2气氛中的闪速还原行为进行了研究.采用XRD、SEM和金相显微镜对反应后铁粉矿的物相组成和单个粉矿颗粒表面及内部微观形貌的演变规律进行了分析,采用化学分析法获得了反应后赤铁粉矿的还原度.结果表... 详细信息

通过高温下的动力学实验对铁粉矿在H_2气氛中的闪速还原行为进行了研究.采用XRD、SEM和金相显微镜对反应后铁粉矿的物相组成和单个粉矿颗粒表面及内部微观形貌的演变规律进行了分析,采用化学分析法获得了反应后赤铁粉矿的还原度.结果表明:铁粉矿高温下发生的闪速还原仍然遵循Fe_2O_3→Fe_3O_4→FeO→Fe的逐级还原规律.粉矿颗粒的剖面由未反应核和产物层构成,符合未反应核模型的描述.采用模型函数配合法得出铁粉矿与H_2在高温下发生闪速还原反应的限制性环节是界面化学反应,进一步基于动力学模型计算得到,闪速还原的表观活化能为311 kJ/mol.

关键词：赤铁粉矿闪速还原物相演变微观形貌观察还原动力学

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高炉粉尘闪速还原行为及其动力学解析

高炉粉尘闪速还原行为及其动力学解析

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作者：辛建华东北大学

学位级别：硕士

高炉粉尘是钢铁企业的主要固体废弃物之一,具有粒度细小及成分复杂等特点,直接排放将造成环境污染。鉴于高炉粉尘中含有大量铁、碳以及少量锌、碱金属等有价元素,因此,可将其作为二次资源进行循环利用。由于高炉粉尘的细粉特性,如果直... 详细信息

高炉粉尘是钢铁企业的主要固体废弃物之一,具有粒度细小及成分复杂等特点,直接排放将造成环境污染。鉴于高炉粉尘中含有大量铁、碳以及少量锌、碱金属等有价元素,因此,可将其作为二次资源进行循环利用。由于高炉粉尘的细粉特性,如果直接返回烧结过程再利用,不仅会恶化料层透气性,同时烧结矿中的锌及碱金属在后续高炉冶炼过程中的循环富集还会对高炉顺行及寿命产生严重影响。转底炉工艺是目前处理冶金含锌粉尘较为普遍的方法,但其还原产品中脉石与硫含量较高、金属化率较低,而且转底炉炉底可铺置的料层薄,热量利用率低,生产能耗高。近年来,以渣浴熔融还原反应为基础的熔融还原炼铁工艺逐渐发展,该工艺具有可直接使用粉状含铁物料,反应效率高等特点。因此,渣浴熔融还原可考虑用作高炉粉尘回收利用的处理工艺之一。由于高炉粉尘闪速预还原行为的研究对于含铁粉尘渣浴熔融还原处理工艺中预还原过程工艺参数的设计十分重要,因此,本文采用高温实验并结合冶金宏观动力学对高炉粉尘闪速还原行为及其动力学进行了研究。考察了还原气体温度、还原气体成分以及粉尘粒径对其还原度的影响规律,研究了粉尘颗粒闪速还原过程中微观形貌的演变规律,探讨了高炉粉尘中所含碳在闪速还原过程中的作用,确定了粉尘颗粒闪速还原过程的限制性环节,计算得到了相关动力学参数,所得主要结论如下。还原气体温度、还原气体成分对高炉粉尘闪速还原过程还原度的影响较明显,且粉尘颗粒的还原度随还原气体温度及还原势的升高而增大。本实验条件下所能达到的最大还原度为39.6%。闪速还原过程中,随还原气体温度及还原势的升高,还原后粉尘中出现熔融颗粒的比例逐渐增加。颗粒剖面观察发现,随还原气体温度升高,粉尘颗粒外部区域出现液相产物层,1450℃时100%CO气氛条件下产物层有金属铁相产生。高炉粉尘中所含碳与含铁相未发生固-固还原反应,高温下碳通过气化反应参与到高炉粉尘中含铁相的还原过程。粒径50～74μm高炉粉尘的闪速还原动力学研究结果表明:1350℃条件下的还原过程限制性环节为界面化学反应,且100%CO及50%CO+50%CO2气氛下的反应速率常数k+分别为1.72×10-3m/s和1.58×10-3m/s。还原气体温度1400℃和1450℃时,粉尘颗粒闪速还原反应过程均由产物层扩散和界面化学反应混合控制,且100%CO气氛下扩散系数D 分别为 6.67×10-9m2/s 与 6.74×10-9m2/s,反应速率常数 k+分别为 5.62×10-3m/s 和 7.18×10-3m/s;50%CO+50%CO2 气氛下 D 分别为 2.64×10-9m2/s 和 2.69×10-9m2/s,k+分别为4.27×1 0-3m/s和6.23×1 0-3m/s。粒径74～100μm高炉粉尘的闪速还原动力学研究结果表明:还原气体温度1350℃和1400℃时,还原过程限制性环节为界面化学反应,且100%CO气氛下k+分别为3.31×10-3 m/s 和 4.01×10-3m/s,50%CO+50%CO2 气氛下 k+分别为 2.51×10-3m/s 和 3.37×10-3m/s。还原气体温度升高至1450℃时,粉尘颗粒闪速还原反应由产物层扩散和界面化学反应混合控制,且100%CO气氛下扩散系数D为8.61×10-9m2/s,反应速率常数k+为6.12×10-3m/s;50%CO+50%CO2 气氛下D为 4.88×10-9m2/s,k+为5.26×10-3m/s。粒径50～74μm高炉粉尘颗粒于50%CO+50%CO2气氛下的闪速还原反应活化能Ea及扩散活化能Ed分别为180.7kJ/mol和24.1kJ/mol;100%CO气氛下还原反应活化能Ea及扩散活化能Ed分别为117.3kJ/mol和37.3kJ/mol。粒径74～100μm的高炉粉尘颗粒于50%CO+50%CO2气氛下的闪速还原反应活化能Ea为176.3kJ/mol,100%CO气氛下反应活化能Ea为85.1kJ/mol。

关键词：高炉粉尘闪速还原微观形貌还原动力学混合控制

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高炉瓦斯灰锌铁分离的实验研究

高炉瓦斯灰锌铁分离的实验研究

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作者：付莹雪东北大学

学位级别：硕士

高炉瓦斯灰是炼铁过程中由煤气除尘系统捕集得到的副产物,其产量大、污染重,直接堆放不仅占用场地,还导致所含宝贵碳、铁、锌资源得不到有效回收。另一方面,若直接返回钢铁厂作炉料,随着高炉瓦斯灰带入的锌循环富集,会对高炉造成严重损... 详细信息

高炉瓦斯灰是炼铁过程中由煤气除尘系统捕集得到的副产物,其产量大、污染重,直接堆放不仅占用场地,还导致所含宝贵碳、铁、锌资源得不到有效回收。另一方面,若直接返回钢铁厂作炉料,随着高炉瓦斯灰带入的锌循环富集,会对高炉造成严重损害。因此,含锌高炉瓦斯灰循环利用的前提是,脱除制约其返回钢铁生产流程的锌,即锌铁分离。基于氨法浸出工艺的良好选择性,本论文考虑利用钢铁厂产出的焦化废氨水,实现“以废治废”,展开了高炉瓦斯灰氨法浸出工艺实验研究。同时,鉴于目前涉及高炉瓦斯灰火法处理的工艺普遍需要配料、混合造球的预处理,存在易产生二次污染和成本高的弊端,本论文还进行了直接利用高炉瓦斯灰颗粒的高温闪速还原脱锌初步探究。本论文选取某钢铁企业实际高炉瓦斯灰为原料,从矿物组成、粒度分布、微观形貌、元素分布特征等基本性质以及Zn-Fe-H2O体系的E-pH图和Zn-NH3-H2O体系的物种分布图着手,分析了原料的基础特性以及氨法浸出高炉瓦斯灰的可行性,为后续的实验研究奠定基础;通过单因素变量法考察了总氨浓度、浸出温度、浸出时间、铵盐种类、氨水与铵盐的比例、固液比、搅拌速度和反浸等因素对高炉瓦斯灰中锌浸出率的影响。另外,本研究还进行了高炉瓦斯灰高温闪速还原实验探究,考察了反应温度和气氛对高炉瓦斯灰中锌挥发率以及微观形貌的影响。本文所得主要结论如下:(1)高炉瓦斯灰原料中锌元素的主要存在形式是氧化锌,粒度越小,Zn、TFe含量越高,而C主要集中在大颗粒中;原料经过球磨后,锌元素分布更加稀疏均匀。(2)通过氨法浸出工艺条件的筛选和优化,选取氯化铵为浸出剂,总氨浓度为5 mol·L-1、温度为50℃、浸出时间为120 min、[NH4]+/[NH3]T为1:2、固液比1:4、搅拌速度250 r·min-1时,锌的浸出率达到最高,为77.2%;经过动力学分析,在30～60℃温度范围内,氨法浸出高炉瓦斯灰的表观活化能为1.22kJ·mol-1,限制性环节是内扩散。(3)在高炉瓦斯灰闪速还原脱锌过程中,反应气氛为纯氮气时,在1450～1650K区间内,随着温度的升高,锌的挥发率也升高,温度为1650K时,锌的挥发率达到66.7%;在通入还原性气体后,锌挥发率随着反应温度和还原气体分压的增大而逐渐提高。当反应温度为1650K,气体组成为60%H2+40%N2时,锌的挥发率达到最高,为95.7%,相比较氨浸最优工艺的锌浸出率,高出16.5%。

关键词：高炉瓦斯灰锌富集锌铁分离氨浸闪速还原

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钕铁硼废料气基还原—渣金分离回收技术研究

钕铁硼废料气基还原—渣金分离回收技术研究

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作者：吴凯奇江西理工大学

学位级别：硕士

当前,钕铁硼废料回收企业普遍采用“回转窑焙烧-雷蒙磨粉碎-酸浸-除杂-萃取分离-沉淀-锻烧”工艺提取稀土,但存在酸碱耗量大、环境污染重、流程长、稀土收率低、成本高、铁渣难利用等缺陷,其关键问题在于“稀土与铁难以深度分离”,亟待... 详细信息

当前,钕铁硼废料回收企业普遍采用“回转窑焙烧-雷蒙磨粉碎-酸浸-除杂-萃取分离-沉淀-锻烧”工艺提取稀土,但存在酸碱耗量大、环境污染重、流程长、稀土收率低、成本高、铁渣难利用等缺陷,其关键问题在于“稀土与铁难以深度分离”,亟待探寻钕铁硼废料中铁的有效脱除和回收利用方法。论文在查阅了大量文献资料基础上,基于稀土和铁与氧结合能力的差异特性,开展了钕铁硼废料气基选择性还原-渣金分离富集分铁技术研究,以期找到钕铁硼废料中铁与稀土的有效分离方法,实现酸浸前将钕铁硼废料中的铁与稀土进行分离富集,解决铁对钕铁硼废料回收带来的难题以及铁资源浪费问题。研究结果对于钕铁硼废料回收技术的提升具有理论意义和实践价值。针对铁与稀土选择性还原问题,基于稀土和铁与氧结合能力的差异特性,开展了钕铁硼废料气基选择性还原理论分析与试验研究,对钕铁硼废料选择性还原进行了热力学计算和分析,进而开展了固定床气基选择性还原动力学计算和实验研究,探索了闪速气基选择性还原,结果表明:(a)在反应温度低于1500℃时,CO还原钕铁硼废料仅可将铁氧化物还原成金属铁,而稀土氧化物不会被还原,具有良好的选择性还原效果。(b)钕铁硼废料固定床气基选择性还原反应的表观活化能为1.171KJ/mol,反应受扩散控制;在反应温度为1000℃、反应时间为50min、物料粒度小于325目、CO流量为150m L/min的较佳条件下,废料中90%以上铁氧化物被还原成金属铁,而物料中残余的氧主要与稀土结合在一起,但金属铁和稀土氧化相互夹杂,难于用磁选等物理方式分开。(c)闪速漂浮熔炼有助于加速气固反应,能在几秒之内完成大部分反应,还原产物以球形金属铁为主,但球体表层因高温相互粘结,表面残留着未反应或反应未完全的氧化物。针对还原产物“金属铁和稀土氧化物相互夹杂、难于物理分离”难题,开展了钕铁硼废料还原产物渣金分离试验研究,通过考察碱度、Fe2O3及B2O3含量对稀土渣熔化温度的影响,研究渣金分离的合适渣型,进而考察反应温度、分离时间、颗粒大小等参数对金属铁与稀土氧化物分离效果的影响,探索了金属铁与稀土氧化物有效分离办法,结果表明:(a)质量比为100:63:31:6的REO-Si O2-Al2O3-B2O3稀土渣型,熔化温度只有1200℃,是钕铁硼废料还原产物渣金分离的可选渣型。(b)在反应温度为1400℃、分离时间为2h、渣型为REO-Si O2-Al2O3-B2O3(100:63:31:6)的条件下进行渣金分离,能将钕铁硼废料还原产物中金属铁与稀土渣较好分离,达到了铁与稀土分离富集的目标。(c)渣金分离过程,稀土氧化物部分与造渣剂形成化合物Na Nd9(Si O4)6O2,部分直接溶解于渣中形成非结晶化合物,得到的稀土渣含REO高于57%、含铁低于3%,实现了稀土与铁的有效分离。(d)渣金分离得到的铁块,纯度达97%以上,未检测到稀土元素,含约2.5%碳及微量硅,实现了钕铁硼废料中铁资源的高值利用。

关键词：钕铁硼废料气基还原闪速还原渣金分离

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