铁矿石气基直接还原铁技术研究

  本文关键词：气基还原氧化铁动力学机理研究，由笔耕文化传播整理发布。

江 苏 科 技 大 学

本 科 毕 业 设 计（论文）

学 专

院 业

冶金与材料工程学院 冶金工程 盛建飞 1045562119 杨志彬

学生姓名 班级学号 指导教师

二零一四年六月

江苏科技大学本科毕业论文
铁矿石气基直接还原铁技术研究
Research of Gas-based Direct Reduction Technology of Iron Ore

江 苏 科 技 大 学

毕业设计（论文）任务书

学院名称：冶金与材料工程学院 专 学生姓名： 指导教师： 盛建飞 杨志彬 学 职

业： 号： 称：

冶金工程 1045562119 讲师

毕业设计（论文）题目： 铁矿石气基直接还原铁技术研究
一、毕业设计（论文）内容及要求（包括原始数据、技术要求、达到的 指标和应做的实验等） 1.研究内容： 以永钢和沙钢矿石为原料，采用气基直接还原工艺，借助于铁矿石 冶金综合性能测试仪，考察 CO 和 H2 两种气体气氛下矿石成分对直接 还原的影响。 2. 实验方案 （1）将做好的试样置于反应管中，分别使用由 H2-40%，N2-60%、 CO-40%，N2-60%、H2-100%以及 CO-100%组成的还原气体在 750℃的 温度下进行等温还原，利用电子天平连续称量试样的质量变化。以三价 铁状态为基准，计算还原一段时间后的还原速率和还原度。 （2） 通过 XRD 实验， 分析所用原料矿石及反应后样品的主要成分， 比较三种矿石的成分差别， 通过这些差别来探讨矿石成分对直接还原效 果的影响。

二、完成后应交的作业（包括各种说明书、图纸等） 1. 毕业设计论文一份（不少于 1.5 万字）； 2. 外文译文一篇（不少于 5000 英文单词）； 3. 中期检查表一份； 4. 开题报告一份。

三、完成日期及进度 2014 年 3 月 9 日至 2014 年 6 月 2 日。 进度安排： 1、3.9－3.15 文献检索、阅读及外文文献翻译； 2、3.16－3.22 撰写开题报告及实验准备； 3、3.23－5.10 设计与实验； 4、5.10－5.25 撰写毕业论文； 5、5.26－6.2 论文评阅； 6、6.7－6.8 毕业论文答辩。

四、主要参考资料（包括书刊名称、出版年月等）: [1] 梁中渝. 炼铁学[M]. 冶金工业出版社， 2009：311-320 [2] 黄雄源，周兴灵. 现代非高炉炼铁技术的发展现状与前景[J]. 金属 材料与冶金工程， 2007，35（6） ：50-51 [3] 赵庆杰，储满生. 非高炉炼铁技术及其在我国的发展[R]. 2008 年全 国炼铁生产技术会议暨炼铁年会，中国浙江宁波，2008. 浙江，中国金 属学会，2008：24-26 [4] 张汉泉， 朱德庆. 直接还原的现状与发展[J]. 钢铁研究， 2002， 125 （2） ：51-54 [5] 胡俊鸽.，毛艳丽，赵小燕. 气基竖炉直接还原技术的发展[J]. 鞍钢 技术， 2008，352（4） ：9-11 [6] 张清岑，白国华. 影响含铁原料直接还原的若干因素[J]. 烧结球团， 1996，21（3） ：44-45 [7] 刘国根，王淀佐，邱冠周. 国内外直接还原现状及发展[J]. 矿产综 合利用， 2001，5：21-24 [8] 储满生，王兆才，赵庆杰，柳政根. 我国发展煤制气-气基竖炉直接 还原工艺的可行性探讨[R]. 2010 年全国炼铁生产技术会议暨炼铁学术 年会，中国北京，2009. 中国金属学会，2010：1029-1030 [9] 王丽丽. 焦炉煤气直接还原铁矿石动力学研究[D]. 内蒙古科技大学 硕士学位论文. 2011：11-24 [10] 陈庚. 气基还原氧化铁动力学机理研究[D]. 大连理工大学硕士学

位论文. 2011：18-28 [11] 程鹏辉 . HYL-ZR 法冶炼直接还原铁工艺概述 [J]. 山西冶金， 2013，36（6） ：1-3 [12] 杜俊峰，袁守谦. 积极发展直祖还原铁(DRI)生产技术，应对 21 世 纪电护废铜紧缺的挑战[J]. 工业加热， 2002，2：2-3

系(教研室)主任： 学院主管领导：

（签章） （签章）

年 月 日 年 月 日

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摘

要

我国是世界最大的生铁出产国， 约占世界生铁产量的 60%， 导致我国焦煤资源日 益短缺；我国电炉钢的产量仅占世界总产量的 10%，钢铁生产的总能耗十分巨大；钢 铁生产过程排放的 CO2 和硫化物含量，给低碳经济的发展带来巨大的阻力；我国在 改善产品结构，提高产品质量和减少钢铁产品实物消耗量中的任务也极其繁重。基于 这些问题， 我国发展直接还原技术是十分必要的， 是解决这些困扰和压力的有效途径。 气基直接还原因其反应易于控制、反应器利用率高、能量利用率高、产品洁净、碳量 可根据要求调整等优点而得到迅速发展。 本实验采用模拟竖炉进行气基直接还原。通过考察矿石在 40%H2 和 100%H2 浓 度，750℃温度下以及在 40%CO 和 100%CO 浓度，750℃温度下三种不同成分的原料 的失重行为探究矿石成分的不同对直接还原的影响程度。 结果表明，实验中三种矿石的还原速率和还原度从高到低排序都为永钢 >混合> 沙钢。产生这种现象的原因是，永钢矿石还原开始时直接由 Fe3O4 转变成 FeO，而沙 钢矿石需要先由 Fe2O3 转变成 Fe3O4，所以前者还原速率较快；永钢矿石中杂质元素 较少， 而沙钢矿石中杂质元素较多， 且部分元素会在还原过程生成难以被还原的物质， 导致沙钢矿石还原度较低。

关键词：气基直接还原；失重；还原度；成分

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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

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目

录

第一章 绪

论 .............................................................................................................................. 1

1.1 研究背景 .................................................................................................................................. 1 1.2 国内外研究现状 .................................................................................................................... 2 1.2.1 国外研究现状.............................................................................................................. 2 1.2.2 国内研究现状.............................................................................................................. 3 1.3 选题意义和目的 .................................................................................................................... 6 1.4 本课题研究内容 .................................................................................................................... 8

第二章 铁矿石直接还原实验 ............................................................................................ 9
2.1 实验原料及设备 .................................................................................................................... 9 2.1.1 实验原料....................................................................................................................... 9 2.1.2 实验设备....................................................................................................................... 9 2.2 实验条件 ................................................................................................................................ 10 2.3 铁矿石中温还原性测定 ......................................................................................................11 2.3.1 测定原理......................................................................................................................11 2.3.2 测定步骤......................................................................................................................11 2.4 计算公式 ................................................................................................................................ 12 2.4.1 还原度的计算............................................................................................................ 12 2.4.2 还原性公式的推导 .................................................................................................. 12 2.5 实验方案 ................................................................................................................................ 13 2.5.1 40%氢气下的还原实验 .......................................................................................... 13 2.5.2 100%氢气下的还原实验 ............................................................................. 14 2.5.3 40%一氧化碳下的还原实验 ................................................................................. 14 2.5.4 100%一氧化碳下的还原实验 ............................................................................... 14 2.6 实验结果及分析 .................................................................................................................. 15

第三章 X 射线衍射分析实验 .......................................................................................... 25
3.1 实验原料 ................................................................................................................................ 25
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3.2 实验目的 ................................................................................................................................ 25 3.3 实验结果及分析 .................................................................................................................. 25

结 致

论 ............................................................................................................................................. 29 谢 ............................................................................................................................................. 30

参考文献 .......................................................................................................................................... 31

IV

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第一章 绪
1.1 研究背景

论

目前， 炼铁生产主要仍依靠高炉， 高炉炼铁技术起源于我国， 大约在公元 6 世纪， 距今已有千余年的历史。20 世纪后，高炉炼铁技术高速发展，经几百年的应用发展， 拥有技术比较完善、生产量大、设备寿命长等优点。但是随着高炉发展，其带来的问 题也渐趋严峻。通常，高炉炼铁系统由焦化、烧结、高炉等工序组成，有流程长、投 资大、 污染严重、 灵活性差这些通病， 致使高炉炼铁的竞争达到了前所未有的水平[1]。 高炉有效高度随高炉容积的扩大而增高，如 5580m3 高炉的有效高度已达 35m。为使 高炉保持良好的透气性，要求其所用矿石和焦炭具有高强度，这不仅使原料加工变得 复杂，且增加了炼焦煤的使用比例。高炉发展过程中带来的问题主要有： （1）在烧结 矿、球团矿和焦炭的生产，以及在原料、燃料的生产中，造成各种严重的环境污染， 如大气污染、水污染以及粉尘污染； （2）在高炉生产中，焦炭消耗过多和广泛的炼焦 煤短缺的问题，给以后的高炉发展带来巨大的危机； （3）高炉规模过大，会造成铁、 燃烧、焦炭生产设备过于庞大且结构复杂，导致生产过程太长，增加投资成本，减少 高炉有效竞争。为此，人们不停探索新的炼铁方式，开创出了包括现代非高炉炼铁在 内的各类新流程、新方法的炼铁技术[2]。 非高炉炼铁法是指高炉炼铁之外不用焦炭的各种工艺过程。 按照产品类型可分为 直接还原法和熔融还原法， 其中直接还原炼铁工艺又可分为煤基直接还原和气基直接 还原两类，此外还有流态化直接还原炼铁工艺等[3]。非高炉炼铁工艺去掉了烧结、球 团和焦化工序，能够节约能源，具有环境友好且生产成本低的优势。非高炉炼铁发展 的主要优势有以下几点：（1）摆脱了焦煤资源短缺对钢铁工业发展的限制，改变了 钢铁生产能源结构；（2）改进了传统的钢铁生产流程，节约能源，减少二氧化碳、 硫化物等的排放，适应环境保护要求；（3）解决了废钢的短缺问题与质量不断恶化 的问题，电炉钢生产的发展，形成钢的“紧凑型”过程，增强钢的结构和提高钢的质 量；（4）资源综合利用率提高，可以促进和实现钢铁工业的可持续发展[3]。 非高炉炼铁技术是世界钢铁工业技术发展的前沿技术之一，是钢铁工业实现节 能、减排、低碳生产和可持续发展的重要方向和手段。本文将就非高炉炼铁中的气基 直接还原铁技术作一定研究和探讨。
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1.2 国内外研究现状 1.2.1 国外研究现状
很早之前就有矮炉直接用煤进行还原的方法，百年之后，Jenes 在回转窑内利用 天然气进行了直接还原实验。20 世纪以来，许多国家对直接还原进行过大量的研究， 世界首次投入工业生产的直接还原工艺是 Wiberg 法。现今，全世界共有 12 种工业规 模的直接还原法。DRI 主要生产国在全世界共有 24 个，共有百余家直接还原厂。根 据专家统计，2000 年全世界的直接还原铁产量将达 4000～4500 万吨。到现在为止， 气基直接还原法的整体产能和产量占 DRI 市场的 90%。当前，气基直接还原法主要 包括竖炉法、流化床法和罐式法，其中 Midrex 法和 HYL 法生产能力占总生产量的 80%以上，而 Midrex 法更为突出，其产量达总产量的一半以上。气基直接还原法具 有反应易于控制，反应器利用率高，能量效率高，产品清洁，碳量可根据需要进行调 整等优点，这些优点使气基直接还原法得到快速发展[4]。 虽然直接还原工艺已经较为成熟，但在其各个方面的研究一直没有停止过，并取 得了一定的突破。 （1）气基竖炉法 Sidor 公司研制的一种新的 AREX-SBD 直接还原新工艺， 它通过将催化重整炉和 竖炉合二为一，使得天然气在竖炉下冷却海绵铁时，因铁的催化作用而得到重整。目 前，该工艺已进入工业化生产，产品金属化率达 92%，天然气消耗为 260m3/t DRI， DRI 产量提高了 30%， 只需对现有竖炉法稍加改进即可在提高产量的同时降低生产成 本和能耗。 （2）气基反应罐法 HYL 工艺中 DRI 含碳量为 1.2%～2.4%，为了使其含碳量增至 2.4%～4.0%，人 们开发了 Hytemp 工艺，高碳 DRI 具有足够的抗氧化能力与生产热压块铁（HBI）相 比生产成本有所下降，电炉炼钢时可提高电炉生产率降低能耗。 （3）气基流化床法 1992 年 11 月开始，委内瑞拉 Fior 公司与奥地利林茨的奥钢联合开发出了新型 气基流化床法(FINMET)， 它以天然气为还原剂还原铁矿， 然后生产出热压块铁 （HBI） 。 新 Fior 厂于 1994 年 5 月初步完成设计，年产 100 万吨 HBI，现已投入工业生产，可
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直接使用矿粉，无需造块，每吨 HBI 的生产成本仅 50 美元[5]。

1.2.2 国内研究现状
我国进行了大量的直接还原技术的研究和开发，在过去的一个世纪中，实现了工 业化生产直接还原铁。与其他炼铁工艺相比，气基竖炉直接还原法的优点是单套设备 产量大、不消耗焦煤、节能、环境友好，是直接还原无焦炼铁的一个有效途径。但是， 由于缺乏天然气和富矿资源，我国迄今为止尚未建设成技术成熟、节能的大型气基直 接还原竖炉和粉矿直接还原工业生产等炼铁前沿技术生产装置，更缺乏其应用经验
[6]

。除天津钢管还原铁厂和新疆金山矿冶等 4 家外，我国多数工厂直接还原铁的生产

能力小于 5 万吨/年。至 2004 年底，中国的直接还原铁企业（包括在建中）的总数已 逾 60，但其总产能只有 100～150 万吨/年。生产规模过小，使原燃料供应紧张，也给 企业的产品销售、环境保护和其他方面的带来诸多问题，这使得中国的 DRI 产量不 超过 60 万吨/年，且产品含 SiO 高、体密度小、质量不稳定，这些问题严重降低了其 使用价值[7]。因此，依靠现有的煤基直接还原工艺生产的直接还原铁，难以满足经济 发展的高需求。气基直接还原竖炉具有还原速度快、产品质量稳定、自动化程度高、 单机容量大、技术成熟、单位产能投资低、能耗低、对环境的影响低等优势。国外生 产经验也表明，发展气基竖炉法可以迅速扩大 DRI 产量。气基竖炉工艺的 DRI 产量 居于主导地位，约占总产量的 80％[8]。2008 年世界直接还原各工艺 DRI 产量所占的 比例如图 1-1 所示：

图 1-1 2008 年各直接还原工艺 DRI 产量 Fig1-1 2008’s DRI production of each direct reduction process

从图中我们可以看出世界还原铁生产以 Midrex、 HYL 工艺等气基竖炉法为代表，
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在 DRI 产量中占主要地位，但是这两种工艺主要以天然气作为还原剂，而天然气资 源在我国的储量不大且地区分布很不平衡， 并且其他行业中对天然气的需求量也比较 大，因此我国气基竖炉直接还原的发展受到比较严重的限制，这直接导致了我国无法 实现大规模工业生产气基 DRI 的状况。然而随着直接还原技术的不断创新，气基竖 炉直接还原工艺日趋成熟和完善，墨西哥的 HYL 公司基于 HYL-111 法[9]提出了天然 气“零重整”的 HYL-ZR 工艺，其流程如图 1-2 所示：

图 1-2 HYL﹣ZR 工艺流程 Fig1-2 HYL﹣ZR Process

HYL-ZR 工艺使用还原性气体直接还原铁矿石。 铁矿石中的氧通过与氢气及一氧 化碳的化学反应而去除，从而得到金属化率较高的直接还原铁（DRI）。该工艺流程 包含两个主要部分，即还原线路及冷却线路。还原线路中，Fe2O3 在还原性气体 CO、 H2 作用下得到 Fe，主要的设备是直接还原塔，包括竖炉、顶部煤气交换器等；冷却 线路中，温度高达 600℃的 DRI 直接利用或送入外部冷却器，得到冷态直接还原铁， 主要的设备是外部冷却器[10]。 HYL-ZR 的工艺特点： （1）产品灵活，可以根据具体要求，生产三种不同的产品，即冷态 DRI、冷态 DRI 和热态 DRI； （2）DRI 金属含量高，铁含量（质量分数）可达 95%； （3）DRI 碳含量高，在 DRI 中大量的碳是以 Fe3C 的形式存在的，该工艺生产的 DRI
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含碳量（质量分数）可达 2~4%； （4）DRI 热装入炉，该工艺通过气体输送系统，将热态 DRI 直接装入电炉，可以极 大地减少熔化车间里的能量消耗，节约生产成本； （5）原料适应性强，可加工矿石范围广，球团矿、块矿或二者以任何比例进行混合 的混合矿； （6）还原气体少，还原气体可以进行循环，从而天然气消耗量较少； （7）可以使用其他的还原煤气，该工艺可以用多种还原气体作为补充，例如天然气、 焦炉煤气、煤化气等； （8）与传统的高炉炼铁工艺相比，直接还原铁工艺不使用焦炭，极大减轻了对环境 的污染[11]。 世界对环保的要求逐步提高，同时直接电炉钢对优质原料的需求增加，直接还原 铁的需求量将逐步增大。作为世界领先的直接还原铁生产工艺，HYL-ZR 工艺由于可 加工矿石范围广、所用气体灵活、产品质量高等诸多优点[12]，必将获得新的发展。该 工艺将还原部分和制气部分相对独立的结合起来， 使竖炉可以使用焦炉煤气和煤制合 成气为还原气进行还原，弥补了部分地区天然气资源不足的情况。现在化工行业的常 规技术主要是使用煤制气工艺，其经济性和稳定性已十分可行和可靠，煤制合成气完 全可作为气基竖炉还原剂的可靠来源，同时我国的煤炭资源非常丰富、适应性也比较 强。因此，新形成的煤制气-竖炉直接还原炼铁新工艺，为我国实现大规模工业生产 DRI 提供了便利条件，同时煤制气-竖炉也会成为我国今后发展直接还原铁生产的重 要方向之一[13]。 当前，我国发展直接还原技术所具有的一些有利条件如下： （1）随着调整钢铁产品结构，钢材质量优化，环保要求和电力供应的逐渐改善，电 炉短流程工艺必然得到迅速发展。 中国当前废钢资源不多， 并且优质废钢资源短缺[14]， 这会很大程度地限制高质多品种电炉钢的发展， 因此直接还原铁在我国有着极大的潜 在发展空间； （2）虽然我国可用于生产直接还原铁的富铁矿资源比较缺少，但在许多地区都还是 可以获得较高铁品味、含杂质元素低且残余元素少的铁矿，适于生产高质量直接还原 铁的优质铁精矿，同时价格也比较低廉，今后我国发展直接还原的特点将是使用细精 矿为原料[15]；
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（3）我国天然气资源非常丰富，然而天然气的分布受地域的限制十分突出。近年来， 我国天然气储量随着西部大开发有了大幅度增加，但对我们这个人口众多的大国来 讲，仍然是一个缺乏天然气的国家。天然气作为清洁能源，首先要满足民用需要，如 在东部地区，人口众多，需求量十分大；其次还要满足石化工业的需要，再其次才能 供给冶金生产。由此看来，把天然气用于直接还原铁的生产余地是不多的。另外，天 然气的价格（特别是在经过长途输送后）相当高，而且天然气的涨价因素十分敏感， 幅度也较大。但在我国，煤炭资源非常充足，许多地区存在着适于生产直接还原铁的 非焦煤资源，因此长远看俩，我国非常适合发展煤制气-气基竖炉直接还原工艺[16]。 我国目前存在着 4500 万吨以上的废钢缺口，然而我们完全可以用直接还原铁来 弥补这些废钢缺口， 我国对于直接还原铁的总需求量可以说十分巨大[17]。 当前在我国， 直接还原铁还是一样新事物，许多钢厂正在逐步了解和使用它，它也成为特殊钢不可 缺少的原料，这可以看出我国对直接还原铁的需求正在不断增长，因此，为适应中国 目前的产品结构优化，加快直接还原铁及钢铁行业的产业发展是中国的当务之急。

1.3 选题意义和目的
当前的主要钢铁生产流程为炼焦—烧结—炼钢过程。 高炉炼铁作为炼铁生产的主 体，经过了漫长的发展，它已经成为非常成熟的技术。然而，高炉与焦化、烧结工艺 密不可分，焦化和烧结工艺对环境的污染占钢铁生产整体流程污染的主要部分，在装 煤和焦炭时出现的焦炉煤气泄漏很严重， 并且烧结过程中排放的大量烟尘和污染物也 亟待解决[18]。据联合国环保组织的调查，传统的钢铁工业是严重污染的根源，所排放 的废气（CO2、CO、NO、SO2 等）是造成温室效应的主要来源。高炉炼铁存在着先 天的不足之处， 即对冶金焦的过度依赖， 然而， 全球焦煤储量仅占煤炭总储量的 10%， 焦煤的短缺势必会限制高炉的发展。 我国钢铁行业正面临着焦炭资源短缺、 废钢短缺、 能耗高、减排压力大的问题，这制约了我国钢铁行业的健康和可持续发展[18]。 高炉炼铁表现出的种种局限性，促使了非高炉炼铁技术的出现，气基直接还原铁 技术作为其中的一种，具有广泛的应用。气基直接还原法因具有容积利用率高、热效 率高、生产率高等优点而成为非焦煤冶金工艺的主流技术。本文旨在进行气基直接还 原初步探究，探索影响直接还原程度和还原速率的部分影响因素。 气基直接还原法，是在低于融化温度之下将铁矿石直接还原成铁的炼铁生产过 程，其产品为直接还原铁（Direct Reduced Iron 缩写为 DRI），也称海绵铁。因为是
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在低于铁矿石的软化温度之下进行的还原，节省了大量焦炭燃烧所需要的热量。DRI 由于其成分稳定，有害元素含量低，可以用作为冶炼优质钢、特殊钢的纯净原料，也 可作为铸造、 铁合金、 粉末冶金等工艺的含铁原料。 由于直接还原工艺不用焦炭炼铁， 含铁原料是使用球团、块矿等，不用烧结矿，所以是一种优质、低耗、低污染的炼铁 新工艺， 也是全世界钢铁冶金的前沿技术之一， 直接还原炼铁法已得到工业化应用[22]。 根据直接还原的发展来看，无论在产量还是生产能力上，气体直接还原法均占主导地 位，约占 90％。当前气基直接还原法主要有：Midrex 法、HYL 法和 Fior 法，当前只 有气基竖炉工艺 Midrex 和 HYL 法可以实现大型化工业生产，具有产品质量高、投资 低、能耗在现行直接还原生产方法中最低的优点。 由下表 1-1 可知，采用气基直接还原炼钢具有以下优越性： （1）钢中有害元素 Sn、Sb、As、Bi 含量大幅度降低，提高了钢材断裂韧性、热加 工塑性、冷加工塑性； （2）钢中 S、P 含量降低，提高钢材冲击韧性，降低脆性转变点温度[18]； （3）缩短电炉精炼期，提高 Ni、Mo 等有价元素收得率； （4）降低钢中［H］及［N］含量； （5）用 DRI 炼优质合金钢变形能力良好，适合于作深冲钢板； （6）用煤基回转窑法生产 DRI 可不经冷却简直接热装电炉，可提高电炉生产率与降 低吨钢电耗[19]。

表 1-1 煤基 DRI 和气基 DRI 指标 Table 1-1 Coal-based and gas-based DRI index 项目 单炉生产能力/万 t· a-1 窑利用系数/t· (m3d)-1 燃料 熔剂/kg· t-1 电耗/kWh· t 热耗/GJ· t TFe/% 金属化率/% wc/% ws
-1

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

气基 DRI 15~16 9~12 天然气 400m3/t / 约 100 11 >93 >93.4 0.77~1.07 <0.003

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DRI 既可以作为电炉炼钢炉料和炼钢冷却剂，也可用于高炉，减少焦炭的使用。 直接还原铁作为转炉炼钢冷却剂时， 冷却效果是废钢的 1.5～2.0 倍， 并且不含铜、 铝、 铅、锌、锡等杂质。我国是钢铁生产大国和废钢利用大国，但我国仍存在着十分大的 废钢缺口。不断上涨的铁矿石价格以及价格居高不下的进口废钢，使得我国废钢缺口 不能得到足够的补充，这使得国内市场的供应更加紧张。直接还原过程中不使用焦炭 和烧结矿，所以它可以适应当前日益严格的环保要求。因此，在这种情况之下，适时 发展直接还原技术是十分可行和必要的[12]。 近年来，随着我国钢铁产量稳步增加，每年要开采 47425 万吨以上的焦煤。根据 总煤炭资源估计，约 60 年以后我国将面临焦煤资源枯竭的状况，传统的焦煤炼铁工 艺将不能再正常进行，而与此同时，大量的非焦煤资源还没有得到充分利用，因此我 国十分有必要发展直接还原炼铁工艺[21]。在所有气基 DRI 工艺中，竖炉还原法使用 天然气作为能源进行生产，其 DRI 产量占世界总产量的 80%以上。我国已探明的天 然气资源正在迅速增长，并且随着近几年来中国能源战略的调整，天然气、石油资源 的开拓和开发，利用煤制气或地区性丰富的焦炉煤气资源等，适当发展气基直接还原 铁技术是十分可行和必要的[22]。

1.4 本课题研究内容
本课题旨在探究和分析不同成分的矿石对其还原度的影响， 主要方案为在相同温 度下，通过在分成四组不同浓度的气体中进行直接还原实验，比较三种不同矿石的还 原速率和还原度的变化，探讨矿石成分对还原过程的影响。 本课题具体研究内容包括： （1） 将做好的试样置于反应管中， 分别使用由 H2-40%， N2-60%、 CO-40%， N2-60% 和 H2-100%， N2-100%以及 H2-100%组成的还原气体在 750℃的温度下进行等温还原， 利用电子天平连续称量试样的质量变化。以三价铁状态为基准，计算还原一段时间后 的还原速率和还原度[20]。 （2）通过 XRD 实验，分析所用原料矿石和反应后样品的主要成分，比较三种矿 石的成分差别，通过这些差别来探讨矿石成分对直接还原效果的影响。

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第二章
2.1 实验原料及设备 2.1.1 实验原料

铁矿石直接还原实验

本实验所用原料共三种，分别为永钢矿石（TFe 68.86％，FeO 26.17％）、沙钢 矿石 （TFe 57.42％， FeO 9.87％） 以及两者等比例混合之后的矿石 （TFe 61.67％， FeO 17.56％）。实验所用气体为：普通氮气，普通氢气和普通一氧化碳气体。

2.1.2 实验设备
本实验所采用的设备主要包括： （1）电炉（竖式电炉） 炉体尺寸： ?内 150 ? ?外 500 ? 600mm（高度） 最高使用温度：1100℃ 常用温度：900℃ 恒温区：900 ? 10 不小于 200mm 发热体功率：12kw（三段加热，三段控温） （2）反应管： 材质为：GH44 高温合金，反应管内径为：75 ? 1mm。为了放置试样，在还原管 中装有孔板。 （3）控制柜： 电源：AC.3 相 380 伏 50Hz 功率：12KVA 二次电压：0—200V （4）电子天平： 带下钩的电子天平可连续称量反应管内试样的质量变化，以数字量显示，并通 过 RS-232 串行口传输至微计算机。 （5）气体净化及干燥装置： 煤气的净化，由煤气发生炉产生的气体经碱性石棉洗气塔去除 CO2，经装有硅 胶的干燥塔脱水后再通入反应管。
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（6）质量流量控制器： 质量流量控制器（MFC）用于测量和控制气体的质量流量，流量范围 0—50SCCM—10SLM，准确度 ? 1%F S，可在实验窗口进行流量设定。 （7）气体瓶 气体瓶用于储存还原用反应气体氢气和一氧化碳以及保护气体氮气，可通过减 压阀来控制其出气量，配合操作软件控制还原反应进度。 实验设备总体图如图 2-1 所示：

图 2-1 实验设备总体图 Fig2-1 The overall equipment of the experiment

2.2 实验条件
本装置为采用国标铁矿石还原性测定方法的专用试验装置， 将一定粒度范围的式 样置于反应管中， 用 CO、 H2、 N2 组成的还原气体， 在 750℃条件和 40%浓度以及 100% 浓度气体气氛下分别进行等温还原，利用电子天平连续称量试样的质量变化。以三价 铁状态为基准，计算还原一段时间后的还原速率和还原度。
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本标准所用的气体体积和流量采用标准状态（0℃和 0.101325MPa）下的体积和 流量。 还原气体中的杂质含量不得超过： H2 CO2 O2 H2O 0.2%（V/V） 0.2%（V/V） 0.1%（V/V） 0.2%（V/V）

2.3 铁矿石中温还原性测定： 2.3.1 测定原理：
将规定粒度范围的试样置于反应管中，分别使用由 H2-40%，N2-60%、CO-40%， N2-60%和 H2-100%，N2-100%以及 H2-100% 组成的还原气体在 750℃的温度下进行 等温还原，利用电子天平连续称量试样的质量变化。以三价铁状态为基准，计算还原 一段时间后的还原速率和还原度。

2.3.2 测定步骤
（1）试样准备 试样在烘烤箱为 105 ? 5℃条件下烘烤两小时，称取试样 90 ? 10g。 （2）测试步骤 打开计算机，运行软件，打开电子天平。 通过主窗口观察天平是否有重量值输出，并与主窗口显示值一致。单击“铁矿石 中温还原测定”菜单的“开始测定”项，弹出称重窗口。将试样直接加入空盘里，直 至“测试样初重”栏内的值达到 90 ? 10g，单击“测试样初重”。 将称好的试样置于反应管中，将其表面铺平，封闭还原管的顶部，把反应管放入 加热炉中，炉温不高于 200℃。将氮气通入反应管，流量为 2L/min。 连接好反应管与天平的下称钩，待测量值稳定单击“测入炉总重”。 反应管入炉后，还原炉继续加热，升温速度 10℃/min，当试样接近 750℃时增大 氮气流量为 3L/min，同时通入还原气体，流量为 2L/min。在 750℃下恒温 3 小时， 使试样的重量 m1 达到稳定值，温度恒定在 750 ? 10℃之间。 还原期间内记录试样质量变化。还原完毕后关闭还原气体，同时通入氮气，流量 为 2L/min，直至取出试样。持续通入冷却水进行冷却，将试样冷却到 300℃以下再关
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闭冷却水。

2.4 计算公式 2.4.1 还原度的计算
用下列公式（2-1）计算时间 t 时的还原度 Rt，用质量百分数表示。

Rt ? [

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

（2-1）

式中 m0—试样的质量，g； m1—还原开始试样的质量，g； mt—还原 t min 后试样的质量，g； W1—试验前试样中 FeO 的含量，%； W2—试验前试样的全铁含量，%； 根据上式计算还原度并画出还原度 Rt—t 曲线。

2.4.2 还原性公式的推导
还原度表示从铁氧化物中排除氧的难易程度，通常表示如下：
还原度（ %） ? 从氧化物中排出的氧量 ? 100 原先与铁结合的氧量

（2-2）

在式（2-2）中，假定所有与铁结合的氧都以 Fe2O3 的形式存在，但实质上大部分 铁矿石都存在一些 Fe3O4、FeO 甚至金属铁。因此，应根据还原试样的质量损失和试 样原先的理论含量与实际含氧量之差的和来评价还原度。 而试样原先的理论含氧量是 根据所有的铁都结合为 Fe2O3 计算的。实际含氧量是根据试样中实际存在的 Fe2O3、 Fe3O4 和 FeO 的含量计算的。

8 m1 ? mt 71.85 ? 100 ? Rt(%) ? ? 19 ? 100 48 W2 48 m0W1 ? m0 ? 111.7 100 111.7 mo W1 ?
将公式（2-3）化简后即可得出式（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， 假定从铁矿石中取出氧的速率对其瞬时含氧量来说属于一级反应。
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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—铁矿石在还原过程中的瞬时含氧量； Ot—与铁结合的氧含量（Fe2O3 计算）； Rt——时间为 t 时的还原度； t—时间，min。 从式（2-5）、（2-6）、（2-7）推导出还原速率：
dRt R ? K ? (1 ? ) ? 100 dt 100

（2-8）

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

30%和 60%之间的还原度为：
? 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 的情况下，O/Fe 原子比 0.9 与 R=40%有同样的意义，把 R=40%和式（2-9） 代入（2—8），得到
dRt O ? 0.9 ）时，即 值（在 dt Fe

RVI ?

dRt 33.6 ? dt t 60 ?t 30

（2-10）

2.5 实验方案
本课题分四组实验进行对照探究矿石成分对气基直接还原过程的影响。

2.5.1 40%氢气下的还原实验
（1） 永钢矿石 （TFe 68.86％， FeO 26.17％） 在氢气浓度为 40％、 气体总流量为 5L/min 时，在 750℃下恒温还原 3h，根据还原反应的实验数据，确定还原过程中还原速率和
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还原度的变化。 （2） 沙钢矿石 （TFe 57.42％， FeO 9.87％） 在浓度为 40％氢气、 气体总流量为 5L/min 时，在 750℃下恒温还原 3h，根据还原反应的实验数据，确定还原过程中还原速率和 还原度的变化。 （3） 混合矿石 （TFe 61.67％， FeO 17.56％） 在浓度为 40％氢气、 气体总流量为 5L/min 时，在 750℃下恒温还原 3h，根据还原反应的实验数据，确定还原过程中还原速率和 还原度的变化[23]。

2.5.2 100%氢气下的还原实验
（1） 永钢矿石 （TFe 68.86％， FeO 26.17％） 在浓度为 100％氢气、 气体总流量为 2L/min 时，在 750℃下恒温还原 7h，根据还原反应的实验数据，确定还原过程中还原速率和 还原度的变化。 （2） 沙钢矿石 （TFe 57.42％， FeO 9.87％） 在浓度为 100％氢气、 气体总流量为 2L/min 时，在 750℃下恒温还原 7h，根据还原反应的实验数据，确定还原过程中还原速率和 还原度的变化。 （3） 混合矿石 （TFe 61.67％， FeO 17.56％） 在浓度为 100％氢气、 气体总流量为 2L/min 时，在 750℃下恒温还原 7h，根据还原反应的实验数据，确定还原过程中还原速率和 还原度的变化。

2.5.3 40%一氧化碳下的还原实验
（1）永钢矿石（TFe 68.86％，FeO 26.17％）在浓度为 40％一氧化碳、气体总流量为 5L/min 时，在 750℃下恒温还原 3h，根据还原反应的实验数据，确定还原过程中还 原速率和还原度的变化。 （2）沙钢矿石（TFe 57.42％，FeO 9.87％）在浓度为 40％一氧化碳、气体总流量为 5L/min 时，在 750℃下恒温还原 3h，根据还原反应的实验数据，确定还原过程中还 原速率和还原度的变化。 （3）混合矿石（TFe 61.67％，FeO 17.56％）在浓度为 40％一氧化碳、气体总流量为 5L/min 时，在 750℃下恒温还原 3h，确定还原过程中还原速率和还原度的变化。

2.5.4 100%一氧化碳下的还原实验
（1）永钢矿石（TFe 68.86％，FeO 26.17％）在浓度为 100％一氧化碳、气体总流量
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江苏科技大学本科毕业设计（论文）

为 2L/min 时，在 750℃下恒温还原 7h，根据还原反应的实验数据，确定还原过程中 还原速率和还原度的变化。 （2）沙钢矿石（TFe 57.42％，FeO 9.87％）在浓度为 100％一氧化碳、气体总流量 为 2L/min 时，在 750℃下恒温还原 7h，根据还原反应的实验数据，确定还原过程中 还原速率和还原度的变化。 （3）混合矿石（TFe 61.67％，FeO 17.56％）在浓度为 100％一氧化碳、气体总流量 为 2L/min 时，在 750℃下恒温还原 7h，根据还原反应的实验数据，确定还原过程中 还原速率和还原度的变化[14]。

2.6 实验结果及分析
为了了解实验过程中还原的规律，在实验过程中每隔一段时间称重一次，把所得 到的实验中各组的称重数据列表，计算出各个时间段的各试样失重量，并根据失重量 计算得出各时间段的还原度，最后画出各组实验的对比失重曲线和还原度曲线，分析 各图得出相应结论[24]。 （1）40%H2 气氛下矿石成分对还原过程的影响 将 40%H2 气氛下还原的各组试样的称重数据进行整理列表，如表 2-1 所示：
表 2-1 40%H2 下各时间段的重量变化（g） Table 2-1 The weight change of each time period under 40%H2 反应时间(min) 永钢 沙钢 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

根据表 2-1 的数据由公式 Δm=m2-m1 计算出各时间段试样的失重量，列在表 2-2 中，由公式 Rt ? [

0.11 W1 m1 ? ? 100] ? 100 计算出实验各时间段试样的还 0.43W2 m0 ? 0.43W2

原度，列在表 2-3 中，如下所示：

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江苏科技大学本科毕业设计（论文） 表 2-2 40%H2 下各时间段的失重量（g） Table 2-2 Weight loss of each time period under 40%H2 反应时间(min) 永钢 沙钢 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 下各时间段的还原度（%） Table 2-3 Reduction degree of each time period under 40%H2 反应时间(min) 永钢 沙钢 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

根据以上两个表格中计算出的数据分别绘制出失重量对比曲线如图 2-2，还原度 对比曲线如图 2-3：
24 22 20 18 16

Weight Loss(g)

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

永钢 沙钢 混合

Reduction Time (min)

图 2-2 40%H2 下失重量对比曲线 Fig 2-2 Weight loss contrast curve with hydrogen concentration of 100%

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江苏科技大学本科毕业设计（论文）

125

100

Reduction Degree

75

50

25

0

永钢 沙钢 混合
0 45 90 135 180

-25

Reduction Time (min)

图 2-3 40%H2 下还原度对比曲线 Fig 2-3 Reduction degree contrast curve with hydrogen concentration of 40%

从图 2-2 中可以看出，永钢试样还原速率最快，沙钢试样还原速率最慢，且三种 矿石还原反应的速率前 30min 最快， 然后慢慢变缓， 其中永钢试样的失重曲线体现出 的这种特点最为明显，150min 之后基本不再变化；同时，由图 2-3 可以看出永钢试 样的还原度最大，沙钢试样的还原度最小，且 3h 后的最终还原度相差较大，表明 40%H2 下试样未能完全还原。 （2）100%H2 气氛下矿石成分对还原过程的影响 将 100%H2 气氛下还原的各组试样的称重数据进行整理列表，如表 2-4 所示
表 2-4 100%H2 下各时间段的重量变化（g） Table 2-4 The weight change of each time period under 100%H2 反应时间(min) 沙钢 混合 反应时间(min) 沙钢 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

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江苏科技大学本科毕业设计（论文） 反应时间(min) 永钢 反应时间(min) 永钢 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

根据表 2-4 的数据由公式 Δm=m2-m1 计算出各时间段试样的失重量，列在表 2-5 中，由公式 Rt ? [

0.11 W1 m1 ? ? 100] ? 100 计算出实验各时间段试样的还 0.43W2 m0 ? 0.43W2

原度，列在表 2-6 中，如下所示：
表 2-5 100%H2 下各时间段的失重量（g） Table 2-5 Weight loss of each time period under 100%H2 反应时间(min) 沙钢 混合 反应时间(min) 沙钢 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

反应时间(min) 永钢 反应时间(min) 永钢

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 下各时间段的还原度（%） Table 2-6 Reduction degree of each time period under 40%H2 反应时间(min) 沙钢 混合 反应时间(min) 沙钢 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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反应时间(min) 永钢 反应时间(min) 永钢

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

根据以上两个表格中计算出的数据分别绘制出失重量对比曲线如图 2-4，还原度 对比曲线如图 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

永钢 沙钢 混合

Reduction Time (min)

图 2-4 100%H2 下失重对比曲线 Fig 2-4 Weight loss contrast curve of with hydrogen concentration of 100%H2

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江苏科技大学本科毕业设计（论文）

125

100

Reduction Degree (%)

75

50

25

0

永钢 沙钢 混合

-25 0 70 140 210 280 350 420

Reduction Time (min)

图 2-5 100%H2 下还原度对比曲线 Fig 2-5 Reduction degree contrast curve with hydrogen concentration of 100%

从图 2-4 可以看出，100%H2 下仍是永钢试样还原速率最快，且永钢试样 40min 左右已经基本反应完全，沙钢试样和混合试样在 210min 之前还原速率比较接近，之 后沙钢试样还原基本达到完全，混合试样速率减慢；从图 2-5 中可以看出，三种矿石 的最终还原度均在 90%以上，且相差不大，表明在 100%H2 下试样能够比较充分的还 原，还原度从高到低顺序为永钢>混合>沙钢。
（3）40%CO 气氛下矿石成分对还原过程的影响

将 40%CO 气氛下还原的各组试样的称重数据进行整理列表，如表 2-7 所示：
表 2-7 40%CO 下各时间段的重量变化（g） Table 2-7 The weight change of each time period under 40%CO 反应时间(min) 永钢 沙钢 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

根据表 2-7 的数据由公式 Δm=m2-m1 计算出各时间段试样的失重量，列在表 2-8 中，由公式 Rt ? [

0.11 W1 m1 ? ? 100] ? 100 计算出实验各时间段试样的还 0.43W2 m0 ? 0.43W2

原度，列在表 2-9 中，如下所示：

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江苏科技大学本科毕业设计（论文） 表 2-8 40%CO 下各时间段的失重量（g） Table 2-8 Weight loss of each time period under 40%CO 反应时间(min) 永钢 沙钢 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 下各时间段的还原度（%） Table 2-9 Reduction degree of each time period under 40%CO 反应时间(min) 永钢 沙钢 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

根据以上两个表格中计算出的数据分别绘制出失重量对比曲线如图 2-6， 还原度对比曲线如图 2-7：
12

10

8

Weight Loss (g)

6

4

2

永钢 沙钢 混合

0 0 45 90 135 180

Reduction Time (min)

图 2-6 40%CO 下失重量对比曲线 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

永钢 沙钢 混合
0 45 90 135 180

Reduction Time (min)

图 2-7 40%CO 下还原度对比曲线 Fig 2-7 Reduction degree contrast curve under carbon monoxide concentration of 40%

从图 2-6 中可以看出，， 在 CO 气氛下， 永钢试样在 30min 以前还原速率仍为最高， 沙钢试样还原速率为最低， 在 30min 之后三中矿粉还原速率都开始减缓， 且还原速率 走势接近，但永钢还原速率仍最高，沙钢试样最低；在图 2-7 中我们可以看到，3h 后，三种矿粉都没有明显趋于完全还原的趋势，并且还原度比 H2 气氛下的要低得多， 还原度从高到低顺序为永钢>混合>沙钢。
（4）100%CO 气氛下矿石成分对还原过程的影响

将 100%CO 气氛下还原的各组试样的称重数据进行整理列表，如表 2-10 所示：
表 2-10 100%CO 下各时间段的重量变化（g） Table 2-10 The weight change of each time period under 100%CO 反应时间(min) 永钢 沙钢 混合 反应时间(min) 永钢 沙钢 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

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根据表 2-7 的数据由公式 Δm=m2-m1 计算出各时间段试样的失重量，列在表 2-9 中，由公式 Rt ? [

0.11 W1 m1 ? ? 100] ? 100 计算出实验各时间段试样的还 0.43W2 m0 ? 0.43W2

原度，列在表 2-11 中，如下所示：
表 2-10 100%CO 下各时间段的失重量（g） Table 2-10 Weight loss of each time period under 100%CO 反应时间(min) 永钢 沙钢 混合 反应时间(min) 永钢 沙钢 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 下各时间段的还原度（%） Table 2-11 Reduction degree of each time period under 100%CO 反应时间(min) 永钢 沙钢 混合 反应时间(min) 永钢 沙钢 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

根据以上两个表格中计算出的数据分别绘制出失重量对比曲线如图 2-8， 还原度对比曲线如图 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)

永钢 沙钢 混合

Reduction Time (min)

图 2-8 100%CO 下失重对比曲线 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)

永钢 沙钢 混合

Reduction Time (min)

图 2-9 100%CO 下还原度对比曲线 Fig 2-9 Reduction degree contrast curve under carbon monoxide concentration of 100%

从图 2-8 中可以看出， 30min 以前， 永钢试样还原速率最快， 沙钢试样最慢， 30min 之后永钢矿粉还原速率开始明显减缓， 混合试样在 60min 之后还原开始减缓， 沙钢在 90min 之后还原开始减缓；从图 2-9 中可以看出，三种矿粉最终还原度比较接近，且 完全还原，表明 100%CO 气氛下试样也能够充分反应，但最终还原度要比 H2 气氛下 要略低，还原度从高到低顺序为永钢>混合>沙钢。
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第三章
3.1 实验原料

X 射线衍射分析实验

本 XRD 实验所用原料为：100%H2 气氛下和 100%CO 气氛下三种矿石还原后的 试样以及还原之前的三种矿石的试样。

3.2 实验目的
进行此 XRD 实验，目的在于： （1）分析出还原前后的铁及铁氧化物的变化，考 察气基还原实验的还原效果； （2）分析原矿中对还原效果有主要影响的氧化物，考察 这些氧化物对还原的影响[25]。

3.3 实验结果及分析
下图 3-1 所示为 100%H2 气氛下三种矿石还原前后的 XRD 成分分析：
△ △ H2永钢

Intensity

◇ ☆ ☆ ◇ ☆

△

☆ ◇ ★

★☆

★

☆

B ★ A

20

40

60

80

100

2θ (°)

（1） 永钢矿石 XRD 成分分析 （1）XRD component analysis of Yong gang ore

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△ ▲ ◇ H2沙钢

Intensity

☆ ☆ ★ △ ▲

☆ ▲ △

☆

◇

◇ B

★ ◆ ★ ▲
20 40

★ △ ▲
60 80

A
100

2θ (°)

（2）沙钢矿石 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）混合矿石 XRD 成分分析 （3）XRD component analysis of Hun he ore 图 3-1 100%H2 下三种矿石还原前后 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

由图 3-1 可知： （1）永钢矿石中杂质较少，以 SiO2 为主，而沙钢矿石中所含杂
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质较多，以 SiO2，CaO，Al2O3 为主，混合矿石杂质数量居中，以 Al2O3 和 MgO 为主； （2）永钢矿石的铁氧化物主要为 Fe3O4，沙钢矿石的铁氧化物主要为 Fe2O3，混合矿 石的铁氧化物则两种氧化物都有； （3）三种矿石在还原实验后，不同程度的都出现了 Fe。 如图 3-2 为 100%CO 气氛下三种矿石还原前后的 XRD 成分分析：
◇ CO永钢

Intensity

△ △ △ ★☆
20 40

☆ ☆

△ ★

◇ ☆ ☆ ☆
60

◇ ★
80

B A
100

2θ (°)

（1）永钢矿石 XRD 成分分析 （1）XRD component analysis of Yong gang ore
△ ▲ CO沙钢

Intensity

△

☆ ★ △

◇ △☆ △ ▲ △ ★ ◆ ★ ▲ ★ △

☆ ◇

◇

B

▲

▲
60 80

A
100

20

40

2θ (°)

（2）沙钢矿石 XRD 成分分析 （2）XRD component analysis of Sha gang ore

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△ △ CO混合

Intensity

☆ ☆ ◆ ☆

◇ ◇ ◇ ◆ ☆ ◆

△ ☆

☆ △ B

☆ ☆ ● ● ●
60 80

A
100

20

40

2θ (°)

（3）混合矿石 XRD 成分分析 （3）XRD component analysis of Hun he ore 图 3-2 100%CO 下三种矿石还原前后 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

对比图 3-2 和图 3-1 可知，在 100%H2 和 100%CO 两种不同气氛下，三种矿石还 原后由 XRD 分析出的铁及铁氧化物差别不大，表明不同气体对还原效果的影响相比 比成分对其影响较弱。

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结

论

本文以永钢和沙钢矿石为原料，采用气基直接还原工艺，借助于铁矿石冶金综合 性能测试仪进行了模拟竖炉还原实验，考察了在 CO 和 H2 两种气体气氛下矿石成分 对直接还原速率和还原度的影响。在此工作中，得出如下结论[26]： （1）同一种还原气体气氛下，随着气体浓度的增加，不同成分的矿石的还原度都随 之增加，且随还原时间的增加，还原速率逐渐降低，还原度的增加也随之变缓，一定 时间后还原速率和还原度都渐趋水平而不再增加。 （2） 同一还原气氛下， 实验中三种矿石的还原速率从高到低排序为永钢>混合>沙钢， 这是由于永钢矿石主要铁氧化物为 Fe3O4，而沙钢矿石的铁氧化物主要为 Fe2O3，混 合矿石铁氧化物为两者掺半。 氧化铁在上述气体气氛和温度下的还原反应分为三个阶 段，第一个阶段是由 Fe2O3 ?Fe3O4，第二个阶段是由 Fe3O4 ?FeO，第三个阶段是 由 FeO ?Fe，永钢矿石的还原过程直接由第二阶段开始，所以反应速率较快，并且 最先达到完全反应状态。 （3） 同一还原气体气氛下， 实验中三种矿石还原度从高到低排序为永钢>混合>沙钢， 这是因为永钢矿石中的杂质较少，沙钢矿石中的杂质较多，并且 SiO2 和 CaO 会与铁 氧化物结合成难以还原的物质，而沙钢中含这两中杂质较多，所以还原效果最差。

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致

谢

经过两个月的坚持不懈，终于完成了本篇本科生论文。本论文的研究和撰写离不 开导师杨志彬老师的悉心指导和耐心讲解。 杨老师为我们的实验提供了良好的实验设 备和实验室条件以及专业性的指导， 杨老师务实求真的科研态度和精益求精的做事风 格深深地感染了我，为我将来的研究工作树立了良好的楷模。 其次，我要感谢宗煜学长，从论文开始到论文的完成，及时地给予我学术上的帮 助和生活上的照顾，耐心地解答论文写作中的种种问题，给我带来了莫大的帮助。 然后，我还要感谢黄艾东，王峥，何亚胜，项南，李政，李建军等同学，有他们 一路陪伴，论文写作的过程才不那么枯燥和无聊，是他们让论文的写作充满了激情和 欢笑。 最后，我要感谢各位评审老师百忙之中抽出时间，来对我的论文进行指导和提出 宝贵的修改意见，我会再接再厉、更加认真和努力面对以后的各种挑战。

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  本文关键词：气基还原氧化铁动力学机理研究，由笔耕文化传播整理发布。