基于富氢气体直接还原钛铁矿制备富钛料及钛合金的新工艺研究
发布时间：2021-05-22 01:49
我国具有丰富的钛资源，但由于矿物种类的特殊性以及生产技术的相对滞后，使得金属钛及钛白的生产技术停滞徘徊。复杂的矿相组成、多组分共生以及含有Ca、Mg等碱土金属杂质给传统的冶金流程带来了很多棘手问题。目前所采用的电炉融分-浓硫酸工艺由于能耗高、“三废”量大等问题已不符合我国低碳环保的发展要求，我国“十二五”计划明确指出：力争在2015年淘汰电炉熔炼高钛渣、单产两万吨以下浓硫酸法钛白生产线等落后产能。因此研发绿色、环保、高效的钛冶炼提取技术成为我国冶金工作者的重要命题。本文以攀枝花钛铁矿为原料，结合冶金炉气重整后所得富氢气体，探索了富氢气基直接还原钛铁矿制备富钛料的工艺可行性，同时结合短流程的SOM法尝试通过直接电解提取制备金属钛和钛合金。本文以我国攀枝花钛铁矿为研究对象，以冶金含能炉气的综合利用为目标，进行了多组元富氢气体直接还原的实验研究。论文首先通过热力学计算探讨了还原过程中富氢气体中各气相组分可能发生的交互反应，同时运用大载荷热重、气相色谱和质谱仪等设备对热力学计算结果进行验证；在此基础上，通过研究单一气体（氢气或一氧化碳）和富氢混合气直接还原过程，探讨了富氢气体直接还原过程的动力...
【文章来源】：上海大学上海市 211工程院校
【文章页数】：181 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
本文的主要创新点
目录
第一章 绪论
1.1 引言
1.2 钛铁矿的研究及应用进展
1.2.1 钛铁矿的组成及结构特点
1.2.2 钛铁矿资源的分布
1.2.3 钛铁矿的应用现状
1.2.4 短流程的 FFC 和 SOM 方法
1.3 钛铁矿直接还原的研究现状
1.3.1 碳热固相还原
1.3.2 氢气直接还原
1.3.3 一氧化碳直接还原
1.3.4 钛铁矿还原过程的反应机理
1.4 冶金炉气的重整
1.5 论文的研究目的和研究内容
参考文献
第二章 实验方法和样品表征
2.1 实验原料和化学试剂
2.1.1 实验原料
2.1.2 实验试剂
2.2 气基直接还原实验
2.2.1 多元气体直接还原热重实验
2.2.2 还原过程中气体交互作用的检测实验
2.3 表征方法及仪器
2.3.1 成分分析
2.3.2 X 射线衍射分析
2.3.3 扫描电镜分析
2.3.4 透射电镜分析
2.3.5 程序升温还原(TPR)
2.3.6 金相显微镜分析
2.3.7 碳、硫含量分析
2.3.8 颗粒粒度分析
2.4 化学分析方法测定金属铁
2.4.1 分析试剂的配置
2.4.2 试样制备
2.4.3 测定步骤
2.4.4 分析结果的计算
2.4.5 分析方法的评价
参考文献
第三章 气基直接还原钛铁矿热力学分析及实验验证
3.1 引言
3.2 热力学体系的主要反应和参数设置
3.3 平衡体系的热力学分析
3.4 钛铁矿的气基还原历程
3.5 热力学分析的实验验证
3.5.1 非等温热重分析
3.5.2 XRD 物相分析对反应历程的验证
3.6 气相各组分的交互作用
3.6.1 H_2与 CO 甲烷化反应
3.6.2 积碳反应
3.7 本章小结
参考文献
第四章 单一气体组分的直接还原过程
4.1 引言
4.2 还原条件对样品反应速率的影响
4.2.1 气体浓度对还原过程的影响
4.2.2 反应温度的影响
4.3 还原产物的物相分析
4.4 还原过程中钛铁矿的微结构转变
4.4.1 氢气还原钛铁矿的微观形貌
4.4.2 一氧化碳还原钛铁矿的微观形貌
4.5 单一气体还原过程动力学
4.5.1 直接还原过程数学模型的建立
4.5.2 单一气体直接还原数学模型的求解
4.5.3 数学模型的验证
4.6 本章小结
参考文献
第五章 富氢混合气体的直接还原过程
5.1 引言
5.2 反应条件对混合气体还原速率的影响
5.2.1 反应温度对还原过程的影响
5.2.2 气体组成对还原过程的影响
5.3 还原过程中物相转变及微结构的变化
5.3.1 还原过程中的物相转变
5.3.2 还原过程中的矿物微结构的变化
5.3.3 还原过程中的元素分布
5.4 混合气体直接还原动力学
5.4.1 H_2-CO 混合气体还原数学模型的提出
5.4.2 H_2-CO 混合气体直接还原动力学模型的求解
5.4.3 混合气体还原反应活化能的计算
5.5 富氢气基直接还原过程中的气相交互反应
5.6 本章小结
参考文献
第六章 预氧化强化钛铁矿气基还原过程
6.1 引言
6.2 钛铁矿的预氧化
6.2.1 非等温氧化过程
6.2.2 反应条件对氧化过程的影响
6.2.3 氧化过程中的物相转变规律
6.2.4 氧化过程中矿物微结构的变化
6.3 氧化钛铁矿的气基还原过程
6.3.1 原始矿物与氧化钛铁矿的气基还原比较
6.3.2 氧化钛铁矿的等温气基还原
6.3.3 氧化矿还原过程中的物相转变规律
6.3.4 还原过程中微结构的变化
6.3.5 氧化钛精矿的气基还原动力学
6.5 本章小结
参考文献
第七章 基于富氢气体直接还原钛铁矿制取富钛料及钛合金的新工艺
7.1 引言
7.2 氧化钛精矿竖炉还原的数值模拟
7.2.1 逆流气固反应器模型的建立
7.2.2 各数值模拟参数的定义
7.2.3 质能平衡方程和边界条件的确定
7.2.4 模拟结果的分析
7.3 钛铁湿法分离的研究
7.3.1 还原锈蚀法钛铁分离的基本原理
7.3.2 影响锈蚀分离的影响因素
7.3.3 FeCl_3-HCl 锈蚀过程中的电化学反应
7.4 直接电脱氧用于钛铁矿制备钛合金
7.4.1 钛铁矿直接电解提取钛铁合金
7.4.2 富氢气基还原产物直接电解提取钛合金
7.5 本章小结
参考文献
第八章 结论与展望
作者在攻读博士学位期间所取得的成果
作者在攻读博士学位期间所参与的项目
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]BCFNO透氧膜反应器所用催化材料的选择分析[J]. 杨志彬,丁伟中. 功能材料. 2012(24)
[2]以钛精粉为载体由CO歧化反应制备纳米碳管[J]. 司新国,鲁雄刚,肖玮,危雪梅. 材料科学与工艺. 2012(06)
[3]氧化剂对低浓度硫酸溶解钛铁矿的影响[J]. 曾懋华,王小兵,龙来寿,奚长生. 韶关学院学报. 2012(06)
[4]Phase transformation and reduction kinetics during the hydrogen reduction of ilmenite concentrate[J]. Xin-guo Si 1,2),Xiong-gang Lu 1),Chuan-wei Li 1),Chong-he Li 1),and Wei-zhong Ding 1) 1) Shanghai Key Laboratory of Modern Metallurgy and Materials Processing,Shanghai University,Shanghai 200072,China 2) Hebei Iron and Steel Group Tangshan Steel Company,Tangshan 063020,China. International Journal of Minerals Metallurgy and Materials. 2012(05)
[5]透氧膜反应器内NiO/MgO催化焦炉煤气重整反应途径[J]. 杨志彬,丁伟中. 物理化学学报. 2012(04)
[6]还原钛铁矿中金属铁锈蚀反应速率过程的强化[J]. 郭宇峰,刘霞,邱冠周,姜涛. 中南大学学报(自然科学版). 2012(03)
[7]天然金红石粉体沸腾氯化工艺条件优化研究[J]. 牛丽萍,张廷安,吕国志,倪培远,梁曦斌,欧阳全胜,孟德龙,蒋孝丽. 过程工程学报. 2011(06)
[8]钛铁矿原矿预处理探索试验研究[J]. 尹飞,阮书峰,揭晓武,王成彦. 矿冶. 2011(03)
[9]焦炉煤气在透氧膜反应器中的重整机理[J]. 丁伟中,沈培俊,杨志彬,郭曙强,张玉文,汪学广,吴成章,鲁雄刚. 上海大学学报(自然科学版). 2011(04)
[10]机械活化强化矿物浸出过程的研究进展[J]. 姚金环,黎铉海,潘柳萍,李志强. 现代化工. 2011(07)
博士论文
[1]钒钛磁铁矿综合利用新流程及其比较研究[D]. 黄丹.中南大学 2012
[2]钒钛铁精矿转底炉直接还原—电炉熔分工艺与理论研究[D]. 刘松利.重庆大学 2010
[3]高钙镁电炉钛渣制备优质人造金红石的研究[D]. 董海刚.中南大学 2010
[4]焦炉煤气催化转化制氢镍基催化剂的研究[D]. 程红伟.上海大学 2009
[5]高钙镁钛精矿制备高品质富钛料新工艺及理论研究[D]. 黄孟阳.昆明理工大学 2008
[6]钒钛磁铁矿固态还原强化及综合利用研究[D]. 郭宇峰.中南大学 2007
本文编号：3200750
【文章来源】：上海大学上海市 211工程院校
【文章页数】：181 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
本文的主要创新点
目录
第一章 绪论
1.1 引言
1.2 钛铁矿的研究及应用进展
1.2.1 钛铁矿的组成及结构特点
1.2.2 钛铁矿资源的分布
1.2.3 钛铁矿的应用现状
1.2.4 短流程的 FFC 和 SOM 方法
1.3 钛铁矿直接还原的研究现状
1.3.1 碳热固相还原
1.3.2 氢气直接还原
1.3.3 一氧化碳直接还原
1.3.4 钛铁矿还原过程的反应机理
1.4 冶金炉气的重整
1.5 论文的研究目的和研究内容
参考文献
第二章 实验方法和样品表征
2.1 实验原料和化学试剂
2.1.1 实验原料
2.1.2 实验试剂
2.2 气基直接还原实验
2.2.1 多元气体直接还原热重实验
2.2.2 还原过程中气体交互作用的检测实验
2.3 表征方法及仪器
2.3.1 成分分析
2.3.2 X 射线衍射分析
2.3.3 扫描电镜分析
2.3.4 透射电镜分析
2.3.5 程序升温还原(TPR)
2.3.6 金相显微镜分析
2.3.7 碳、硫含量分析
2.3.8 颗粒粒度分析
2.4 化学分析方法测定金属铁
2.4.1 分析试剂的配置
2.4.2 试样制备
2.4.3 测定步骤
2.4.4 分析结果的计算
2.4.5 分析方法的评价
参考文献
第三章 气基直接还原钛铁矿热力学分析及实验验证
3.1 引言
3.2 热力学体系的主要反应和参数设置
3.3 平衡体系的热力学分析
3.4 钛铁矿的气基还原历程
3.5 热力学分析的实验验证
3.5.1 非等温热重分析
3.5.2 XRD 物相分析对反应历程的验证
3.6 气相各组分的交互作用
3.6.1 H_2与 CO 甲烷化反应
3.6.2 积碳反应
3.7 本章小结
参考文献
第四章 单一气体组分的直接还原过程
4.1 引言
4.2 还原条件对样品反应速率的影响
4.2.1 气体浓度对还原过程的影响
4.2.2 反应温度的影响
4.3 还原产物的物相分析
4.4 还原过程中钛铁矿的微结构转变
4.4.1 氢气还原钛铁矿的微观形貌
4.4.2 一氧化碳还原钛铁矿的微观形貌
4.5 单一气体还原过程动力学
4.5.1 直接还原过程数学模型的建立
4.5.2 单一气体直接还原数学模型的求解
4.5.3 数学模型的验证
4.6 本章小结
参考文献
第五章 富氢混合气体的直接还原过程
5.1 引言
5.2 反应条件对混合气体还原速率的影响
5.2.1 反应温度对还原过程的影响
5.2.2 气体组成对还原过程的影响
5.3 还原过程中物相转变及微结构的变化
5.3.1 还原过程中的物相转变
5.3.2 还原过程中的矿物微结构的变化
5.3.3 还原过程中的元素分布
5.4 混合气体直接还原动力学
5.4.1 H_2-CO 混合气体还原数学模型的提出
5.4.2 H_2-CO 混合气体直接还原动力学模型的求解
5.4.3 混合气体还原反应活化能的计算
5.5 富氢气基直接还原过程中的气相交互反应
5.6 本章小结
参考文献
第六章 预氧化强化钛铁矿气基还原过程
6.1 引言
6.2 钛铁矿的预氧化
6.2.1 非等温氧化过程
6.2.2 反应条件对氧化过程的影响
6.2.3 氧化过程中的物相转变规律
6.2.4 氧化过程中矿物微结构的变化
6.3 氧化钛铁矿的气基还原过程
6.3.1 原始矿物与氧化钛铁矿的气基还原比较
6.3.2 氧化钛铁矿的等温气基还原
6.3.3 氧化矿还原过程中的物相转变规律
6.3.4 还原过程中微结构的变化
6.3.5 氧化钛精矿的气基还原动力学
6.5 本章小结
参考文献
第七章 基于富氢气体直接还原钛铁矿制取富钛料及钛合金的新工艺
7.1 引言
7.2 氧化钛精矿竖炉还原的数值模拟
7.2.1 逆流气固反应器模型的建立
7.2.2 各数值模拟参数的定义
7.2.3 质能平衡方程和边界条件的确定
7.2.4 模拟结果的分析
7.3 钛铁湿法分离的研究
7.3.1 还原锈蚀法钛铁分离的基本原理
7.3.2 影响锈蚀分离的影响因素
7.3.3 FeCl_3-HCl 锈蚀过程中的电化学反应
7.4 直接电脱氧用于钛铁矿制备钛合金
7.4.1 钛铁矿直接电解提取钛铁合金
7.4.2 富氢气基还原产物直接电解提取钛合金
7.5 本章小结
参考文献
第八章 结论与展望
作者在攻读博士学位期间所取得的成果
作者在攻读博士学位期间所参与的项目
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]BCFNO透氧膜反应器所用催化材料的选择分析[J]. 杨志彬,丁伟中. 功能材料. 2012(24)
[2]以钛精粉为载体由CO歧化反应制备纳米碳管[J]. 司新国,鲁雄刚,肖玮,危雪梅. 材料科学与工艺. 2012(06)
[3]氧化剂对低浓度硫酸溶解钛铁矿的影响[J]. 曾懋华,王小兵,龙来寿,奚长生. 韶关学院学报. 2012(06)
[4]Phase transformation and reduction kinetics during the hydrogen reduction of ilmenite concentrate[J]. Xin-guo Si 1,2),Xiong-gang Lu 1),Chuan-wei Li 1),Chong-he Li 1),and Wei-zhong Ding 1) 1) Shanghai Key Laboratory of Modern Metallurgy and Materials Processing,Shanghai University,Shanghai 200072,China 2) Hebei Iron and Steel Group Tangshan Steel Company,Tangshan 063020,China. International Journal of Minerals Metallurgy and Materials. 2012(05)
[5]透氧膜反应器内NiO/MgO催化焦炉煤气重整反应途径[J]. 杨志彬,丁伟中. 物理化学学报. 2012(04)
[6]还原钛铁矿中金属铁锈蚀反应速率过程的强化[J]. 郭宇峰,刘霞,邱冠周,姜涛. 中南大学学报(自然科学版). 2012(03)
[7]天然金红石粉体沸腾氯化工艺条件优化研究[J]. 牛丽萍,张廷安,吕国志,倪培远,梁曦斌,欧阳全胜,孟德龙,蒋孝丽. 过程工程学报. 2011(06)
[8]钛铁矿原矿预处理探索试验研究[J]. 尹飞,阮书峰,揭晓武,王成彦. 矿冶. 2011(03)
[9]焦炉煤气在透氧膜反应器中的重整机理[J]. 丁伟中,沈培俊,杨志彬,郭曙强,张玉文,汪学广,吴成章,鲁雄刚. 上海大学学报(自然科学版). 2011(04)
[10]机械活化强化矿物浸出过程的研究进展[J]. 姚金环,黎铉海,潘柳萍,李志强. 现代化工. 2011(07)
博士论文
[1]钒钛磁铁矿综合利用新流程及其比较研究[D]. 黄丹.中南大学 2012
[2]钒钛铁精矿转底炉直接还原—电炉熔分工艺与理论研究[D]. 刘松利.重庆大学 2010
[3]高钙镁电炉钛渣制备优质人造金红石的研究[D]. 董海刚.中南大学 2010
[4]焦炉煤气催化转化制氢镍基催化剂的研究[D]. 程红伟.上海大学 2009
[5]高钙镁钛精矿制备高品质富钛料新工艺及理论研究[D]. 黄孟阳.昆明理工大学 2008
[6]钒钛磁铁矿固态还原强化及综合利用研究[D]. 郭宇峰.中南大学 2007
本文编号：3200750
本文链接：https://www.wllwen.com/projectlw/yjlw/3200750.html
