铁氧化物还原与成渣反应过程相内组分竞争作用及其影响

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铁氧化物参与的还原成渣过程是高炉中最基本也是最重要的反应,随着钢铁工业发展过程中由于环境压力及资源变化等问题不断出现的技术变革,铁氧化物的还原成渣过程由于还原剂及矿石多样化呈现不同的行为规律,因此研究气相和固相内组分竞争对还原过程以及成渣过程的影响对于探索气固相还原过程的基本规律以及工业实际操作优化具有重要意义。为探究相内组分相互作用对于铁氧化物参与的还原及成渣过程行为的影响,分别以CO和H2以及其混合气体作为还原剂对Fe O进行还原,将Ca O、Si O2、Mg O和Al2O3氧化物和Fe O配比进行高温软熔滴落实验,分别以还原速率以及收缩速率(Shrinkage Rate,简称SR)为指标,对还原过程和成渣反应过程进行分析,得到主要结论如下:对于铁氧化物参与的还原反应,当还原气体到达固相表面时,气体分子扩散到达固相表面,气体浓度较低或反应性较差时,固相内部不发生反应且结构不变,还原速率稳定;气体浓度较高或反应性较好时,固相内部发生反应并在前期提高反应速率至还原度R=0.4附近还原速率达到稳定。在气相相互作用过程中,当气氛中CO与H2气体分子数比例n(CO):n(H2)>1时,CO在反应过程中占据主导地位。当气氛中CO与H2气体分子数比例n(CO):n(H2)<1时,此时H2在反应过程中占据主导地位,反应初期固相结构随内部还原过程变化导致还原速率增加明显,此时由于气体之间混合之后存在的竞争关系而未被利用的气体分子数量减少。对于铁氧化物参与的成渣反应,当渣相仅存在Ca Fe2O4或Mg Fe2O4固溶体时,料层在900℃之前的SR增加至0.42%/℃;Fe2Si O4橄榄石相以及Fe Al2O4尖晶石相明显降低整个收缩过程的SR。对于三元组分,Ca O对于料层收缩的加速作用受Si O2及Al2O3的抑制,Mg O与Fe O之间形成的固溶体相在低温阶段主导收缩并增加SR,Ca O和Al2O3的存在促进了还原反应并加速料层收缩。四元组分的收缩依据其收缩速率变化规律分为“硅镁型”和“钙铝型”两种组分体系。“硅镁型”四元组分体系中(Fe,Mg)2Si O4或Mg2Si O4橄榄石相主导料层低温阶段收缩,“钙铝型”两种组分体系中Ca Al2O4尖晶石加速还原阶段的收缩,且最终料层收缩受抑制。五元组分的收缩行为受Ca Al2O4尖晶石相主导,尖晶石相的存在促进还原阶段收缩的同时阻止了Si O2和Mg O之间生成Mg2Si O4橄榄石相的相互作用,最终料层的收缩率仅达到59%。
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