【摘 要】
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随着国际钢铁价格的大幅上涨和高品位铁矿石资源的日益减少,有效开发利用低品位铁矿石可以有效缓解中国钢铁行业的资源短缺问题。菱铁矿是我国重要的铁矿资源之一,主要成分为碳酸亚铁（Fe CO3）,由于其含铁品位低,必须经过磁化焙烧生成铁氧化物才能用于钢铁冶炼。目前报道的关于菱铁矿磁化焙烧反应特性及动力学的研究均是基于焙烧固体产物的变化进行的分析,且只能获得整体反应动力学,未见对气体产物的释放特性及各组分生
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随着国际钢铁价格的大幅上涨和高品位铁矿石资源的日益减少,有效开发利用低品位铁矿石可以有效缓解中国钢铁行业的资源短缺问题。菱铁矿是我国重要的铁矿资源之一,主要成分为碳酸亚铁（Fe CO3）,由于其含铁品位低,必须经过磁化焙烧生成铁氧化物才能用于钢铁冶炼。目前报道的关于菱铁矿磁化焙烧反应特性及动力学的研究均是基于焙烧固体产物的变化进行的分析,且只能获得整体反应动力学,未见对气体产物的释放特性及各组分生成动力学的研究。此外,现有研究表明惰性气氛中菱铁矿磁化焙烧反应主要分为两步,即Fe CO3=FeO+CO2和3FeO+CO2=Fe3O4+CO,然而此机理并未得到进一步验证。因此,进一步探究惰性气氛中菱铁矿磁化焙烧的过程仍然具有重要意义。本论文首先利用微型流化床反应分析仪（MFBRA）测定了惰性气氛中菱铁矿磁化焙烧气体产物CO2和CO的含量随时间的变化序列,获得了CO2和CO的等温生成动力学,发现CO2和CO的含量比接近9:1,这与文献报道的理论值不相符;之后利用具有在线颗粒取样功能的微型流化床反应分析仪（MFBRA-P）研究了菱铁矿磁化焙烧的反应过程,通过对原位采集的焙烧固体产物与升温过程中气体产物CO2和CO释放特性的分析,并结合热力学理论计算,进而推断出菱铁矿磁化焙烧新的反应机理,还获得了CO2和CO的非等温生成动力学;最后,利用MFBRA-P研究了惰性气氛中菱铁矿磁化焙烧反应过程中固体产物的物相组成、孔隙结构以及磁性的瞬态变化过程。本论文为菱铁矿流化床磁化焙烧工业应用提供了重要的理论依据,同时为研究气固反应机理及动力学提供了一种新方法。主要研究结果如下:（1）菱铁矿磁化焙烧气体产物CO生成的时间明显滞后于CO2,且滞后的时间随着温度增加而减小,这与温度增加导致反应速率增加有关;菱铁矿粉在700℃时完全分解仅需数秒,显著少于文献报道的采用自制悬浮态装置及热重测得的时间,揭示了MFBRA与其他装置在动力学测试方面的差异;MFBRA测得生成CO2和CO的反应活化能分别为103 k J/mol和116 k J/mol,指前因子（lg A）分别为12.76 s-1和14.35 s-1,最概然机理模型分别为几何收缩模型(R2:G（x）=1-（1-X）1/2)和三维扩散模型（D3:G（x）=[1-（1-X）1/3]~2）;CO2和CO含量比接近9:1,远大于文献报道的两步反应机理得到的理论比值(VCO2:VCO=2:1),说明除了文献报道的两步反应还存在其他的反应。（2）通过对菱铁矿磁化焙烧反应进行热力学理论计算,得到生成的CO2与CO的含量比更接近9:1,说明MFBRA获得的结果更接近热力学平衡,同时结合利用MFBRA-P原位采集的焙烧固体产物的XRD结果以及在线分析的CO2和CO的释放特性,推断出在惰性气氛中菱铁矿磁化焙烧的反应机理是:当温度为0-600℃时,菱铁矿磁化焙烧过程除了发生Fe CO3=FeO+CO2和3FeO+CO2=CO+Fe3O4反应之外,还可能发生6FeO+CO2=C+2Fe3O4和3FeO+CO=C+Fe3O4反应;当温度为600-700℃时,只发生Fe CO3=FeO+CO2和6FeO+CO2=C+2Fe3O4反应。此外,利用非等温法得到的生成CO2和CO的反应活化能分别为177 k J/mol和169 k J/mol,高于采用等温法测得的结果,这与MFBRA-P中所用原料粒径更大使其颗粒内部扩散阻力增加相关;最概然机理模型也与等温法获得的结果不同,分别为成核和生长模型（F1:G（x）=-ln（1-X））和几何收缩模型(R2:G（x）=1-（1-X）1/2)。（3）菱铁矿磁化焙烧过程为先经分解反应生成FeO,FeO再经过磁化反应生成最终产物Fe3O4;焙烧产物的孔体积和比表面积随焙烧温度的增加以及反应的进行均呈现先增大后减小的趋势,并在600℃时出现最大值(3.03 cm~3·g-1和13.19 m~2·g-1);焙烧产物的饱和磁强度随反应的进行大幅度增加,但当温度高于600℃时,焙烧产物的饱和磁强度几乎不变。
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