基于氧气高炉的铁矿石还原动力学研究

刘荣伟; 柯技; 李家新; 魏汝飞

doi:10.3969/j.issn.1000-6826.2021.05.0010

基于氧气高炉的铁矿石还原动力学研究

doi: 10.3969/j.issn.1000-6826.2021.05.0010

刘荣伟^1,,
柯技¹,
李家新^{1, 2, ,},
魏汝飞^{1, 2}

1.
安徽工业大学冶金工程学院，安徽　马鞍山　243032
2.
冶金减排与资源综合利用教育部重点实验室，安徽　马鞍山　243002

基金项目: 国家自然科学基金资助项目（U1860113）

详细信息

作者简介:
刘荣伟（1996—），安徽太湖人，硕士研究生，现就读于安徽工业大学，研究方向：低碳炼铁技术开发、非高炉炼铁，在校期间参加氧气高炉工艺流程及本体结构优化研究等多项科研项目。通信地址：243032安徽省马鞍山市雨山区安徽工业大学东校区，E-mail：1727308932@qq.com

通讯作者:
李家新（1957—），博士，教授，博士生导师，工作于安徽工业大学，研究方向高炉炼铁（含碳球团直接还原）、全氧富氢高炉炼铁技术等。近年来主持国家自然科基金项目2项、“十二五”国家科技支撑计划子项目1项、校企合作项目20余项，发表论文50余篇，获安徽省科学技术进步二等奖1项，获国家级优秀教学成果二等奖1项，安徽省优秀教学成果一等奖3项。通信地址：243032安徽省马鞍山市雨山区安徽工业大学东校区，E-mail：lijx@ahut.edu.cn

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出版历程
- 刊出日期: 2021-09-30

Research on Kinetics of Iron Ore Reduction Based on Oxygen Blast Furnace

Rong-wei LIU^1
,,
Ji KE¹,
Jia-xin LI^{1, 2
, ,},
Ru-fei WEI^{1, 2}

摘要

摘要: 利用矿石还原设备，在氧气高炉与传统高炉条件下分别对含铁物料进行还原实验，考察含铁物料还原度与还原速率的变化，通过反应动力学分析含铁物料的还原规律。研究结果表明：在氧气高炉气氛下含铁物料的还原速度大于传统高炉气氛下的还原速度，达到传统高炉最终还原度的时间大大缩短。在氧气高炉气氛下烧结矿还原由界面反应控速，球团矿还原前60 min由界面反应控速，60 min后由内扩散控速，混合矿还原前100 min由界面反应控速，100 min后由内扩散控速；在传统高炉气氛下，烧结矿、球团矿、混矿均由界面反应控速。

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图 1 实验设备与流程

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图 2 烧结矿还原度与反应速率变化图

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图 3 球团矿还原度与反应速率变化图

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图 4 混合矿还原度与反应速率变化图

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图 5 传统高炉气氛下烧结矿反应动力学

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图 6 氧气高炉气氛下烧结矿反应动力学

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图 7 烧结矿传统高炉气氛下lnk与1/T方程

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图 8 烧结矿氧气高炉气氛下lnk与1/T方程

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图 9 传统高炉气氛下球团矿反应动力学

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图 10 氧气高炉气氛下的球团矿反应动力学

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图 11 球团矿传统高炉气氛下lnk与1/T方程

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图 12 球团矿氧气高炉气氛下lnk与1/T方程：(a) 界面反应；(b) 内扩散

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图 13 传统高炉气氛下混合矿反应动力学

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图 14 氧气高炉气氛下混合矿反应动力学：(a)界面反应；(b)内扩散

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图 15 传统高炉气氛下lnk与1/T方程

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图 16 氧气高炉气氛下lnk与1/T关系图：(a)界面反应；(b)内扩散

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表 1 含铁原料化学成分（质量分数，%）

原料	TFe	FeO	SiO₂	CaO	MgO	Al₂O₃	MnO	P₂O₅	TiO₂
烧结矿	53.53	8.47	7.64	12.5	1.86	1.38	0.52	0.2	0.2
球团矿	65.13	2.1	5.93	1.08	0.77	1.01	0.23	0.01	0.06
混合矿	57.01	6.56	7.13	9.07	1.53	1.27	0.43	0.14	0.16

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表 2 炉缸煤气成分（体积分数，%）

气氛	N₂	CO	H₂
传统高炉气氛	58	37	5
氧气高炉气氛	0.8	86.6	12.6

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表 3 等温实验结果汇总

铁矿石种类	氧气高炉气氛还原度/%			传统高炉气氛还原度/%			时间/min
铁矿石种类	800 ℃	900 ℃	1000 ℃	800 ℃	900 ℃	1000 ℃	800 ℃	900 ℃	1000 ℃
烧结矿	79.2	90.5	96.3	67.3	84.4	91.7	100	105	95
球团矿	78.5	89.5	99.8	60.3	62.4	92.8	97	80	92
混合矿	77.2	91	94.8	59.5	68.3	91.2	80	102	102

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表 4 烧结矿不同温度下还原反应速率常数k

还原反应	800 ℃	900 ℃	1000 ℃
传统高炉界面反应	0.00170	0.00251	0.00334
顶煤气循环界面反应	0.00288	0.00406	0.00513

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表 5 烧结矿不同气氛下反应活化能E

反应气氛	lnk与1/T方程	频率因子A	活化能/ (kJ·mol⁻¹)
传统高炉界面反应	lnk=−4621.33/T−2.06	0.13	38.42
氧气高炉界面反应	lnk=−3954.32/T−2.155	0.12	32.88

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表 6 国内外学者计算得到的活化能

物料	温度/℃	活化能/ (kJ·mol⁻¹)	条件（体积分数）
Fe₂O₃粉末	700~900	122.52	10%CO+90%N₂
Fe₂O₃粉末	700~900	28.08	10%H₂+90%N₂
烧结矿	900~1100	31.41	71%CO+15H₂+12%N₂+2%CO₂

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表 7 不同温度下球团矿还原反应速率常数k

反应气氛	800 ℃	900 ℃	1000 ℃
传统高炉界面反应	0.00139	0.00148	0.00300
氧气高炉界面反应	0.00281	0.00339	0.00557
氧气高炉内扩散	0.00238	0.00376	0.01087

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表 8 不同气氛下球团矿反应活化能E

反应气氛	lnk与1/T方程	频率因子A	活化能/ (kJ·mol⁻¹)
传统高炉界面反应	lnk=−5116.75/T−1.92	0.1526	42.91
氧气高炉界面反应	lnk=−4601.81/T−1.64	1.4770	38.26
氧气高炉内扩散	lnk=−10231.53/T+3.38	29.3700	85.06

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表 9 混合矿不同温度下还原反应速率常数k

反应气氛	800 ℃	900 ℃	1000 ℃
传统高炉气氛界面反应	0.00142	0.00160	0.00302
氧气高炉气氛界面反应	0.00317	0.00428	0.00551
氧气高炉气氛内扩散	0.00114	0.00211	0.00269

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表 10 不同气氛下反应活化能E

反应气氛	lnk与1/T方程	频率因子A	活化能/ (kJ·mol⁻¹)
传统高炉气氛界面反应控速	lnk=−5041.31/T−1.95	0.1165	46.77
氧气高炉气氛界面反应控速	lnk=−3775.7/T−2.24	0.1070	31.39
氧气高炉气氛内扩散控速	lnk=−5921.3/T−1.21	0.2980	49.23

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参考文献(12)

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