微波预处理强化高磷铁矿粉的气态还原

【引言】

目前，如何利用大储量的高磷矿石越来越受到国内众多钢铁企业的重视。大学和研究所的研究人员也在寻找有效的方法。在这些研究中，提出了一种新的方法，即气体还原加熔体分离，这是目前可行的方法之一。最终金属试样的磷含量约为0.27%，达到了热生铁炼钢对磷含量的要求。然而，在实验室规模的测试中出现了一个问题。结果表明，1073 K ~ 1273 K温度下，在H₂或CO气氛下还原2 ~ 5 h，还原矿粉的最大金属化率仅能达到70%。这种金属化率水平对于后续熔炼过程中的金属回收是不可接受的，因此有必要对矿粉还原动力学进行阐明，寻找提高其金属化速率的解决方案。

【成果介绍】

TANG Hui-qing等人研究了高磷铁矿粉的气相还原动力学及微波预处理对其气相还原行为的影响。使用LINSEIS的同步热分析仪STA PT 1600，采用热重法对气体还原动力学进行了研究。采用高温微波反应器对四功率级铁矿粉进行微波预处理。用热重法测定其效果，用扫描电镜和能谱仪分析其作用机理。使用管式炉进行了气体还原试验。动力学研究结果表明，当还原分数小于0.8时，气体内部扩散和界面化学反应混合控制细矿粉的气态还原，当还原分数大于0.8时，由固态扩散控制。微波预处理细矿粉可以改变鲕粒体单元的孔隙结构，产生裂纹、裂隙和疏松带，促进早期还原，延缓烧结的发生。气体还原实验表明，在450 W的微波功率下预处理4 min后在1273 K温度下还原，可以明显增强矿石粉的气体还原效果。采用CO或H₂作为还原剂，将矿粉还原1.5 ~ 2小时，可使矿粉金属化率提高10% ~ 13%。

【图文导读】

图1 不同温度下还原分数与时间的关系图

图2 不同还原分数下气态还原表观活化能的值

图3不同微波功率下还原分数与时间的关系图

图4两个不同样品的SEM图像

图5 图4（b）中A点附近区域的（a）SEM图像和（b）EDS分析

图6 图4（b）中B点附近区域的（a）SEM图像和（b）、（c）、（d）EDS分析

【结论】

高磷矿粉的气相还原在还原分数小于0.7时受气体内部扩散和界面反应控制，在还原分数大于0.8时受固态扩散控制，在还原分数接近0.8时受界面反应控制。反应控制的还原分数范围较窄，控制步骤由反应控制快速过渡到固态扩散控制。微波预处理的机理是在鲕粒体单元内产生裂纹、裂隙和疏松带，提高了矿石的孔隙率和比表面积。烧结初期还原强度增大，烧结延迟。但后期新相破坏了孔结构的改善，微波处理的效果可以忽略不计。在本实验室规模研究中，450 W的微波功率下预处理4 min，对高磷铁矿粉气相还原效果尤为显著。在1273 K温度下，以CO或H₂为还原剂，在1.5 ~ 2 h内，可使处理后的矿粉金属化率达到85% ~ 92%。微波预处理可使金属化率提高10% ~ 13%。