流化状态下附碳赤铁矿粉物质形态的研究

流化状态下附碳赤铁矿粉物质形态的研究安为洁朱凯荪何胜利李卫国摘要：对流化状态下赤铁矿粉附碳后的物相组成、显微结构、化学组成及矿粉被还原程度进行研究。通过矿相分析、电子显微镜分析、X射线衍射分析、穆斯堡尔谱学分析，发现流化状态下的赤铁矿粉随附碳时间的延长,颗粒结构变得疏松多孔,还原程度加深,颗粒表面形成的金属铁很少,有利于防止粘结。关键词：流态化附碳还原物相组成显微结构化学组成RESEARCHONPHYSICALCONDITIONSOFCARBONADHERINGHEMATITEFINESINFLUIDIZATIONSTATEAnWeijie（EastChinaInstituteofMetallurgy）ZhuKaixun（EastChinaInstituteofMetallurgy）HeShengli（EastChinaInstituteofMetallurgy）LiWeigun（EastChinaInstituteofMetallurgy）Abstiact：Themineralconstitutents,micro-structure,chemicalcompositionsandreductiondegreeofthecarbonadheringhematitefinesinthefluidizationstatearestudiedbymeansofmineralphaseanalysis,electronmicroscopeinvestigation,x-raydiffractionanalysisandMössbauerspectroscopyanalysis,anditisfoundthatthestructureofthehematitefinestendstobelooseandporousandtohaveahigherreductiondegreeandlessmetallicironformationonthesurfaceofthemineralfineswiththeelapseoftimeforcarbonadherencetothehematitefines,andithelpspreventthefinesfrombindingtogethor.Keywords：fluidizationcarbonadheringreductionmineralconstituentsmicrostructurechemicalcomposition1前言流态化还原作为“二步法”熔融还原的预还原过程已经作了许多研究工作,其中碳吸附新工艺是该项技术的主要成果之一。在550℃,应用CO的分解作用(2CO=CO2+C)产生的碳对矿粉进行碳吸附处理,能加快还原速度,并有效地防止粘结。在此基础上,本研究对该工艺的基础理论作进一步探讨,主要研究赤铁矿粉附碳后的物相组成、颗粒形态、显微结构、化学组成及被还原的程度,为解决流态化预还原工艺中的技术难点提供理论依据。2试验方法与检测手段2.1试验设备试验设备如图1,流态化炉由双层不锈钢管制成,内径50mm。反应器上下有加料、排料孔,置于井式电阻炉内。温度控制选用ksy-8-13型精密温度仪,通过从炉顶插入的热电偶获得炉内实际温度。图1试验装置图1.热电偶2.进气口3.排气口4.加料孔5.发热元件6.排料孔7.气流分布板2.2试验条件工艺参数:温度550℃、压力2atm、气流线速度0.6m/s,析碳时间3min、10min、15min。气体成分:55%CO,5%CO2,15%H2,25%N2。赤铁矿成分见表1。表1赤铁矿成分(w)%TFeFeOFe2O3CaOMgOAl2O3SiO2P2O563.150.7289.421.060.362.745.650.052.3检测手段矿相分析、电镜扫描、X射线衍射分析、穆斯堡尔谱学分析。3结果与分析3.1赤铁矿粉附碳前后颗粒形态和矿相组成的变化对附碳前后的赤铁矿粉进行矿相观察如图2,原矿粉颗粒完整,边界不规则有棱角和尖端,主要成分为黄白—略带兰色的Fe2O3;附碳3min后颗粒仍保持原来的形状,边界的棱角和尖端有所减少,颜色变暗并呈明显的黄白色,成分以Fe3O4为主;附碳10min颗粒边界由不规则向圆形、弧形发展;附碳15min颗粒表面过渡更圆滑。这说明赤铁矿粉附碳后颗粒形态和物相组成发生了变化,Fe2O3被还原为Fe3O4,表面化学反应条件好,常见表面比内部优先还原。(a)赤铁矿原矿(b)附碳3min的赤铁矿粉(c)附碳10min的赤铁矿粉(d)附碳15min的赤铁矿粉图2附碳前后赤铁矿粉矿相照片(×112)3.2赤铁矿粉附碳前后显微结构的变化在电子显微镜下对附碳前后的赤铁矿粉颗粒进行观察如图3,分析可知颗粒形态发生变化的原因。附碳前赤铁矿粉颗粒呈结构致密的块状,表面光滑平整,颗粒之间呈弥散的自由体;附碳3min后矿粉表面出现大量的孔洞,颗粒呈更小的细粒聚集状;附碳10min后颗粒表面孔洞进一步加深;附碳15min后整个颗粒呈蜂窝状,孔隙度很高。矿粉形貌的这种变化是析碳和还原造成的。在550℃下对赤铁矿粉进行析碳处理,根据微晶成长理论此时生成的碳只能是非晶态的自由碳,它吸附在矿粉颗粒表面及矿粉颗粒裂纹和孔洞表面,局部渗入内部,造成矿粉颗粒开裂;与此同时由于矿粉颗粒被还原,各还原产物晶格形态不同,转变过程中产生晶格缺陷,造成赤铁矿颗粒形成多孔的蜂窝状;当有H2存在时,用H2还原形成的海绵铁活性很强,晶格结点上铁原子间距比CO分子内C—O原子间距大一倍多,使吸附的CO分子键变形松驰,裂解为C和CO2,析出的碳原子体积大,使矿粉颗粒表面产生孔洞和裂纹。(a)赤铁矿原矿颗粒(b)附碳3min的赤铁矿粉颗粒(c)附碳10min的赤铁矿粉颗粒(d)附碳15min的赤铁矿粉颗粒图3附碳前后赤铁矿粉电镜照片(×2000)3.3附碳过程中赤铁矿粉化学组成的变化图4是根据550℃下不同附碳时间赤铁矿粉的X射线衍射图(如图5)计算出的赤铁矿粉附碳过程中化学组成的变化。附碳过程中的赤铁矿粉首先是Fe2O3几乎全部还原为Fe3O4,随后Fe3O4部分转化为FeO,而由FeO转化生成的金属铁量很少。这是由于该试验条件为赤铁矿粉中Fe2O3的还原提供了较好的热力学和动力学条件,而在附碳的低温条件下FeO还原到Fe的反应速度极慢,致使生成的铁量较少,这一点有利于防止低温流化状态下的粉状赤铁矿颗粒由于生成金属铁而造成高温时期的粘结。图4附碳过程中赤铁矿粉化学组成的变化(由图5计算得出)图5不同附碳时间矿粉的X射线衍射图Δ:Fe3O4●:FeO;:α.SiO2;α:α-Fe2O3;F:α-Fe3.4附碳前后赤铁矿粉颗粒表层的化学组成变化为研究流化状态下呈细粒聚集状表面有孔洞的赤铁矿粉颗粒表层化学成分在附碳前后的变化,对试样作穆斯堡尔谱学分析如图6,呈一套大线谱的原矿接近α-Fe2O3,偏离中心位置是由于矿物含有其它杂质,呈二套六线谱和一套双线谱的附碳10min的赤铁矿粉颗粒表面由Fe3O4和少量α-Fe2O3组成。这进一步说明对流化状态下的粉状赤铁矿颗粒进行附碳处理,有利于防止由于早期还原生成的金属铁造成的粘结现象。4结论流化状态下对赤铁矿粉颗粒进行碳吸附处理,随碳吸附时间的延长,颗粒表面由不规则向光滑过渡,结构变得疏松多孔呈蜂窝状;同时赤铁矿颗粒被局部还原;多孔的赤铁矿粉颗粒表面Fe2O3向Fe3O4转化,部分Fe3O4转化为FeO,而表面金属铁含量极低。图6附碳前后赤铁矿粉的穆斯堡尔谱线图基金项目：国家自然科学基金资助项目作者简介：联系人:安为洁,讲师,安徽马鞍山(243002)华东冶金学院冶金系作者单位：安为洁（华东冶金学院）朱凯荪（华东冶金学院）何胜利（华东冶金学院）李卫国（华东冶金学院）