铁矿石制备还原铁粉的碳还原过程的实验研究
!
乐毅，陈述文，陈启平
（长沙矿冶研究院，湖南长沙）
摘要：采用焦炭和无烟煤作还原剂对磁铁精矿以及赤铁精矿进行了固态下碳还原研究。研究结果表明，在现有海绵铁生产采用的温度范围（!），赤铁矿还原性能明显优于磁铁矿。采用无烟煤作还原剂可以大大降低还原温度、缩短还原时间。采用扫描电镜及射线衍射对还原产品进行了分析。
关键词：还原铁粉；固态还原；赤铁矿
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还原铁粉包括氧化铁还原铁粉和钢水雾化铁粉。其中还原铁粉颗粒呈不规则海绵状，具有较大的比表面，故有利于制造中低密度、中高强度的粉末冶金制品以及薄壁、长径比大或异形的机械零件，现已成为汽车用多类粉末冶金制品不可缺少的原材料［］。
还原铁粉生产国内外普遍采用法（又称两步法），即氧化铁通过碳还原和氢还原两步还原得到产品。低碳沸腾钢的轧钢铁鳞和高纯的超级铁精矿均可作为还原铁粉的原料。我国生产还原铁粉的原料基本为轧钢铁鳞，而国外生产还原铁粉的原料基本为超纯铁精矿石。超纯铁精矿粉与轧钢铁鳞相比，具有稳定性高，制得的铁粉颗粒更为疏松多孔，因而可以制得更高强度的烧结制品。
高纯铁精矿的固体碳还原原理
在碳基固态直接还原过程中，还原剂的用量一般都会超过固体碳的理论需要量，铁精矿碳还原的主要反应如下［!］：
!
!!（）
!
!!（）反应（）为贝波反应，被还原后生成的按式（）再生成，故最终反应为：
!
!!（）反应（）即为直接还原反应，该反应为强吸热反应。故还原焙烧温度的升高有利于直接还原反应的加快；另外，当温度升高后，还原剂碳的反应活性提高，反应率提高，所以升高温度可促进产品金属化，降低直接还原铁中的氧含量。但温度的升高超过一定值后，由于反应器中的和易生成铁橄榄石（·），该物质的熔点仅为，所以温度太高，将生成极难还原的·并发生软化和熔化使海绵铁孔隙下降、铁矿石还原率降低并影响到产品指标。在粗还原过程中，铁氧化物被还原，铁粉颗粒烧结与渗碳。增高还原温度或延长保温时间皆有利于铁氧化物还原、铁粉颗粒烧结，但会产生部分渗碳。鉴于在精还原过程中脱碳困难，在粗还原过程中，控制还原工艺降低渗碳的程度是必要的。
固态下氧化铁的还原机理有种观点［］：固体碳与铁氧化物直接反应进行还原；铁氧化物为气体间接还原。一般倾向于后一种机理。
气体的生成机理也有两种观点：一种认为由来自外部空气中的氧使焦炭煤气化；另一种认为焦炭
第卷第期
年月
矿冶工程"收稿日期：第一作者男硕士研究生
层中吸附的微量氧，达到反应温度时，生成微量气体，随即扩散到铁氧化物粉充填层中进行还原反应，因还原反应生成的气体与焦炭相反应，又生成
防守犯规气体。现在，一般认同后一种机理。另外，添加于焦炭末中的脱硫剂石灰，升温时将分解和产生，这种也是有助于气体产生的一个重要因素。
因此，在粗还原过程中，可能产生固体碳气化，
气体向铁氧化物粉充填层扩散，铁氧化物被还原，
气体从铁氧化物充填层中向焦炭层中扩散等过程。在用气体还原铁氧化物的场合，在界面发生的化学反应和气体通过铁氧化物充填层间隙的扩散都是需要考虑的重要因素。
实验方法
2.1实验原料
本次实验使用赤铁矿精矿、磁铁矿种原料进行实验，其中赤铁矿来自我国鞍山地区，磁铁矿来自我国冀东地区，均经过选矿提纯，其成分见表。
表1超纯铁精矿化学成分（质量分数／%）原料
翡翠入门
赤铁矿
磁铁矿
还原剂采用焦粉和无烟煤。其中无烟煤产自华北地区，其化学成分分析结果见表。焦粉为冶金焦，含碳。实验中将还原剂破碎到使用。碳酸钙为化学纯。
表2优质无烟煤指标（内蒙古太西无烟煤）／%
灰分水分硫挥发分!!!!!
注：发热量为!／
2.2实验装置
本实验用马弗炉进行还原，实验中每坩锅装铁精矿粉、碳粉（每碳粉掺有
粉末）。物料共分层，最外层为碳粉，中层为铁矿粉，最内层为碳粉层，层呈同心环状分布（装填模具为外径，内径的同心环筒）。
实验结果与讨论
3.1使用焦炭作为还原剂的实验结果
使用焦炭还原铁精矿的实验结果如表。
焦粉还原赤铁矿、磁铁矿的实验结果见图!。
表3赤铁矿、磁铁矿不同还原条件下的金属化率／%
样品还原温度／
还原时间／
ao4赤铁矿
磁铁矿西湖古诗
图1焦粉还原赤铁矿实验结果
还原温度：———；———；———；———
图2焦粉还原磁铁矿实验结果
还原温度：———；———；———；———
由图!可见，在较低的还原温度下（低于
）种矿物的金属化率都较低。当温度超过，并保温时间以上才能使一次还原反应充分进行。
从图!可知，即使在足够高的反应温度下，如果保温时间低于，对于种矿石都不可能得到令人满意的金属化率。!的保温时间是比较合适的，
矿冶工程第卷
继续延长保温时间对金属化率的影响很微弱。从图
!的曲线上看的反应温度足以使种矿石的金属化率提高到接近极限的水平，但是所要消耗的保温时间相对较长。的反应温度则可以在较短时间内使铁精矿金属化率提高到以上，且所得的金属化率也略高于。另外从曲线图上看，当反应温度达到以后赤铁矿的金属化率已经超过了磁铁矿，从保温的金属化率数据来看，赤铁矿所能提供的极限金属化率较之磁铁矿高。综合来看，对于赤铁矿，焦粉作还原剂在保温是比较合适的选择。
图为还原产品的照片，从照片可以看出，铁矿石的还原产品具有强的空隙发育，其中赤铁矿还原产品空隙度明显高于磁铁矿还原产品。
图赤铁矿和磁铁矿保温样品的电子显微镜照片分析
对种样品保温生产的海绵铁样品做了进一步研究，样品的化学分析结果见表。
表保温的产品化学分析
生产原料金属化率／
产品指标
赤铁矿
磁铁矿
还原产品（海绵铁）出炉形态呈环柱状。分别取产品外径!，!，!处的三层粉末进行了射线分析。
分析表明，赤铁矿主要成分是，在样品外侧反应较为完全的地方，物相大部分已经转变为"，仅有少量杂质存在，而在内层距离碳粉层较远的地方物相较为复杂，包括、、、，可以推断矿物还原转变的循序大约是!
!!；
磁铁矿主要成分是，还原过程中物相转变的循序约为!!；
使用煤作为还原剂的实验结果
虽然煤的主要成分是碳，但由于结构不同，煤有强的挥发性，比焦炭的反应活性强。用煤和焦粉为还原
剂在保温不同时间还原铁精矿，实验结果见图。煤的的反应活性对还原过程影响较大，在一般条件下，碳的气化反应是固态还原反应的限制环节。本研究选用优质无烟煤作还原剂。
一般认为，配碳量（或配碳比）越大，还原速度越快，所用的还原时间就越短，在直接还原生产中，为了加快还原速度，常配加过剩碳量，为理论值的!
，本研究配碳量为。由图可知，在同样条件下，优质煤具有比焦炭强得多的还原能力。
图煤、焦粉做还原剂赤铁矿一次还原实验结果
注：还原温度为
结论
）
提高还原焙烧温度对铁氧化物的还原和碳的气化均有促进作用；但温度的提高受到灰渣软熔温度的限制和生成·等低熔点矿物的限制，所以反应器内的温度应有控制地达到最高极限以便缩短还原焙烧时间。对于赤铁矿，焦粉作还原剂在保温比较合适。
）采用优质煤做还原剂可以提高还原反应的速度。
）赤铁矿的还原性能优于磁铁矿，采用赤铁矿为还原铁粉的生产原可以缩短生产周期降低生产能耗和生产成本。
参考文献
［］俞燮廷用高纯超级铁精矿生产优质铁粉之我见粉末冶金工业，，（）：!
［］俞燮廷用赫格纳斯法生产海绵铁和还原铁粉粉末冶金工业，，（）：!
［］张清岑用低品位铁矿石生产直接还原铁和高纯铁粉的研究矿产综合利用，（）：!
［］韩凤麟由轧钢铁鳞制取还原铁粉粉末冶金技术，，（）：!
第卷第期
年月
矿冶工程
M互N互NG AND M ETALLURG互CAL ENG互NEER互NG
铁矿石制备还原铁粉的碳还原过程的实验研究
作者：乐毅， 陈述文， 陈启平
作者单位：长沙矿冶研究院，湖南，长沙,410012
刊名：
矿冶工程
英文刊名：MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING
年，卷(期)：2003,23(4)
被引用次数：11次
1.俞燮廷用高纯超级铁精矿生产优质铁粉之我见 1996(03)
2.俞燮廷用赫格纳斯法生产海绵铁和还原铁粉 1997(03)
歌曲欢乐中国年3.张清岑用低品位铁矿石生产直接还原铁和高纯铁粉的研究 1997(01)
4.韩凤麟由轧钢铁鳞制取还原铁粉[期刊论文]-粉末冶金技术 2001(01)
1.李森蓉.赵少杰.熊娟还原铁粉新工艺研究[会议论文]-2007
2.孙正博论提高罐式法海绵铁质量的途径[期刊论文]-河北冶金2002(3)
3.韩凤麟.HAN Fenglin由轧钢铁鳞制取还原铁粉[期刊论文]-粉末冶金技术2001,19(1)
4.龚竹青.龚胜.周波.陈白珍.GONG Zhu-qing.GONG Sheng.ZHOU Bo.CHEN Bai-zhen硫铁矿烧渣制取海绵铁的工艺研究[期刊论文]-矿冶工程2006,26(1)
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5.龚胜硫铁矿烧渣制备海绵铁和绿矾制备还原铁粉的工艺研究[学位论文]2007
6.冯俊小.乐恺.王尚槐石人沟矿敞焰煤基直接还原的实验研究[期刊论文]-北京科技大学学报2004,26(1)
7.钱强.QIAN Qiang炼铁渣用于制备还原铁粉的工艺研究[期刊论文]-矿冶工程2007,27(6)
8.汪云华.彭金辉.黄孟阳钒钛铁精矿制取还原铁粉的工艺现状及改进途径探讨[会议论文]-2004
9.吴霞.Wu Xia超纯铁精矿粉制备还原铁粉碳还原过程试验研究[期刊论文]-矿业快报2006,25(3)
10.乐毅.YUE Yi改善氢还原铁粉性能的研究[期刊论文]-矿冶工程2007,27(4)
1.权娟娟.孙毅.李玉祥.张凯峰不同还原方法对赤铁矿粉金属化率的影响[期刊论文]-粉末冶金工业 2013(3)
2.占寿祥.龚胜.龚竹青.陈白珍由硫酸亚铁(绿矾)制取还原铁粉的工艺研究[期刊论文]-环境污染治理技术与设备2006(11)
3.乐毅改善氢还原铁粉性能的研究[期刊论文]-矿冶工程 2007(4)
4.吴霞超纯铁精矿粉制备还原铁粉碳还原过程试验研究[期刊论文]-矿业快报 2006(3)
5.龚竹青.龚胜.陈白珍.周波用硫铁矿烧渣制取海绵铁的碳还原过程[期刊论文]-中南大学学报（自然科
学版）
2006(4)
6.龚竹青.龚胜.周波.陈白珍硫铁矿烧渣制取海绵铁的工艺研究[期刊论文]-矿冶工程 2006(1)
7.杨合.毛林强.薛向欣.刘东提钒尾渣配碳直接还原铁试验[期刊论文]-钢铁钒钛 2013(5)
8.何环宇.唐忠勇.裴文博.王海华高炉瓦斯灰和转炉污泥造块制备金属化球团[期刊论文]-过程工程学报 2012(1)
9.郭艳华.戴惠新.杨俊龙从含钴转炉渣中回收钴的方法及应用[期刊论文]-冶金分析 2013(5)
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10.魏玉霞.孙体昌.寇珏.余文某难选菱铁矿石直接压球及还原焙烧[期刊论文]-过程工程学报 2011(5)
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