含碳球团还原过程热态强度的变化规律与形成机理

The study of the correlation property of carbon-containing iron pellets in reduction process is an important research direction to develop new process of non-blast-furnace iron-making or greatly reduce coke consumption in blast furnace iron-making. At present, the study of the strength change law and formation mechanism of carbon-containing iron pellets in reduction process is very few. The formation and change law of pellets strength and various mechanisms causing strength change, in different conditions for carbon-containing iron pellets, are systematic studied in this project to find out the internal relationship between thermal strength, material composition of carbon-containing iron pellets and carbon addition, reduction temperature, heating rate, reduction atmosphere and other factors. The transformation of iron oxides with different valence state in pellets is revealed by the reaction thermodynamic analysis between the different iron oxides and solid carbon or carbon monoxide. The coupling and association of carbon gasification, solid state reaction in different oxides, formation and growth of iron whisker for carbon-containing iron pellets in reduction process is revealed by formation thermodynamic conditions of different mineral solid-reaction system. Strengthening thermal strength of carbon-containing pellets or avoiding weak area of pellet strength is explored and the strength maximization of carbon-containing pellets in reduction process is realized. These provide the theoretical basis and technical support to develop new iron-making process when use the carbon-containing pellets as raw material or new process of metallizing pellet production.

开展对铁矿含碳球团还原过程相关性能的研究，是开发非高炉炼铁新工艺或大幅度降低高炉炼铁焦炭消耗的重要研究方向。目前对铁矿含碳球团在还原过程中本身强度变化规律和形成机理的研究甚少。本项目提出对铁矿含碳球团在不同还原条件下自身强度形成和变化规律，以及在不同条件下各种引起强度变化的机理展开较为系统的研究。查明含碳球团热强度与原料组成和配碳、还原温度水平、升温速度、还原氛围等因素的内在关系。通过对不同铁氧化物分别与固体碳和一氧化碳反应的热力学分析，揭示球团内伴随着不同价态铁氧化物的转化，不同矿物固相反应体系的形成热力学条件，查明铁矿含碳球团在还原过程中，内配碳的气化、不同氧化物的固相反应以及铁晶须生成与长大等反应的耦合与关联性。探索强化含碳球团热强度或避开球团强度薄弱区，实现含碳球团还原过程强度最大化。为以含碳球团为原料开发新的炼铁工艺，或金属化球团生产新工艺提供理论基础与技术支撑。

为应对焦煤资源日益匮乏和铁矿资源品质下降的现状，炼铁工艺新技术正向着大幅降低高炉炼铁焦比，减少碳排放，充分利用现有铁矿资源等方向发展，含碳球团作为一种新型炼铁原料，因符合上述发展需要而被冶金工作者长期关注并开展了广泛的研究工作。含碳球团强度对反应器的选型和生产效率至关重要，尤其在高温焙烧阶段，相互挤压的球团在自由水蒸发、还原剂气化以及铁氧化物还原等多重作用下会导致球团物理结构发生变化，若球团承压能力过低，可能会导致球团破损或压溃。本项目通过对含碳球团还原过程热态强度及其影响因素的系统研究，揭示了含碳球团热态下的粘结行为和强度变化机理，为探索强化含碳球团热强度或避开球团强度薄弱区，实现含碳球团还原过程强度最大化技术研究提供理论借鉴，并较为系统地阐述了还原剂、粘结剂等对含碳球团强度的影响、含碳球团高温下的软化粘结行为规律、脉石组分对含碳球团还原反应动力学的作用机理，建立了单个含碳球团还原过程一维非稳态数学模型。研究表明含碳球团的生球强度主要依靠毛细力来维持，干燥球主要通过化学吸附作用和粘滞力作用固结，并且化学吸附作用强于粘滞力作用。含碳球团高温强度作用机理比较复杂，对于采用圆盘造球工艺生产的含碳球团来说，在200℃-800℃范围内，球团内结合水蒸发和挥发份析出导致显气孔率增加，颗粒间分子引力随温度升高而减弱，维系球团强度原始作用力逐步消失，球团热态强度处于较低水平。在800℃-1000℃范围内，球团内部开始发生碳气化反应，还原剂消耗使得其颗粒尺寸逐渐减小，并与铁精矿颗粒产生间隙，碳气化反应产生的还原性气体在与铁氧化物发生作用的同时，也向球团外部加速扩散，导致球团显气孔率进一步增加，球团热态强度急剧降低。当温度高于1000℃后，还原反应速度显著加快，铁晶须大量生成并长大聚集，球团开始发生收缩，气孔率明显降低，高温强度不断升高。通过本项目研究，共发表学术论文12篇，其中SCI收录2篇，EI收录1篇，中文核心期刊5篇，会议论文3篇；申请国家发明专利8项，授权2项；培养博士、硕士研究生8人；学术成果、人才培养等均过了项目的预期目标。