利用高磷鲕状赤铁矿高效制备碳化铁同时脱磷的机理研究

High phosphorus oolitic hematite cannot be used as blast furnace burden due to its high phosphorus content. Instead of the technical routes of getting pig iron nuggets by high temperature carbon thermal reduction or getting hot metal by blast furnace smelting and then dephosphorization, The present proposal will reduce high phosphorus oolitic hematite powder by gas and then carbonize it to form iron carbide. In this process the reduction of phosphorus from gauge can be depressed, thus iron carbide with low phosphorus can be obtained by dressing. Thus the high phosphorus oolitic hematite can be utilized in the form of low phosphorus iron carbide as a kind of high quality steelmaking raw material. The proposed project will use fixed-bed or pellets and two-steps method to study the preparation of iron carbide from high phosphorus oolitic hematite. The contents of this research include: the influence of iron ore particle size and additives on the gas-solid reduction reaction kinetics; microstructure of reduction intermediate, kinetics of carbonization and the behavior of phosphorus in reduction and carbonization process. The proposed project will obtain the kinetic parameters of reduction and carbonization of high phosphorus oolitic hematite in H2-CH4 or CO-CO2-H2 atmosphere; clarify mechanism of these reactions, the form of possible reduced product of phosphorus and the starting temperature of reduction reaction take place, partition ratio of phosphorus among iron, gauge, and iron carbide and the influence factors; select additives which can promote the formation of iron carbide; get the condition by which iron carbide can be separated with phosphorus bearing gauge efficiently. Therefore a new route of utilizing the high phosphorus oolitic hematite can be created.

高磷鲕状赤铁矿因含磷高不能作为炼铁原料。本项目以高磷鲕状赤铁矿粉为原料，避开高温碳热还原得到含磷铁粒或高炉冶炼生成含磷铁水然后再脱磷的技术路线，在较低温度采用气基还原-碳化，生成碳化铁，可抑制含磷脉石的还原，经选矿分离后获得磷含量极低的碳化铁，从而可使高磷鲕状赤铁矿以碳化铁的形式作为低磷炼钢原料得以有效利用。采用固定床实验用两步法开展从高磷鲕状赤铁矿制备碳化铁的研究。研究矿粉粒度、添加剂对气-固还原反应动力学的影响；研究还原中间产物的微观结构、碳化过程动力学以及还原和碳化过程中磷的行为。本项目将获得高磷鲕状赤铁矿在H2-CH4 和 CO-CO2-H2还原和碳化过程的动力学参数；解明反应机理，解明磷被还原的起始温度和产物形态，磷在铁相、脉石相和碳化铁之间的分配比及其影响因素；选择能促进碳化铁生成的添加剂，得到碳化铁和含磷脉石高效分离的分选条件，开创高磷鲕状赤铁矿有效利用的新途径。

我国鲕状赤铁矿资源分布广、储量巨大，因其含磷高无法直接作为炼铁原料。碳化铁既可用于炼钢也是一种功能材料，用途广泛。利用高磷赤铁矿制备碳化铁并研究碳化铁生成过程的机理对高磷鮞状赤铁矿的开发利用意义深远。本项目对用H2/CH4还原、碳化高磷鮞状赤铁矿制备碳化铁过程中磷的行为、CH4 裂解过程及冷却条件对碳化铁的生成及稳定性、形貌和成分表征、磁性能的影响，碳化铁生成过程的动力学以及碳化铁与含磷组分的分离进行了研究。在H2/CH4 气氛下利用高磷鮞状赤铁矿于923 K~1073 K可制得碳化铁，H2还原高磷鮞状赤铁矿的末期反应速度很慢以致还原产物中有FeO存在而不完全是金属Fe，还原所得产物在与CH4 反应的初始阶段，CH4会先还原FeO至金属铁，此后CH4 裂解所得沉积碳与新还原的金属铁迅速生成碳化铁。实验得到了利用高磷鲕状赤铁矿制备碳化铁的最佳反应条件为：1023 K下，CH4 反应15 min，并采用氩气快冷方式，碳化程度达95.12%，产物以紧密嵌布的碳化铁和石英为主要物相。碳化铁产物的饱和磁感应强度随其中碳化铁和金属铁的比例变化，可以通过反应条件调控。采用热重实验结合穆斯堡尔谱分析，对高磷鮞状赤铁矿制备碳化铁过程进行了动力学研究，得出了各阶段的动力学模型和相应的表观活化能：H2还原高磷赤铁矿的反应受界面化学反应控制，CH4 深度还原则受扩散控制，CH4裂解反应的限制性环节为CH4在金属铁表面的界面化学反应。热力学计算及实验证实高磷鮞状赤铁矿制备碳化铁过程中磷灰石基本不被还原，但磁选分离所得磁性材料中P含量为0.42 wt%，脱磷率最高为 36.67 %，铁收得率为 80.04 %，分离效果不佳。根据热力学计算和碳化铁产物磁选分离效果不佳的事实，提出了高磷鲕状赤铁矿的氢还原及渣铁熔分的脱磷方法并进行了实验验证。在熔分温度为1873 K，渣碱度为2，熔分时间为10 min，CaF2添加比为4 %和还原矿粉金属化率为80 %的条件下，渣铁熔分后得到的块状纯铁中的磷可降低至0.019 wt%。