铁矿流态化还原过程粘结失流介尺度机制及其调控研究

Ironmaking technology based on gas-solid fluidized-bed is an important way to utilize low grade and complex paragenetic iron ores. This project focuses on resolving the defluidization problem during fluidized-bed reduction of fine ores. The aims are to investigate the evolution regulation of surface microstructure of ore powders, and thus to master the control conditions for surface morphology of iron microcrystals. In order to reveal the meso-scale mechanism of interaction and agglomeration of particles, the structure-function relationship between surface micro-properties and defluidization characteristics of particles will be elucidated. And the characteristics of reaction kinetics is correlated to surface morphology and structure by investigating the multiphase reaction in the Fe-C-O system. Furthermore, the reasonable operation conditions are determined by mastering effects of fluid flow, reactor structure and operating parameterson defluidization, and the scale-span correlation of "surface morphology - agglomeration structure - bed defluidization" will be elucidated. As a result, a mathematical model for defluidization will be established based on multi-scale analysis , which will provide theoretical foundation and technical surport for the solution to defluidization during ironmaking by fluidized-bed process.

流态化气基炼铁技术是解决我国低品位、复合共生铁矿资源利用的重要途径。本项目针对铁矿粉流态化气基还原过程的粘结失流问题，重点研究铁矿颗粒还原过程中微观结构变化，掌握表面铁微晶形态的控制条件，阐明颗粒表面微观性质与其粘结特性之间的构效关系，揭示流化床还原过程中颗粒间相互作用和聚团形成的介尺度机制；并通过还原动力学研究，建立不同形态与结构产物的动力学方程。在此基础上通过热态模拟，掌握流化床的流体流动、反应器结构、操作参数对粘结失流的影响规律，解析“表面形态—颗粒/聚团结构—粘结行为”过程的跨尺度关联，建立粘结失流的多尺度数学模型和调控方法，为解决流态化气体还原炼铁的粘结失流问题提供理论基础及技术支持。

发展流态化气基炼铁技术是解决我国低品位、复合共生铁矿资源利用问题的重要途径。本项目针对铁矿粉流态化气基还原过程的粘结失流问题，重点研究铁矿颗粒还原过程中微观结构变化，掌握表面铁微晶形态的控制条件，阐明颗粒表面微观性质与其粘结特性之间的构效关系，揭示流化床还原过程中颗粒间相互作用和聚团形成的介尺度机制；解析“表面形态—颗粒/聚团结构—粘结行为”过程的跨尺度关联，建立粘结失流的多尺度数学模型和调控方法，为解决流态化气体还原炼铁的粘结失流问题提供理论基础及技术支持。主要取得以下成果：. (1) 采用原位在线观察等方法探究铁矿粉在气基还原过程中颗粒形貌和结构演变规律及还原过程中金属铁析出聚集规律，并且通过不同矿种铁矿粉的还原水淬实验，得到矿石特性对铁矿粉在气基还原过程中颗粒形貌和结构演变及还原过程中金属铁析出聚集形式的影响规律。. （2）采用高温热台原位观察的方法，结合XRD、SEM、电子探针扫描等分析，观测到金属铁临界成核时Fe/FeO形核界面，并获得了Fe形核过饱和度、Fe/FeO浓度梯度的等临界成核参数，计算出FeO 还原过程表面化学反应速率与内扩散速率的比值(JR/JD)。通过计算不同的温度和CO 浓度条件下的JR/JD 值，即可确定该还原条件下析出金属铁的形态。从而得到了FeO 还原过程中反应条件与表面金属铁析出形貌之间的关联模型。. （3）通过金属铁的弹性模量和晶格常数计算了金属铁的固体表面能。结果表明金属铁的固体表面能随温度的升高而增大。基于热力学分析，提出了预测颗粒聚团自发性的数学模型，将颗粒的聚团趋势与其自身材料属性关联起来。在此基础上，提出了将颗粒固体表面粘度与粒度分布函数相关联的数学模型。通过该模型，对于某一给定粒度分布的颗粒群，其表现出的颗粒粘性的相对大小可以预测。