铁精矿直接还原影响因素研究论文.doc

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1、攀枝花铁精矿直接还原影响因素研究摘 要以攀枝花铁精矿为原料、煤粉作还原剂、D1和D2作联合催化剂，研究还原温度、还原时间、配碳量、催化剂以及各因素之间交互作用对冷固球团直接还原工艺的影响。采用五元二次回归正交设计试验，对试验结果回归出了金属化率、碳失重率及失氧率与各因素间关系，发现各单因素及因素之间交互作用对直接还原均有影响，尤其是两种催化剂的交互作用对金属化率的影响较大，经过优化试验得到温度在1280左右，时间在30min左右，配碳量在22.7%左右，催化剂D1加入量在2.5%左右，催化剂D2加入量在0.5%左右时，其金属化率可达到95.54%，试验过程中没有出现球团崩溃的现象。关键词 攀枝

2、花铁精矿,直接还原，回归正交设计，球团ABSTRACTThis paper studied the influence of factors about reducing temperature、reducing time、carbon quantity and catalyst as well as the interaction between the factors in which directing reduce iron concentrate of Pan zhihua with powdered coal as reducing agent and e D1 and the D

3、2 as union catalyst. Using the regression orthogonal design to arrange the experiments,and getting the relationship of the metallization rate,the carbon lost rate and the oxygen lost rate with the factors ,and concluding that the single factor and the interaction between the factors are all have imp

4、act to the direct reduction, especially the interaction between the two catalysts have an important impact to the metallization rate. After optimized experiments, when the reducing temperature is about 1280 ,the reducing time is about 30 minutes, the carbon quantity is about 22.7 percent ,the conten

5、t of the D1 is about 2.5 percent, and the content of D2 is about 0.5 percent, its metallization rate might achieve 95.54%,of course,there has not presented the phenomenon which the pellets are collapsed in the testing process.Key words Panzhihua Iron Concentrate,direct reduction, regression orthogon

6、al design, pellet目 录摘 要IABSTRACTII1 绪论11.1 课题研究背景11.2 主要直接还原方法11.2.1 气基直接还原11.2.2 煤基直接还原21.3 直接还原发展状况21.3.1 国内外发展概况21.3.2 直接还原优势31.3.3 存在问题31.4 课题研究意义41.5 课题研究目的42 基本原理62.1 还原剂的选择62.2 铁氧化物还原特点62.3 影响因素82.3.1 还原温度82.3.2 还原时间102.3.3 配碳量102.3.4 催化剂作用机理103 试验内容113.1 试验设备113.1.1 试验设备113.1.2 化验设备123.2 试验原

7、料123.3 工艺流程133.4 试验方案设计133.5 试验过程143.5.1 试验基本步骤143.5.2 球团的压制153.5.4 制样154 试验结果及数据分析164.1 试验结果164.2 数据处理164.2.1 方程回归164.2.2 数据分析184.3 验证试验184.3.1 验证试验方案184.3.2 验证试验结果194.4 讨论20结 论21参考文献22附录A：碳的气化反应和浮士体还原平衡常数计算23附录B：试验方案24附录C：回归方程计算过程26附录D：极值点的讨论32致 谢331 绪论1.1 课题研究背景攀枝花铁精矿大多为铁、钒、钛等多元素共生的复合矿，其主要成分包括钛磁铁

8、矿FeOFe2O3n(FeOTiO2)、钛铁矿(FeOTiO2)和钛铁晶石(2FeOTiO2)。攀枝花钒钛磁铁矿属于品质低的矿物（铁品位只有52左右），结构复杂，需要探索不同的方法加以处理，目前应用较为广泛的依然是比较传统且成熟的高炉炼铁。对于攀枝花钒钛磁铁矿而言，高炉炼铁工艺要求大量的富矿来支撑钢铁规模化，对焦煤需求旺盛，以全铁利用和部分回收钒钛为主要特征，资源利用率偏低，形成的二次资源性固体废弃物量大，而且用途不广，造成一定的环境社会问题1。但三十多年的攀钢实践证明，高炉流程具有技术经济可行性，铁钒钛产品满足国家相关技术质量标准，有强大的市场需求，但攀枝花焦煤供应不足和资源利用率偏低的状况

9、始终存在，得不到很好解决。因此，根据攀枝花经济社会发展实际，有必要多途径寻求攀枝花钒钛资源综合利用的方法，以实现铁钒钛全面有效利用的目标。20世纪7080年代，我国组织了钒钛磁铁矿钢铁冶炼新流程科技攻关，探索采用直接还原技术冶炼钒钛磁铁矿，进而实现铁、钒、钛资源综合利用的合理途径，先后进行了回转窑、竖炉、流化床等设备形式的试验研究，但是由于当时工艺、设备和市场条件的限制，没有实现工业化生产。直接还原炼铁技术自20世纪60年代出现工业化生产以来，经过40多年的发展，由于其在原料、工艺、设备和生产组织等方面的灵活性和环保优势，迄今已成为高炉炼铁技术的重要补充，在一些国家和地区获得了很大的发展。1.

10、2 主要直接还原方法随着世界经济的不断发展，直接还原冶炼工艺也在不断推陈出新。世界上已应用和正在试验研究的直接还原工艺有40多种，而应用于大规模生产的有20多种。直接还原工艺按其主体能源的不同，可分为气基直接还原、煤基直接还原和电热直接还原三大类。其中，电热直接还原因消耗大量电力而多已停产，另两类是直接还原铁生产的主要方法。1.2.1 气基直接还原气基直接还原是指以还原性气体(主要指天然气)做还原剂的直接还原工艺。由于此法具有能耗低、生产规模大、生产效率高、易操作等优点，故自问世以来就得到了钢铁企业的青睐，发展势头强劲，目前已成为海绵铁生产的最主要方法。其产量已占到世界DRI总产量的90%以上

11、。但该方法主要是以一次能源(天然气)为还原剂，受地理环境影响很大，其主要分布在中东、南美等天然气资源较丰富的地区。发展气基直接还原气基直接还原的代表工艺有HYL法、Midrex竖炉法、流态化法等2。1.2.2 煤基直接还原以固体(煤炭等)作还原剂生产直接还原铁的方法称为煤基直接还原法。煤基直接还原法主要用廉价的非焦煤为还原剂，可有效避免气基法的地域限制。但该方法有易结圈结瘤、生产规模小、生产效率低等弊端，目前主要分布在南非、印度、新西兰等一些天然气资源缺乏，但却拥有优质的铁矿和丰富煤炭资源的地区。我国天然气资源储量不足，发展气基还原工艺存在困难。但我国煤炭资源丰富，总储量达6400亿t，非焦煤

12、储量占45%左右，且分布很广，仅适合用于直接还原的褐煤就占14%；我国铁矿资源丰富，居世界第三，仅次于前苏联和巴西，但适于直接还原用的铁块矿很少，而可用于直接还原的高铁、低杂铁精矿资源丰富、分布较广。因此，根据我国资源条件，在今后相当长的时间内，应以发展煤基回转窑直接还原法为主，并以铁精矿球团矿为主要原料3。综合上述理由，应用煤基法来生产直接还原铁的工艺理应成为我国的首选工艺。目前，在国内实施的煤基法工艺主要有：隧道窑工艺、回转窑工艺和倒焰窑工艺等。其中机械化、自动化程度较高的Fastmet法和CODIR回转窑法等都是先进、经济、可靠且可借鉴的工艺4。1.3 直接还原发展状况1.3.1 国内外

13、发展概况20世纪70年代，直接还原技术在国外得到迅猛发展。美国、西德、日本等发达国家相继建立了百万吨的大型直接还原工厂。在快速发展的过程中，研究人员不断摸索并开发了数百种直接还原工艺。1968年Midrex直接还原法的投产成功，直接导致了直接还原铁生产的迅速发展，产量稳步上升。1970年世界海绵铁产量达79万t，2003年增长到4600万t。日本神户预测，到2010年将达10700万吨5。自上世纪50年代开始，国内对直接还原工艺技术进行了大量研究，但主要集中在回转窑煤基直接还原工艺上。中南工业大学80年代末研究开发出复合粘结剂冷固球团“一步法”煤基直接还原工艺6。1991年6月至1993年2月

14、间，中南工业大学、长沙冶金设计研究院、辽宁喀左县三方合作，在攀钢410厂3.430链篦机回转窑上进行900预热球团直接入窑的“一步法”煤基直接还原工业试验，并于1994年11月在喀左建成投产一座年产能力为2.5万t、采用一步法链篦机回转窑的直接还原铁厂，产品TFe90 ，金属化率94，S0.03。我国先后开发了多种DRI生产工艺，但目前已实施或实施过工业化生产的方法有：倒焰窑罐式法、隧道窑罐式法、冷固结球团回转窑法、回转窑一步法(链篦机回转窑法)、斜坡炉法(XSHA法)，以及使用块矿的回转窑法等。此外，还有许多工艺正在建厂或开发研究5。如：自固结球团回转窑法(CRIMM法)，回转窑两步法，转底

15、炉法，改进转底炉法，连续炉法，自热式煤矿球团法，煤基流化床法，煤制气竖炉法，水煤浆制气竖炉法，含碳球团(压块)法等6。1.3.2 直接还原优势 世界多数国家严重缺乏焦煤，但其中不少国家拥有优质丰富的铁矿以及天然气和非焦煤资源，可以因地制宜地发展直接还原来解决生铁资源问题。委内瑞拉、墨西哥、伊朗等国具有丰富的天然气及优质铁矿，主要发展竖炉气基直接还原工艺，而南非、印度、新西兰等国家具有丰富的烟煤及优质铁矿，则主要发展回转窑煤基直接还原工艺。随着电炉短流程生产线的兴起，对废钢的需求日益增长，而发展中国家由于废钢量不足，客观需要发展直接还原铁来补充。与使用废钢相比，电炉使用直接还原铁的好处有7，8：

16、 还原铁有害元素(Cu、Ni、Cr、Mo、Sn、As、Pb、Bi)含量很低，能够稀释、降低钢中的有害元素； 使用直接还原铁可实现连续装料、成渣迅速、连续融化及熔池沸腾，促进脱气，降低钢中N含量，利于快速形成泡沫渣，从而减少钢中夹杂物； 缩短电炉精炼周期，提高Ni、Mo等有价元素收得率。直接还原低碳海绵铁还可用于直接生产电工纯铁、铁氧体及工业铁料，有利于电炉钢厂发展精品、提高产品附加值。由于直接还原电炉连铸轧制的短流程生产规模小、建设周期短、投资省、生产灵活，便于按市场调整产品种类和数量。因此，可为资金和技术缺乏的发展中国家提供可以代替传统资金和技术密集型的高炉转炉长流程，因地制宜地发展本国的钢

17、铁工业，不仅对发展中国家有极大的吸引力，而且对为解决地区性钢材需求和品种调剂的发达国家也有吸引力。1.3.3 存在问题虽然国内外有关直接还原方面的研究已经很多,而且相当成熟了,但也还存在地域、资源、经济等因素的制约，存在很多需要进一步解决的问题： 还原温度太高。已有的生产实践证明，在没有使用催化剂的情况下，单纯以提高温度、延长时间或改变配碳量的方法来提高金属化率是可行的，但这些因素提高到一定程度后对金属化率的影响并不明显，并且不论哪种因素的提高都将大大增加生产成本，尤其是还原温度的升高对成本的需求就更大，不利于生产实践。 工艺落后。我国多数直接还原生产厂采用隧道窑反应罐法，生产工艺落后，能耗高

18、，对环境的污染严重，产品质量稳定性差7。已完成的研究工作表明：经过强化和改造后，隧道窑反应罐法的能耗有望大幅度降低，产品质量的稳定性得到提高，环境问题得到一定程度的改善。但这些改造工程投资不菲，并不能解决根本问题。 还原球团易崩溃。前人研究证明，在直接还原过程中，加入D2作催化剂可明显降低还原温度，但是极易引起球团的灾难性崩溃，难以在生产实践中应用9。 分选困难。直接还原工艺流程较其它方法短，且适合用于还原攀枝花钒钛磁铁矿。但前人经实践证明，在没有催化剂的存在下，钒钛铁精矿的还原过程虽然可以进行，但还原产物中的金属铁晶粒细小，不能有效分离出磁性物及非磁性物10。而且由于攀枝花钒铁精矿铁品位只有

19、52左右，含铁相晶粒小，呈弥散分布，难以分选。1.4 课题研究意义纵观目前世界上所有的直接还原工艺技术，由于生产效率高、能耗低、操作容易、产品洁净、单机产能大等原因，竖炉气基直接还原工艺Midrex和HYL-成为绝对主流工艺，其各项技术经济指标亦趋稳定，生产工艺成熟可靠。但从长远来看，世界矿物能源总贮藏量中煤是天然气的7080倍，另外，天然气是重要的化工原料，在石化工业的利用率可达95，自20世纪70年代以来，天然气产量和价格大幅波动，已严重影响和制约了气基直接还原工艺的发展。煤基直接还原却能用廉价的非焦煤为还原剂，可有效避免气基法的地域限制。攀枝花是一座矿藏资源宝库，已探明的钒钛磁铁矿储量达

20、一百亿吨，是全国四大铁矿之一。然而，天然气和焦煤资源匮乏，同时缺乏高品位块矿，绝大部分贫铁矿需经细磨深选后才能得到高品位的铁精矿，但是，非焦煤资源比较丰富，因此，采用非焦煤粉和铁矿粉(铁精矿)的直接还原技术比较适合本地资源特点。1.5 课题研究目的前人在直接还原方面的研究已经比较成熟了，已经有相关研究证实，在一定程度上提高还原温度可以提升金属化率，延长还原时间、改变配碳量也可以达到类似效果。攀枝花学院和龙蟒集团就已经采用转底炉代替隧道窑直接还原铁精矿球团取得了成功，从而克服了隧道窑还原带来的弊端，但还原温度高达1400，不但对生产设备的要求很高，而且总的生产成本也难以降低。曾有相关报导称加入1

21、5%的D2作催化剂可以降低还原温度并提高金属化率，从而降低生产成本。大量的生产实践证明加入D2可以降低还原温度，但是加入D2又带来球团崩溃的问题，使得生产难以进行。本次试验在使用D2作催化剂的同时还引入D1作催化剂，考察两者之间是否存在联合催化作用，同时不能引起球团崩溃。本课题就是在前人研究的基础之上，进一步讨论直接还原过程中各因素联合作用对还原过程的影响，重点探索催化剂在还原过程中的作用。试验因素包括还原温度、还原时间、配碳量、催化剂（D1、D2），除了要考虑各因素的单独影响，还要探索是否存在因素之间的联合作用，以及它们对金属化率的贡献大小。2 基本原理2.1 还原剂的选择金属氧化物还原反应

22、可用通式表示；MeO+R=Me+RO。即用还原剂R去夺取金属氧化物MeO中的氧，还原出金属Me。还原反应对金属氧化物而言是Me+2e=Me0，即获得电子的过程，金属价数变低；而对还原剂是失去电子，价数变高，即R0-2e=R+。由通式可知，还原剂R对氧的亲和力大于Me与O2的亲和力，R能把Me从MeO中还原出来，所以还原反应的条件是(PO2)Ro(PO2)MeO，凡是对氧亲和力大于金属与氧亲和力的物质，均可作还原剂11。但综合考虑还原成本及还原方法，本试验以碳作还原剂。还原产物层可以是疏松的，也可以是致密的。如果是疏松的，则反应剂进入反应界面不受阻碍或阻碍很小，反应产物层不影响反应速度。本试验中

23、，碳除了做还原剂外，还起到疏松剂的作用，使得反应在后期也得以进行，而且还能降低能耗。2.2 铁氧化物还原特点铁氧化物无论用何种还原剂还原，都是从高级到低级逐级还原的。图2.1表示铁的各级氧化物形成和分解的规律。由图2.1可见，Fe2O3曲线位置最高，即Fe2O3最不稳定；Fe3O4次之，FeO稳定性最强。但在570以下时，FeO也是不稳定的，会分解成Fe3O4和Fe。这是由于FeO是一种缺位固溶体，以浮士体（FexO）形式存在，其含氧量是变化的。lgPO2图2.1 铁氧化物分解压与温度的关系铁氧化物的还原顺序为： 570 Fe2O3Fe3O4FeOFe570 Fe2O3Fe3O4Fe当体系中有

24、固体碳存在时，还原过程中将存在下列各反应的平衡：CO2+C=2CO 式（2.1）MeO+CO=Me+CO2 式（2.2）MeO+C=Me+CO 式（2.3）MeO+C=2Me+CO2 式（2.4）如果反应在9501000以上的高温范围内进行，则式（2.4）没有实际意义，因为CO2在此高温下会与固体碳作用而全部变成CO12。当温度高于570时，直接还原反应如下：3Fe2O3+ C =2Fe3O4+CO 式（2.5）Fe3O4+C= 3FeO+CO 式（2.6）FeO+C= Fe+CO 式（2.7）当温度高于570时，间接还原反应如下：3Fe2O3+ CO =2Fe3O4+CO2 式（2.8）Fe

25、3O4+CO= 3FeO+CO2 式（2.9）FeO+CO= Fe+CO2 式（2.10）当温度低于570时，由于氧化亚铁（FeO）不能稳定存在，因此，Fe3O4直接还原成金属铁 Fe3O4+4CO= 3Fe+4CO2 式（2.11）还原全过程基本由两阶段组成，第一阶段发生如式（2.5）、（2.6）、（2.7）的直接还原，即固-固还原，第二阶段主要发生如式（2.8）、（2.9）、（2.10）的间接还原，即气-固还原13，这一阶段又分两部分，开始时随温度升高，CO含量升高，反应速度加快，但随温度继续升高，生成物增加，热传导速度变慢，且CO与FeO接触受阻，反应速度减缓14。有相关研究认为，第二阶

26、段后期还原反应速率主要由反应（2.10）决定15。目前认为，还原过程大部分是在1000左右甚至更高温度下进行，随着反应进行，固-固（还原剂-铁氧化物）的接触面积变小，原子之间距离变长，原子长距离扩散时间长，固-固还原变得困难，同时CO2不断发生反应（2.1）生成CO，促进间接还原反应进行，因此还原过程大多为间接还原反应。 2.3 影响因素2.3.1 还原温度根据上节反应式（2.1）的平衡气相组成（以CO%表示）对温度作图，可得图2.2；根据式（2.8）、（2.9）、（2.10）和（2.11）的平衡常数及平衡气相组成（以CO%表示）的分析结果，将其平衡气相组（以CO%表示）成对温度作图，便得到图

27、2.3中的四条曲线a（未画出）、b、c和d 12 ，四条曲线将CO%-T平面分成四区，当实际气相相当于图中B区内任一点时，所有铁的氧化物和全部金属铁都会转变成Fe3O4，即在B区内只有Fe3O4能稳定存在，同样，C区内只有FeO能稳定存在，D区内则只有金属铁能稳定存在。温度，K温度，图2.3 Fe-O-C系平衡气相组成与温度关系图2.2 碳气化反应平衡气相组成与温度关系Tl T1 T2 Th温度，温度，图2.4 有固定碳存在时铁氧化物的还原图2.5 固定碳还原铁氧化物的等压线综合图2.2和图2.3中曲线可以得到图2.4，从图2.4可以看出：曲线c与碳的气化反应曲线相交于2点（685），说明该点

28、两反应（2.10和2.1）同时参与平衡，它们的总反应即反应（2.7），所以685也就是固体碳直接还原FeO的开始还原温度。同样，曲线b与碳的气化反应曲线相交于1点（650），也就是固体碳直接还原Fe3O4成FeO的开始还原温度。 从图2.4还可以看出：当温度高于交点T2时，由于碳的气化反应的平衡气相组成中CO%总是高于FeO还原反应平衡气相中的CO%，因此，反应（2.10）一直进行到底。或者说温度高于T2时，金属铁能稳定存在，而Fe3O4、FeO都不稳定存在。碳的气化反应平衡气相组成中的CO%比FeO还原所的CO%高，该两反应无法同时达到平衡。例如，体系处于图2.5所示的4点条件下，对曲线c来

29、说是处于平衡状态，但对碳的气化反应线来说，则有CO2过剩，碳的气化反应的平衡被破坏；这样，碳的气化反应平衡向CO的方向进行，从而使体系中CO%增加。这又破坏了间接反应c曲线的平衡，MeO+COMe+CO2和碳的气化反应同时进行，只要气相组成中CO%高于图2.5中4点所示的组成时，总的结果是MeO+CMe+CO。这个过程一直进行到MeO全部被还原为止。当MeO消失时，碳的气化反应将使气相组成向3点的方向变化，最后在3点达到平衡。当温度低于交点温度T1时，由于碳的气化反应的平衡气相组成的CO%总是低于曲线b和曲线c平衡气相组成中的CO%，因此，FeO和Fe都将被氧化。也就是说，当温度低于T1时，只

30、有Fe3O4能稳定存在。因为温度低于T1时，曲线b和曲线c的平衡气相组成中的CO%比碳的气化反应的平衡组成中的CO%高，碳实际上无法使Fe3O4、FeO还原。同样，当体系温度介于T1和T2之间时，在这个区域内只有FeO能稳定存在，因为在这范围内，碳的气化反应平衡曲线在曲线b之上，曲线c之下，CO%比曲线b的大，比曲线c的小。所以Fe3O4按曲线b还原成FeO，而Fe按曲线c被CO2氧化成FeO12。根据以上分析，在有固体碳存在时，只有当体系的实际温度高于T2时，CO才能还原铁氧化物。另外，通过对平衡常数的分析，也可得到反应（2.10）和（2.1）的平衡常数表达式如下： 式（2.12） 式（2.

31、13）其推导过程见附录A。由上式（2.12）和(2.13)可知当反应（2.10）和（2.1）在同一温度下，其平衡常数是不同的，也就说明反应（2.10）和（2.1）不可能同时达到平衡。所以，反应（2.1）生成CO促进反应（2.10）不断向右边进行，同时反应（2.10）消耗CO使得反应（2.1）不断向生成CO的方向进行，使反应可以持续进行。2.3.2 还原时间前人已有研究证明，提高还原温度可以减少还原时间，但是在实际生产过程中高温是不易达到的，对设备及成本的要求都很高16。同样，时间过长也可能会引起成本提高及产物质量变化。2.3.3 配碳量试验所用铁精矿中的铁氧化物主要是FeO和Fe2O3，其配碳

32、量依据以下反应式计算：Fe2O3+3C=2Fe+3CO 式（2.14）FeO+C=Fe+CO 式（2.15）粗略计算得到反应中铁精矿与所需碳的质量比约为m铁精矿：m碳=6：1。由于反应过程中碳除了与FeO和Fe2O3发生反应外，在高温下还可能与TiO2等氧化物发生反应，并且以上两式还不能代表还原过程中所发生的其它还原反应。因此最小配碳量必须高于这一理论值，即配碳量（含碳量与铁精矿和含碳量总和的百分比）必须大于14.3%，试验方案中所确定最小理论值为15.9%。但配碳量也不是越大越好，加入的碳太多，使还原后球团中含碳量过高，且可能使还原铁中严重渗碳，既增加了成本又不利于还原球团的后续处理。2.3

33、.4 催化剂作用机理催化剂在还原过程中起重要作用，可以降低活化能，加速反应的进行，缩短反应时间，还有可能降低还原温度，从而降低还原成本。本试验在前人研究了单独以D2或D1为催化剂的基础上，进一步研究D1和D2的联合催化作用。D1的加入主要可以为还原出来的铁提供非均匀形核的场所，促进非均匀形核的进行，加速反应向生成金属铁的方向进行。前苏联研究者在500用CO还原纯Fe2O3时添加了3%的碱金属化合物，明显提高了Fe2O3的还原百分率。碱金属盐强化还原过程的原因是当铁氧化物与碱金属盐相互作用后，铁氧化物内部结构起了变化，当铁阳离子（Fe2+）被碱金属阳离子(Me+)取代时，或者在铁的结晶点阵的结点

34、上形成空位时，铁氧化物点阵中的空穴浓度增加，有利于CO的吸附，从而加速了反应的进行12。3 试验内容3.1 试验设备3.1.1 试验设备设备：SX3-10-14型快速升温电阻炉（图3.1）、SiC坩埚（图3.2）、769YP-15A粉末液压成形机（图3.3）、烧杯、玻璃棒、电子天平、不锈钢盆等。图3.1 SX3-10-14型快速升温电阻炉图3.2 SiC坩埚炉图3.3 769YP-15A粉末液压成形机炉 3.1.2 化验设备FM-1型制样粉碎机，箱式电阻炉（北京市永光明医疗仪器厂），KSW电炉温度控制器（北京市永光明医疗仪器厂），电热板，电子天平，电炉，烧杯、锥形瓶、各种量程量筒、玻璃棒若干；

35、电热板，电子天平，电炉，锥形瓶、各种量程量筒、漏斗、玻璃棒及滤纸若干；高温定碳炉（上海跃进医疗器械厂），HXE-80型碳、硫联测分析仪（华欣分析仪器制造有限公司），可控硅温度控制器（江阴市远东数字仪器厂），电子天平，瓷舟若干。3.2 试验原料原料：攀枝花铁精矿（各成分含量如3.1表所示）、煤粉（成分如表3.2所示）、纯D1、D2、PVA（聚乙烯醇）、碳化硅粉末等。表3.1 攀枝花铁精矿各成分含量/%成分Fe2O3FeOTFeTiO2Al2O3SiO2CaOCr2O3V2O5含量54.39023.45056.50012.5302.4102.3601.2500.0950.400表3.2 试验中所用

36、煤分成分含量/%成分固定碳灰分挥发物含量79.26011.7609.9803.3 工艺流程试验工艺流程如图3.1图3.1 工艺流程图铁精矿+粘结剂+催化剂原料混合压球干燥还原还原球团3.4 试验方案设计由于试验过程涉及因素较多，要通过试验找到各因素单独作用以及各因素之间的相互作用，不宜采用单因素试验，否则会导致试验次数繁多而且不容易达到预期目的。而回归正交设计可以利用较少的试验次数获得较好的试验结果17，并且还能够拟定回归方程，不仅可以得到优化试验结果，而且还可以通过回归方程对试验结果进行外延，预测因素范围之外的可能性。因此，本课题采用回归正交设计安排试验，确定因素五个，预期回归出包括金属化率

37、、碳失重率和还原率在内的各目标函数与各因素间关系的五元二次方程，再通过方程找出相对优化的试验方案。根据前人的研究结果确定的各因素范围为：还原温度x1（10001280）、还原时间x2（30 min120min）、配碳量x3（15.9%22.7%）、D1加入量x4（1%4%）、D2加入量x5（0%1.5%），其中x3=；x4=；x5=（煤中C含量为79.26%，实际上煤粉加入量为：w=)。可得各因素水平如表3.3所示：表3.3 因素水平编码表规范变量自然变量(x1)温度/(x2)时间/min(x3)配碳/%(x4)D1/%（x5)D2/%上星号臂长1280.0120.022.74.01.5上水平

38、 11224.2102.021.33.41.2零水平 01140.075.019.32.50.75下水平 -11055.848.017.31.60.3下星号臂长-1000.030.015.91.00.0变量间距j84.227.02.00.90.45注：查表知=1.66217变量间距： 零水平：以x1为例的具体计算如下： ； ；同理计算可得表3.3中其余各数据，再根据五因素(m=5)选用正交表L32(231)（附录B.1），表头设计为1,2,4,8,16列，其中两水平试验mc=25=32次，星号试验次数mr=2m=10次，零水平试验m0=2次。由此可得到试验方案(附录B.2)。3.5 试验过程3

39、.5.1 试验基本步骤 试验准备。所需原料及设备准备； 球团压制。按附录B.2中方案配料，并分批在769YP-15A粉末液压成形机上压球； 球团干燥。将球团用烘箱烘干，或者自然风干，后者所用时间要长些； 球团还原。对达到入炉要求的球团在入炉前称重，再按试验号分组装入坩埚并密封，将坩埚编号入SX3-10-14型快速升温电阻炉内还原； 球团冷却。将出炉后的坩埚立刻埋于煤粉底下进行冷却； 制样。将球团从坩埚中取出并再次称重，再将还原后的球团捣碎，用制样机制样，以待化学分析； 化学分析。所分析成分包括全铁（TFe）、金属铁(MFe)和碳（C）。3.5.2 球团的压制球团在整个还原过程中非常重要，这就要

40、求压制球团时达到一定的强度。球团配料严格按照试验方案进行。其具体操作如下： 配料。将原料按试验方案中的比例配好，用电子秤精确称量各组分重量； 混合。将称量好的原料混合均匀，并按比例配以粘结剂，搅拌均匀； 压球。将原料分次在液压成形机上压球，保证每次压球质量相同，力度相同； 干燥。自然风干。3.5.3 球团的还原这是本试验的中心环节，每一步的操作都关系到试验成功与否，还原过程如下： 装炉。将已经干燥并且称量的球团装入坩埚并标号，再按照温度和时间不同分组入炉； 炉子调节。每次试验都需要调节炉子参数，尤其是还原温度和保温时间各不相同； 出炉。待保温时间到达后，从马弗炉取出坩埚； 煤冷。将坩埚埋入煤粉

41、中冷却。3.5.4 制样将冷却后的球团从坩埚中取出，称量，再将还原球团捣碎，用制样机制样。制样时要调整参数，以保证每次制样粒度一致，每个样品制样时间保证在三分钟以上。每次制样之前要用样品清洗制样机，每个样制完后要清理制样机，不能将样品污染，影响化验结果。制样完成后，将样品编号并送化验室化验。4 试验结果及数据分析4.1 试验结果本试验最关心的试验结果为金属化率（y3），同时总失重率（y1）、碳失重率（y2）、失氧率（y4）等对于找出各影响因素与还原过程间关系有不可替代的作用。理论上，金属化率、总失重率、还原率、失碳率的变化趋势应该一致，但还原过程中还有TiO2还原的影响，使得变化趋势不完全一致

42、。试验结果如表4.1所示（其中x1为加热温度；x2为加热时间；x3为配碳量；x4D1加入量；x5为D2加入量；令：M1-入炉前重/g，M2-还原球团重/g，w-配煤量/%，wc1-配碳量/%，wc2-还原球团含碳量/%，w0-铁精矿加入量/g ,MFe-还原球团中金属铁含量/%，TFe-全铁含量/%。）。 表4.1中相关计算：y1=（M1-M2）M1100%；y2=（M1wc1-M2wc2）（M1wc1）100%；y3=（MFeTFe）100%；y4=（M1-M2-11.76%wM1-wc1M1+wc2M2）（21.5%w0M1）100%（其中MFe和TFe的含量为化验分析所得数据，21.5%

43、为计算所得铁精矿中含氧量，11.76%为煤粉中挥发物含量）。4.2 数据处理4.2.1 方程回归 按照五元二次回归正交设计，所设定的数学模型为：其中， 都是待定系数, i=2,3,4。按照文献17中方法确定出待定系数（附录C），便可以得到如下回归方程：由于本试验主要关心金属化率、碳失重率及失氧率，总的失重率只作为参考，可以由碳失重率及失氧率所体现，故没有将其回归。表4.1 试验结果序号x1/x2/minx3/%x4/%x5/%y1/%y2/% y3/%y4/%11224.210221.33.41.232.968.1796.4587.0221224.210221.33.40.332.970.84

44、92.4384.1031224.210221.31.61.232.863.4386.3892.3041224.210221.31.60.332.268.5895.5182.5651224.210217.33.41.232.478.4894.6188.961224.210217.33.40.331.074.4294.7784.7071224.210217.31.61.232.475.592.7391.5481224.210217.31.60.329.277.3294.8272.3291224.24821.33.41.232.166.1995.7084.80101224.24821.33.40.331.752.2480