氧化物添加剂对两步法制备碳化铁的影响

论文摘要

由于炼钢短流程工艺的迅速兴起,优质废钢短缺,碳化铁可作为优质的废钢代用品,以其特有的物理性质、化学性质以及生产条件而受到广泛的关注。本文对制备碳化铁的研究现状,以及反应温度、还原气氛、原料微观结构、原料脉石成分、碳沉积、含硫气体等因素对碳化铁生成反应的影响进行了详尽的文献综述。针对目前碳化铁制备过程中碳化铁生成速度慢、生产效率低,以及反应后期形成大量游离碳对碳化铁的生成和稳定性造成不利影响的问题,研究了两步法下氧化物添加剂、反应温度、碳化气氛对碳化铁生成速度的影响。主要结论如下:1. 1%氧化物添加剂对碳化铁生成的影响固定氧化物添加量为1%,完成873 K～1073 K温度范围内添加不同氧化物（V2O3、Al2O3、TiO2、Cr2O3、MnO、SiO2）铁精矿球团在H2-CH4、H2-（CH4,N2）气氛中的还原碳化实验,对各试样进行TG分析后得到如下结论:（1） V2O3对铁矿石还原和还原铁的碳化有良好的促进作用,TiO2则对两阶段反应均有一定的抑制作用,SiO2、Cr2O3及MnO对还原和碳化反应的影响作用不大,Al2O3对矿石还原和碳化铁生成有一定的促进作用,但不及V2O3明显。（2）在923 K至1023 K温度范围内,随着温度的升高,澳矿还原速度明显加快;而进一步升温至1073 K,还原速度增大幅度不多。（3）升高温度不利于碳化反应的进行,但同时,发生碳化反应有最低温度要求,低于873 K将不能发生碳化。综合考虑,923 K为最佳碳化反应温度条件。（4）各添加剂下碳化阶段N2的较为合适的含量:对于纯澳矿试样和添加1% Cr2O3的试样,碳化气中不适宜添加N2或N2添加量应小于20%;对于添加1% TiO2、SiO2、MnO、Al2O3的试样,N2的适宜添加量为40%;对于添加1% V2O3的试样,N2的适宜添加量为60%。2.不同含量V2O3、Al2O3添加剂对碳化铁生成的影响以巴西铁矿石为原料,分别加入质量百分比（%）0.25、0.5、0.75、1、2、3的V2O3和Al2O3后进行还原碳化实验,对试样进行TG及XRD分析后得到如下结论:（1）当V2O3含量在1%以内时,还原速率及碳化速率均随着V2O3含量的增加而增大;当V2O3含量为2%和3%时,试样还原速率比1%的略小,碳化速率的增长趋势也比1%以内不同含量的增长趋势小。（2） Al2O3含量在0.5%～3%范围内变化时,对氧化铁还原和金属铁碳化均有促进作用。相比之下,添加1%以上的Al2O3催化效果明显,与添加V2O3相比,添加Al2O3 3%没有发生明显的积C。（3） XRD分析表明:添加0.5% V2O3的试样没有发现由Fe3C分解产生的金属铁;而添加0.5%和3% Al2O3的试样则有金属铁存在。3.添加V2O3催化制备碳化铁的动力学以澳大利亚铁矿石为原料,添加质量百分比为1%的V2O3后完成873 K1073 K温度范围内的还原动力学及碳化动力学实验。按未反应核模型来建立动力学方程,反应进度与时间的关系为: 1 - （1 - x ）1/3= Kt。从实验计算所得的反应活化能可知,V2O3对铁矿石还原反应有一定促进作用,但影响较弱,但对铁碳化反应有较强的促进作用。跟没有添加V2O3的试样相比,添加1% V2O3的试样碳化反应活化能由38.9 kJ/mol降低到26.9 kJ/mol,减少幅度达到了31%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 文献综述
• 1.1 短流程炼钢的兴起及面临的问题
• 1.2 新型炼钢原料——碳化铁
• 1.3 碳化铁的性质和用途
• 1.3.1 碳化铁的性质
• 1.3.2 碳化铁的用途
• 1.4 碳化铁制备工艺的研究现状
• 4-H₂ 制备碳化铁'>1.4.1 利用CH₄-H₂制备碳化铁
• 2 制备碳化铁的研究'>1.4.2 利用CO-H₂制备碳化铁的研究
• 2-H₂ 气体制备碳化铁'>1.4.3 利用CO-CO₂-H₂气体制备碳化铁
• 1.5 本课题的提出
• 第二章 热力学计算及实验条件分析
• 2-CH₄ 与铁矿石反应相平衡的计算'>2.1 H₂-CH₄与铁矿石反应相平衡的计算
• 2.2 实验条件分析
• 2.2.1 反应温度的选择
• 2.2.2 反应压力的选择
• 2.2.3 碳化气氛的选择
• 第三章 1%氧化物添加剂对碳化铁生成的影响
• 3.1 实验
• 3.1.1 实验原料
• 3.1.2 实验装置
• 3.1.3 实验方法
• 3.2 实验结果与分析
• 3.2.1 失重率的定义
• 3.2.2 1%氧化物添加剂对碳化铁生成速度的影响
• 3.2.3 温度对碳化铁生成速度的影响
• 3.2.4 气体成分对碳化铁生成速度的影响
• 3.3 小结
• 2O₃、AL₂O₃添加剂对碳化铁生成的影响'>第四章 不同含量V₂O₃、AL₂O₃添加剂对碳化铁生成的影响
• 4.1 实验
• 4.2 实验结果和分析
• 4.2.1 添加剂对试样失重的影响
• 4.2.2 XRD 分析
• 4.3 小结
• 2O₃催化制备碳化铁的动力学'>第五章 添加V₂O₃催化制备碳化铁的动力学
• 5.1 实验
• 5.1.1 实验原料
• 5.1.2 实验装置和步骤
• 5.2 结果与讨论
• 5.2.1 实验结果
• 5.2.2 反应进度x 的定义
• 5.2.3 反应动力学模型
• 5.2.4 反应速率常数k 的计算
• 5.2.5 反应活化能E 的计算
• 5.3 结论
• 第六章 结论
• 参考文献
• 附录读研期间参加学术活动及发表论文情况
• 致谢