随着高炉炼铁的迅猛发展,其面临的问题也日趋严峻。因此,为了实现可持续发展,开发不依赖于焦炭的非高炉炼铁工艺非常必要。世界范围内的直接还原工艺发展过程中,国内外的冶金工作者进行了大量新工艺的研究与开发工作,本文针对新开发的以含碳球团为原料的高温高料层直接还原工艺进行了试验研究及理论分析。本研究主要采用高温高料层工艺处理铁精矿并与单料层工艺在金属化率、生产率等生产指标上进行比较。同时尝试使用该工艺处理特殊矿石如红土镍矿,在还原热力学及动力学机理分析的基础上,通过考察还原后金属颗粒尺寸来确定最佳的工艺参数,如温度、时间、熔剂添加量等。同时采用XRD、SEM、EDS等分析手段对直接还原后物料的矿物组成、微观形貌等工艺矿物学特性进行了研究。总结以上研究内容,本文主要得到如下结论:(1)本试验条件下,铁精矿高温高料层含碳球团直接还原的最佳操作参数为:C/O=0.8,炉内还原时间50min,炉外保留耐火材料。该条件下前4层球团的金属化率可达90%以上,第5层球团金属化率也可达77%,整个料层的平均金属化率为87.6%。通过显微照片分析,还原后铁颗粒比较致密。(2)通过比较单料层与多料层两种直接还原工艺的生产指标可知,高温高料层直接还原工艺的平均金属化率高,为87.6%;生产效率高,为56.83kg/h.m2,都明显高于单料层操作。而且,吨铁碳耗低,约266.81kg/tHM,有利于实现节能减排,减少CO2排放量。(3)将高温高料层直接还原工艺应用于处理红土镍矿,重点考察了温度、时间及熔剂(CaO)添加量对还原后球团中金属颗粒尺寸的影响。并通过图像处理软件IPP6.0分析了镍铁颗粒的粒度分布,及其对磁选试验结果的影响。(4)本试验条件下,最有利于镍铁颗粒聚集长大的操作参数为0%CaO,45min,1400℃,该条件下金属相中镍品位为3.77%,铁、镍回收率约70%,该指标可以通过改善磁选条件进一步得到提高。通过XRD及EDS分析结果可知:镍铁金属相主要由金属铁、镍铁合金以及少量的辉石等组成;而渣相主要由辉石、石英等组成。本课题的顺利实施得到了国家自然科学基金项目51074040和基本科研业务费培育种子基金项目N120402007的经费支持。研究成果为高温高料层直接还原工艺的实施提供科学的理论支撑,为选择适宜的操作参数提供依据,对发展我国非高炉炼铁工艺提供了一种新的选择。