随着我国冶金资源结构的变化和人们环保意识的提高,直接利用粉矿炼铁工艺越来越受到人们的关注。但对粉矿在高温下的还原行为研究较少,仍需进行大量的理论分析和实验研究。本文针对几种比较成熟和有发展潜力的粉矿直接炼铁工艺,利用改进的高温管式滴落炉,对粒度范围在75-90 μm之间的赤铁矿粉颗粒在飞行过程中的气-固还原行为和动力学机理进行研究。还原剂选择为CO和H₂,当CO为还原剂时,反应温度为1450-1600K,气体组成为40%CO+60%CO₂、80%CO+20%CO₂、100%CO以及80%CO+20%N₂;当H₂为还原剂时,反应温度为1450-1550K,气体组成为40%H₂+60%N₂、80%H₂+20%N₂和100%H₂。 研究中采用化学滴定法和XRD分析得到了样品的还原度和含铁相的组成及变化规律,并通过金相显微镜和SEM观察颗粒微观形貌及其变化规律。进一步基于当前的实验条件和实验结果,建立了粉矿在高温下发生气-固还原的动力学模型并计算了各反应条件下动力学参数。 研究得到粉矿颗粒的还原度和反应速率都随着还原温度和还原气体分压的增大而逐渐增大。当还原度在11.1%以下粉矿中含铁物相主要为Fe₂O₃和Fe₃O₄;还原度升高至11.1%-33.3%之间,粉矿中含铁物相主要为Fe₃O₄和FeO并出现少量金属铁;还原度大于33.3%时,粉矿中含铁物相主要是FeO和金属铁。针对单个颗粒进行观察发现,粉矿颗粒剖面中Fe₂O₃相和Fe₃O₄相、FeO相和金属Fe相可通过颜色进行辨别,而Fe₃O₄相和FeO相不容易区分。未发现在同一个颗粒中同时存在两种以上含铁物相,并且还原反应发生在逐渐向中心推进的反应界面上,确定了单界面未反应核模型适用于该实验条件下粉矿颗粒与CO或H₂发生的气-固还原反应。 本文实验条件下,当还原气体为CO时,粉矿发生气-固还原反应的活化能为112.78 kJ˙mol^-1,指前因子为113.10。当还原气体为H₂时,粉矿发生气-固还原反应的活化能为111.68 kJ˙mol^-1,指前因子为1021.52;宏观上,当前实验条件下粉矿气-固还原过程的限制环节是界面化学反应。对界面化学反应的微观机理进一步分析表明,化学反应的限制性环节有可能是在反应界面上的铁离子的固相扩散或在反应界面上包含铁离子固相扩散环节的一种混合控制。