【摘 要】
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高炉炼铁消耗大量煤基化石能源,是钢铁生产最大的碳排放源,绿色发展水平与生态环境需求不匹配已成为钢铁工业面临的主要矛盾,氢能应用于冶金是实现冶金绿色转型的有效途径之一,是达到“碳中和”这一使命的重要手段。烧结矿是高炉炼铁的重要原料,铁酸钙是烧结矿重要粘结相成分之一,其结晶过程和还原过程是对应烧结矿液相结晶和炉内还原过程,SiO2和Al2O3等脉石成分的加入更是影响着烧结矿的质量和冶金性能。先前研究较
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高炉炼铁消耗大量煤基化石能源,是钢铁生产最大的碳排放源,绿色发展水平与生态环境需求不匹配已成为钢铁工业面临的主要矛盾,氢能应用于冶金是实现冶金绿色转型的有效途径之一,是达到“碳中和”这一使命的重要手段。烧结矿是高炉炼铁的重要原料,铁酸钙是烧结矿重要粘结相成分之一,其结晶过程和还原过程是对应烧结矿液相结晶和炉内还原过程,SiO2和Al2O3等脉石成分的加入更是影响着烧结矿的质量和冶金性能。先前研究较多关注了氢气对烧结矿在高炉中低温区域的还原变化,且主要从宏观角度解析烧结矿的还原行为及变化过程,而对于微观角度烧结矿内含铁矿物演变及内在反应机理的研究仍相对匮乏。二元体系至多元体系铁酸钙的研究是开展烧结矿研究的必经之路,研究铁酸钙结晶和氢还原过程,对于深入了解烧结矿形成机制、矿相转变、还原特性等具有重要意义。本文通过固相制备法和热分析实验等手段,以烧结矿中单元、双元以及多元含铁矿物组成的种类、数量等为基础,解析铁酸钙结晶过程中矿相演变规律,阐明富氢下含铁矿物还原过程反应机理。（1）CaO-Fe2O3体系铁酸钙中,适宜的焙烧温度和较长的焙烧时间可促进CaFe5O7、CaFe3O5和CaFe4O6等亚稳定的中间产物向CaFe2O4相转换,且铁酸钙产物层中的钙、铁元素含量逐渐趋于稳定。（2）CaO-Fe2O3-Al2O3三元体系铁酸钙中,主要物相为铁酸钙、赤铁矿、铝酸二钙以及铁铝酸二钙C2（A,F）,其结构组成主要是Ca2Fe1.4Al0.6O5。CaO-Fe2O3-SiO2三元体系铁酸钙中,高铁低硅形成的矿物组成主要为铁酸钙、赤铁矿,还有微量的钙铁橄榄石及玻璃相。（3）四元体系铁酸钙中,随着温度的升高,CaO·Fe2O3和2CaO·Al2O3初期生成,随后是C2（A,F）和SFC的生成,最后为C2（A,F）、SFC、Fe2O3和Si O2共同作用形成SFCA。随着焙烧时间的增加,复合铁酸钙由不规则块状转换为高硅低铝型柱状SFCA。（4）在CaO-Fe2O3体系的铁酸钙中,不同种二元铁酸钙样品的还原速率和最大还原进度随着还原温度的升高而提高,且还原度和还原速率均随着2CaO·Fe2O3、CaO·Fe2O3和CaO·2Fe2O3而逐渐升高。根据实验样品的XRD检测分析表明:2CaO·Fe2O3的还原过程为单步还原反应,可直接还原出金属Fe;CaO·Fe2O3的还原过程为多步还原反应,还原路径是CaO·Fe2O3→CaO·Fe O·Fe2O3→CaO·3Fe O·Fe2O3→2CaO·Fe2O3→Fe+CaO;CaO·2Fe2O3由于其不稳定性会分解成CaO·Fe2O3和Fe2O3,再依次进行各自还原过程。（5）在CaO-Fe2O3-Al2O3的三元铁酸钙体系氢还原过程中,最终样品物相主要有Fe、CaO以及2CaO·Al2O3。在CaO-Fe2O3-SiO2的三元铁酸钙体系氢还原过程中,最终样品物相主要是Fe、CaO以及Ca2SiO4。本文主要使用固相制备法获取单元至多元烧结矿内铁酸钙物相,研究烧结过程中铁酸钙形成机制,并揭示富氢体系下多种铁酸钙物相还原过程反应机理及Fe元素迁移规律等。
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