白云鄂博铁精矿预还原烧结矿制备过程中气化脱磷的动力学研究

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近几年来,我国经济平稳快速发展,带动了我国钢铁企业的回暖,同时对铁矿石的消耗也不断增加,而我国高品质铁矿石资源较少,以至于对国外铁矿石进口依赖程度较高。为了能更好的综合利用我国丰富的中高磷铁矿资源,本文对白云鄂博铁精矿预还原烧结过程中磷的气化脱除做出研究。其目的是加快预还原烧结气化脱磷反应速率,减少还原出的磷气体在预还原烧结过程中的停留时间,防止磷气体再次进入金属铁相,更多的脱除白云鄂博铁精矿中的磷元素。本实验采用热综合分析仪对烧结过程进行研究,获得TG-DSC曲线,计算气化脱磷反应活化能,确定反应机理函数,揭示气化脱磷反应机制,从而为预还原烧结气化脱磷反应提供动力学理论支持。预还原烧结工艺采用负压(0.9atm)操作,并非在1atm下(标准状态)进行,所以通过FactSage热力学软件对标准及非标准态下脱磷反应进行计算并分析,结果表明,添加Na2CO3纯试剂、改变碱度以及负压操作三个方面可以改善预还原烧结过程中磷的气化脱除,理论计算结果表明磷灰石的碳热开始还原温度由1750K降低到1054K。为探明预还原烧结气化脱磷反应动力学机理,通过实验得出TG、DSC数据,对还原烧结气化脱磷反应进行分析。1#铁精矿脱磷反应升温速率有5℃/min、10℃/min、15℃/min、20℃/min,运用非等温、非均相条件下的气固相动力学反应方程,处理实验数据可得反应平均活化能为418.89kJ/mol、指前因子lnA(s-1)=36.13、反应机理函数为:g(α)=1-(1-α)1/2、限制性环节是二维收圆柱体界相反应;2#磷酸钙纯试剂脱磷反应升温速率有5℃/min、7.5℃/min、10℃/min、12.5℃/min、15℃/min,同样运用非等温、非均相条件下的气固相动力学反应方程,处理实验数据可得反应平均活化能为167.58kJ/mol、指前因子lnA(s-1)=10.23、反应机理函数为:g(α)=1-(1-α)1/3、限制性环节是三维收缩球体界相反应。建立预还原烧结气化脱磷反应动力学模型,该模型认为气化脱磷反应为气-固相反应。根据建立的模型计算并拟合出反应机理函数,符合phase boundary方程,界相反应为限制性环节。在预还原烧结矿制备过程中可以通过以下操作来改善气化脱磷反应动力学条件:(1)预还原烧结过程高配碳20%左右,可以增加烧结料的还原性,使更多的含磷矿物被还原;(2)加入适量的SiO2、Na2CO3脱磷剂可以降低磷灰石的开始还原温度,使脱磷反应更易发生;(3)改善烧结料层透气性(提高料层孔隙度、控制燃烧带宽度等),可以加快界面处发生化学反应伴随的吸附、脱附等,有利于磷气体的快速去除,防止其再次进入被还原出的金属铁相。
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