流态化气基还原炼铁直接以粉矿为原料,省去了球团、烧结和炼焦等工序,是一种很有发展前景的直接还原炼铁技术。随着优质铁矿资源的减少,选矿后得到的矿粉中细粉(粒度在100 μm左右)含量越来越高。这些细粉具有较高的还原速率,可以充分发挥流态化炼铁技术的优势,然而其在高温气基流化还原过程中,由于颗粒表面粘性增大或者铁晶须的生成较易发生粘结并形成大聚团,继而导致整个床层的失流,会对稳定生产造成严重影响。针对这一问题,本文以铁矿粉在不同多级流化还原工艺中出现的中间产物(如低金属化率颗粒、Fe3O4、FeO和富碳颗粒等)为研究对象,通过模拟工业上的多级流化还原系统,提出了一系列高效的抑制粘结失流方法,并对其作用机制进行了深入研究。本文所取得的主要研究成果如下:揭示了还原条件对多级流化还原预还原段低金属化率颗粒表面铁析出形貌及其粘结行为的影响规律,提出了调控铁析出形貌抑制铁矿粉多级流化还原粘结失流的操控方法。研究表明在CO中混入H2可以加快铁晶粒的生长速率,同时增加还原初期矿粉表面的铁形核数量,导致矿粉表面新生成的金属铁由晶须状转变为致密状。随着CO-CO2中CO2含量的升高,矿粉表面新生成的金属铁会由"锋利"的晶须状转变为"仙人掌状",并且表面铁的分布密度会变小。随着还原温度的降低,矿粉表面铁晶须的强度会变弱。这些均可以显著减少低金属化率颗粒流化还原过程中形成的聚团量。此外,在预还原段将低金属化率颗粒表面的铁析出形貌由晶须状转变为致密状,可以有效降低防止深还原段高金属化率颗粒失流的MgO加入量。揭示了 MgO对多级流化还原过程中不同价态铁氧化物矿粉粘结失流的抑制机制,提出了添加MgO抑制铁矿粉多级流化还原粘结失流的较优加入时段。MgO与不同价态铁氧化物间的界面反应行为表明,在中低温(700和800 ℃)下MgO对Fe2O3、Fe3O4和FeO矿粉粘结失流的抑制作用主要是物理阻隔效应。在高温(900 ℃)下对于主要成分为Fe2O3的矿粉来说,物理阻隔效应依然是主要抑制作用;对于主要成分为Fe3O4和FeO的矿粉来说,化学反应形成的阻隔层是抑制粘结失流的主要原因,并且MgO在FeO矿粉表面形成的化学阻隔层厚度大于其在Fe3O4矿粉表面形成的。化学阻隔层比物理粘附引起的抑制作用更加有效。因此在Fe3O4和FeO稳定存在的多级流化还原工艺中,加入MgO对高温下粘结失流的抑制效果由强到弱可按如下顺序排列:FeO>Fe3O4>Fe2O3。还原实验结果表明加入MgO抑制粘结失流对铁矿粉还原速率的影响较小。制备新型添加剂CaO/Fe2O3强化了钙组分对铁矿粉流化还原过程中粘结失流的抑制效果,并揭示了其抑制机制。研究表明分析纯CaO粉末和Ca(NO3)2·4H20分解产生的CaO对粘结失流的抑制作用较弱,而Fe(NO3)3·9H20和Ca(NO3)2·4H20混合物分解产生的CaO/Fe2O3具有较好的抑制效果。CaO/Fe2O3的还原结果表明Ca组分主要通过物理阻隔效应抑制粘结失流。微观组织结构观察表明CaO/Fe2O3不仅可以抑制"锋利"尖状铁的生成,还可以使Ca组分紧密地包覆在粘性铁表面,从而降低其表面粘性。此外,研究表明引入Fe2O3强化性能较差添加剂对粘结失流的抑制效果具有普适性。揭示了铁矿粉多级流化还原过程中的碳沉积和演变行为,发现沉积碳不仅是还原过程中矿粉颗粒粘结的抑制剂,还是性能优越的固相还原剂。高还原势、低温及H2的引入可以加速多级流化还原预还原段碳的沉积,尤其是石墨型游离碳的沉积。石墨型游离碳可以抑制铁晶须生成,降低颗粒表面粘性,从而防止矿粉颗粒在高温深还原中发生粘结。高温深还原中石墨型游离碳和碳化铁均会通过气化反应和固相还原反应被消耗,并且石墨型游离碳的反应活性高于碳化铁。为了强化流态化技术在直接还原炼铁中的应用,提出了利用高活性沉积碳通过固固反应将铁矿粉还原至较高金属化率的方法,并且证明了它的可行性。综上所述,本文围绕抑制铁矿粉多级流化还原粘结失流展开,基于铁矿粉在不同工艺中的演变特性,提出了一系列高效的操控方法,如调控铁析出形貌抑制多级流化还原预还原段低金属化率颗粒的粘结,同时减少防止深还原段高金属化率颗粒失流的MgO加入量;在多级流化还原的FeO段加入MgO,利用高温下固固反应形成的化学阻隔层高效地抑制粘结失流;制备新型抑制粘结失流添加剂CaO/Fe2O3,强化Ca组分对粘结失流的抑制效果。此外,在深入分析铁矿粉多级流化还原中碳沉积和演变行为的基础上,提出了直接利用沉积碳进行高温深还原的方法。与前人研究相比,本文所提出的抑制方法更加贴近实际工业过程,更具针对性和高效性,可操作性强。