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1、太原科技大学毕业设计（论文）- 59 -含煤磁铁矿球团低温下炼铁机理化学与材料科学系。1）冶金和陶瓷科学，东京工业大学，岡山大学，目黑区部、日本东京大学院情报理工学研究科。通过使用含煤磁铁矿球团为还原剂得到了一个新的生铁制造工艺。记录下的温度和氧分压显示该颗粒是在氩气中迅速加热到炉温度 1573 和 1723 K。含碳量为 1.1%3.6%的铁水在 16 分钟内产生的炉温高于 1598 K，整个过程由四个步骤组成，即加热、铁矿石还原、渗碳和生铁熔化。该解决方案是通过碳溶损及铁矿石还原耦合，从表面到中心进行传热控制，由于吸热反应解决方案的溶液损耗。还原铁颗粒的汽化器 CO 气体，迅速吸收碳中的煤
2、成为熔融生铁颗粒。颗粒粘合，使大颗粒的液滴大规模的下降和突然倒塌融化。本文讨论了低温条件下生产生铁的条件。关键词：球团；煤；磁铁矿；生铁；反应机理。1.简介目前，由于缺乏合适的能源资源和引进更多的严厉的环境法律，钢铁企业面临的形势是他们必须尽快建立新的生铁炼钢工艺。这个问题的一个解决方案是开发一个新的方法，比高炉方法在较短的时间，较低的温度下生产熔融的生铁。FASTMAT 工艺是一种含碳球团铁氧化物迅速被加热，从而达到 9698%金属化等过程，可以使温度在 900s 达到 14731573k 之间，这一过程使用转盘式炉膛辐射受热和颗粒在炉膛单层带电。此外，据报道，反应完成后碳排放仍在该中心生产
3、的铁,使熔化的铁将会生产的过程称为 ITmk 3 和试验工厂在从 1999年 10 月开始进行了 6 个月 100 h 在 1623 K 下的 3 次运营。太原科技大学毕业设计（论文）- 60 -这样的低温生产铁水已设立了“Tatara”炉。“Tatara”是用日本传统工艺用含铁的沙子和木炭建立 1.2 米的高度的箱式炉。“Tatara”已投入商业运营直到 1922。根据铁碳系统生产熔融生铁和钢坯取决于碳氮含量的降低与液体平衡。碳在降低铁的吸收上高于“Tatara”炉。“Tatara”相似于 FASTMAT 反应机理。然而，Matsumura 等人没有明确确定生产熔融生铁的温度下限以及并没有详
4、细的分析全过程的相关机制，不过在较低的温度下实现生铁制造，这些都是非常重要的。因此，本研究旨在探讨还原和熔化铁氧化物含煤颗粒的快速加热，并提出建议的可能性,使在较低的温度下可以产生生铁。2.实验2.1 样品制备球面为绿色的磁铁矿矿石（直径约 1025 毫米），命名为 Romeral，含煤铁矿石（直径约 50 毫米），煤炭（直径约 40 毫米）和膨润土，最后提供的是粘合剂。使用了两种类型，A 型和 B 型煤，分别对应的颗粒 A 和颗粒 B。原材料的化学成分见表 1。这些粉末与质量分数为 2%的粘合剂混合。通过考虑完全还原铁矿石形成的碳量，确定了煤的数量，CO 气体以及所需的渗碳得到含有质量分数为
5、 2%的碳铁。颗粒表观密度为 2.11 到 2.32gcm3。Table 1. Chemical composition of raw materials. (mass%)太原科技大学毕业设计（论文）- 61 -Fig. 1.Schematic diagram of equipment.2.2 反应过程中颗粒的观察图 1 显示了反应炉的颗粒在最低温度下生产熔融生铁。反应管的内径为 60毫米。两个 MgO 坩埚放置在球管上（外径 50 毫米，内径 38 毫米，150 毫米的高度）通过渗碳来降低颗粒与熔融产生的生铁，17 孔(直径 6 毫米)钻孔的 bot-Tom 滤液熔化的生铁、和较低的(50
6、毫米高度)是用于收集产品，放置在坩埚炉中的温度均匀区，氩气供给到反应管的流量为 100Nml/分钟，确认炉温度控制在所需温度，有几个球团让投进坩埚炉顶的熔炉。在反应部位，采用 R 型热电偶在反应过程中监控温度附近的颗粒，如图 1 所示。此外,通过肉眼查看端口的顶部反应管观察到了出现的颗粒。炉内温度控制在 15731723 K，导致确定的最低温度下熔化的生铁生产。在较低的坩埚中收集的铁样品被用来通过奥氏法太原科技大学毕业设计（论文）- 62 -和其他成分的能谱分析碳浓度。Fig. 2. Experimental set-up of oxygen sensors and thermocou-ple
7、s at the center and surface of a pellet.2.3 微粒中氧分压和温度的测量研究还原和熔化机制，进行了三种实验：（1）测量中心颗粒的温度，总压力和氧分压；（2）观察横截面上的颗粒反应；（3）测量生产中碳铁颗粒分布。图 2 显示了实验装置，测量中心和表面颗粒的温度和氧分压，同时在反应过程。R 型热电偶针型氧传感器（直径 3.5 毫米，长度 33 毫米）被安装在中心和颗粒的表面和颗粒之间的间隙。传感器的中心是密封在氧化铝颗粒表面附近。原电池氧传感器是由一端封闭的 ZrO28mol%氧化镁电解质管，在顶部的端口线(0.3 mm 直径)是上口的电极。 Cr/Cr 2
8、 O 3 (S)粉末混合物被刻印在管中的黑体字表示电极与 Mo 或端口的导联线,其中固定氧分压平衡。颗粒是在氧化铝坩埚（内外直径 35 毫米和 40 毫米，高度 70 毫米）和使坩埚迅速降低到均匀温度区太原科技大学毕业设计（论文）- 63 -的反应管（内径 42 毫米）氩气流量为（200Nml/分钟）。从电动势的氧传感器,杆尾压力的氧气, P O 2 、确定使用下列公式：25/4ln/()OERTFPrefP O2 (ref)是氧分压的参考电极在均衡与 Cr、Cr 2 O 3 和计算的标准吉布斯的能量形成的 Cr 2 O 3， R 是气体常数, F 的法拉第常数和 T 的绝对温度。热电之间的
9、Mo 和 Pt 的电极已基于更正了的数据获得初步实验。2.4 球团总压的测定通过在中心颗粒的总压力测量，半导体压力表连接到一个安装在不是氧传感器石英管的一端的球上。硅管的内外径分别为 2.5 和 3.5 毫米。2.5 对还原铁颗粒和碳分布断面观测在氧化铝坩埚的中心的一个颗粒在 1 623 K、 150510 s 氩气流量的电阻炉中得到并保存。然后将氧化铝坩埚是从炉中取出，水淬。颗粒被切断和横截面的颗粒是机械抛光。交叉部分为观察，碳分布是通过电子探针(EPMA)测量。3.结果3.1 颗粒外观变化不久后，一个颗粒下降到 1673k 的坩埚上，烟灰是不应该观察到的颗粒。大约 90 秒后，在颗粒的表面
10、上观察到烟尘消失与裂纹。约 450 秒后，颗粒熔化的表面和许多细颗粒的金属氧化物如二氧化硅和氧化铝从表面飞溅。然后，颗粒开始失去它的形状和某些液体流到较低的坩埚。大约 610 秒后，颗粒被彻底打破，许多细小的颗粒在上层坩埚。坩埚中收集到几个铁液滴，如图 3 所示，产生的球团，一些渣颗粒出现在铁的液滴的表面，而不是在液滴。在炉温高于1598 K 的实验中也观察到同样反应行为的颗粒。太原科技大学毕业设计（论文）- 64 -在 1673k 的坩埚中放入一个颗粒，颗粒的附近温度突然下降了近 100k，约50 秒后达到了最低点，如图 4（a）。然后逐渐增加和恢复在炉后的温度约为600 秒。如图 4（b）
11、所示，随着炉内温度的升高，颗粒熔化的时间逐渐缩短。产生铁水这一过程中 1623K 为最低温度，A 类型颗粒的直径为 20 毫米、在 1638 K下的颗粒直径 15 毫米和在 1723 K 的颗粒直径 10 毫米。另一方面，B 型颗粒在1598K 的最低温度下熔化，直径为 20 毫米。在不同的炉内温度下，熔化生铁中的碳浓度质量为 1.063.60%，并随炉温度升高而降低，如图 5 所示。碳含量浓度已接近或超过铁-碳体系的液相组成。Fig. 3. Pig iron dropped in the lower crucible after experiment using 5 pellets at 1
12、 673 K.太原科技大学毕业设计（论文）- 65 -Fig. 4.(a) Temperature change near pellet and (b) time at melting start and lowest temperature for melting.Fig. 5. Carbon content of molten pig iron produced at each fur-nace temperature and reduced iron near the center of pel-let without melting, plotted on the FeC phase
13、diagram.太原科技大学毕业设计（论文）- 66 -Fig. 6. Changes of temperature and partial pressures of oxygen at the center and surface of pellets with different diame-ters at the furnace temperature of 1 673 K. The calculated PO2 is equilibrated with C (s) and CO (g) (1 atm).3.2 颗粒中氧的总压力、温度和分压颗粒中心的总压和温度变化实在在 1673 K 的
14、温度下进行测量，在开始测量的时候，总压力迅速增加起来，达到约 1.3 大气压，在 60s 后由于 H2、CO、CH 4等包含在煤炭和膨胀的气体，然后下降到约 1 个大气压。图 6 显示了在 1673 K 下颗粒中心和表面的氧的温度和分压的变化，图 7 显示了这些在 1573，1623 和 1723k 的颗粒中心的变化。在 1573k 下，颗粒没有熔化。虚线的数字代表氧分压，计算假设石墨和 CO 气体之间的平衡在 1 个大气压下。颗粒表面温度上升到炉温度的速度比图 4（a）显示的更迅速。原因是，通过致密氧化铝坩埚薄溶壁导热比多孔镁坩埚厚溶壁更快。在任何炉温下球团的反应过程可以分为四个阶段：第一阶
15、段：一个小球迅速被加热，产生烟尘。第二阶段：在颗粒中心的温度上升被抑制。氧分压增加至约 110-13 至 110-15atm，直到 C/CO 达到平衡。第三阶段：温度是不变的，颗粒中心的局部氧分压降低到约 110-15 至 110-16atm 附近，直到 C/CO 达到平衡。第四阶段：液态生铁和炉渣在这一阶段开始出现。温度接近炉内温度，氧分压缓慢增加。太原科技大学毕业设计（论文）- 67 -Fig. 7. Changes of temperature and oxygen partial pressure in the center of pellet with 22 mm diameter
16、at different fur-nace temperatures. The pellet at 1 573 K did not melt. The calculated PO2 is equilibrated with C (s) and CO (g) (1 atm).3.3 在降低铁颗粒的横截面和碳的分布图 8 显示的是横截面视图的颗粒, 其中(a)和(b)在第二阶段,(c)转向点从第二阶段到第三阶段、(d)和(e)在第三阶段,(f)在结束第三阶段和(g)在开始阶段四、这些数字初步表明，铁形成了从表面到中心的颗粒，铁的还原反应在第二阶段结束。这意味着，传热决定了颗粒的减少率。在图（f）中，颗粒收缩，并分为 2 部分，外壳和内芯，然后突然失去其形状，如图（g）所示。图 9 显示了铁（a）在第二阶段结束时，铁（b）在第三阶段结束时的碳浓度分布。在第二阶段结束时，还原铁颗粒表面附近的碳浓度含量是 0.25 至0.35%，颗粒中心的含量为 0.15%。还原铁的渗
