2578.用攀枝花还原铁精矿制取铁粉还原部分

1、xxx 学院本科毕业设计（论文） 用用 xxx 还原铁精矿制取铁粉还原铁精矿制取铁粉 还原部分还原部分 学生姓名： 学生学号： 院（系）： 材料工程系 年级专业： 级材料科学与工程 指导教师： 高级工程师 助理指导教师： 二七年六月 摘 要 本课题以xxx铁精矿为原料，以煤粉为还原剂、铁粉为催化剂，研究制取钒钛 微合金化铁粉的一次还原工艺。在前人使用转底炉还原钒钛铁精矿的基础上进行探 索和研究，为研究用转底炉还原制取钒钛微合金化铁粉做前期准备，在马弗炉内还 原内配碳球团。采用四元二次正交回归设计试验，在对其结果进行回归分析和方差 分析中，得到金属化率和还原温度、内配碳、催化剂的函数表达式。再结

2、合单因素 时间和温度试验，得到在还原温度为1200、还原时间为50min、内配碳为19%、催 化剂为1%条件下，金属化率为86.73%的金属化球团。 关键词 铁粉，还原，xxx铁精矿 abstract basing panzhihua iron concentrate as raw materials, coal as the reductant and iron powder as catalyst, the subjects studied to prepare vanadium-titanium-iron powder of are reduction process. do explo

3、re and research on the basis of our predecessors to restore vanadium tr concentrate by furnace so that we can make early preparations for studying to restore titanium-vanadium alloys of iron powder, restoring carbon pellets in muffle furnace. the function expression of metallized and temperature red

4、uction, within carbon, catalyst is gotten by orthogonal regression design in its results for regression and variance analysis. together with the single factor of time and temperature tests, we can get the metal pellets, whose metal rate is 86.73% on the condition of reducing temperature of 1200 c, r

5、educing the time to 50 minutes, within carbon to 19%, 1% catalyst. keywords iron powder, reduction, panzhihua iron concentrate 目目 录录 摘摘 要要i abstractii 1 绪论绪论1 1.1 课题背景课题背景1 1.1.1 现有还原铁粉的生产方法1 1.1.2 用钒钛铁精矿生产还原铁粉的历史概况1 1.2 研究进展研究进展3 1.3 本课题研究的意义本课题研究的意义3 2 基本原理基本原理5 2.1 试验温度分析试验温度分析5 2.1.1 最低温度分析5 2.1

6、.2 最高温度分析 6 2.1.3 温度对还原速度的影响6 2.2 配配碳碳量量的的分分析析 7 2.3 催化剂的分析催化剂的分析7 3 试验内容试验内容8 3.1 试验设备和原料试验设备和原料8 3.2 工艺流程工艺流程8 3.3 试验设计试验设计9 3.4 试验步骤试验步骤10 3.4.1 基本步骤10 3.4.2 制作坩埚10 3.4.3 球团的制作10 3.4.4 球团的还原10 3.5 金属化球团的制样及化验金属化球团的制样及化验11 4 试验数据的处理试验数据的处理12 4.1 回归正交试验设计结果回归正交试验设计结果12 4.2 补充试验补充试验13 4.3 讨论讨论15 结结

7、论论16 参参 考考 文文 献献17 附附录录 a：布布多多尔尔反反应应的的热热力力学学原原理理18 附录附录 b：回归正交试验方案：回归正交试验方案20 附录附录 c：回归方程的计算过程：回归方程的计算过程21 致致 谢谢24 1 绪论 1.1 课题背景 目前我国汽车工业发展迅速，由此带动我国粉末冶金工业快速发展，铁粉需求 旺盛。特别是我国微合金化铁粉基本依赖进口，年微合金化铁粉进口量达5万吨以上。 前人的研究已证实钒钛对铁基材料有很好的强化作用1，攀西地区的钒钛磁铁矿有制 取出天然钒钛微合金化铁粉的潜力。2005年以来，xxx学院和龙蟒集团采用转底炉 代替隧道窑直接还原铁精矿球团取得了成功

8、，从而克服了隧道窑还原带来的弊端。 为用铁精矿生产含天然微合金化铁粉提供了可能性。 1.1.1 现有还原铁粉的生产方法 铁粉的生产方法主要有还原法、雾化法、羰基法和电解法，其中还原法和雾化 法是最普遍的方法，铁精矿和铁鳞是还原法的基本原料。工业上普遍采用的还原铁 粉生产工艺有：用氢还原铁氧化物和铁鳞、转化天然气还原铁矿和铁鳞、煤气还原 铁鳞与铁矿；联合还原法;氢还原氯化亚铁法；固体碳还原铁鳞和铁矿(赫格纳斯法)， 而赫格纳斯法是当今还原铁粉工业生产的主要工艺,该工艺经历了倒焰窑和隧道窑两 个阶段,目前用于生产的主要是燃重油加热的隧道窑2。其实质是：首先将提纯的铁 精矿(tfe70%)与固体还原

9、剂(焦碳粉末或掺混1015%石灰粉的无烟煤)以相互并不混 合的间层式装填于耐火坩埚中，然后在隧道窑内加热到11501250，经过相当长时 间还原后冷却到200左右取出卸罐，经破碎磨选及干燥后所获得的海绵铁粉用氨分 解并在耐热的钢带式炉内进行还原退火(退火温度为800900),便得到还原铁粉3。 目前国内采用钒钛铁精矿制取还原铁粉主要是长沙矿冶研究院所提供的隧道窑- 还原磨选法生产粉末冶金铁粉和中南大学提供的回转窑-还原磨选法生产炼钢铁粉。 1.1.2 用钒钛铁精矿生产还原铁粉的历史概况 国外情况 用含钒、钛的铁精矿生产还原铁粉是上世纪50年代以来国内外关注的热点，文 献中指出前苏联于1951年

10、报道添加15%的钠盐在1050还原，然后磨细、磁选，获 得含98%以上铁的铁粉和含7580%tio2的富钛料。日本专利曾提出在大量钠盐存在 下还原钒钛磁铁矿，可同时获得铁粉和水溶性钒酸钠和钛酸钠。20世纪80年代，波 兰和新西兰等国亦相继报道了还原磨选分离钒钛磁铁精矿的试验结果，但铁、钛分 离效果不理想4。1978年苏联又用乌拉尔南部和中部地区的含钛、钒、铬、镍等元素 的矿物制得优质天然合金铁粉。但这之中只有前苏联的试验做得较为成功5。 隧道窑还原磨选法 20世纪90年代，长沙矿冶研究院在试验室进行了隧道窑-还原磨选法还原钒钛铁 精矿制取铁粉的研究,并在攀钢(集团)原矿业公司铁基厂进行了小规模

11、的工业性试验， 所采用的工艺流程见图1.1所示。 该工艺能得到高质量的含 v、ti 的微合金化铁粉但因为耗能大、产品率低等诸 多弊端，因此最终由于成本太高而被迫停产。 回转窑还原磨选法 1995年，中南大学采用冷固结球团直接在回转窑中还原，通过磨选分离铁、钛 进行了制取铁粉的试验室扩大试验研究，其工艺流程见图1.2。 该工艺具有传热传质快、产品合格率高、投资省、能耗低的优点。但因回转窑 结圈，还原温度不能高于1100，铁晶粒长大不理想等原因未能进入工业规模化生 产。 图 1.1 隧道窑-还原磨选法 1.2 研究进展 2005 年以来，xxx 学院和龙蟒集团采用转底炉代替隧道窑直接还原铁精矿球团

12、 取得了成功，从而克服了隧道窑还原带来的弊端，有希望极大地降低用 xxx 铁精矿 生产含钒钛的天然微合金化铁粉的前期成本。 1.3 本课题研究的意义 铁粉包括氧化铁还原铁粉和钢水雾化铁粉，作为工业的主要原材料，广泛地应 用在机械、冶金、化工、航空航天材料领域。其世界每年总用量已超过100万吨，制 成的粉末冶金零件近90万吨，销售额超过75亿美元。铁基粉末是粉末冶金工业的基 础原材料，它的产量、品质决定着粉末冶金工业的发展。在粉末冶金工业中,还原铁 粉颗粒细且多内孔,呈不规则形状,比表面积大,多用于低、中高密度、中高强度的粉末 冶金制品及薄壁、异形零件等,是润滑轴承、离合器部件、凸轮等不可缺少的

13、原材料。 汽车、摩托车工业的发展刺激并拉动了粉末冶金工业的发展，美 71%、日本 89%的 图 1.2 回转窑-还原磨选 法 粉末冶金烧结零件用于汽车工业，我国目前粉末冶金烧结零件用于汽车、摩托车工 业只有 41%左右。每辆汽车所用粉末冶金零件重量:美国 19kg、日本 8kg、欧洲 7181415kg、我国 317kg。若按我国汽车工业每年 2030%的速度增长，由此带动 我国粉末冶金工业快速发展，铁粉需求旺盛。 随着我国粉末冶金机械零件工业和汽车制造工业的发展,对铁粉需求量迅速增加, 据资料统计,每辆汽车单车国产粉末冶金零件重量从 3.6kg 左右增加到 5kg 左右,而粉 末冶金机械零件

14、的应用从 42%升至 55%左右；在磁性材料方面的应用大约在 2 万 t/a 左右,加之矿浆还原-轧制带材或箔材等新工艺的出现,不仅拓展了其用途,而且需求量 也越来越大。我国每年进口铁粉的数量达到 5 万吨。加之目前汽车、摩托车工业等 各行业的迅猛发展，铁粉的需求量很大、工业化生产前景广阔6。 xxx 钒钛铁精矿中含有大量的钒钛，在铁粉的生产过程中有少量的钒、钛元素 渗入到铁粉中去，使生产出的铁粉拥有比普通铁粉更特殊的性质。 但现今转底炉还原铁精矿是针对后期熔分、提钒、提钛和炼钢进行的。而不是 针对制取铁粉进行的，因此，如果要用转底炉作为生产还原铁粉的设备，还需要进 一步的探索以及相适宜的还原

15、工艺制度。 本课题的目的是在前期隧道窑、回转窑、转底炉的还原基础上，探索用转底炉 直接还原钒钛铁精矿制取铁粉的前期研究。确定出还原工序中各工艺因素的作用规 律。为下一步磨选制铁粉提供合格的还原球团。为钒钛微合金化铁粉产业化生产作 好技术准备。 2 基本原理 2.1 试验温度分析 2.1.1 最低温度分析 铁氧化物的热力学还原机理的研究已经较为成熟，主要是由布多尔反应的co进 行还原。布多尔反应如下： 式（2.1）cococ2 2 co和co2的体积百分数之和=100时的曲线关系及co=100、50、10、5、1的半 对数曲线关系如图 2.1和图2.2，推导过程见附表 a。 图2.1 在=100

16、时布多尔反应的co（t）曲线关系 图2.2 不同值时，布多尔反应的co（t）的半对数曲线关系 从上述的由图2.1看出当温度在1000k左右时，co只有7080%。当温度在 1200k以上的时候，c反应生成co的含量可以达到95%以上，co含量的增加可以 使反应充分的完成，不但使试验中的原料达到很好的利用，而且降低了成本。因 此还原温度应该在 1200k以上。 2.1.2 最高温度分析 从fe-c相图2.37,8中可见，当铁 中含碳量大于2.11%的情况下，其固 液平衡相温度点为1148。 ，含碳小 于2.11%的情况时，含碳量越低，固 液平衡温度点越高。液相的形成对 下一步重选分离不利，而还原

17、过程 中金属铁中的含碳量具有不确定性， 因此应避免在太高的温度下还原， 另外也有利于降低成本。 2.1.3 温度对还原速度的影响 还原的时间和温度对固体碳还 原铁精矿有显著的影响，温度的提 高可以显著的缩短固体碳的还原时 间，因为feo的还原速度受布多尔反 应的速度的影响。提高还原温度， 加速了碳的气化反应，从而还原时 间缩短。因为随着温度的升高，co 浓度和co产生的速度增加，再由图 2.2可知，到1000以上时，co2几 乎全部变成co，提高温度还对提高还原反应速度和co向氧化铁内扩散有利9。随着 温度的提高，氧化铁的表面活性区的数目也随之增加，可以加速还原剂的产生和co 向产物的扩散，也

18、使固相扩散（c与fe的离子的迁移）易于进行。因而有利于新相晶 格的产生与重建。在图2-4中可以看出10，在温度1300时，co2的反应非常迅速， 而在900时经过80秒，但反应还是没有完成，如果将温度进一步提高到1200，还 原的速度将大大提高，铁粉产量也得到进一步增长。但温度不能无限制提高，因为 随温度提高，铁离子的定向排列，晶格缺陷的减少和闭塞，造成co及其还原产物扩 图 2.3 fe-c 相图 散困难，这些都将减低还原速度，另外温度过高和时间过长将会使铁严重烧结变硬， 使铁粉的重选难以完成。 2.2 配碳量的分析 试验过程中的配碳量是的一个非常重要因素，本次试验中的配碳采用的是内 配碳的

19、形式，前人指出使用内配碳的形式不但可以加快还原的速度，而且还大大 的降低了能耗 11。配碳量影响还原过程中金属铁的析出率和产率。本文研究的配 碳量是根据如下化学反应方程式为基础计算： 式（2.2）cofecfeo 式（2.3）cofecofe33 32 由于co的挥发以及其它不确定因素，也未考虑co还原铁 ，所以试验中专门对 配碳量作了相应的试验。 2.3 催化剂的分析 催化剂在试验中起重要作用，它主要是加快形核速度，促进晶粒长大，形核包 括均匀形核和非均匀形核。本试验用铁粉作为催化剂，它作为非均匀形核的晶核。 具有与产品化学性能相同，加快晶粒长大的优势。 前人曾做过钠盐作催化剂的研究12，但

20、加入钠盐会引起球团灾难性的崩溃。本 试验不采用钠盐，而采用铁粉做催化剂。 900 1000 1300 1200 1100 co/% 时间/s 20 40 60 80 20 40 60 80 100 图 2.4 co 与 c 接触时间气体成分和温度关系 3 试验内容 本次试验是在利用转底炉和前人的试验工艺的基础上进行一次性还原钒钛微合 金铁粉工艺的研究。 3.1 试验设备和原料 设备：小型马弗炉、刚玉、sic坩埚、刚玉盖、769yp-15a粉末压片机、烧杯、 电子天平、不锈钢盆。 原料：xxx铁精矿、煤粉、纯铁粉、pva（粘结剂） 、sic。 xxx铁精矿中的各元素含量如3.1表所示： 表3.1

21、 xxx铁精矿元素含量 元素tfefeofe2o3tio2v2o5cr2o3sio2al2o3cao 含量/%56.50023.45054.39012.5300.4000.0952.3602.4101.250 计算可得每100g的原料理论上的需c量为16.1461g，即理论上的内配碳为17%。 试验室中的煤粉中的含碳量为80.26%，那么理论上的煤粉需求量为 16.1461/80.26%=20.1172g。由于试验过程达不到理论值，试验过程中的配碳量应高 于理论值。 3.2 工艺流程 工艺流程如图3.1所示： 图3.1 工艺流程图 混料 干燥 马弗炉还原 钒钛铁精矿+粘结剂+催化剂 造球 还原

22、球团 3.3 试验设计 因为回归正交设计可以利用较少的试验次数获得较好的试验结果，并可以拟定 回归方程，对试验结果进行预测和优化，建立数学模型。所以本试验采用文献中介 绍的回归正交设计13。 根据上章的机理分析可以确定试验中的各个因素的范围：温度10001350。配 碳量为1317%。加热时间为30120min。fe粉的加入量05%，如表3.2所示： 表3.2 因素水平编码表 规范变量 自然变量 (x1)温度/(x2)时间/min(x3)铁粉/%(x4)配c/% 上星号臂长1350120.005.017.0 上水平 11309.3105.334.216.3 零水平 0122575.002.51

23、5.0 下水平 -11140.744.660.813.7 下星号臂长110030.000.013.0 变量间距j84.330.331.71.30 注：查表知=1.483； x1 为加热温度，单位为； x2 为加热时间，单位为min； x3 催化剂（铁粉） ； x4 配碳量(煤中c含量为80.26%，是根据上述的反应式进行计算的)； 各自然变量和规范变量的关系为： ； ； ； 3 . 84 1225 1 1 x z 33.30 75 2 2 x z 7 . 1 5 . 2 3 3 x z 3 . 1 15 4 4 x z 对zi做中心化处理： ； n i i z n zz 1 2 1 2 1 1

24、 1 n i i z n zz 1 2 2 2 2 2 1 n i i z n zz 1 2 3 2 3 3 1 n i i z n zz 1 2 4 2 4 4 1 0jj xx j 2 0 jj j xx x 例如 3 . 84 483 . 1 12251350 1 1225 2 11001350 10 x 1210 1122584.31309.3xx 1110 1122584.31140.7xx 试验方案按照以上的试验设计，作出如附录b中表b.1所示的回归正交设计表： 3.4 试验步骤 3.4.1 基本步骤 制作坩埚，按10%（质量比）将粘结剂与sic混合制作坩埚。 压制球团，按正交回归

25、设计表中确定的各个元素的量进行配料，用压片机压 球。 球团的还原，按照正交回归表中所确定的温度进行球团的还原。 制样，用制样机制作还原球团的样，并送化验室分析。 化学分析，分析球团中的tfe、mfe、c。以便确定下一步的优化方案。 3.4.2 制作坩埚 试验过程中所用的是sic坩埚，原料为粗、细两种sic，比例为粗：细=3：4。粘 结剂为pva。步骤为： 取1.5kg粗sic、2kg细sic在不锈钢盆中混合均匀。 将混合好的粘结剂按照10%（质量比）的比例加入sic中。 将粘结剂和sic混合均匀，用模具把sic压成坩埚的形状，并制作和坩埚形状 匹配的将成型的坩埚放入烘箱中进行干燥。 用马弗炉煅

26、烧坩埚，温度控制在1400左右，煅烧30分钟。 将煅烧好的坩埚取出，在室温中冷却。 3.4.3 球团的制作 球团在工业生产中用的是压球机，因为试验过程中所用的球团的数量并不多， 所以用小型的压片机即可，试验室生产球团按照正交回归设计表中确定的数据进行 配料，每种球团使用的量不超过200g，故而每种球团的配量为200g，具体步骤为如 下： 通过计算得出每种球团的铁精矿、煤粉的重量，计算出催化剂和粘结剂的重 量。并用电子秤精确的秤量出它们的重量。 将秤量好的各种原料混合均匀，加入粘结剂，搅拌均匀。 用粉末压片机将混合均匀的矿粉压球，标明它们的种类。 将压好的球团放入烘箱中进行干燥。 3.4.4 球

27、团的还原 球团的还原在本试验中是致关重要的环节，它直接影响还原的金属化率，也是 生产过程中比较难控制的一个环节。试验中的设备应为转底炉，因为本试验是为转 底炉做还原铁粉实验作前期工作。所以为降低成本初期在马弗炉内进行。具体步骤 如下： 将球团秤量过后放入已经制作好的坩埚中，并做好记录和标记。 将装好球团的坩埚放入马弗炉内，并设定好马弗炉的温度。 待温度达到预设温度后切断电源，坩埚内球团随炉温冷却。 待温度降至室温的时候将坩埚取出，并标明还原球团的状态以及重量。 需要化验的元素是tfe、mfe、c。 3.5 金属化球团的制样及化验 金属化球团的化验至关重要，在化验结果上可以看到金属化率以及球团中

28、的含 碳量，它们的含量可以反应金属化球团中氧化铁的还原的程度。 化验之前要将金属化球团制样，制样过程如下： 将金属化球团用破碎机进行破碎。 将破碎后的金属化球团粉末分成四等份，用小铲将少量的粉末加入到容器中 清洗里面的粉末杂质，用清洗出来的粉末再清洗筛网，并且每次制样都要重复本步 骤。 清洗过后的粉末要打扫干净，将要制样的粉末再加入到清洗好的制样机里进 行制样，时间控制在3min左右。 取出制好的样在120目的筛网中筛选，筛选后放入试样袋中。 化验成分：tfe、mfe、c。 4 试验数据的处理 4.1 回归正交试验设计结果 试验过程中坩埚没有进行密封，其主要原因是在最简便的条件下确定试验中要

29、各个因素之间的关系，为以后的优化试验做好准备。球团的失重率间接的反映了球 团的还原程度，通过对失重率的分析可以不需要等待化验结果，可以在短期内迅速 决定下一阶段的试验。其失重率结果如表4.1所示： 表4.1 回归正交失重率表 试验号z1z2z3z4加热温度/加热时间/min催化剂/%配碳量/% y/% 111111309.3105.34.216.323.0900 2111-11309.3105.34.213.7-1.0000 311-111309.3105.30.816.324.0400 411-1-11309.3105.30.813.723.9852 51-1111309.344.64.21

30、6.319.9849 61-11-11309.344.64.213.7-0.7594 71-1-111309.344.60.816.324.4557 81-1-1-11309.344.60.813.721.6412 9-11111140.7105.34.216.313.3279 10-111-11140.7105.34.213.7-17.0532 11-11-111140.7105.30.816.314.718 12-11-1-11140.7105.30.813.712.8075 13-1-1111140.744.64.216.313.5857 14-1-11-11140.744.64.213

31、.7-1.2304 15-1-1-111140.744.60.816.314.5935 16-1-1-1-11140.744.60.813.712.5984 171.4830001350.075.02.515.018.1269 18-1.4830001100.075.02.515.012.5395 1901.483001225.0120.02.515.015.6599 200-1.483001225.030.02.515.012.8964 21001.48301225.075.05.015.017.5127 2200-1.48301225.075.00.015.014.0711 230001.

32、4831225.075.02.517.017.5274 24000-1.4831225.075.02.513.019.647 2500001225.075.02.515.018.3246 2600001225.075.02.515.015.2341 在1300时还原球团均发生熔化现象，根据图2.3说明在本配碳量条件下，还原 所得金属铁料的碳含量在1.53.0之间。并且综合试验过程中的现象以及文献中的介 绍，可以确定：当温度在1200以下时，还原球团并不会熔化，并且还原的时间控 制在1小时之内，内配碳量在19%时最佳，催化剂的加入量在1%左右。通过试验以及 对比试验，还原气氛是决定金属化率高低的

33、一个重要的因素，还原气氛在还原的过 程中影响铁氧化物的还原，并且在还原球团的冷却过程中保护已经还原了的金属铁 粉，使其不至于在冷却过程中被氧化，降低金属化率。试验完成过后，所进行冷却 的方法是用煤粉保护的环境下进行冷却。 失重率（）计算公式为：=还原前重量/还原后重量100% 式（4.1） 用表4.1的计算失重率，根据文献13介绍的回归方法得出以下的回归方程；其计算 过程见附录c。整理后的回代方程为： y=-78.3418+0.046x1 +0.18x2-33.3134x3+1.6484 x4-0.0024x22+2.3545x3x4 式（4.2） 由于试验中存在的许多问题，试验中会存试验数据

34、的偏差，根据极值的必要条件： 根据计算得知：当x1=1150，x2=35， x3=1%， x4=17%时可以得到极大值。失重率 为20.67%。 上面所有的因素都在相同是条件下进行的，有相同的系统误差。可以确定还原 过程中它们值的范围以及它们之间的关系。 4.2 补充试验 由于上述试验中未密封，还原后的金属被重新氧化，虽然不影响对温度、配碳 量、和催化剂的分析，但会影响对时间的分析，所以需要进行补充试验，对时间进 行单因素的试验13。目的是通过试验找到更合适、更优的试验方案。 补充试验是确立在第一阶段试验的经验基础以及试验数据的基础上的。本次试 验与第一阶段有所不同其试验步骤具体如下： 将压好

35、的球团称量并装入已烧制好的坩埚中，并pva将坩埚盖子和坩埚密封 好，做好标记和记录。 按照不同的试验要求将马弗炉升至不同的温度。 按照确定好的试验方案，将密封好的坩埚放入炉中加热不同的时间。 将煅烧好的球团迅速从炉中取出，立即放入煤粉中进行自然冷却，目的是为 了避免还原好球团高温下在空气中被重新氧化。 需要指出的是试验过程中坩埚要进行密封，它的目的在于尽量减少还原过程中 1234 0;0;0;0 yyyy xxxx 式（4.3） 的氧化气氛。使还原能够顺利进行。在煤粉中进行快速冷却可以保证还原气氛，保 护还原球团不致再被氧化。试验过程中存在不确定因素，可以适当的提高配碳量。 球团冷却至室温时，

36、将粘结在一起的坩埚和盖子进行分离，注意避免盖子损坏， 盖子可以在下次试验时继续使用。取出坩埚内的球团并称量，做好记录过后放入试 样袋中，并送化验室化验。 在固定条件：配碳量为19%、催化剂为1%、温度为1150的条件下做不同还原 时间的影响试验。试验结果如表4.2所示： 表4.2 不同还原时间试验的结果 还原球团还原温度/min还原时间tfe/%mfe/%c/%金属化率/% 1115030min60.8332.916.3754.07 2115035 min61.6438.316.8962.15 3115040 min63.8841.595.2365.11 4115045 min64.0547.

37、837.2074.68 5115050 min64.3848.336.8975.07 其表中c是游离碳和渗碳的混合物，含量在5.23%以上，但根据后期磨选试验结 果所得金属铁粉中的含c量在2%左右，说明进入铁粉中的c很少。从表4.2中可见， 随时间的延长，金属化率(y)提高。通过计算机软件拟合出时间与金属化率的关系式 为： 式 （4.4） 其残差为4.14310-14 432 7.171.3411.110.465.1yxxxx 拟合曲线 实验曲线 图4.1 金属化率与时间关系图 为了进一步考察温度对金属化率的影响，补充了一组提高温度的试验。从下表 中可以发现随着温度的增长金属化率递增。如表4.

38、3所示： 表4.3 补充试验金属化率表 还原球团还原温度/还原时间/mintfe/%mfe/%金属化率/% 111505062.1051.4582.85 212005063.0654.6986.73 4.3 讨论 由于试验中球团较多，可以分批进行还原。试验中存在的问题是马弗炉的升 温速度过慢，而球团是在马弗炉内从室温开始加热的。还原时间过程中，当温度升 到900时，还原已经开始进行，900达到试验欲设温度所需要的时间在34h之间， 所以反应时间已经远远超出。在结果上可能存在一定的偏差。 还原过程中的气氛和冷却时的气氛难以控制，使还原球团在冷却过程中有部 分被氧化。 试验过程中马弗炉内部的气氛未

39、能控制好，使还原的金属球团部分被二次氧 化，降低了金属化率，本课题的补充试验改进了该缺陷，使金属化率得到了很好的 提高，但还需进一步的研究。 由于时间的限制，本课题只是初步完成了对金属球团的还原温度、还原时间、 配碳量、催化剂加入量的研究，下一步的试验将进一步针对还原温度和催化剂、配 碳量之间的关系做优化试验，找出得到金属化率高并且最经济的方案，另外还需考 虑加入脱硫剂的问题。并且试验还要转入转底炉中进行。 本课题的另一部分试验用 xxx 铁精矿还原铁粉磨选部分，已由谭 久华同学完成，证实还原球团经磨选后能将还原球团中的铁粉和钒钛富集料良好的 分离。 结 论 用钒钛铁精矿为原料，煤粉为还原剂，

40、铁粉为催化剂，能够很好的还原钒钛 铁精矿的铁氧化物。 试验中所确定的工艺条件温度在1200、内配碳为19%、催化剂1%、时间为 50min，可以制得金属化率为86.73%的金属化球团。 催化剂可以降低金属化球团的还原温度。 上述的试验结果是在马弗炉中进行试验所得出的，由于时间和设备的限制， 本试验未能转入转底炉中进行，试验过程中的还原气氛的控制并不理想，试验过程 中存在氧化气氛，对配碳量、催化剂加入量、还原时间、还原温度的影响存在影响， 使转底炉制取钒钛微合金化铁粉的一次还原工艺存在一定的偏差。试验还需进一步 的研究和探索。 参 考 文 献 1a bellosi r，calzavarini m

41、 g，faga，et al.characterisation and application of titanium carbonitride-based cutting toolsj.journal of materials processing technology，2003，39(144)：527532. 2汪云华，彭金辉，杨卜.钒钛铁精矿制取还原铁粉工艺及改进途径探讨j.金属矿山， 2006，355(1)：94-97. 3王世俊，王克非，乐可襄.二次精还原工艺对铁粉化学成分的影响j.安徽工业大学学报， 2001，18（2）：93-96. 4abstebt p g.powder meta

42、llurgy for high performance applicationsj.metal powder report，1986，41(1)：64-68. 5lindskog p，arbstedt p g.powder metallurgy of superalloyj.powder metallurgy，1986，29(1)：10-20. 6耀星摘.磁铁矿制备超纯铁精矿粉j.粉末冶金工业，1998，8(1)：25-27. 7崔忠圻.金属学与热处理m.北京：机械工业出版社，2000：116-120. 8戴起勋.金属材料学m.北京：化学工业出版社，2005：17-35. 9宋维锡，王明胜.金

43、属学m.北京：冶金工业出版社，1979：10-26. 10 黄希祜.钢铁冶金原理m.北京：冶金工业出版社，2002：55-96. 11康思琦.内配碳球团矿等温还原动力学数模的研究m.北京：冶金工业出版社，1992：1-6. 12 杨卜，彭金辉，汪云华，等.一种钒钛铁精矿制备还原铁粉的新工艺j，矿产综合利用， 2006，13（1）：12-15. 13 李云雁，胡传荣.试验设计与数据处理m北京：化学工业出版社，2005：79-136. 附录a 布多尔反应的热力学原理 反应式（2.1）推导得： 式（a.1） 式中k平衡常数； co、co2、分别为平衡气相中 co和co2的体积分数和 co+co2的体

44、积分数之和 。 pco、pco2、p分别为平衡气相中 co和co2的分压力和体系气相中的总压力（包括 其它气体的分压） ； 解以上方程组，得平衡气相成分函数 式（a.2） 如体系中的总压 p为0.1mpa，而co和co2的分压可由其体积分数 ()来间接表征，假设 的取值分别为100、50、10、5、1，并注意到式（ a.1）中k1为t的函数： 式（a.3） 但从总体来看，反应（ a.2）的co（t）应是增函数，这可以通过如下数学推导证明。 设体系中的总压 p（包括其它气体的分压）为0.1mpa，则： 式（a.4） 2 11 24 1 100 100() co kkk 对k1求导数： 式（a.5

45、） 因： ， 故： 再由式（a.4）lgk1对t求导数： 2 2 2 1 100 100 2 2 () () co co co co coco co co p p p k pp pp 2 11 124 100 100 () co kk k pp pp 0 1 8698.49 1 1 8698.49 19.147 8.93 lg8.93 10 t t g tt k k 22 11 22 111 25250025 kkk kk 1 22 2 11 1 252500 2 1 1 25 501() k k co k k k k 1 0 co k 式（a.6） 1 11 11 22 1 11 2 lgl

46、g lglg8698.498698.49 0 8698.49 0 lg dke dkk dkdkdk dtd kdttt dkk dtet 整理后： 式（a.7） 式中e为自然对数的底，将a.1和a.2结合做图得到图2.1和2.2，从这两个图的曲线关 系证实了以上的推导过程，即co(t)是增函数。 1 1 0 coco dk tkdt 附录b 回归正交试验方案 表b.1 回归正交试验方案 实验 号 z1z2z3z4加热温度加热时间/min催化剂/%配碳量/%加铁精矿/g加催化剂/g配碳量/g总量/g聚丙铣铵/g 111111309.3105.34.216.379.704.216.3/80.26

47、 % 104.210.42 2111-11309.3105.34.213.783.004.217.00104.210.42 311-111309.3105.30.816.379.700.820.30100.810.08 411-1-11309.3105.30.813.783.000.817.00100.810.08 51-1111309.344.64.216.379.704.220.30104.210.42 61-11-11309.344.64.213.783.004.217.00104.210.42 71-1-111309.344.60.816.379.700.820.30100.810.0

48、8 81-1-1-11309.344.60.813.783.000.817.00100.810.08 9-11111140.7105.34.216.379.704.220.30104.210.42 10-111-11140.7105.34.213.783.004.217.00104.210.42 11-11-111140.7105.30.816.379.700.820.30100.810.08 12-11-1-11140.7105.30.813.783.000.817.00100.810.08 13-1-1111140.744.64.216.379.704.220.30104.210.42 1

49、4-1-11-11140.744.64.213.783.004.217.00104.210.42 15-1-1-111140.744.60.816.379.700.820.30100.810.08 16-1-1-1-11140.744.60.813.783.000.817.00100.810.08 171.483000135075.02.515.081.252.518.75102.510.25 18- 1.483 000110075.02.515.081.252.518.75102.510.25 1901.483001225120.02.515.081.252.518.75102.510.25

50、 200- 1.483 00122530.02.515.081.252.518.75102.510.25 21001.4830122575.05.015.081.255.018.75105.010.50 2200- 1.483 0122575.00.015.081.250.018.75100.010.00 230001.483122575.02.517.079.002.521.00102.510.25 24000- 1.483 122575.02.513.084.002.516.00102.510.25 250000122575.02.515.081.252.518.75102.510.25

51、260000122575.02.515.081.252.518.75102.510.25 附录c 回归方程的计算过程 根据文献13介绍的方法计算得： =360.3246； n i i y 1 =80.587； =-6.856； =-93.7901； =93.6630； n i iiy z 1 1 n i iiy z 1 2 n i iiy z 1 3 n i iiy z 1 4 =20.3986； n i i z 1 2 1 n i i z 1 2 2 n i i z 1 2 3 n i i z 1 2 4 =20.5398；=-6.7192；=-1.3991；=- n i i yzz 1 2

52、1 )( n i i yzz 1 31 )( n i i yzz 1 41 )( n i i yzz 1 32 )( 15.4780； =16.0664；=83.2566； n i i yzz 1 42 )( n i i yzz 1 43 )( =16； n i i zz 1 2 21 )( n i i zz 1 2 31 )( n i i zz 1 2 41 )( n i i zz 1 2 32 )( n i i zz 1 2 42 )( n i i zz 1 2 43 )( =-16.5705；=-21.2671；=-14.6066；= -2.2861； i n i i yz 1 1) (

53、 i n i i yz 1 2 )( i n i i yz 1 3 )( i n i i yz 1 4 )( =9.6739； 2 1 1) ( n i i z 2 1 2 )( n i i z 2 1 3 )( n i i z n i i z 1 2 4 )( a=13.8586 式 n i i y n 1 1 26 3246.360 （c.1） b1=/= 80.587/20.3986=3.9506 n i iiy z 1 1 n i i z 1 2 1 b2=/=-6.856/20.3986= -0.3361 式 n i iiy z 1 2 n i i z 1 2 2 （c.2） b3

54、=/= -93.7901/20.3986= -4.5979 n i iiy z 1 3 n i i z 1 2 3 b4 =/=93.6630/20.3986=4.5916 n i iiy z 1 4 n i i z 1 2 4 b12=/=20.5398/16=1.2837 n i i yzz 1 21 )( n i i zz 1 2 21 )( b13=/=-6.7192/16=-0.4120 n i i yzz 1 31 )( n i i zz 1 2 31 )( b14=/=-1.3991/16=-0.0874 式 n i i yzz 1 41 )( n i i zz 1 2 41 )

55、( （c.3） b23=/=-15.4780/16=-0.9674 n i i yzz 1 32 )( n i i zz 1 2 32 )( b24=/=16.0664/16=1.0042 n i i yzz 1 42 )( n i i zz 1 2 42 )( b34=/=83.2566/16=5.2035 n i i yzz 1 43 )( n i i zz 1 2 43 )( b11=/= -16.5705/9.6739=-1.7129 i n i i yz 1 1) ( 2 1 1) ( n i i z b22=/= -21.2671 /9.6739=-2.1984 式 c.4) i

56、n i i yz 1 2 )( 2 1 2 )( n i i z b33=/= -14.6066 /9.6739=-1.5099 i n i i yz 1 3 )( 2 1 3 )( n i i z b44=/= -2.2861/9.6739=-0.2363 i n i i yz 1 4 )( n i i z 1 2 4 )( 规范变量与试验指标之间的回归关系式为： y=13.8586+3.9043z1-0.3361z2-4.5979z3+4.5916z4+1.2837z12-0.4120z13-0.0874z14- 0.9674z23+5.2035z34-1.7129z1-2.1984z2-

57、1.5099z3-0.2363z4 回归方程及偏回归系数的显著性检验： sst=7223.7734-4993.6083=2230.1651 2 11 2 )( 1 n i i n i i y n y ss1= (3.9506)2*20.3986=318.3659 2 1 b n i i z 1 2 1 ss2=(-0.3361)2*20.3986=2.3043 式 2 2 b n i i z 1 2 2 （c.5） ss3=(-4.5125)2*20.3986=415.3697 2 3 b n i i z 1 2 3 ss4=(4.5916)2*20.3986=430.0594 2 4 b n i i z 1 2 4 ss12= =(1.2837)2*16=26.3662 2 12 b n i i zz 1 2 21 )( ss13= =(-0.4120)2*16=2.7