铁酸钙与赤铁矿的非等温还原动力学( Non-isothermal reduction kinetics of calcium ferrite and hematite )

G. Li C.-Y. Ding S.-W. Xuan X.-W. Lü S.-S. Wu

烧结矿和块矿的还原行为对炼铁工业的降焦具有重要意义。烧结矿和块矿的等温还原行为已被广泛研究，但对其还原过程中的非等温还原行为的研究却很少。研究烧结矿和块矿中分别含有的铁酸钙和赤铁矿的还原行为，可以对实际操作提供更有意义的指导。比较铁酸钙和赤铁矿的还原行为涉及到一些热力学参数从还原过程的角度来看，赤铁矿在还原过程中的探索程度远远超过了铁氧体钙。此外，在研究铁氧体钙和赤铁矿的还原行为时，以往的研究重点是1-100 mm的球团矿样品，很少采用微米级粉状样品(1-100μm)。然而，目前微米级颗粒在流化床法和非高炉法中被广泛应用，如Finex~法；因此，本研究对铁氧体钙和赤铁矿进行了比较，考虑了它们的还原路线和还原动力学。粉状钙的非等温还原实验在30%Co和70%N2的连续流中，以10K·min~(-1)的速率加热到1123K的铁氧体和赤铁矿，进行了热重分析。结果表明，铁氧体和赤铁矿的还原过程分别始于873K和623K。还原速率分析和随后的X射线衍射测试表明，铁氧体和赤铁矿的还原过程可分为CaO·Fe2O3→2CaO·Fe2O3→Fe两个阶段，而赤铁矿的还原主要包括Fe2O3→Fe3O4→FeO→Fe三个阶段。用Freeman-Carroll法计算了活化能，铁氧体和赤铁矿还原的平均值为49.88分别为43.74K·J·mol~(-1)和43.74K·J·mol~(-1)铁酸钙的还原可以用随机瞬时成核和二维核增长模型来描述，其对应的模型函数是积分形式为[-ln(1-α)]~n的Avrami-Erofeev方程，而赤铁矿的还原最初用积分形式为1-(1-α)~3的三级化学反应模型（还原度α=0.1~0.5)，后来用积分形式为α+(1-α)ln(1-α)的二维圆柱扩散模型(α=0.5~0.9)来表示。

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