1.2 實驗方法

通過質(zhì)量流量控制器精確調(diào)控H2、CO、N2等組分的流量，每次取50 g鐵礦粉作為試樣，試樣在預熱和冷卻過程通入流速為0.6 m/s的高純N2保護。

流化實驗結(jié)束后，采用滴定法對還原后樣品進行化驗分析，得到全鐵和金屬鐵，以計算其還原度。借助X射線衍射分析儀、掃描電鏡、能譜分析等手段對還原前后試樣的物相和微觀形態(tài)進行觀察。

1.3 實驗裝置

實驗裝置圖如圖1。反應段為雙層石英管，內(nèi)管為流化床，氣體流經(jīng)外管和內(nèi)管夾層進行預熱，然后流入流化床。外管外側(cè)是加熱爐，通過質(zhì)量流量計調(diào)控CO和H₂的配比和流速，鐵礦粉在雙層石英管的內(nèi)管進行還原，通過壓力計測量床層壓差△p，判斷流態(tài)化還原黏結(jié)失流情況。

 
1-氣體混勻和預熱區(qū)；2-氣體分布孔；3-流化床；4-K型熱電偶；5-氣體流量閥；6-旋轉(zhuǎn)螺旋閥；7-氣體流量計；8-氣體干燥劑；9-加料和取樣端口；10-法蘭；11-除塵過濾器；12-氣體分析儀；13-排氣口；14-加熱器；15-溫度控制器；16-壓力傳感器
圖1 實驗裝置示意圖
Fig. 1 Schematic diagram of experimental apparatus

2 實驗結(jié)果和討論

2.1 還原溫度對不同礦粉還原度的影響

    楊迪礦粉、大昌礦粉和巴西礦粉3種礦粉在不同還原溫度條件下還原度的變化趨勢如圖2。

 
圖2 三種礦粉的還原度隨還原溫度變化趨勢圖
Fig.2 The tendency chart shows the reducibility of three kinds omineral powder changes for different temperature

由圖2可知，在實驗規(guī)定的反應溫度區(qū)間內(nèi)，三種鐵礦粉的還原度都隨著溫度的升高而增加，其中楊迪礦粉的變化趨勢比較小。在整個溫度區(qū)間，和溫度為650℃下的還原度值相比較，楊迪礦粉僅僅增加了7%。根據(jù)實驗結(jié)果可知，雖然礦粉還原度的變化趨勢都是隨著實驗溫度的升高而增加，但實驗溫度對楊迪礦粉的影響并不是很大。因此要通過改變還原溫度來提高這種鐵礦粉的還原度，效果不會太好。
大昌鐵礦粉和巴西精礦的還原度都隨著實驗溫度的升高而發(fā)生了較大的變化，巴西礦粉的還原度增加最為明顯。在實驗的溫度區(qū)間內(nèi)，和650℃下的還原度相比較，巴西精礦的還原度增加了21%，大昌鐵礦粉的還原度增加了16%。通過改變還原反應的溫度，還原度的增幅能夠達到一半左右，極大地促進了還原反應的發(fā)生。

2.2 還原溫度對流化時間的影響

    選取巴西礦粉作為實驗材料，在650，750，850 ℃溫度下進行研究，實驗過程中流化床壓差變化趨勢趨勢見圖3。

 
Fig. 3 The tendency chart of Brazilian powder in different temperature

從圖3中可以看出，還原溫度650 ℃時，還原50 min，流化床的壓差波動穩(wěn)定；還原溫度850 ℃時，還原12 min后，床層壓差開始下降，說明礦粉顆粒開始黏結(jié)；還原溫度750 ℃時，還原30 min后，床層壓差開始下降。

    巴西礦粉還原20min后黏結(jié)狀況如圖4所示。低溫時，礦粉表面還原出來的金屬鐵原子不對，鐵原子擴散能力不強，鐵晶須能量較低，勾連傾向性不強，加之流化床內(nèi)礦粉顆粒在氣體曳力作用，礦粉顆粒不斷運動，所以在650℃以下還原，礦粉不易發(fā)生黏結(jié)失流。

2.3 還原溫度對微觀形貌的影響

    圖5為巴西礦粉在不同溫度下的掃描電鏡照片。由圖5（a）可知，還原前礦粉顆粒表面平整而且雜質(zhì)少，呈平板狀。隨著顆粒內(nèi)外區(qū)域化學反應的進行也伴隨著體積縮小，所以還原后的顆粒都產(chǎn)生了大量的裂紋和孔隙，形成了多孔或者長裂縫的產(chǎn)物層。圖5（b）顆粒表面有許多微孔和多個微孔連成的裂紋，表面仍然較為平整，但是許多顆粒表面部分區(qū)域出現(xiàn)了較長的鐵晶須，顆粒之間通過鐵晶須相互勾連在一起，呈錐形瘤狀物，顆粒間的間隙較大，能譜分析該物質(zhì)為金屬鐵，因此，新析出的金屬鐵是導致礦粉顆粒黏結(jié)失流的主要原因。由圖5（c）和圖5（d）可知，還原溫度在750℃時，與650℃時微觀形貌相接近，但是在850℃時，顆粒變化較大，表面細微的微孔和裂紋的寬度增大，約1μm左右，呈凸錐狀，使得礦粉顆粒相互黏結(jié)在一起。