H?富集和矿石矿物学对悬浮熔炼炼铁过程中不同类型铁矿石还原的影响

《Powder Technology》：Impact of H 2-enrichment and ore mineralogy on the reduction of varying iron ores in suspension smelting ironmaking

铁矿石在氢气富集的CO-CO2-Arg气氛中经热重分析研究表明，氢含量增加显著提升还原速率和最终转化率，且矿物组成（如赤铁矿与戈登石含量）对总还原率影响更显著。水煤气变换反应引起气体组成动态变化，影响实验结果分析。扩散控制机制占主导，活化能随氢含量增加而降低，最高达79.91 kJ/mol。预处理工艺优化可提升还原效率。

　　在钢铁制造领域，铁矿石的还原是一个关键的工艺环节，对整个生产过程的碳排放具有重要影响。HIsarna?作为一种创新的铁冶炼技术，正在为减少碳排放和推动钢铁行业可持续发展提供新的可能性。该技术通过在高温度条件下（约1773K）同时进行铁矿石的热分解和气体还原，实现铁矿石的高效还原。本文探讨了HIsarna?还原气体中氢气浓度的变化对铁矿石预还原过程的影响，重点分析了不同矿石矿物学对还原行为的调控作用。

HIsarna?的还原过程发生在炉体上部的旋风转换器中，随后在下部熔融浴中完成最终还原。由于炉体上部的高温环境，热分解和气体还原这两种反应机制在预还原阶段同时发生。研究采用了三种不同铁矿石（OreA、OreB和OreC），其中OreA含有较少的赤铁矿，而OreB和OreC则含有不同比例的针铁矿。这些矿石在不同氢气浓度的还原气体中进行了热重分析（TGA）实验，以评估氢气富集对还原过程的影响。

在等温条件下，氢气浓度的增加显著提高了铁矿石向磁铁矿的转化率，同时加快了反应速度。当氢气浓度为7.5%时，反应在502–794秒内达到饱和；当浓度增加至22.5%时，饱和时间缩短至375–583秒；而37.5%的氢气浓度使饱和时间进一步缩短至206–297秒。这种变化表明，氢气浓度的提升能够显著优化还原过程，提高反应效率。此外，不同氢气浓度下计算出的活化能分别为77.60、69.12和79.91 kJ/mol，进一步说明氢气的引入对还原机制具有重要影响。

然而，在非等温条件下，矿石的矿物学特性对还原效果的影响更为显著。随着针铁矿含量的增加，矿石的总转化率也相应提高。这表明，在HIsarna?还原过程中，矿石的矿物组成对还原效率具有决定性作用。尽管氢气的引入可以加速反应，但其效果在不同矿物学背景下存在差异，且非等温条件下的反应行为更为复杂，因为热分解和气体还原过程同时进行，相互影响。

实验采用了一种对称型热重分析仪（TGA）进行，模拟了HIsarna?的还原气体环境。实验条件包括不同的还原气体组成（A7.5H?、A22.5H?和A37.5H?），以及不同温度下的反应过程。通过分析实验数据，研究人员能够更深入地理解还原过程的动态变化。在等温实验中，主要关注的是铁矿石在不同氢气浓度下的转化行为，而在非等温实验中，则更全面地考察了热分解和气体还原的相互作用。

研究还涉及了还原气体中水煤气变换反应（WGSR）的影响。这一反应在高温下显著影响气体组成，导致水蒸气和氢气浓度的变化。在等温条件下，水煤气变换反应的进行使得气体组成随温度变化而变化，从而影响还原过程的速率和效率。在非等温实验中，这种影响更为复杂，因为反应过程中温度不断上升，进一步促进了水煤气变换反应的进行。

此外，实验结果表明，氢气浓度的提升虽然有助于提高还原效率，但同时也受到还原气体中其他成分（如CO和CO?）的影响。氢气的高扩散性使得其在还原过程中更为高效，而CO的扩散性较低，因此在相同PCR条件下，氢气浓度的增加能够显著提高转化率。然而，当氢气浓度进一步增加，PCR降低时，活化能反而上升，这表明在高氢气浓度下，反应的复杂性增加，可能导致其他反应机制的参与，从而影响整体还原效率。

在非等温条件下，研究人员还观察到，随着温度的升高，针铁矿和赤铁矿的热分解过程与气体还原相互作用，导致转化率的变化。例如，在A37.5H?条件下，还原反应在较高的温度范围内持续进行，表明氢气的引入能够延长反应时间，提高转化率。然而，由于热分解和气体还原过程的复杂性，很难将转化率的变化完全归因于单一因素。

实验还采用了扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDS）等技术，对矿石在不同还原条件下的微观结构和元素分布进行了分析。这些分析结果进一步支持了还原过程中气体扩散的主导作用，表明还原速率主要受气体在产品层中的扩散控制。同时，研究还指出，水煤气变换反应对还原过程中气体组成的影响，使得转化率的变化与系统压力的变化密切相关。

综上所述，HIsarna?还原过程中，氢气的富集能够显著提高铁矿石的还原效率，但其影响程度取决于矿石的矿物学特性和还原气体的组成。等温条件下，氢气的引入主要影响反应速度和转化率，而非等温条件下，矿石的矿物组成对转化率的影响更为显著。此外，水煤气变换反应的存在使得还原过程中的气体组成发生变化，进而影响反应的速率和最终转化率。这些发现为优化HIsarna?还原工艺提供了重要的理论依据，也为未来进一步研究不同矿石矿物学对还原行为的影响奠定了基础。