碳化铁制备过程中原料微观结构和氧化物添加剂的影响

摘要

本文介绍了碳化铁的基本性质、用途、碳化铁的研究历史和现状，对碳化铁制备过程中反应温度、气氛、各种夹杂物和添加物对制备过程及碳化铁性质的影响进行了详尽的文献综述。针对目前碳化铁的制备过程中反应速率和产率不高、以及矿石原料的结构对反应过程的影响不明的状况，研究了矿石的微观结构对碳化铁制备过程的影响和氧化物添加剂对碳化铁反应速度和产率的影响。结论如下： 1.铁矿石与CH4-H2反应的热力学 铁矿石与CH4-H2反应主要分为还原和碳化两个阶段，根据反应物以及不同产物的热力学数据求出了各个反应的自由能变化，求出了不同温度的Fe-C-H-O体系的平衡图，从平衡图得知：在同一温度下，当总压一定时，随着反应气氛中水蒸汽分压的增高，碳化铁难以生成；随着反应温度的提高，碳化铁生成的区域变小。经实验验证，105Pa，1023K，CH4/H2=30/70是生成碳化铁的比较合适的条件。 2.铁矿石及过渡相铁的孔隙度对制备碳化铁的影响 选取不同致密度三种矿石，在1023K与CH4/H2=30/70的混合气体反应，经TG和XRD分析发现：疏松的矿石有利于还原和碳化反应。对各矿石原矿、部分碳化的还原铁或是未碳化的还原铁做SEM、EDS以及孔隙分析后发现，矿石的还原和碳化是从外向内逐渐进行，疏松的结构有利于铁矿石的彻底还原并得到疏松多孔的还原铁，这些有利于碳化铁的形成。 3.氧化物添加剂对碳化铁转化速度和转化率的影响 选取巴西矿粉做为氧化铁原料，分别添加不同含量的Cr2O3、MnO2、TiO2、V2O5后进行了还原-碳化实验，对各试样做TG、XRD以及穆斯堡尔谱分析，得到如下结论：TiO2对铁矿石的还原和碳化都有阻碍作用，Cr2O3、MnO2对矿石还原和碳化铁的生成影响作用不大；V2O5对反应过程有明显的促进作用，在当前实验条件下添加1％V2O5后，反应30min试样中96％碳化铁能稳定存在。 4.用CH4-H2与添加V2O5铁矿石反应制备碳化铁的动力学 在本实验条件下，可以按未反应核收缩模型来建立动力学方程，反应进度与时间的关系为：1-(1-x)1/3=Kt。从实验得到的表观反应的速率常数K值大小可知：V2O5对铁矿石还原的促进作用很弱；V2O5对铁碳化的促进作用很强，添加1％V2O5后，反应速率常数有不同幅度的提高，特别是在1023K时，反应速率常数提高了86％。

目录

文摘

英文文摘

第一章文献综述

第二章铁矿石与H2-CH4反应热力学分析

第三章孔隙度对铁矿石转化率的影响

第四章添加剂对碳化铁转化速度和转化率的影响

第五章CH4-H2与添加V2O5的铁矿球团反应制备碳化铁的动力学

第六章结论

参考文献

附录攻读硕士学位期间业绩

致 谢