氢气与一氧化碳相互作用对铁氧化物还原粘结与软熔滴落的影响机制

摘要

氢气（H2）取代一氧化碳（CO）参与铁氧化物的还原，虽然现阶段在工业应用的经济性与技术性上仍存在挑战，但在环境友好方面极具前景，是炼铁工业降低碳排放的潜在技术之一。为了梳理H2对铁氧化物还原相伴特征的影响规律，本论文基于详实的文献调研，提出针对非高炉炼铁中铁氧化物还原粘结行为与高炉炼铁中铁氧化物的软熔滴落行为，探究H2与CO相互作用对于两者的过程转变的影响机制。　　研究结果表明：①在相同的温度下，H2和CO还原后样品的剪切应力均约为4MPa，但H2还原条件下剪切应变小。前者与粘结面积呈正相关，后者取决于粘结界面的微观形貌。虽然CO还原条件下样品表面产生铁晶须，但是H2参与还原会显著抑制铁晶须的生长而形成瘤状铁。进一步提高H2浓度、还原温度和反应时间，除促进晶粒尺寸长大外，对于微观形态的影响有限；然而铁氧化物颗粒尺寸减小会促使晶须发生变形，显著降低剪切应变。②通过HAADF-STEM解析铁晶须的原子结构，表明铁晶须在纵向上沿[200]方向生长，横向上沿[110]方向生长，并进一步揭示铁氧化物的还原初期的应力释放对于铁晶须生长至关重要，并基于实验研究结果提出铁氧化物界面处H2与CO相互作用的铁晶须生长模型，用于定性阐述铁晶须的生长机理。③对于氧化亚铁与焦炭混合料层的软化滴落规律而言，在900-1000℃温度范围，H2可以减少料层中焦炭的进一步破坏，其收缩速率（SR）由CO还原条件下的0.31%/℃降低至0.16%/℃。与此同时，当温度高于1350℃时，当H2取代CO，还原铁的渗碳过程是仅能通过焦炭的固态扩散，而切断了CO析出碳来源，虽然有效地改善了料层的透气性，但在相同条件下料层熔化对应转变温度提高100℃。④以氧化亚铁为核心的四元氧化物料层，在H2还原条件下第二阶段的SR约为0，还原后料层形成一个整体，渣铁未能分离，导致料层的压差较大。特别的对于FeO-CaO-MgO-Al2O3四元氧化物，由于氧化物间形成复杂的物相，在各气氛下均未发生滴落。FeO-CaO-SiO2-MgO-Al2O3五元氧化物下，H2+CO混合气还原加速整个料层的收缩率在第一阶段达到47%，显著高于单一还原气体下的结果。但在高温段该气氛对收缩的作用效果减弱。H2参与的还原在该料层结构下开始滴落温度较CO低，滴落量较少，单一H2气氛下料层无滴落。H2参与的还原压差居于CO气氛与N2气氛之间。N2气氛下的失重最大。进一步提出H2与CO的相互作用机制用以定性表述四元及五元氧化物软熔滴落行为的转变。H2、CO与H2+CO对不同的料层结构在收缩的不同阶段表现出积极的或负面的作用效果。

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