2578.用攀枝花還原鐵精礦制取鐵粉還原部分

1、xxx 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 用用 xxx 還原鐵精礦制取鐵粉還原鐵精礦制取鐵粉 還原部分還原部分 學(xué)生姓名： 學(xué)生學(xué)號： 院（系）： 材料工程系 年級專業(yè)： 級材料科學(xué)與工程 指導(dǎo)教師： 高級工程師 助理指導(dǎo)教師： 二七年六月 摘 要 本課題以xxx鐵精礦為原料，以煤粉為還原劑、鐵粉為催化劑，研究制取釩鈦 微合金化鐵粉的一次還原工藝。在前人使用轉(zhuǎn)底爐還原釩鈦鐵精礦的基礎(chǔ)上進(jìn)行探 索和研究，為研究用轉(zhuǎn)底爐還原制取釩鈦微合金化鐵粉做前期準(zhǔn)備，在馬弗爐內(nèi)還 原內(nèi)配碳球團(tuán)。采用四元二次正交回歸設(shè)計(jì)試驗(yàn)，在對其結(jié)果進(jìn)行回歸分析和方差 分析中，得到金屬化率和還原溫度、內(nèi)配碳、催化劑的函數(shù)表達(dá)式。再結(jié)

2、合單因素 時(shí)間和溫度試驗(yàn)，得到在還原溫度為1200、還原時(shí)間為50min、內(nèi)配碳為19%、催 化劑為1%條件下，金屬化率為86.73%的金屬化球團(tuán)。 關(guān)鍵詞 鐵粉，還原，xxx鐵精礦 abstract basing panzhihua iron concentrate as raw materials, coal as the reductant and iron powder as catalyst, the subjects studied to prepare vanadium-titanium-iron powder of are reduction process. do explo

3、re and research on the basis of our predecessors to restore vanadium tr concentrate by furnace so that we can make early preparations for studying to restore titanium-vanadium alloys of iron powder, restoring carbon pellets in muffle furnace. the function expression of metallized and temperature red

4、uction, within carbon, catalyst is gotten by orthogonal regression design in its results for regression and variance analysis. together with the single factor of time and temperature tests, we can get the metal pellets, whose metal rate is 86.73% on the condition of reducing temperature of 1200 c, r

5、educing the time to 50 minutes, within carbon to 19%, 1% catalyst. keywords iron powder, reduction, panzhihua iron concentrate 目目 錄錄 摘摘 要要i abstractii 1 緒論緒論1 1.1 課題背景課題背景1 1.1.1 現(xiàn)有還原鐵粉的生產(chǎn)方法1 1.1.2 用釩鈦鐵精礦生產(chǎn)還原鐵粉的歷史概況1 1.2 研究進(jìn)展研究進(jìn)展3 1.3 本課題研究的意義本課題研究的意義3 2 基本原理基本原理5 2.1 試驗(yàn)溫度分析試驗(yàn)溫度分析5 2.1.1 最低溫度分析5 2.1

6、.2 最高溫度分析 6 2.1.3 溫度對還原速度的影響6 2.2 配配碳碳量量的的分分析析 7 2.3 催化劑的分析催化劑的分析7 3 試驗(yàn)內(nèi)容試驗(yàn)內(nèi)容8 3.1 試驗(yàn)設(shè)備和原料試驗(yàn)設(shè)備和原料8 3.2 工藝流程工藝流程8 3.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)試驗(yàn)設(shè)計(jì)9 3.4 試驗(yàn)步驟試驗(yàn)步驟10 3.4.1 基本步驟10 3.4.2 制作坩堝10 3.4.3 球團(tuán)的制作10 3.4.4 球團(tuán)的還原10 3.5 金屬化球團(tuán)的制樣及化驗(yàn)金屬化球團(tuán)的制樣及化驗(yàn)11 4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理12 4.1 回歸正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果回歸正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果12 4.2 補(bǔ)充試驗(yàn)補(bǔ)充試驗(yàn)13 4.3 討論討論15 結(jié)結(jié)

7、論論16 參參 考考 文文 獻(xiàn)獻(xiàn)17 附附錄錄 a：布布多多爾爾反反應(yīng)應(yīng)的的熱熱力力學(xué)學(xué)原原理理18 附錄附錄 b：回歸正交試驗(yàn)方案：回歸正交試驗(yàn)方案20 附錄附錄 c：回歸方程的計(jì)算過程：回歸方程的計(jì)算過程21 致致 謝謝24 1 緒論 1.1 課題背景 目前我國汽車工業(yè)發(fā)展迅速，由此帶動(dòng)我國粉末冶金工業(yè)快速發(fā)展，鐵粉需求 旺盛。特別是我國微合金化鐵粉基本依賴進(jìn)口，年微合金化鐵粉進(jìn)口量達(dá)5萬噸以上。 前人的研究已證實(shí)釩鈦對鐵基材料有很好的強(qiáng)化作用1，攀西地區(qū)的釩鈦磁鐵礦有制 取出天然釩鈦微合金化鐵粉的潛力。2005年以來，xxx學(xué)院和龍蟒集團(tuán)采用轉(zhuǎn)底爐 代替隧道窯直接還原鐵精礦球團(tuán)取得了成功

8、，從而克服了隧道窯還原帶來的弊端。 為用鐵精礦生產(chǎn)含天然微合金化鐵粉提供了可能性。 1.1.1 現(xiàn)有還原鐵粉的生產(chǎn)方法 鐵粉的生產(chǎn)方法主要有還原法、霧化法、羰基法和電解法，其中還原法和霧化 法是最普遍的方法，鐵精礦和鐵鱗是還原法的基本原料。工業(yè)上普遍采用的還原鐵 粉生產(chǎn)工藝有：用氫還原鐵氧化物和鐵鱗、轉(zhuǎn)化天然氣還原鐵礦和鐵鱗、煤氣還原 鐵鱗與鐵礦；聯(lián)合還原法;氫還原氯化亞鐵法；固體碳還原鐵鱗和鐵礦(赫格納斯法)， 而赫格納斯法是當(dāng)今還原鐵粉工業(yè)生產(chǎn)的主要工藝,該工藝經(jīng)歷了倒焰窯和隧道窯兩 個(gè)階段,目前用于生產(chǎn)的主要是燃重油加熱的隧道窯2。其實(shí)質(zhì)是：首先將提純的鐵 精礦(tfe70%)與固體還原

9、劑(焦碳粉末或摻混1015%石灰粉的無煙煤)以相互并不混 合的間層式裝填于耐火坩堝中，然后在隧道窯內(nèi)加熱到11501250，經(jīng)過相當(dāng)長時(shí) 間還原后冷卻到200左右取出卸罐，經(jīng)破碎磨選及干燥后所獲得的海綿鐵粉用氨分 解并在耐熱的鋼帶式爐內(nèi)進(jìn)行還原退火(退火溫度為800900),便得到還原鐵粉3。 目前國內(nèi)采用釩鈦鐵精礦制取還原鐵粉主要是長沙礦冶研究院所提供的隧道窯- 還原磨選法生產(chǎn)粉末冶金鐵粉和中南大學(xué)提供的回轉(zhuǎn)窯-還原磨選法生產(chǎn)煉鋼鐵粉。 1.1.2 用釩鈦鐵精礦生產(chǎn)還原鐵粉的歷史概況 國外情況 用含釩、鈦的鐵精礦生產(chǎn)還原鐵粉是上世紀(jì)50年代以來國內(nèi)外關(guān)注的熱點(diǎn)，文 獻(xiàn)中指出前蘇聯(lián)于1951年

10、報(bào)道添加15%的鈉鹽在1050還原，然后磨細(xì)、磁選，獲 得含98%以上鐵的鐵粉和含7580%tio2的富鈦料。日本專利曾提出在大量鈉鹽存在 下還原釩鈦磁鐵礦，可同時(shí)獲得鐵粉和水溶性釩酸鈉和鈦酸鈉。20世紀(jì)80年代，波 蘭和新西蘭等國亦相繼報(bào)道了還原磨選分離釩鈦磁鐵精礦的試驗(yàn)結(jié)果，但鐵、鈦分 離效果不理想4。1978年蘇聯(lián)又用烏拉爾南部和中部地區(qū)的含鈦、釩、鉻、鎳等元素 的礦物制得優(yōu)質(zhì)天然合金鐵粉。但這之中只有前蘇聯(lián)的試驗(yàn)做得較為成功5。 隧道窯還原磨選法 20世紀(jì)90年代，長沙礦冶研究院在試驗(yàn)室進(jìn)行了隧道窯-還原磨選法還原釩鈦鐵 精礦制取鐵粉的研究,并在攀鋼(集團(tuán))原礦業(yè)公司鐵基廠進(jìn)行了小規(guī)模

11、的工業(yè)性試驗(yàn)， 所采用的工藝流程見圖1.1所示。 該工藝能得到高質(zhì)量的含 v、ti 的微合金化鐵粉但因?yàn)楹哪艽?、產(chǎn)品率低等諸 多弊端，因此最終由于成本太高而被迫停產(chǎn)。 回轉(zhuǎn)窯還原磨選法 1995年，中南大學(xué)采用冷固結(jié)球團(tuán)直接在回轉(zhuǎn)窯中還原，通過磨選分離鐵、鈦 進(jìn)行了制取鐵粉的試驗(yàn)室擴(kuò)大試驗(yàn)研究，其工藝流程見圖1.2。 該工藝具有傳熱傳質(zhì)快、產(chǎn)品合格率高、投資省、能耗低的優(yōu)點(diǎn)。但因回轉(zhuǎn)窯 結(jié)圈，還原溫度不能高于1100，鐵晶粒長大不理想等原因未能進(jìn)入工業(yè)規(guī)?；?產(chǎn)。 圖 1.1 隧道窯-還原磨選法 1.2 研究進(jìn)展 2005 年以來，xxx 學(xué)院和龍蟒集團(tuán)采用轉(zhuǎn)底爐代替隧道窯直接還原鐵精礦球團(tuán)

12、 取得了成功，從而克服了隧道窯還原帶來的弊端，有希望極大地降低用 xxx 鐵精礦 生產(chǎn)含釩鈦的天然微合金化鐵粉的前期成本。 1.3 本課題研究的意義 鐵粉包括氧化鐵還原鐵粉和鋼水霧化鐵粉，作為工業(yè)的主要原材料，廣泛地應(yīng) 用在機(jī)械、冶金、化工、航空航天材料領(lǐng)域。其世界每年總用量已超過100萬噸，制 成的粉末冶金零件近90萬噸，銷售額超過75億美元。鐵基粉末是粉末冶金工業(yè)的基 礎(chǔ)原材料，它的產(chǎn)量、品質(zhì)決定著粉末冶金工業(yè)的發(fā)展。在粉末冶金工業(yè)中,還原鐵 粉顆粒細(xì)且多內(nèi)孔,呈不規(guī)則形狀,比表面積大,多用于低、中高密度、中高強(qiáng)度的粉末 冶金制品及薄壁、異形零件等,是潤滑軸承、離合器部件、凸輪等不可缺少的

13、原材料。 汽車、摩托車工業(yè)的發(fā)展刺激并拉動(dòng)了粉末冶金工業(yè)的發(fā)展，美 71%、日本 89%的 圖 1.2 回轉(zhuǎn)窯-還原磨選 法 粉末冶金燒結(jié)零件用于汽車工業(yè)，我國目前粉末冶金燒結(jié)零件用于汽車、摩托車工 業(yè)只有 41%左右。每輛汽車所用粉末冶金零件重量:美國 19kg、日本 8kg、歐洲 7181415kg、我國 317kg。若按我國汽車工業(yè)每年 2030%的速度增長，由此帶動(dòng) 我國粉末冶金工業(yè)快速發(fā)展，鐵粉需求旺盛。 隨著我國粉末冶金機(jī)械零件工業(yè)和汽車制造工業(yè)的發(fā)展,對鐵粉需求量迅速增加, 據(jù)資料統(tǒng)計(jì),每輛汽車單車國產(chǎn)粉末冶金零件重量從 3.6kg 左右增加到 5kg 左右,而粉 末冶金機(jī)械零件

14、的應(yīng)用從 42%升至 55%左右；在磁性材料方面的應(yīng)用大約在 2 萬 t/a 左右,加之礦漿還原-軋制帶材或箔材等新工藝的出現(xiàn),不僅拓展了其用途,而且需求量 也越來越大。我國每年進(jìn)口鐵粉的數(shù)量達(dá)到 5 萬噸。加之目前汽車、摩托車工業(yè)等 各行業(yè)的迅猛發(fā)展，鐵粉的需求量很大、工業(yè)化生產(chǎn)前景廣闊6。 xxx 釩鈦鐵精礦中含有大量的釩鈦，在鐵粉的生產(chǎn)過程中有少量的釩、鈦元素 滲入到鐵粉中去，使生產(chǎn)出的鐵粉擁有比普通鐵粉更特殊的性質(zhì)。 但現(xiàn)今轉(zhuǎn)底爐還原鐵精礦是針對后期熔分、提釩、提鈦和煉鋼進(jìn)行的。而不是 針對制取鐵粉進(jìn)行的，因此，如果要用轉(zhuǎn)底爐作為生產(chǎn)還原鐵粉的設(shè)備，還需要進(jìn) 一步的探索以及相適宜的還原

15、工藝制度。 本課題的目的是在前期隧道窯、回轉(zhuǎn)窯、轉(zhuǎn)底爐的還原基礎(chǔ)上，探索用轉(zhuǎn)底爐 直接還原釩鈦鐵精礦制取鐵粉的前期研究。確定出還原工序中各工藝因素的作用規(guī) 律。為下一步磨選制鐵粉提供合格的還原球團(tuán)。為釩鈦微合金化鐵粉產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)作 好技術(shù)準(zhǔn)備。 2 基本原理 2.1 試驗(yàn)溫度分析 2.1.1 最低溫度分析 鐵氧化物的熱力學(xué)還原機(jī)理的研究已經(jīng)較為成熟，主要是由布多爾反應(yīng)的co進(jìn) 行還原。布多爾反應(yīng)如下： 式（2.1）cococ2 2 co和co2的體積百分?jǐn)?shù)之和=100時(shí)的曲線關(guān)系及co=100、50、10、5、1的半 對數(shù)曲線關(guān)系如圖 2.1和圖2.2，推導(dǎo)過程見附表 a。 圖2.1 在=100

16、時(shí)布多爾反應(yīng)的co（t）曲線關(guān)系 圖2.2 不同值時(shí)，布多爾反應(yīng)的co（t）的半對數(shù)曲線關(guān)系 從上述的由圖2.1看出當(dāng)溫度在1000k左右時(shí)，co只有7080%。當(dāng)溫度在 1200k以上的時(shí)候，c反應(yīng)生成co的含量可以達(dá)到95%以上，co含量的增加可以 使反應(yīng)充分的完成，不但使試驗(yàn)中的原料達(dá)到很好的利用，而且降低了成本。因 此還原溫度應(yīng)該在 1200k以上。 2.1.2 最高溫度分析 從fe-c相圖2.37,8中可見，當(dāng)鐵 中含碳量大于2.11%的情況下，其固 液平衡相溫度點(diǎn)為1148。 ，含碳小 于2.11%的情況時(shí)，含碳量越低，固 液平衡溫度點(diǎn)越高。液相的形成對 下一步重選分離不利，而還原

17、過程 中金屬鐵中的含碳量具有不確定性， 因此應(yīng)避免在太高的溫度下還原， 另外也有利于降低成本。 2.1.3 溫度對還原速度的影響 還原的時(shí)間和溫度對固體碳還 原鐵精礦有顯著的影響，溫度的提 高可以顯著的縮短固體碳的還原時(shí) 間，因?yàn)閒eo的還原速度受布多爾反 應(yīng)的速度的影響。提高還原溫度， 加速了碳的氣化反應(yīng)，從而還原時(shí) 間縮短。因?yàn)殡S著溫度的升高，co 濃度和co產(chǎn)生的速度增加，再由圖 2.2可知，到1000以上時(shí)，co2幾 乎全部變成co，提高溫度還對提高還原反應(yīng)速度和co向氧化鐵內(nèi)擴(kuò)散有利9。隨著 溫度的提高，氧化鐵的表面活性區(qū)的數(shù)目也隨之增加，可以加速還原劑的產(chǎn)生和co 向產(chǎn)物的擴(kuò)散，也

18、使固相擴(kuò)散（c與fe的離子的遷移）易于進(jìn)行。因而有利于新相晶 格的產(chǎn)生與重建。在圖2-4中可以看出10，在溫度1300時(shí)，co2的反應(yīng)非常迅速， 而在900時(shí)經(jīng)過80秒，但反應(yīng)還是沒有完成，如果將溫度進(jìn)一步提高到1200，還 原的速度將大大提高，鐵粉產(chǎn)量也得到進(jìn)一步增長。但溫度不能無限制提高，因?yàn)?隨溫度提高，鐵離子的定向排列，晶格缺陷的減少和閉塞，造成co及其還原產(chǎn)物擴(kuò) 圖 2.3 fe-c 相圖 散困難，這些都將減低還原速度，另外溫度過高和時(shí)間過長將會(huì)使鐵嚴(yán)重?zé)Y(jié)變硬， 使鐵粉的重選難以完成。 2.2 配碳量的分析 試驗(yàn)過程中的配碳量是的一個(gè)非常重要因素，本次試驗(yàn)中的配碳采用的是內(nèi) 配碳的

19、形式，前人指出使用內(nèi)配碳的形式不但可以加快還原的速度，而且還大大 的降低了能耗 11。配碳量影響還原過程中金屬鐵的析出率和產(chǎn)率。本文研究的配 碳量是根據(jù)如下化學(xué)反應(yīng)方程式為基礎(chǔ)計(jì)算： 式（2.2）cofecfeo 式（2.3）cofecofe33 32 由于co的揮發(fā)以及其它不確定因素，也未考慮co還原鐵 ，所以試驗(yàn)中專門對 配碳量作了相應(yīng)的試驗(yàn)。 2.3 催化劑的分析 催化劑在試驗(yàn)中起重要作用，它主要是加快形核速度，促進(jìn)晶粒長大，形核包 括均勻形核和非均勻形核。本試驗(yàn)用鐵粉作為催化劑，它作為非均勻形核的晶核。 具有與產(chǎn)品化學(xué)性能相同，加快晶粒長大的優(yōu)勢。 前人曾做過鈉鹽作催化劑的研究12，但

20、加入鈉鹽會(huì)引起球團(tuán)災(zāi)難性的崩潰。本 試驗(yàn)不采用鈉鹽，而采用鐵粉做催化劑。 900 1000 1300 1200 1100 co/% 時(shí)間/s 20 40 60 80 20 40 60 80 100 圖 2.4 co 與 c 接觸時(shí)間氣體成分和溫度關(guān)系 3 試驗(yàn)內(nèi)容 本次試驗(yàn)是在利用轉(zhuǎn)底爐和前人的試驗(yàn)工藝的基礎(chǔ)上進(jìn)行一次性還原釩鈦微合 金鐵粉工藝的研究。 3.1 試驗(yàn)設(shè)備和原料 設(shè)備：小型馬弗爐、剛玉、sic坩堝、剛玉蓋、769yp-15a粉末壓片機(jī)、燒杯、 電子天平、不銹鋼盆。 原料：xxx鐵精礦、煤粉、純鐵粉、pva（粘結(jié)劑） 、sic。 xxx鐵精礦中的各元素含量如3.1表所示： 表3.1

21、 xxx鐵精礦元素含量 元素tfefeofe2o3tio2v2o5cr2o3sio2al2o3cao 含量/%56.50023.45054.39012.5300.4000.0952.3602.4101.250 計(jì)算可得每100g的原料理論上的需c量為16.1461g，即理論上的內(nèi)配碳為17%。 試驗(yàn)室中的煤粉中的含碳量為80.26%，那么理論上的煤粉需求量為 16.1461/80.26%=20.1172g。由于試驗(yàn)過程達(dá)不到理論值，試驗(yàn)過程中的配碳量應(yīng)高 于理論值。 3.2 工藝流程 工藝流程如圖3.1所示： 圖3.1 工藝流程圖 混料 干燥 馬弗爐還原 釩鈦鐵精礦+粘結(jié)劑+催化劑 造球 還原

22、球團(tuán) 3.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 因?yàn)榛貧w正交設(shè)計(jì)可以利用較少的試驗(yàn)次數(shù)獲得較好的試驗(yàn)結(jié)果，并可以擬定 回歸方程，對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行預(yù)測和優(yōu)化，建立數(shù)學(xué)模型。所以本試驗(yàn)采用文獻(xiàn)中介 紹的回歸正交設(shè)計(jì)13。 根據(jù)上章的機(jī)理分析可以確定試驗(yàn)中的各個(gè)因素的范圍：溫度10001350。配 碳量為1317%。加熱時(shí)間為30120min。fe粉的加入量05%，如表3.2所示： 表3.2 因素水平編碼表 規(guī)范變量 自然變量 (x1)溫度/(x2)時(shí)間/min(x3)鐵粉/%(x4)配c/% 上星號臂長1350120.005.017.0 上水平 11309.3105.334.216.3 零水平 0122575.002.51

23、5.0 下水平 -11140.744.660.813.7 下星號臂長110030.000.013.0 變量間距j84.330.331.71.30 注：查表知=1.483； x1 為加熱溫度，單位為； x2 為加熱時(shí)間，單位為min； x3 催化劑（鐵粉） ； x4 配碳量(煤中c含量為80.26%，是根據(jù)上述的反應(yīng)式進(jìn)行計(jì)算的)； 各自然變量和規(guī)范變量的關(guān)系為： ； ； ； 3 . 84 1225 1 1 x z 33.30 75 2 2 x z 7 . 1 5 . 2 3 3 x z 3 . 1 15 4 4 x z 對zi做中心化處理： ； n i i z n zz 1 2 1 2 1 1

24、 1 n i i z n zz 1 2 2 2 2 2 1 n i i z n zz 1 2 3 2 3 3 1 n i i z n zz 1 2 4 2 4 4 1 0jj xx j 2 0 jj j xx x 例如 3 . 84 483 . 1 12251350 1 1225 2 11001350 10 x 1210 1122584.31309.3xx 1110 1122584.31140.7xx 試驗(yàn)方案按照以上的試驗(yàn)設(shè)計(jì)，作出如附錄b中表b.1所示的回歸正交設(shè)計(jì)表： 3.4 試驗(yàn)步驟 3.4.1 基本步驟 制作坩堝，按10%（質(zhì)量比）將粘結(jié)劑與sic混合制作坩堝。 壓制球團(tuán)，按正交回歸

25、設(shè)計(jì)表中確定的各個(gè)元素的量進(jìn)行配料，用壓片機(jī)壓 球。 球團(tuán)的還原，按照正交回歸表中所確定的溫度進(jìn)行球團(tuán)的還原。 制樣，用制樣機(jī)制作還原球團(tuán)的樣，并送化驗(yàn)室分析。 化學(xué)分析，分析球團(tuán)中的tfe、mfe、c。以便確定下一步的優(yōu)化方案。 3.4.2 制作坩堝 試驗(yàn)過程中所用的是sic坩堝，原料為粗、細(xì)兩種sic，比例為粗：細(xì)=3：4。粘 結(jié)劑為pva。步驟為： 取1.5kg粗sic、2kg細(xì)sic在不銹鋼盆中混合均勻。 將混合好的粘結(jié)劑按照10%（質(zhì)量比）的比例加入sic中。 將粘結(jié)劑和sic混合均勻，用模具把sic壓成坩堝的形狀，并制作和坩堝形狀 匹配的將成型的坩堝放入烘箱中進(jìn)行干燥。 用馬弗爐煅

26、燒坩堝，溫度控制在1400左右，煅燒30分鐘。 將煅燒好的坩堝取出，在室溫中冷卻。 3.4.3 球團(tuán)的制作 球團(tuán)在工業(yè)生產(chǎn)中用的是壓球機(jī)，因?yàn)樵囼?yàn)過程中所用的球團(tuán)的數(shù)量并不多， 所以用小型的壓片機(jī)即可，試驗(yàn)室生產(chǎn)球團(tuán)按照正交回歸設(shè)計(jì)表中確定的數(shù)據(jù)進(jìn)行 配料，每種球團(tuán)使用的量不超過200g，故而每種球團(tuán)的配量為200g，具體步驟為如 下： 通過計(jì)算得出每種球團(tuán)的鐵精礦、煤粉的重量，計(jì)算出催化劑和粘結(jié)劑的重 量。并用電子秤精確的秤量出它們的重量。 將秤量好的各種原料混合均勻，加入粘結(jié)劑，攪拌均勻。 用粉末壓片機(jī)將混合均勻的礦粉壓球，標(biāo)明它們的種類。 將壓好的球團(tuán)放入烘箱中進(jìn)行干燥。 3.4.4 球

27、團(tuán)的還原 球團(tuán)的還原在本試驗(yàn)中是致關(guān)重要的環(huán)節(jié)，它直接影響還原的金屬化率，也是 生產(chǎn)過程中比較難控制的一個(gè)環(huán)節(jié)。試驗(yàn)中的設(shè)備應(yīng)為轉(zhuǎn)底爐，因?yàn)楸驹囼?yàn)是為轉(zhuǎn) 底爐做還原鐵粉實(shí)驗(yàn)作前期工作。所以為降低成本初期在馬弗爐內(nèi)進(jìn)行。具體步驟 如下： 將球團(tuán)秤量過后放入已經(jīng)制作好的坩堝中，并做好記錄和標(biāo)記。 將裝好球團(tuán)的坩堝放入馬弗爐內(nèi)，并設(shè)定好馬弗爐的溫度。 待溫度達(dá)到預(yù)設(shè)溫度后切斷電源，坩堝內(nèi)球團(tuán)隨爐溫冷卻。 待溫度降至室溫的時(shí)候?qū)③釄迦〕?，并?biāo)明還原球團(tuán)的狀態(tài)以及重量。 需要化驗(yàn)的元素是tfe、mfe、c。 3.5 金屬化球團(tuán)的制樣及化驗(yàn) 金屬化球團(tuán)的化驗(yàn)至關(guān)重要，在化驗(yàn)結(jié)果上可以看到金屬化率以及球團(tuán)中

28、的含 碳量，它們的含量可以反應(yīng)金屬化球團(tuán)中氧化鐵的還原的程度。 化驗(yàn)之前要將金屬化球團(tuán)制樣，制樣過程如下： 將金屬化球團(tuán)用破碎機(jī)進(jìn)行破碎。 將破碎后的金屬化球團(tuán)粉末分成四等份，用小鏟將少量的粉末加入到容器中 清洗里面的粉末雜質(zhì)，用清洗出來的粉末再清洗篩網(wǎng)，并且每次制樣都要重復(fù)本步 驟。 清洗過后的粉末要打掃干凈，將要制樣的粉末再加入到清洗好的制樣機(jī)里進(jìn) 行制樣，時(shí)間控制在3min左右。 取出制好的樣在120目的篩網(wǎng)中篩選，篩選后放入試樣袋中。 化驗(yàn)成分：tfe、mfe、c。 4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理 4.1 回歸正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果 試驗(yàn)過程中坩堝沒有進(jìn)行密封，其主要原因是在最簡便的條件下確定試驗(yàn)中要

29、各個(gè)因素之間的關(guān)系，為以后的優(yōu)化試驗(yàn)做好準(zhǔn)備。球團(tuán)的失重率間接的反映了球 團(tuán)的還原程度，通過對失重率的分析可以不需要等待化驗(yàn)結(jié)果，可以在短期內(nèi)迅速 決定下一階段的試驗(yàn)。其失重率結(jié)果如表4.1所示： 表4.1 回歸正交失重率表 試驗(yàn)號z1z2z3z4加熱溫度/加熱時(shí)間/min催化劑/%配碳量/% y/% 111111309.3105.34.216.323.0900 2111-11309.3105.34.213.7-1.0000 311-111309.3105.30.816.324.0400 411-1-11309.3105.30.813.723.9852 51-1111309.344.64.21

30、6.319.9849 61-11-11309.344.64.213.7-0.7594 71-1-111309.344.60.816.324.4557 81-1-1-11309.344.60.813.721.6412 9-11111140.7105.34.216.313.3279 10-111-11140.7105.34.213.7-17.0532 11-11-111140.7105.30.816.314.718 12-11-1-11140.7105.30.813.712.8075 13-1-1111140.744.64.216.313.5857 14-1-11-11140.744.64.213

31、.7-1.2304 15-1-1-111140.744.60.816.314.5935 16-1-1-1-11140.744.60.813.712.5984 171.4830001350.075.02.515.018.1269 18-1.4830001100.075.02.515.012.5395 1901.483001225.0120.02.515.015.6599 200-1.483001225.030.02.515.012.8964 21001.48301225.075.05.015.017.5127 2200-1.48301225.075.00.015.014.0711 230001.

32、4831225.075.02.517.017.5274 24000-1.4831225.075.02.513.019.647 2500001225.075.02.515.018.3246 2600001225.075.02.515.015.2341 在1300時(shí)還原球團(tuán)均發(fā)生熔化現(xiàn)象，根據(jù)圖2.3說明在本配碳量條件下，還原 所得金屬鐵料的碳含量在1.53.0之間。并且綜合試驗(yàn)過程中的現(xiàn)象以及文獻(xiàn)中的介 紹，可以確定：當(dāng)溫度在1200以下時(shí)，還原球團(tuán)并不會(huì)熔化，并且還原的時(shí)間控 制在1小時(shí)之內(nèi)，內(nèi)配碳量在19%時(shí)最佳，催化劑的加入量在1%左右。通過試驗(yàn)以及 對比試驗(yàn)，還原氣氛是決定金屬化率高低的

33、一個(gè)重要的因素，還原氣氛在還原的過 程中影響鐵氧化物的還原，并且在還原球團(tuán)的冷卻過程中保護(hù)已經(jīng)還原了的金屬鐵 粉，使其不至于在冷卻過程中被氧化，降低金屬化率。試驗(yàn)完成過后，所進(jìn)行冷卻 的方法是用煤粉保護(hù)的環(huán)境下進(jìn)行冷卻。 失重率（）計(jì)算公式為：=還原前重量/還原后重量100% 式（4.1） 用表4.1的計(jì)算失重率，根據(jù)文獻(xiàn)13介紹的回歸方法得出以下的回歸方程；其計(jì)算 過程見附錄c。整理后的回代方程為： y=-78.3418+0.046x1 +0.18x2-33.3134x3+1.6484 x4-0.0024x22+2.3545x3x4 式（4.2） 由于試驗(yàn)中存在的許多問題，試驗(yàn)中會(huì)存試驗(yàn)數(shù)據(jù)

34、的偏差，根據(jù)極值的必要條件： 根據(jù)計(jì)算得知：當(dāng)x1=1150，x2=35， x3=1%， x4=17%時(shí)可以得到極大值。失重率 為20.67%。 上面所有的因素都在相同是條件下進(jìn)行的，有相同的系統(tǒng)誤差?？梢源_定還原 過程中它們值的范圍以及它們之間的關(guān)系。 4.2 補(bǔ)充試驗(yàn) 由于上述試驗(yàn)中未密封，還原后的金屬被重新氧化，雖然不影響對溫度、配碳 量、和催化劑的分析，但會(huì)影響對時(shí)間的分析，所以需要進(jìn)行補(bǔ)充試驗(yàn)，對時(shí)間進(jìn) 行單因素的試驗(yàn)13。目的是通過試驗(yàn)找到更合適、更優(yōu)的試驗(yàn)方案。 補(bǔ)充試驗(yàn)是確立在第一階段試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上的。本次試 驗(yàn)與第一階段有所不同其試驗(yàn)步驟具體如下： 將壓好

35、的球團(tuán)稱量并裝入已燒制好的坩堝中，并pva將坩堝蓋子和坩堝密封 好，做好標(biāo)記和記錄。 按照不同的試驗(yàn)要求將馬弗爐升至不同的溫度。 按照確定好的試驗(yàn)方案，將密封好的坩堝放入爐中加熱不同的時(shí)間。 將煅燒好的球團(tuán)迅速從爐中取出，立即放入煤粉中進(jìn)行自然冷卻，目的是為 了避免還原好球團(tuán)高溫下在空氣中被重新氧化。 需要指出的是試驗(yàn)過程中坩堝要進(jìn)行密封，它的目的在于盡量減少還原過程中 1234 0;0;0;0 yyyy xxxx 式（4.3） 的氧化氣氛。使還原能夠順利進(jìn)行。在煤粉中進(jìn)行快速冷卻可以保證還原氣氛，保 護(hù)還原球團(tuán)不致再被氧化。試驗(yàn)過程中存在不確定因素，可以適當(dāng)?shù)奶岣吲涮剂俊?球團(tuán)冷卻至室溫時(shí)，

36、將粘結(jié)在一起的坩堝和蓋子進(jìn)行分離，注意避免蓋子損壞， 蓋子可以在下次試驗(yàn)時(shí)繼續(xù)使用。取出坩堝內(nèi)的球團(tuán)并稱量，做好記錄過后放入試 樣袋中，并送化驗(yàn)室化驗(yàn)。 在固定條件：配碳量為19%、催化劑為1%、溫度為1150的條件下做不同還原 時(shí)間的影響試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表4.2所示： 表4.2 不同還原時(shí)間試驗(yàn)的結(jié)果 還原球團(tuán)還原溫度/min還原時(shí)間tfe/%mfe/%c/%金屬化率/% 1115030min60.8332.916.3754.07 2115035 min61.6438.316.8962.15 3115040 min63.8841.595.2365.11 4115045 min64.0547.

37、837.2074.68 5115050 min64.3848.336.8975.07 其表中c是游離碳和滲碳的混合物，含量在5.23%以上，但根據(jù)后期磨選試驗(yàn)結(jié) 果所得金屬鐵粉中的含c量在2%左右，說明進(jìn)入鐵粉中的c很少。從表4.2中可見， 隨時(shí)間的延長，金屬化率(y)提高。通過計(jì)算機(jī)軟件擬合出時(shí)間與金屬化率的關(guān)系式 為： 式 （4.4） 其殘差為4.14310-14 432 7.171.3411.110.465.1yxxxx 擬合曲線 實(shí)驗(yàn)曲線 圖4.1 金屬化率與時(shí)間關(guān)系圖 為了進(jìn)一步考察溫度對金屬化率的影響，補(bǔ)充了一組提高溫度的試驗(yàn)。從下表 中可以發(fā)現(xiàn)隨著溫度的增長金屬化率遞增。如表4.

38、3所示： 表4.3 補(bǔ)充試驗(yàn)金屬化率表 還原球團(tuán)還原溫度/還原時(shí)間/mintfe/%mfe/%金屬化率/% 111505062.1051.4582.85 212005063.0654.6986.73 4.3 討論 由于試驗(yàn)中球團(tuán)較多，可以分批進(jìn)行還原。試驗(yàn)中存在的問題是馬弗爐的升 溫速度過慢，而球團(tuán)是在馬弗爐內(nèi)從室溫開始加熱的。還原時(shí)間過程中，當(dāng)溫度升 到900時(shí)，還原已經(jīng)開始進(jìn)行，900達(dá)到試驗(yàn)欲設(shè)溫度所需要的時(shí)間在34h之間， 所以反應(yīng)時(shí)間已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出。在結(jié)果上可能存在一定的偏差。 還原過程中的氣氛和冷卻時(shí)的氣氛難以控制，使還原球團(tuán)在冷卻過程中有部 分被氧化。 試驗(yàn)過程中馬弗爐內(nèi)部的氣氛未

39、能控制好，使還原的金屬球團(tuán)部分被二次氧 化，降低了金屬化率，本課題的補(bǔ)充試驗(yàn)改進(jìn)了該缺陷，使金屬化率得到了很好的 提高，但還需進(jìn)一步的研究。 由于時(shí)間的限制，本課題只是初步完成了對金屬球團(tuán)的還原溫度、還原時(shí)間、 配碳量、催化劑加入量的研究，下一步的試驗(yàn)將進(jìn)一步針對還原溫度和催化劑、配 碳量之間的關(guān)系做優(yōu)化試驗(yàn)，找出得到金屬化率高并且最經(jīng)濟(jì)的方案，另外還需考 慮加入脫硫劑的問題。并且試驗(yàn)還要轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)底爐中進(jìn)行。 本課題的另一部分試驗(yàn)用 xxx 鐵精礦還原鐵粉磨選部分，已由譚 久華同學(xué)完成，證實(shí)還原球團(tuán)經(jīng)磨選后能將還原球團(tuán)中的鐵粉和釩鈦富集料良好的 分離。 結(jié) 論 用釩鈦鐵精礦為原料，煤粉為還原劑，

40、鐵粉為催化劑，能夠很好的還原釩鈦 鐵精礦的鐵氧化物。 試驗(yàn)中所確定的工藝條件溫度在1200、內(nèi)配碳為19%、催化劑1%、時(shí)間為 50min，可以制得金屬化率為86.73%的金屬化球團(tuán)。 催化劑可以降低金屬化球團(tuán)的還原溫度。 上述的試驗(yàn)結(jié)果是在馬弗爐中進(jìn)行試驗(yàn)所得出的，由于時(shí)間和設(shè)備的限制， 本試驗(yàn)未能轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)底爐中進(jìn)行，試驗(yàn)過程中的還原氣氛的控制并不理想，試驗(yàn)過程 中存在氧化氣氛，對配碳量、催化劑加入量、還原時(shí)間、還原溫度的影響存在影響， 使轉(zhuǎn)底爐制取釩鈦微合金化鐵粉的一次還原工藝存在一定的偏差。試驗(yàn)還需進(jìn)一步 的研究和探索。 參 考 文 獻(xiàn) 1a bellosi r，calzavarini m

41、 g，faga，et al.characterisation and application of titanium carbonitride-based cutting toolsj.journal of materials processing technology，2003，39(144)：527532. 2汪云華，彭金輝，楊卜.釩鈦鐵精礦制取還原鐵粉工藝及改進(jìn)途徑探討j.金屬礦山， 2006，355(1)：94-97. 3王世俊，王克非，樂可襄.二次精還原工藝對鐵粉化學(xué)成分的影響j.安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)， 2001，18（2）：93-96. 4abstebt p g.powder meta

42、llurgy for high performance applicationsj.metal powder report，1986，41(1)：64-68. 5lindskog p，arbstedt p g.powder metallurgy of superalloyj.powder metallurgy，1986，29(1)：10-20. 6耀星摘.磁鐵礦制備超純鐵精礦粉j.粉末冶金工業(yè)，1998，8(1)：25-27. 7崔忠圻.金屬學(xué)與熱處理m.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000：116-120. 8戴起勛.金屬材料學(xué)m.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005：17-35. 9宋維錫，王明勝.金

43、屬學(xué)m.北京：冶金工業(yè)出版社，1979：10-26. 10 黃希祜.鋼鐵冶金原理m.北京：冶金工業(yè)出版社，2002：55-96. 11康思琦.內(nèi)配碳球團(tuán)礦等溫還原動(dòng)力學(xué)數(shù)模的研究m.北京：冶金工業(yè)出版社，1992：1-6. 12 楊卜，彭金輝，汪云華，等.一種釩鈦鐵精礦制備還原鐵粉的新工藝j，礦產(chǎn)綜合利用， 2006，13（1）：12-15. 13 李云雁，胡傳榮.試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理m北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005：79-136. 附錄a 布多爾反應(yīng)的熱力學(xué)原理 反應(yīng)式（2.1）推導(dǎo)得： 式（a.1） 式中k平衡常數(shù)； co、co2、分別為平衡氣相中 co和co2的體積分?jǐn)?shù)和 co+co2的體

44、積分?jǐn)?shù)之和 。 pco、pco2、p分別為平衡氣相中 co和co2的分壓力和體系氣相中的總壓力（包括 其它氣體的分壓） ； 解以上方程組，得平衡氣相成分函數(shù) 式（a.2） 如體系中的總壓 p為0.1mpa，而co和co2的分壓可由其體積分?jǐn)?shù) ()來間接表征，假設(shè) 的取值分別為100、50、10、5、1，并注意到式（ a.1）中k1為t的函數(shù)： 式（a.3） 但從總體來看，反應(yīng)（ a.2）的co（t）應(yīng)是增函數(shù)，這可以通過如下數(shù)學(xué)推導(dǎo)證明。 設(shè)體系中的總壓 p（包括其它氣體的分壓）為0.1mpa，則： 式（a.4） 2 11 24 1 100 100() co kkk 對k1求導(dǎo)數(shù)： 式（a.5

45、） 因： ， 故： 再由式（a.4）lgk1對t求導(dǎo)數(shù)： 2 2 2 1 100 100 2 2 () () co co co co coco co co p p p k pp pp 2 11 124 100 100 () co kk k pp pp 0 1 8698.49 1 1 8698.49 19.147 8.93 lg8.93 10 t t g tt k k 22 11 22 111 25250025 kkk kk 1 22 2 11 1 252500 2 1 1 25 501() k k co k k k k 1 0 co k 式（a.6） 1 11 11 22 1 11 2 lgl

46、g lglg8698.498698.49 0 8698.49 0 lg dke dkk dkdkdk dtd kdttt dkk dtet a a 整理后： 式（a.7） 式中e為自然對數(shù)的底，將a.1和a.2結(jié)合做圖得到圖2.1和2.2，從這兩個(gè)圖的曲線關(guān) 系證實(shí)了以上的推導(dǎo)過程，即co(t)是增函數(shù)。 1 1 0 coco dk tkdt 附錄b 回歸正交試驗(yàn)方案 表b.1 回歸正交試驗(yàn)方案 實(shí)驗(yàn) 號 z1z2z3z4加熱溫度加熱時(shí)間/min催化劑/%配碳量/%加鐵精礦/g加催化劑/g配碳量/g總量/g聚丙銑銨/g 111111309.3105.34.216.379.704.216.3/8

47、0.26 % 104.210.42 2111-11309.3105.34.213.783.004.217.00104.210.42 311-111309.3105.30.816.379.700.820.30100.810.08 411-1-11309.3105.30.813.783.000.817.00100.810.08 51-1111309.344.64.216.379.704.220.30104.210.42 61-11-11309.344.64.213.783.004.217.00104.210.42 71-1-111309.344.60.816.379.700.820.30100.8

48、10.08 81-1-1-11309.344.60.813.783.000.817.00100.810.08 9-11111140.7105.34.216.379.704.220.30104.210.42 10-111-11140.7105.34.213.783.004.217.00104.210.42 11-11-111140.7105.30.816.379.700.820.30100.810.08 12-11-1-11140.7105.30.813.783.000.817.00100.810.08 13-1-1111140.744.64.216.379.704.220.30104.210.

49、42 14-1-11-11140.744.64.213.783.004.217.00104.210.42 15-1-1-111140.744.60.816.379.700.820.30100.810.08 16-1-1-1-11140.744.60.813.783.000.817.00100.810.08 171.483000135075.02.515.081.252.518.75102.510.25 18- 1.483 000110075.02.515.081.252.518.75102.510.25 1901.483001225120.02.515.081.252.518.75102.51

50、0.25 200- 1.483 00122530.02.515.081.252.518.75102.510.25 21001.4830122575.05.015.081.255.018.75105.010.50 2200- 1.483 0122575.00.015.081.250.018.75100.010.00 230001.483122575.02.517.079.002.521.00102.510.25 24000- 1.483 122575.02.513.084.002.516.00102.510.25 250000122575.02.515.081.252.518.75102.510

51、.25 260000122575.02.515.081.252.518.75102.510.25 附錄c 回歸方程的計(jì)算過程 根據(jù)文獻(xiàn)13介紹的方法計(jì)算得： =360.3246； n i i y 1 =80.587； =-6.856； =-93.7901； =93.6630； n i iiy z 1 1 n i iiy z 1 2 n i iiy z 1 3 n i iiy z 1 4 =20.3986； n i i z 1 2 1 n i i z 1 2 2 n i i z 1 2 3 n i i z 1 2 4 =20.5398；=-6.7192；=-1.3991；=- n i i yzz

52、 1 21 )( n i i yzz 1 31 )( n i i yzz 1 41 )( n i i yzz 1 32 )( 15.4780； =16.0664；=83.2566； n i i yzz 1 42 )( n i i yzz 1 43 )( =16； n i i zz 1 2 21 )( n i i zz 1 2 31 )( n i i zz 1 2 41 )( n i i zz 1 2 32 )( n i i zz 1 2 42 )( n i i zz 1 2 43 )( =-16.5705；=-21.2671；=-14.6066；= -2.2861； i n i i yz 1

53、1) ( i n i i yz 1 2 )( i n i i yz 1 3 )( i n i i yz 1 4 )( =9.6739； 2 1 1) ( n i i z 2 1 2 )( n i i z 2 1 3 )( n i i z n i i z 1 2 4 )( a=13.8586 式 n i i y n 1 1 26 3246.360 （c.1） b1=/= 80.587/20.3986=3.9506 n i iiy z 1 1 n i i z 1 2 1 b2=/=-6.856/20.3986= -0.3361 式 n i iiy z 1 2 n i i z 1 2 2 （c.2）

54、 b3 =/= -93.7901/20.3986= -4.5979 n i iiy z 1 3 n i i z 1 2 3 b4 =/=93.6630/20.3986=4.5916 n i iiy z 1 4 n i i z 1 2 4 b12=/=20.5398/16=1.2837 n i i yzz 1 21 )( n i i zz 1 2 21 )( b13=/=-6.7192/16=-0.4120 n i i yzz 1 31 )( n i i zz 1 2 31 )( b14=/=-1.3991/16=-0.0874 式 n i i yzz 1 41 )( n i i zz 1 2

55、41 )( （c.3） b23=/=-15.4780/16=-0.9674 n i i yzz 1 32 )( n i i zz 1 2 32 )( b24=/=16.0664/16=1.0042 n i i yzz 1 42 )( n i i zz 1 2 42 )( b34=/=83.2566/16=5.2035 n i i yzz 1 43 )( n i i zz 1 2 43 )( b11=/= -16.5705/9.6739=-1.7129 i n i i yz 1 1) ( 2 1 1) ( n i i z b22=/= -21.2671 /9.6739=-2.1984 式 c.4

56、) i n i i yz 1 2 )( 2 1 2 )( n i i z b33=/= -14.6066 /9.6739=-1.5099 i n i i yz 1 3 )( 2 1 3 )( n i i z b44=/= -2.2861/9.6739=-0.2363 i n i i yz 1 4 )( n i i z 1 2 4 )( 規(guī)范變量與試驗(yàn)指標(biāo)之間的回歸關(guān)系式為： y=13.8586+3.9043z1-0.3361z2-4.5979z3+4.5916z4+1.2837z12-0.4120z13-0.0874z14- 0.9674z23+5.2035z34-1.7129z1-2.198

57、4z2-1.5099z3-0.2363z4 回歸方程及偏回歸系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)： sst=7223.7734-4993.6083=2230.1651 2 11 2 )( 1 n i i n i i y n y ss1= (3.9506)2*20.3986=318.3659 2 1 b n i i z 1 2 1 ss2=(-0.3361)2*20.3986=2.3043 式 2 2 b n i i z 1 2 2 （c.5） ss3=(-4.5125)2*20.3986=415.3697 2 3 b n i i z 1 2 3 ss4=(4.5916)2*20.3986=430.0594 2 4 b n i i z 1 2 4 ss12= =(1.2837)2*16=26.3662 2 12 b n i i zz 1 2 21 )( ss13= =(-0.4120)2*16=2.7