1非高爐煉鐵技術進展1 1.1高爐煉鐵1 1.1.1高爐煉鐵的原燃料1 1.1.2高爐煉鐵流程的能耗與排放2 1.1.3值得熔融還原借鑒的特點3 1.2熔融還原流程3 1.2.1COREX流程3 1.2.2FINEX工藝8 1.2.3HIsmelt工藝9 1.2.4DIOS工藝13 1.2.5AISI工藝13 1.2.6熔融還原工藝分析14 1.3氣基直接還原技術的發展現狀16 1.3.1MIDREX工藝16 1.3.2HYL工藝17 1.3.3FIOR(FINMET)工藝19 1.3.4H-Iron工藝20 1.3.5氣基直接還原鐵工藝分析21 1.4煤基直接還原鐵22 1.4.1回轉窯工藝22 1.4.2隧道窯工藝23 1.4.3轉底爐技術25 1.4.4豎爐直接還原法28 1.4.5煤基直接還原鐵的綜合分析30 1.5低溫快速冶金提出與研究進展31 1.5.1低溫快速冶金提出31 1.5.2微觀低溫快速反應理論研究32 1.5.3低溫快速還原的傳輸機理研究33 1.5.4新型反應器研制33 1.5.5現有非高爐煉鐵工藝的改進33 1.5.6新工藝開發34 參考文獻36 2礦粉的物性表征43 2.1物性參數43 2.1.1粒度43 2.1.2表面積43 2.1.3形狀系數44 2.1.4休止角44 2.1.5密度44 2.2粉體晶粒度的變化規律45 2.2.1赤鐵礦45 2.2.2磁鐵礦48 2.2.3炭粉49 2.3粉體比表面積隨顆粒度的變化規律51 2.3.1鐵礦51 2.3.2炭粉51 2.4礦粉的堆密度與休止角隨粒度的變化規律52 2.4.1堆密度52 2.4.2休止角52 2.5球磨過程鐵礦粉粒度變化規律53 2.5.1粒度變化規律53 2.5.2鐵礦粉粒度與晶粒的細化程度53 2.6粉體的晶體結構隨顆粒度的變化規律54 2.6.1氧化鐵54 2.6.2碳54 2.7機械力對鐵礦粉的儲能分析55 2.7.1表面能對儲能的貢獻量55 2.7.2位錯能對儲能的貢獻56 2.7.3無定形化對儲能的貢獻57 參考文獻60 3低溫還原熱力學基礎61 3.1儲能對間接還原的熱力學影響61 3.1.1傳統的氣基氧化鐵還原61 3.1.2儲能礦粉的氣基還原63 3.2儲能對氣化反應的熱力學影響66 3.2.1碳的CO2氣化反應66 3.2.2碳與水蒸氣的氣化反應66 3.3儲能對直接還原的熱力學影響68 3.3.1固體碳還原氧化鐵的平衡圖68 3.3.2儲能對直接還原反應的熱力學影響69 3.4碳化鐵生成熱力學71 3.4.1不同溫度Fe3C形成規律72 3.4.2Fe3C生成曲線探討73 3.4.3Fe3C生成順序研究75 3.4.4Fe3C生成的影響因素76 3.5析炭反應76 3.5.1CO的析炭反應76 3.5.2CO與氫氣混合氣析炭77 3.5.3CH4析炭77 3.6煤氣重整制氫熱力學79 3.6.1等溫焦爐煤氣重整熱力學79 3.6.2實際條件下的焦爐煤氣重整熱力學85 3.6.3水煤氣變換90 3.7氫冶金熱力學92 3.7.1高溫氫冶金92 3.7.2低溫氫冶金97 參考文獻101 4低溫氣基還原動力學基礎103 4.1低溫非平衡條件下氧化鐵還原順序103 4.1.1純CO(H2)還原時還原產物的物相分析103 4.1.2不同還原氣氛對還原產物的影響104 4.1.3低溫下Fe2O3還原的熱力學平衡圖104 4.1.4低溫下Fe2O3還原過程真實的動力學剖析105 4.1.5Fe3C生成順序108 4.2鐵礦還原動力學模型109 4.2.1礦粉還原未反應核模型109 4.2.2還原限制環節性確定110 4.2.3分階段未反應核模型114 4.3還原氣體氧化動力學模型116 4.3.1單顆粒礦粉還原117 4.3.2單層顆粒氣體利用率119 4.3.3顆粒粒度對氣體利用率的影響119 4.4氧化還原耦合動力學模型120 4.4.1多層球影響120 4.4.2單層球快速反應124 4.4.3單層球與多層球反應126 4.5移動床內氧化還原行為127 4.5.1氧化鐵還原與氣體氧化動力學模型127 4.5.2典型移動床工藝參數128 4.5.3工藝參數對氧化還原的影響129 4.6連續流化床氧化還原行為134 4.6.1連續流化床反應器動力學模型134 4.6.2流化床動力學計算135 4.7粉末冶金氫氣擴散還原動力學140 4.7.1動力學模型140 4.7.2模擬計算結果140 4.8熱重氫氣還原動力學143 4.8.1等溫還原動力學143 4.8.2逐步升溫還原動力學148 參考文獻152 5低溫煤基還原動力學基礎153 5.1低溫直接還原的反應機理153 5.1.1機理解析153 5.1.2熱重試驗及結果分析153 5.1.3催化試驗及結果分析155 5.2碳的氣化反應動力學初步155 5.2.1低溫氣化反應的反應機理155 5.2.2氣化反應的影響因素156 5.3CO2氣化反應本征速率常數計算新方法161 5.3.1不同煤種的CO2氣化轉化實驗162 5.3.2碳氣化反應動力學模型162 5.3.3k計算165 5.3.4直接還原中的碳氣化反應165 5.4煤基低溫反應動力學初步166 5.4.1鐵礦種類的影響166 5.4.2炭粉種類的影響167 5.4.3鐵礦粒度的影響167 5.4.4炭粉粒度的影響168 5.4.5納米晶催化反應168 5.4.6工藝參數的影響169 5.5碳熱還原過程間接還原定量解析172 5.5.1試驗原料、裝備及步驟172 5.5.2試驗結果174 5.5.3間接還原來源及量化分析176 5.6碳熱還原過程限制性環節探討180 5.6.1煤基反應速率180 5.6.2不考慮傳熱條件的限制環節181 5.6.3考慮傳熱條件的限制環節184 5.7炭粉和煤粉還原氧化鐵的催化動力學186 5.7.1炭粉和煤粉兩種還原劑的催化動力學差異186 5.7.2含碳球團催化還原動力學分析188 5.7.3礦煤分層布料方式下的催化還原動力學分析191 參考文獻196 6鐵礦還原過程的催化機理197 6.1碳氣化反應與礦粉還原的催化機理現狀197 6.1.1碳氣化催化反應機理197 6.1.2鐵礦石的還原催化機理200 6.2碳氣化反應的催化機理201 6.2.1氧遷移理論的不自洽性201 6.2.2鹵化物催化作用的反?，F象203 6.2.3鹵鹽對碳氣化反應的催化規律204 6.2.4復合鹽對碳氣化反應的催化規律207 6.2.5碳氣化反應的微觀催化機理213 6.3氣基還原催化機理216 6.3.1催化規律216 6.3.2鐵氧化物的微觀結構217 6.3.3微觀催化機理分析219 6.4煤基還原催化機理220 6.4.1催化規律220 6.4.2催化機理分析220 6.5堿金屬鹽對碳氧反應的催化機理222 6.5.1碳氧反應催化現象222 6.5.2碳氧反應催化機理223 6.6催化劑對炭粉與煤粉的催化差異分析228 6.6.1反應產物層厚度的影響228 6.6.2未反應核面積的影響230 參考文獻232 7低溫煤基還原過程的傳熱及反應耦合模型233 7.1模型建立233 7.1.1非穩態熱傳遞方程233 7.1.2初始條件和邊界條件234 7.2氣煤還原溫度場與還原度分布235 7.2.150mm料層溫度分布235 7.2.250mm料層還原分數分布236 7.2.3熱通量變化237 7.3不同料層厚度對還原、傳熱影響238 7.3.175mm料層溫度場、還原分數分布238 7.3.2料層厚度的影響規律239 7.4不同還原劑影響241 7.4.1蘭炭作為還原劑241 7.4.2兩種還原劑的加熱、反應性能比較244 7.5改善傳熱及反應過程245 7.5.175mm物料反應及加熱特性246 7.5.2不同物料厚度247 7.5.3不同翻動頻率對反應影響249 7.6非對稱強化加熱體系的傳熱反應模型250 7.6.1強制傳熱模型250 7.6.2翻動及附加傳熱與僅翻動比較251 7.6.3強化翻動及附加傳熱與僅附加傳熱比較254 7.6.4料層厚度影響256 7.6.5改變翻動頻率257 7.6.6改變加熱時間258 7.6.7反應溫度影響262 7.7碳熱帶式還原爐的燃燒及全爐傳熱、反應耦合模擬265 7.7.1理論燃燒溫度計算265 7.7.2熱煙氣熱輻射黑度計算268 7.7.3火焰加熱馬弗爐272 7.7.4帶式還原爐集成加熱、傳熱及化學耦合數學模型275 參考文獻280 8鐵礦粉氣固兩相流及還原行為281 8.1流化裝備及流化基本參數281 8.1.1流化床裝置281 8.1.2試驗原料及流化參數測量282 8.1.3流化床中各種流體力學特性參數283 8.2鐵礦粉在循環流化床中的流化特性283 8.2.1提升管中壓力梯度的變化規律283 8.2.2鐵礦粉顆粒濃度分布287 8.2.3鐵礦粉顆粒速度的變化規律291 8.2.4鐵礦粉顆粒的帶出速度293 8.2.5鐵礦粉顆粒循環量的變化規律294 8.3鼓泡床內鐵礦粉的氣固兩相流行為294 8.3.1鐵礦粉臨界流化速度294 8.3.2床層壓降的變化規律297 8.3.3床層膨脹比298 8.4錐形流化床中鐵礦粉流化性能300 8.4.1鐵礦粉的臨界流化速度規律300 8.4.2床層壓降的變化規律302 8.4.3料高的變化規律303 8.4.4錐形床與圓柱流化床比較303 8.5礦粉量與還原率的關系304 8.5.1礦粉循環量與還原率的關系304 8.5.2混合鼓泡流化床內礦粉量與還原率關系307 8.6多組分氣體流化還原鐵礦粉規律308 8.6.1H2-H2O體系308 8.6.2CO-CO2體系319 8.6.3H2-CO體系326 參考文獻328 9多級流化床的物料移動及壓降329 9.1單級循環流化床的壓力分析329 9.1.1單級循環流化床的組成329 9.1.2正壓操作與負壓操作330 9.1.3正壓操作與負壓操作的壓降組成330 9.2正壓差操作的壓降分析計算330 9.2.1循環流化床提升管內壓降330 9.2.2主副床連接管處壓降335 9.2.3旋風分離器壓降336 9.2.4排料裝置中壓降337 9.3負壓差操作的壓降分析計算338 9.3.1加料裝置中壓降338 9.3.2返料裝置壓降342 9.3.3返料斜管壓降345 9.4雙級循環流化床的壓降分析347 9.4.1兩床之間氣體管路的壓降347 9.4.2兩床之間加料斜管的壓降349 9.5循環流化床體系的壓力平衡模型349 9.5.1單回路循環流化床的壓力平衡349 9.5.2雙級循環流化床系統回路壓力平衡351 9.5.3循環流化床回路壓力平衡討論353 9.6寬粒度分布鐵礦粉流化反應器354 9.6.1錐形流化床反應器354 9.6.2混合流化床反應器355 9.6.3錐形流化床內壓力匹配355 9.6.4混合流化床內壓力匹配358 參考文獻362 10鐵粉處理與測試分析364 10.1常溫鈍化364 10.1.1鐵粉常溫鈍化現狀364 10.1.2鈍化熱力學364 10.1.3鈍化動力學366 10.2高溫固態鈍化技術369 10.2.1金屬鐵球氧化動力學369 10.2.2熱壓條件與裝備371 10.3電爐熔化分離373 10.3.1高金屬化率海綿鐵374 10.3.2不同金屬化率的海綿鐵376 10.3.3含碳球團376 10.4磁選分離378 10.4.1雜質的來源與分布378 10.4.2雜質去除與能耗分析379 10.4.3高含量雜質的鐵粉雜質分離380 10.5鐵粉定量分析381 10.5.1各物相強度的定量關系381 10.5.2復雜體系相關系的定量計算384 10.5.3衍射峰的選擇385 參考文獻386 11低鐵原料晶粒聚集長大分離387 11.1含鐵原料低溫還原基礎387 11.1.1氧化鐵的低溫還原387 11.1.2復合鐵相的低溫還原388 11.1.3非鐵氧化物的低溫還原可能性390 11.2鐵晶粒聚集長大分離條件394 11.2.1鐵晶粒長大熱力學394 11.2.2鐵晶粒長大動力學394 11.3低鐵原料鐵晶粒聚集長大分離方法395 11.3.1降低金屬鐵的熔點395 11.3.2爐渣性質的改變397 11.3.3外場作用399 11.4典型鐵原料的低溫還原與晶粒聚集長大401 11.4.1紅土鎳礦401 11.4.2鈦鐵礦403 11.4.3含鋅粉塵405 11.4.4釩鈦磁鐵礦406 11.4.5銅渣407 參考文獻408 12低磷鐵水冶煉410 12.1含磷礦還原熱力學410 12.1.1Ca3(PO4)2的還原熱力學410 12.1.2堿度對Ca3(PO4)2還原影響412 12.1.3Na2O對Ca3(PO4)2還原影響413 12.2鐵浴法冶煉過程鐵水磷的控制413 12.2.1鐵水中磷的氧化反應413 12.2.2對鐵水中磷含量的影響因素414 12.2.3鐵水冶煉過程磷的控制417 12.2.4鐵水冶煉磷控制實例417 12.2.5脫磷與鐵礦還原關系418 12.3低溫還原熔分過程磷的控制420 12.3.1直接還原中磷的走向420 12.3.2熔分過程磷的控制420 參考文獻421 13低溫冶金新技術開發423 13.1粉末冶金423 13.1.1碳氫聯合還原制備超細金屬鐵粉423 13.1.2碳還原制備粉末冶金鐵粉429 13.2直接還原鐵工藝431 13.2.1焦爐煤氣生產直接還原鐵431 13.2.2煤基低溫還原生產海綿鐵434 13.3鐵水冶煉新工藝435 13.3.1水煤氣變換COREX尾氣制富氫預還原粉礦工藝435 13.3.2基于鐵精礦粉還原的新型熔融還原工藝437 13.3.3煤基低溫還原熔分冶煉半鋼工藝442 參考文獻443 附錄與本書相關的課題445 縱向課題445 橫向課題445