闪速空间还原冶金动力学计算与分析

夏明 黄小兵

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【摘 要】文章介绍了一种新型的炼铁方法——闪速炼铁：中美两国都有团队从事闪速炼铁的探索与研发。其中，美国犹他大学针对闪速炼铁/炼钢课题中的悬浮冶炼部分进行了多类型的实验室规模的试验，其研究成果已陆续发表。犹他大学得出的闪速炼铁空间悬浮冶炼的结论是：在预定工况条件下，3～5秒铁精矿还原90%以上，即铁精矿在空间快速还原成铁。

犹他大学的实验文献提出了一套简化的冶金动力学计算方法，采用该计算方法得出的结果与实验结果比较契合。本文以犹他大学的试验数据资料为基础，采用数学回归得到CO和H2还原铁的△E（活化能）和A（指前因子）参变量，并借鉴阿伦尼乌斯公式 k=A×e-Ea/RT ，推出铁还原的冶金动力学方程。通过该方程计算得出的铁还原度值与试验结果具有较好的一致性。本文的目的是撬动业内勇于发现、探寻一种新型的钢铁冶金之路；后期我们将陆续推出不同类型的多变量多参数的铁还原冶金动力学计算方程。

【关键词】闪速炼铁冶金动力学 闪速冶金还原速率方程解析方法 活化能 指前因子 闪速铁还原度算法方程

1、导论

虽然高炉炼铁近乎达到精细化程度，我们依然认为借鉴闪速炼铜冶金工艺方法和炉型结构，拓展移植、研发应用于钢铁行业，尚可发掘更优越的品质。例如：在闪速冶金法中，物料中大部的硅（Si）、磷（P）、硫（S）等元素均不易进入铁水，将大幅度提升产品品质。关于闪速炼铁特点的问题，我们将会在后续文章中陆续推出。秉持开放的心态，开启跨行业互通、互鉴的桥梁，推动闪速冶金技术应用与钢铁行业的讨论研究，我们坚信这项研究将有望为钢铁冶金的可持续发展开辟一个崭新的天地。

2、冶金试验

2.1 实验概述

铁精矿、燃料和还原气：CO/H2/CO+H2及N2由加料系统分别输至耐高温管式容器内，铁精矿在管内悬浮下落的过程中发生化学物理变化，产出固态生成物和烟气。固态生成物由收集器保存，烟气由专设的烟道流出。各加入量初始参数及管式容器空腔内温度都可调、可控、可在线监测，离线分析仪可得出固态生成物成分，在线X荧光仪能检测烟气成分。

试验中加入的铁精矿粒度不同、配比的还原气分压不同、管式容器内温度不同，管式容器底部收集器接收到的反应生成物将不同，从管式容器底部烟道流出的烟气成分也将不同。针对不同的原料粒度和工况条件下，进行分组及对比实验，得到对应铁精矿还原率数值的系列参数；运用冶金动力学和数学方法对实验得到的系列数据表进行数值数学和数学回归运算，即可得到铁精矿还原化学物理变化过程的重要参数——Ea 活化能和A指前因子（也称频率因子），再根据阿伦尼乌斯（Arrhenius equation ）公式：k=Ae-Ea/RT 进行微积分推演即可得到铁精矿还原率的解析方程。解决铁还原率的冶金动力学计算问题，应用理论再回到工业生产实践中去，践行理论指导工业生产目的。

2.2 实验数据

针对不同的原料粒度和冶金工况条件，实验数据品目繁多，但是其类型大多相近。为使读者完整的了解第3节《计算分析》方法，列选CO和H2还原铁的闪速冶金实验数据组，说明如何应用冶金动力学和数值数学获得铁的闪速冶金还原速率方程的解析方法。

实验数据[1]：过量一氧化碳300～500% 数据表—01

实验数据[2]：过量氢气300～500% 数据表—02

3、计算分析

3.1 解析CO还原率方程

温度T时的反应速度常数值曲线图—01

为得到CO+H2混合还原度算法，须分别计算出CO、H2闪速还原的实验活化能和指前因子。 CO的实验活化能和指前因子通过3.1章节的方法可计算得出，同理可以采用3.1章节的方法解析H2还原度（见数据表—02），计算得到H2的实验活化能和指前因子参数，见数据表—03所示：

3.2 CO+H2混合还原算法

3.2.1 还原度计算公式

数据表—03：1423～1623K范围内，CO、H2 单独还原Fe0.947O实验的活化能及指前因子

进行CO、H2混合还原实验并得到还原率的实验数据，对该数据进行数值分析后发现：CO、H2这两种气体存在明显的协同效应，由于CO存在，H2的还原效率比纯H2有所增强；而混合中的CO作用与纯CO比较，还原速率接近相同。采用CO和H2二组单速率方程方式构建的联合速率方程，通过与实际的试验数据进行对比拟合，发现下列几个CO + H2气体混合物的还原速率方程计算出的还原度与实验结果具有较好的一致性。

3.2.2 平衡常数的计算

CO还原铁化学反应平衡常数解析计算表—04

H2还原铁化学反应平衡常数解析计算表—05

说明：为适应工业应用，本计算方案采用煤气化工艺产出的合成气作为还原剂（如果采用在合成气中加入少量天然气，还原速率更大）。上述比例是根据常规合成气中的 CO与H2 的混合比及CO、H2的还原速度而设定的一个经验值，可以通过实验数据分析计算来校正。

3.2.3CO+H2混合气体还原度计算示例

为使读者能更直观的了解CO+H2混合气体还原率计算过程，下面采用一种简化版的还原率计算方法进行示例：

预设：CO 还原比例值：70% H2 还原比例值：30%

CO+H2混合闪速还原铁 还原度计算表——06

CO+H2混合闪速还原铁曲线图——02

[5] Fan,D. Q. , et al. "A CFD Based Algorithm for Kinetics Analysis of theReduction of Hematite Concentrate by H2+CO Mixtures in a Drop TubeReactor." TMS annual meeting & exhibition;International symposium onhigh-temperature metallurgical processing 0.

结束语：

在1423～1623K温度范围内，铁精矿在H2+CO混合气体工况环境下悬浮飘落，空间滞留时间3秒内，铁的还原度可超过90%。对铁精矿的还原动力学进行测定，并采用CFD模拟实验，计算结果与实验数据相符。通过分组实验得到系统参数，经数学分析后得到还原反应的活化能及指前因子，建立的闪速空间还原反应的冶金动力学速率方程。该方程的计算结果与实验结果之间具有良好的一致性。

无论是单独采用H2作为还原剂或是H2+CO混合，H2的还原速率都大于CO，而且混合方式中H2的还原速率因为CO的协同性作用将得到增强，这一点在实验数据中得到印证；另外，温度、还原气分压与还原度都是相关变量，须合理搭配才能实现最佳的闪速还原效果。

参考文献

[1] F. Chen, Y.Mohassab, S . Zhang, and H.Y. Sohn, "Kinetics of the Reduction of HematiteConcentrate Particles by Carbon Monoxide Relevant to a Novel Flash IronmakingProcess ." Metall. Mater. Trans. B, 46 (2015), 1716-1728.

[2] Feng Chen,Yousef Mohassab,TaoJiang,Hong Yong Sohn．Hydrogen Reduction Kinetics of Hematite Concentrate Particles Relevantto a Novel Flash Ironmaking Process[J]．Metallurgicaland Materials Transactions B,2015,46(3):1133-1145

[3] Elzohiery,M.; Sohn, H.Y.; Mohassab, Y. Kinetics of Hydrogen Reduction of MagnetiteConcentrate Particles in Solid State Relevant to Flash Ironmaking. Steel Res.Int.2017,88, 1600133

[4］ M. Elzohiery,D.Q. Fan,Y.Mohassab,H.Y. Sohn．Flash Ironmaking from MagnetiteConcentrate in a Laboratory Reactor: Experimental and CFD Work[C]// TMS annualmeeting exhibition; International symposium on high-temperature metallurgical processing.2017

[5] Fan, D. Q. , et al. "A CFD BasedAlgorithm for Kinetics Analysis of the Reduction of Hematite Concentrate by H2+COMixtures in a Drop Tube Reactor." TMS annual meeting &exhibition;International symposium on high-temperature metallurgical processing0.