铁氧化物的逐级还原及特殊脉石成分对铁矿球团还原膨胀性的复合作用机理研究

The project concerns on the abnormal swelling of Baiyunebo west mine (Barun ore) pellet. At first, the step-by-step reduction process of iron oxides will be simulated in molecular dynamics based on the first-principles calculation in order to obtain the volume expansion rates due to the increase of their cell volume in the different reduction stages of iron oxides by carbon monoxide or hydrogen. In addition, the possibility and the occurrence of the regular or particular components of the gangue in Baiyunebo iron ore entering into the crystal lattice of iron oxides will be studied by above similar method. In detail, the regular components include calcium oxide, silicon dioxide, aluminium oxide, magnesium oxide and so on, while the particular components include potassium oxide, sodium oxide and calcium fluoride. As a result, the volume expansion rates owing to the lattice distortion will be achieved, and the reason of the orientated growth of metallic iron in state of iron whiskers will be revealed, which lead to the reduction swelling of iron ore pellet especially containing potassium oxide, sodium oxide in its gangue. Furthermore, the volume expansion rates will be analyzed in line during the reduction of iron ore pellet, which will be combined with the influence factors on the diffusion behavior between the gangue and iron oxides to the volume effect of solid phase reaction products. Eventually, the compound mechanism of the step-by-step reduction of iron oxide and the particular components of gangue on the reduction swelling of iron ore pellet will be determined, which is benefit to provide theoretical direction for the improvement of the utilization of Barun ore.

针对白云鄂博铁矿西矿(巴润矿)球团还原过程出现的异常膨胀问题，首先采用第一性原理计算的方法，通过对铁氧化物的逐级还原过程进行分子动力学模拟，获得铁氧化物被CO(H2)还原的不同阶段，由晶胞体积变化造成的体积膨胀率；采用相似的方法研究CaO、SiO2、Al2O3、MgO等常规脉石组分，以及K2O、Na2O、CaF2等特殊脉石成分，在铁氧化物逐级还原过程中进入铁氧化物晶格的可能性及其赋存状态，以及由于晶格畸变引起的铁氧化物的体积膨胀率，特别是从晶体结构的角度揭示含有K2O、Na2O等特殊脉石成分，对金属铁以铁晶须的形式定向生长，造成铁矿球团还原膨胀的作用机理。此外，采用实验研究的方法对铁矿球团还原过程体积膨胀率进行在线分析，并结合脉石成分的扩散行为对铁矿球团还原过程固相反应产物体积效应的影响，最终探明铁氧化物的逐级还原及特殊脉石成分对铁矿球团还原膨胀的复合作用机理，为提高巴润矿的利用率提供理论指导。

球团矿作为高炉炼铁的一种重要原料，其本身具有良好的冶金性能，对于优化高炉炉料结构至关重要。巴润精矿是一种铁、稀土、铌等多种矿物共生的复合矿，较普通矿含有较高的碱金属元素(Na、K)，其中特殊成分对球团矿的制备工艺，以及球团的物理特性和冶金性能产生较严重影响，特别是对球团矿的还原膨胀性。目前，包钢球团矿中巴润精矿的配比不能超过30%（wt），否则，球团矿的还原膨胀率将超过20%，属于异常膨胀，对高炉生产极为不利。探明巴润矿对球团矿还原膨胀性能的作用机理以及扩大巴润矿在球团矿中的配比对于充分利用白云鄂博铁精矿具有重要价值。.采用第一性原理计算了铁氧化物被CO的还原过程，分别掺入Mg、Na、K原子前后，Fe2O3、Fe3O4或FeO的稳定性。同时，采用FactSage热力学数据库对铁氧化物的还原过程进行预测，初步确定了还原温度、还原气体配比、铁矿球团成分等条件对还原效果的影响。然后分别研究了H2和CO气氛下，铁氧化物分阶段还原过程线膨胀率的变化规律；MgO、CaO、SiO2、钾长石等脉石成分对CO分阶段还原铁精矿过程线膨胀率的变化规律；巴润精矿配比对铁矿球团还原膨胀性的影响。最后，通过研究钾长石与萤石之间的扩散行为以及还原过程中渣相的熔融特性揭示了脉石成分对还原过程含铁矿物还原膨胀性的影响。研究结果表明，铁氧化物逐级还原过程中，Fe2O3→Fe3O4阶段还原膨胀较明显，Fe3O4→FeO阶段线膨胀量较小，FeO→Fe阶段表现为收缩。关于MgO对CO分阶段还原铁精矿过程产生影响的原因，一方面在于氧化焙烧过程生成稳定的含镁磁铁矿；另一方面影响渣相的稳定性。CaO、SiO2和钾长石等脉石成分重要影响渣相的稳定性，特别是K2O和Na2O降低渣相稳定性的作用明显。