含铁矿物低温还原的电磁强化机理

Gas-based direct reduction has been considered to be a competitive promising technology for use in both utilization of low-grade complex ore and smelting fine ore. Aming to address the challenge of low effieciency of low-temperaure gas-solid reduction for powedery ore, this propsoed project will introduce the electromagnetic technology for the first time into the direct reduction process to achieve a rapid low-temperature reduction of the solid phase. This project will focus on studying the kinetic mechanism of gas-solid reduction of Fe2O3 at low temperature under electromagnetic interaction, and will invesitgate the precipitation behavior of metallic iron and the nucleation and growth of metallic iron in gas-based reduction of Fe2O3, the effect of the mineral surface\interface structure evolution duirng the reduction process on the gas-solid reduction, as well as physicochemical behaviors of coexisting elements. The results generated from the proposed research will provide theoretical and technical bases for the development of unconventional reduction technologies. Through studying the kintics of iron oxide reduction under the electromagnetic interaction, the electromagnetic enhancement mechanism such as mass transport in the gas phase, diffusion of iron particles in the solid phase and the surface chemical reaction process will be revealed. Behaviors of metallic iron precipitation and nucleation and growth of metallic iron grains will be determined by microscopic and phase analysis. The investigation of the evolution of mineral structures during the process of electromagnetic reduction of iron ore at low temperature will help to understand the relationship between the evolution of mineral surface\interface structures and the iron oxide gas-solid reduction and characteristics and interactions of multiple simultaneous gas-solid reactions under the electromagentic interaction.

气基直接还原技术在低品位、复合共生矿资源利用与直接使用粉矿进行冶炼方面具有竞争力。针对粉矿气固还原在较低温度下还原效率低等问题，本项目首次将电磁技术引入直接还原工艺，实现低温下固相快速还原。重点研究电磁作用下铁氧化物固相还原机理、金属铁析出行为及晶粒形核长大机制，含铁矿物在还原过程中矿物表面/界面结构演变及与还原的关系，共生元素的物理化学行为。为开发非常规还原技术提供理论与技术基础。 通过铁氧化物强化还原的动力学研究，揭示气相传质、铁颗粒固相扩散及表面化学反应过程的电磁作用机理；通过显微观测、物相分析等手段研究金属铁析出行为，确定晶粒形核长大机制；通过含铁矿物低温电磁还原过程矿物结构演变规律研究，明晰矿物表面\界面结构演变与铁氧化物气固还原的关系，辨别多个同时发生的气固反应在电磁作用下的自有特性及其相互作用关系。

为提高低品位、复合共伴生矿产资源的利用率，解决含铁矿粉还原过程中存在的问题，采用实验研究与热力学、动力学模型相结合方式，较为系统地研究了稳恒磁场作用下含铁矿物气固反应特性，主要开展了以下研究：1）稳恒磁场下铁氧化物还原的实验研究；2）铁氧化物还原反应的磁热力学和动力学模型研究；3）稳恒磁场下金属铁形核长大行为研究；4）矿质氧化物、共生元素的反应行为及赋存状态研究；5）白云鄂博矿含碳球团还原动力学实验研究等。研究发现：1）磁场作用下铁氧化物的还原按照Fe2O3→Fe3O4→FeO→Fe的顺序进行，施加磁场可以显著提高氧化铁还原的反应效率，缩短还原时间。磁场的作用强度随着反应温度、反应时间增加而减弱，即在低温和反应初期时磁场的促进作用更为显著。2）磁场条件下金属铁呈片层堆叠平铺形状，与磁场的作用方向相平行，在无磁条件下，金属铁以晶须形式生长，呈扁豆或岛状形态。磁场作用下还原样品内部结构疏松，且在致密反应物内部有少量新相呈点状生长。3）构建了磁热力学模型，发现施加磁场对化学反应的平衡状态会产生影响，对Fe2O3→Fe3O4和FeOx→Fe反应，磁场降低了反应的吉布斯自由能，提高了平衡常数，对反应Fe3O4→FeOx，磁场抑制了反应的进行。磁场产生的磁热效应随着温度升高而减弱。4）磁场对氧化铁还原的强化作用，主要是通过提高界面化学反应速率，改善气体扩散动力学条件来实现的，且磁场对降低还原气体内扩散阻力的作用更明显。5）磁场通过影响Fe原子形核功和扩散激活能来加快金属铁的形核速率和生长速率。6）磁场作用下，浮氏体在{200}晶面优先析出 晶核， 的的生长方向由<100>向<101>和<111>方向偏转。7）铁矿中铁氧化物、其他元素氧化物、CaO、SiO2脉石矿物等多个同时发生的固态反应相互作用促进了氧化铁的还原，磁场对铁矿还原的强化效应随TFe增大而减弱。项目研究为开发低品位、复合共生粉铁矿低温电磁强化还原技术提供理论与技术基础。