鐵礦石還原性是鐵礦石中與鐵結合的氧被氣體還原劑奪取的難易程度。它是鐵礦石的一種重要冶金性能。通常採用一定粒度和質量的鐵礦石試樣，加熱至一定溫度，在一定化學成分和流量的還原氣體下進行還原，根據鐵礦石試樣質量的減重或還原後試樣中全鐵和氧化亞鐵的含量來計算氧的脫除率或脫除速率，作為鐵礦石的還原性指數。世界上現有不少國家的鋼鐵廠已把鐵礦石還原性檢驗作為常規的檢驗項目之一，以預測和指導高爐的冶煉操作，改進燒結礦和球團礦的生產。
基本介紹
- 中文名：鐵礦石還原性
- 外文名：reducibility of iron ore
- 套用領域：鋼鐵冶煉
- 類型：冶金性能
- 影響因素：粒度、氣孔率、礦物組成
- 學科：冶金工程
作用,影響因素,檢驗方法,
作用
還原性在冶煉中的作用
鐵礦石作為高爐煉鐵的主要原料，其還原性的好壞直接影響煉鐵的經濟指標。高爐冶煉時，易還原的鐵礦石中含氧量大部分在高爐中上部被高爐煤氣所還原，稱為間接還原，此時焦炭消耗較低；難還原的鐵礦石中相當多的含氧量要到高爐下部依靠碳的直接還原來完成，此時焦炭消耗高。為了降低焦比，應儘可能以間接還原的方式奪取含鐵原料中的氧，因此要求入爐鐵礦石有良好的還原性。圖1示出燒結礦的還原指數變化對高爐焦比的影響。
影響因素
粒度、氣孔率、礦物組成及結構、脈石成分等是影響鐵礦石還原性的主要因素。
（1）粒度。在一定還原條件下，粒度細還原速度快。因為粒度小、比表面積大，而還原速度與礦石的比表面積成正比。冶煉實踐證明，小塊礦石還原比大塊快，在高爐內間接還原比例較高，節約焦炭消耗。但礦石粒度過分小，會使料柱透氣性變壞。
（2）氣孔率。天然礦石由於成因的不同氣孔率也不相同。磁鐵礦結構比較緻密，氣孔率低，還原性較差。焙燒時Fe3O4被氧化成Fe2O3，引起礦塊某種程度的疏鬆，氣孔率提高，還原性改善。褐鐵礦是由赤鐵礦風化而成，組織疏鬆，氣孔率高，還原性好。礦石中氣孔有大小、開口或閉口、厚壁或薄壁之分，但只有當礦石中開口氣孔多時，才能獲得較高的還原性。
（3）礦物組成及結構。赤鐵礦還原時，Fe2O3發生相變，由αFe2O3變為γFe2O3相，晶格發生變化，體積膨脹，試樣開裂，增加了還原性，磁鐵礦還原時就沒有這種體積膨脹的現象。酸性燒結礦主要含有鐵橄欖石礦物，還原性很差，而高鹼度燒結礦主要含有鐵酸鈣礦物，還原性較好。鮞狀結構的天然礦石沒有明顯的晶體，還原反應是逐層進行的，如果礦石是條帶結構，還原反應在各層同時進行，還原速度較前者快。高品位球團礦由於在燒結過程中鐵礦物晶粒長大，晶橋聯結而形成一種固相擴散固結結構，開口微氣孔多且分布均勻，有很高的還原性。酸性燒結礦是黏結相固結結構，難還原的低熔點黏結相緊密地包圍鐵礦物，大大阻礙了它的還原反應，影響了它的還原性。
（4）礦石中的脈石成分。它影響礦石的軟化及熔化性能。礦石過早的軟化及熔化，使其中的氣孔堵塞或黏結，還原性變壞。礦石中含有鹼金屬脈石，如黑雲母、納閃石等，在中溫（900℃）還原時有加速鐵礦物還原的作用，但它的軟化及熔點溫度低，高溫（1100℃）還原性差。普通燒結礦原料中的石英脈石在燒結過程中形成低熔點的矽酸鹽液相，降低它的中溫及高溫還原性。酸性球團礦在高溫還原時發生停滯現象也是由於生成低熔點2FeO·SiO2的緣故。有一些脈石成分卻使礦石的軟化與熔化溫度升高，例如在燒結料及球團料中配加白雲石、蛇紋石、橄欖石等。提高了燒結礦及球團礦的高溫還原性。
改進鐵礦石還原性的方法有縮小鐵礦石的粒度，提高鐵礦石的氣孔率，發展其易還原的礦物組成及結構，提高礦石的含鐵品位，減少矽酸鹽礦物以及增加有益的脈石成分。
檢驗方法
檢驗鐵礦石還原性的標準方法有國際標準化組織（ISO）檢驗法，美國材料試驗協會（ASTM）檢驗法，日本工業標準（JIS）檢驗法，前蘇聯國家標準（ГОСТ）檢驗法及中國國家標準（GB）法等。各種檢驗方法的操作過程基本相同，都是將一定粒度、一定質量的試樣，置於耐熱鋼製成的反應管內，在惰性氣體保護下將試樣加熱到規定的溫度，通入規定成分的還原氣體，經過一定時間的還原後，切斷還原氣體，通入惰性氣體冷卻。以試樣在還原期間的失重量計算礦石的還原度。各種檢驗方法的主要設備結構、操作參數以及還原度指標計算方法則不盡相同。
1—電爐（10kVA）；2—還原管；3—加熱元件；4—穿孔板；5—試樣；6—瓷球層；7—氣體入口；8—氣體出口；9—熱電偶
國際標準化組織檢驗方法（ISO4695） 檢驗裝置見圖2，其主要部件還原管為雙層，由耐熱鋼製成，內管直徑75mm±1mm（圖3）。試樣質量為500g±1g，粒度為10.0～12.5mm；還原氣體（體積比）CO40%±0.5% ，N260%±0.5%，其中雜質含量（體積比）不超過：H20.2%、CO20.2%、O20. 1%、H2O0. 2 %，還原氣體流量保持在50L/min ±0.5L/min。還原管內多孔板上裝粒度為10.0～12.5mm的瓷球兩層，使氣體分布更均勻。加熱時通惰性氣體保護試樣不受氧化，當溫度恆定在950℃±10℃後通入還原氣體進行還原。在15min內，每3min記錄1次試樣的質量，以後每10min記錄1次。失氧量達到65%時，或雖未達到60%但還原時間已滿4h，均停止還原。
日本工業標準協會檢驗方法（JIS M 8713—1977）檢驗裝置見圖4。還原反應管為單層。內徑75mm，用不鏽鋼製成，可掛在天平上。反應管內裝承試樣的多孔板，板下充填約100mm高的顆粒狀耐火材料供熱交換用。試樣質量500g，塊礦和燒結礦粒度為20mm±1mm，球團礦為12mm±1mm。還原氣體含CO30.0%±1.0%、其餘為N2氣，雜質H2含量在1%以下。還原氣體流量為15L/min，在900℃±10℃溫度下還原180min後停止。開始還原時60min內，每10min記錄1次試樣質量，以後每15min記錄1次。
中國國家標準檢驗方法（GB/T13241—91） 採用國際標準化組織ISO4695規定的設備及ISO7215規定的檢驗工藝參數。
1—電爐；2—反應管；3—稱量裝置；4，6—熱電溫度計；5—試樣；7—多孔板
