固 体
／ Ｉ ＼
～
哦
反 应罐 直 接 还 原 铁 属 于 固体 还 原 剂 的煤 基
还原 法 。生产 中一 般 采用 隧道 窑 加 热 方 式 ． 于 基
模 型 ． 实 验 过程 中 ， 焦 作 为还 原 剂 ， 粒 度 范 在 半 其 围 １ ５ｍ 虽 然粒 度大小 不 一 ， 每一 个半 焦粒 ～ ｍ， 但 均 可近 似看 作是 球体 ． ｓ ｃ（ ）＋Ｃ ｇ Ｏ （ ）＝２ ０（ ） Ｃ ｇ
（） Ｉ Ｉ
设半 焦颗 粒 的 初 始 半 径 为 ｒ， 时 问 ｔ 缩 ０到 时
小为 ｒ ．
式 （ １ 为半 焦 颗 粒 气 化 反 应 动力 学 方 程 的 １）
当化学 反应 是 控 制性 环 节 ， 学 反 应 的 阻力 化 要 比气体 滞 流膜 扩 散 的阻 力 大 ， 半焦 颗 粒 外 表 则 面 上 的 气 相 反 应 物 Ｃ 的浓 度 与其 在 气 流 主体 Ｏ 内的浓 度相 等 ， 此时 的速 度方程 可 写为 ：
式 中 ｋ为 化 学 反 应 速 率 常 数 ； ， 反 应 了 的 ｎ 。为
Ｃ ２ Ｏ 的物 质 的量 ；ｃ， ｃ Ｃ。为 ０ 的浓 度 ；
而 一 ＝一 ＝一 ｒ ｃ ｄ ４ｒｐ ￣Ｚ ｒ
・
中水分量 一 半焦 中挥发分量 一 半焦残余物量
（） ２
由于 ： ； １ ２ ｇ 焦 中 ， 固 定 碳 在 ５ 半 其
［ ］ ＳｎｅｉｇＡｎ ｅｅｚ ｇ ９ ５ ２ （ ） ２ Ｊ ｉｔｒ ｄＰ ｌｔｉ ，１９ ，４ ３ ：７—３ ． ｎ ｌｉｎ ０） ［ ］郭培 民，张临峰 ， 沛． ２ 赵 碳气化反应 的催化机理研究 ［ ］钢 Ｊ 铁 ，０ ７４ （ ） １ ２ ． ２０ ，２ ６ ：３— ０
（ ＵＯ Ｐｉ ｍｉ ， Ｇ ｅ — ｎ ＺＨＡ ｉ ｅｇ ＨＡＯ Ｐｉ ｔｄ ｎ ＮＧ Ｌｎ—ｆｎ ，Ｚ ｅ．Ｓｕ ｙｏ
碳 的气 化 反 应
—
．≥ ＿ Ｅ
究表 明， 其控速环节也是碳 的气化反应
． 前 目
图 １ 碳的气化反应模型 图
Ｆｉ ．１ Ｍ ｏ ｌｄ ａ ａｍ ａ ｂｏ ｇ ｉｉａ ｉ ｎ ｇ ｄｅ ｉ ｇｒ ｏｆｃ ｒ ｎ ａｓｆｃ ｔｏ
描述反应罐直接还原过程的动力学模型——圆筒 型未 反应 壳模 型 。 在 的 问题是 ： 。 存 忽略 了碳 的气
姜银 举 ，樊 珍 ，宋绍开 ，张 锋
（ 内蒙古科技大学 材料 与冶金学 院 ，内蒙 占自治区 ，包头 ０４ １ ） １０ ０
摘 要 ：在实验室反应罐直接还原过程动力学研究 的基础 上 ，建立 了动 力学模 型—— 半焦收缩 反应核 模型 ，
推导 了动力学速度方程 ，以实验数据验证 了动力学方程的适用性．
：
２ 模 型 的 实 验 数 据 验 证
作者 进行 了反 应罐 直接 还 原过程 的动力学 实
验研 究 ， 相关 实验 数 据取 自所 进行 的实 验 ．
直接 还 原样 品冷 却到 室温 时 ， 出物料 ， 时 倒 同
（） １
ｄ ｔ
４ｔ２Ｃ ， ｋ ｒ ｒ
称 量半 焦残 余物 质 量 ， 而 可 以计 算 出半 焦 中 固 从 定 碳 的实 际消耗 量 ． 半 焦 中 固定碳 的实 际消耗 量 ＝半焦 量 一半焦
一
ｒ１ （） ７ ／
，
以 １１０ｏ 绵 铁金 属 化率 作 为 反应 率 ， ０ Ｃ海
Ｃｒ ｎ
可求 出 １ １ Ｍ） 值． ０ 一（ 一 １１０℃ 温度下 的金属 化率及相关参数列于表 ２ ．
所 以
寺 １ｒ ￡一 ｆ ／ － ０
表示 为
一
第ｌ Ｏ卷 第 ２期
２１ ０ １年 ６月
材
料
与 冶 金
学 报
Ｖｏ ．１ ． １ Ｏ Ｎｏ ２
Ｊ ｕ ｎ ｌｏ ｔｒａｓａ ｄ Ｍｅａｌｒｙ ｏ ｒ ａ ｆＭａｅｉｌ ｎ ｔｌ ｇ ｕ
Ｊｎ ０ １ ｕ ｅ２ １
反 应 罐 直 接 还 原 过 程 动 力学 模 型
．
ｗ ａ ａｉ ｔｄ ｂ ｈｅ ｅ ｅ ｉ ｅ ｔｌｄ ｔ． ｓｖ ｌ ｅ ｙ ｔ ｘｐ ｒｍ ｎ ａ ａａ ｄａ
｛ ．
Ｅ
Ｋｅ ｒ ｓ ｙ ｗｏ ｄ ：ＤＲＩ ｅ ｃｉ ｎ ｃ ｌ ｄ ｒ ｉ ｅ ｉ ｍｏ ｅ ；ｒａ ｔｏ ｙｉ ｅ ；ｋ ｎ ｔ ｄ ｌ ｎ ｃ
化反 应 ， 仅从 Ｃ Ｏ还 原铁 氧 化 物 的角 度建 立 ， 片 有 面性 ； 为此 ， 展 了本文 的研 究工 作 ． 开
碳 的气 化反应 步 骤 ： （ ）Ｃ ，由气 流 主体通 过气 膜扩 散 到半 焦 颗 １ Ｏ
粒表 面 ；
１ 半 焦 消 失核 模 型
１ １ 碳气 化反 应模 型及 步骤 ．
收 稿 日期 ：２ １ －３１ ． ０ １０ —５
作者简介 ：姜银举 （９ ５一 ，男 ，内蒙古 土默特左旗人 ，内蒙古科技大学教授 １６ ）
８ ０
相 产 物层 的扩 散．
材 料 与 冶 金 学 报
第１ ０卷
１ ２ 动 力学方 程 的推导 ．
寺 ｌ（ ＿＿ １
最 终表 达 Байду номын сангаас．
速 环节 ．
’ ０
把式（ １ ） ４— ０ 代入式（ ８ ， ４— ）得
第 ２期
姜银 举 等 ：反 应罐 直接 还原 过 程动 力 学模 型
８ １
参考 文献 ：
［ ］张军红 ， １ 徐南平 ， 汪奇， 加快 反应罐 法生产优质 海绵铁 还 等 原速度 的研究 ［］ 烧结球 团，９５，４ ３ ：７— ０ Ｊ． １ ９ ２ （ ）２ ３
４ ３ ４ 竹 一 ３ ｐ
＝
４
ｏ ｐ
１一（ ） ９ （ ） ｒＯ
式中 为起始时 固体颗粒 的质量 ； Ｗ为在某 以
时 间 ｔ时 ， 体 颗 粒 的 质 量 ； 为 固 体 颗 粒 的 固 Ｐ
密度 ；
所 以
＝
（ ） １一
●
（ｏ １）
以 １ １ ） 和 １ １ Ｍ） 分别对 ｔ 一（ 一 一（ 一 作 图 ， 到 图 ２和 图 ３ 图 ２和 图 ３的线性 关 系较好 ， 得 ． 验证了碳的气化反应是反应罐直接还原过程的控
（） ３
肘
＿ ＝ ４ｒ ｃ ｐ ｄ ｋ ，２ ｃ・ ｒ ｒ ｒ ｄ
【（２ ＝】
碳 消 耗量 及相关 参 数列 于表 １ ．
表 １ １１ ０℃半焦 中固定碳消耗及相关 参数 ０
所 以
一
ｒ＝ ｃＣ ｄ ０
２
（） ４
Ｔａ ｅ １ Ｃｏ ｓ ｍｐ ｉ ｎ ｏ ｘ ｄ ｃ ｒ ｏ ｎ ｅａ ｅ ｂｌ ｎｕ ｔｏ ｆ ｆ ｅ ａ ｂ ｎ ａ ｄ ｒ ｌ ｔ ｄ ｉ
ＪＡ Ｉ ＮＧ Ｙ ｎ ｕ Ａ Ｚ ｅ ，Ｓ ｉ－ ，Ｆ Ｎ ｈ ｎ ＯＮＧ Ｓ ａ－ａ，Ｚ ＮＧ Ｆ ｎ ｊ ｈ ｏｋｉ ＨＡ ｅ ｇ
（ ｃｏ ｌ ｆ ｔｒｌ ｎ ｔｌｒｙ ｎ ｅ ｎ ｏａＵｎｖｒｔ ｆ ｃｅｃ ｎ ｃｎ ｌｇ ， ａｔｕ０ ４ １ ，Ｃ ｉａ Ｓｈ ｏ ｅ ａ ａｄＭｅ ｌ ｇ ，Ｉｎ ｒ ｏ Ｍａ ｉ ａｕ Ｍｏ ｇｌ ｉｅｓｙｏ ｉ ｅａｄＴｅｈ ｏｏ ｉ ｉ Ｓ ｎ ｙ Ｂ ｏｏ １０ ０ ｈｎ ）
Ａ ｂｓｒ ｔ： Ｂａｅ ｎ ｔ ｉ ｔｃ ｅ ｅ ｒｈ ｉ ａ ｒ ａ ｔｏ ｙｉ ｅ ｆＬＡＢ ，ｋ ｎｅｉ ｏ ｌｗｈ ｃ ｉ ｔ ａｃ ｓ ｄ ｏ ｈｅ ｋｎｅ ｓｒ ｓａ ｃ ｎ ｅ ｃｉ ｎ ｃ ｌｎｄ ｒｏ ｉ ｉ ｔｃｍ ｄｅ ｉｈ ｓ“ｃ ｎｔａ ｔ ｅ ｃ ｏ ｏ ｒ ｃｉ ｒａ ｔ ｎ ｏｎ ｉ ｎｕｃｅ ” ｍ ｏ ｌａ ｕｔｓ ｍ ｉ— ｃ ｋｅ ｅ ｃｉ ａ ｅｔｂｌｈｅ ｌｕｓ ｄｅ ｂｏ ｅ ｏ ｒａ ｔ ｏｎ ｗ ｓ ｓａ ｉ ｄ Ｔｈｅ ｅ ｃｉ ａｅ ｑ ａｉ ｎ ｗ ａ ｒｖｅ ｓ ｒａ ｔ ｏｎ ｒ ｔ ｅ ｕ ｔｏ ｓｄｅｉ ｄ； ｉｓａ ｌｃ ｂｌｔ ｔ ｐｐｉａ ｉ ｙ ｉ
关键 词 ：直接还原铁 ； 反应罐 ；动力学模型
中 图 分 类 号 ：Ｔ ５ Ｆ５ ３ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１７ －６０ ２ １ ）２０ ７ —３ ６ １ ２ （０ ０ －０ ９０ ６ １
Ｋ ｉ ｔｃ ｍ ｏ ｅ ｏ ｉｅ ｔｒ ｄ ｃ ｉ ｎ ｉ ｅ ｃｉ ｅ ｃ ｌｎ ｅ ｎｅ ｉ ｄ ｌｆ ｒ ｄ ｒ ｃ ｅ ｕ ｔｏ ｎ ａ ｒ ａ ｔｖ ｙｉ ｄ ｒ
（ ＺＨＡ ＮＧ ｎ—ｈ ｎ ， Ｊ ｕ ｏ ｇ ＸＵ ｎ—ｐｎ ，Ｗ Ａ ．Ｓ ｄ ｆ Ｎａ ｉ ｇ ＮＧ Ｑｉ ｔ ｙｏ ｕ
ａ ｃ ｌｒ ｔ ｇ ｒ ｄ ｔ ｎ ｒ ｔ ｆ ｈ ｇ ｃ ｅｅ ａｉ ｅ ｕｃｉ ａｅ ｏ ｈ ＤＲ Ｉ ｐ ｏ ｕ ｔ ｙ ｈ ｇ ｎ ｓ ｎ ｏ Ｉ Ｊ ｒ ｄ ｃ ｉ ｂ ｏ ａ ａ ｏｎ
ｐ ｒ ｍｅ ｅ ｓｉ ０ ℃ ａ ａ ｔ ｒ ｎ １ １ ０
在 ｒ ｒ Ｏ ￡ 。 和 一 内积 分得 到 一 一 （。 ｋ Ｃ２ 一ｒ ｏ ）： Ｃ ０ 吖
一
（） ） ５
整 理 后的到
＝
ｐｒ （ Ｃ ｏ １
一
ｒ ｏ
）
（） ６
完 全反 应时 间 ： ，一 Ｐ ｒ 一 Ｃ ０ ｒ ＝
（ ８ ）
表 ２ １１０ｏ ０ Ｃ时金 属 化 率 及 相 关 参 数
Ｔａ ｌ Ｍ ｅ ａ ｌ ａ ｉ ｎ ｒ ｔｏ ａ ｄ ｒ ｌ ｔ ｄ ｂｅ２ ｔ ｌｚ ｔ ａｉ ｎ ｅａｅ ｉ ｏ ｐ ｒ ｍｅ ｅ ｓｉ ０ ℃ ａ ａ ｔ ｒ ｎ １ １ ０
对 于半 焦球 形 颗粒 ， 反 应 分数 或 转 化 率 可 其