高炉用铁矿石—荷重还原性的测定
- 发布时间：2012/12/25 16:03:29
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1 范围
本标准规定了通过模拟高炉还原带气流来测定铁矿石还原时的物理稳定性的试验方法。
本标准适合于块矿和球团矿。
2 规范性引用文件
下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单（不包括勘误的内容）或修订版均不适用于本标准，然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的版本。凡是不注日期的引用文件，其版本适用于本标准。
ISO 2597-1:2006 铁矿石－全铁量的测定－第1部分：二氯化锡还原滴定法
ISO 3082:2000 铁矿石－取样和制样方法
ISO 9035:1989 铁矿石－酸溶亚铁含量的测定－滴定法
ISO 9507:1990 铁矿石－全铁量的测定－三氯化钛还原法
ISO 11323:2002 铁矿石和直接还原铁－名词术语
3 术语和定义
本标准中采用ISO 11323中的术语和定义。
4 原理
在1050℃下，向试样床施加静荷重的同时，通入一氧化碳、氢气和氮气的混合气体对试验样进行还原，直至还原度达到80%。
还原度达到80%时测量试样床横截面气体压力和试样床高度变化。
5 取样、制样和试验样制备
5.1 取样和制样
按照ISO 3082进行取样和试样的制备。
球团矿和块矿的粒度应在10.0mm与12.5mm之间。
上述粒度组成的干燥试样至少需要6kg。
试样在105℃±5℃的炉中烘干至恒重，然后冷却至室温。
注： 若连续两次干燥试样的质量变化不超过试样原始质量的0.05%，则认为试样达到恒重状态。
5.2 试验样制备
试验样从试样中随机取出。
注： 试验样也可以通过ISO 3082中的二分器等手工缩分方法获得。
从试样中至少要制备5份1200g左右的试验样，每份试验样称准至1g。其中，4份用于试验，1份用于化学分析。
6 设备
6.1 通则
本试验设备由下列部分组成：
6.1.1 常规试验设备，例如加热炉、手工具、时间控制装置和安全装置；
6.1.2 还原罐组件，包括荷重装置、压力计高度测量装置；
6.1.3 配备天平的炉子，能连续测量试验过程中试验样的质量；
6.1.4 供气和流量控制系统；
6.1.5 称量装置。
图1是试验设备的示意图。
1－外还原罐；2－内还原罐；3－夹有试验样的上下孔板；4－还原气体入口；5－还原气体出口；6－测量还原温度的热电偶；7－压缩空气入口；8－压力柱；9－压力柱框；10－压力柱塞；11－气体压力差上下探针；12－气体压力差压力计；13－线性刻度尺；14－节流阀；15－废气排风机；16－空吸机；17－电加热炉；18－炉墙热电偶；19－天平；20－气瓶；21－气体流量计；22－混气罐
图1.荷重还原性测定装置
6.2 还原罐：具有双层壁结构，由抗变形、耐1050℃高温的无氧化层金属制成。内还原罐的内径为125mm±1mm。还原罐内通过安装一可移动的孔板来承载试验样和均衡气体，该孔板由耐1050℃高温的无氧化层金属制成。孔板板厚10mm，直径比还原罐的内径小1mm，板上小孔直径为3mm至4mm，孔间距5mm至6mm。外还原罐内径应保证气流在流入内还原罐前得到足够的预热。
图2是还原罐的示意图。图3示出为了防止由于碳沉淀造成误测而进行的氧冲洗。
6.3 荷重装置：能均匀地对试验样施加50kPa±2kPa的总静压力。负载通过一刚性多孔踏板均匀地将压力分布到位于试验样上部的瓷球的表面，踏板板厚10mm，直径比还原罐的内径小1mm，板上小孔直径为3mm至4mm，孔间距5mm至6mm。
6.4 气体压力差测量装置：分辨率为0.01kPa。
6.5 高度测量装置：分辨率为0.1mm。
6.6 瓷球：大小在10mm到12.5mm之间。
6.7 炉子：加热能力足以使整个试样床的试验样与进入试样床的气体温度保持在1050℃±10℃。
6.8 天平：能够将包括试验样在内的还原罐组件称准至1g。需要有一个合适的装置将天平悬挂在还原罐组件上。
6.9 供气系统：能够提供气体，并能调节气体流量。必须确保供气系统和还原罐间的无摩擦连接不影响还原期间质量的测定。
6.10 称量装置：能保证试样和试验样称准至1g。
1－外还原罐；2－内还原罐（φ125mm）；3－可移动孔板；4－还原气体入口；5－还原气体出口；6－测量还原温度的热电偶；7－孔板支架；8－装有刚性多孔底板的荷重柱塞；9－瓷球（2层）；10－试验样（1200g）；11－炉墙；12－炉壁热电偶（上、中、下）
图2.还原罐
1－氧气入口；2－氧气出口；3－热电偶出口；4－保护管；5－热电偶头；6－有四个孔的内管
图3.避免由于碳沉积造成误测而对热电偶进行氧气冲洗的原理
7 试验条件
7.1 通则
本标准中所用气体的体积和流量是在0℃、101.325kPa的条件下测量的。
7.2 还原气体
7.2.1 还原气体的成分
CO 40.0%±0.5%（体积分数）
H2 2.0%±0.5%（体积分数）
N2 58.0%±0.5%（体积分数）
7.2.2 还原气体的纯度
还原气体中的杂质不应超过：
CO2 0.2%（体积分数）
O2 0.1%（体积分数）
H2O 0.2%（体积分数）
7.2.3 还原气体的流量
试验期间还原气体的流量应保持在83L/min±1 L/min。
7.2.4 加热和冷却用气体
应使用氮气作为加热和冷却用气体，其杂质含量不应超过0.1%（体积分数）。
在试验样加热至1050℃的过程中，氮气的流量控制在50 L/min；当试验样达到1050℃后，氮气的流量应控制在83L/min。如果需要，可以通氮气将试验样冷却至100℃。冷却的过程中，氮气的流量控制在5L/min。
7.2.5 试验样的温度
还原试验期间，试验样的温度应保持在1050℃±10℃，同时，还原气体在进入还原罐前应预热。
7.2.6 试验样的负荷
整个加热和还原期间，试验样受到的作用于试样床表面的恒定荷重应为50kPa±2kPa。
8 试验步骤
8.1 试验测定的次数
按照附录A中的流程进行试验。
8.2 化学分析
从5.2制备的试验样中随机抽取一份进行化学分析。其中，二价铁含量（w1）按ISO 9035测定，全铁含量（w2）按ISO 2597-1或ISO 9507测定。
8.3 还原
为了得到均匀的气流，需要在还原罐（6.2）内的孔板上放置两层瓷球（6.6），并平整其表面。表面水平后，测量瓷球层顶面的高度。
从5.2制备的试验样中随机抽取另一份试验样，记录其质量（m0）。将试验样放置在瓷球床上，并平整其表面。
在试样上再放置两层瓷球，并平整其表面。测量这两层瓷球层顶面的高度。
将带有荷重装置（6.3）的加热系统连接到还原罐上，从而密闭还原罐。将该组合置于炉子（6.7）中, 并悬挂在天平（6.8）的*，确保其不与炉子或加热元件接触。
注： 由于在惰性气体下加热速率对试验结果没有影响，装有试样的还原罐可以放入热的炉子中。
连接热电偶使其顶端处于图2所示的中心位置；连接压力差测量装置（6.4）和试样床高度测量装置（6.5）；将供气系统（6.9）、卸料系统和压缩空气连接到荷重装置，并施加50kPa±2kPa的荷重。
以50L/min的流量使氮气通过还原罐内的试验样，与此同时，试验样开始加热。当试验样温度接近1050℃时，将氮气流量增大至83L/min。继续加热并保持氮气的流量，直到试验样的温度在10分钟内恒定在1050℃±10℃。
注：一氧化碳与含一氧化碳的还原气体是有毒气体，因此很危险，试验必须放在通风良好或装有排风的地方进行。要根据每个国家的安全法规采取预防措施，确保操作人员的安全。
记录试验样的质量（m1）和时间。用流量83L/min的还原气体代替氮气。测量并记录试样床横截面上气体压力差、试样床高度和试验样质量，开始30分钟内至少每5分钟测量一次，然后每隔10分钟测量一次。
关于t分钟以后三价铁还原度利用下式计算：
‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥（1）
式中：
── 试样量，g；
── 即将开始还原前试验样的质量，g；
── 还原t时间后试验样的质量，g；
── 根据ISO 9035测定的二价铁含量乘以氧化转换系数1.286计算出来的试验前试验样中FeO的含量，%；
── 根据ISO 2597-1或ISO 9507测定的试验前试验样中的全铁含量，%。
当还原度达到80%时，关掉电源，停止通入还原气体并记录时间。
注： 当4小时后还原度仍未达到80%时，也可以停止试验。
如果需要对还原后的试验样继续进行试验，停止还原后应继续通入氮气直至试验样冷却至室温。
9 结果表示方法
9.1 还原曲线绘制
根据不同时间下的还原度绘制还原度Rt对时间t的还原曲线。
9.2 还原度为80%时压力差（ΔP80）的计算
还原度为80%时压力差以kPa为单位，计算如下：
根据不同时间下获得的气体压力差值绘制气体压力差对还原度的曲线，从该曲线上读出相对于80%还原度的气体压力差值（ΔP80），至两位小数。
9.3 还原度为80%时试样床高度的变化（Δh80）的计算
还原度为80%时试样床高度变化以百分数表示，计算如下：
根据不同时间下获得的试样床高度变化绘制试样床高度变化对还原度的曲线，从该曲线上读出相对于80%还原度的试样床高度百分比变化（Δh80），至一位小数。
9.4 重复性和试验结果验收
应根据附录A的流程计算ΔP80，zui终结果保留两位小数，其重复性r＝0.30（kPa）。
10 试验报告
试验报告应包括如下内容：
── 本标准的编号；
── 试样的详细情况；
── 试验室名称和地址；
── 试验日期；
── 试验报告日期；
── 负责试验的人员的签名；
── 本标准中未做规定任何操作和试验条件或作为可选择选项的，以及可能对试验结果有影响的任何操作；
── 80%还原度下气体压力差ΔP80；
── 80%还原度下试样床高度变化Δh80；
── 试验样还原前全铁含量和二价铁含量；
── 到达80%还原度的时间；
── 还原性dR/dt（O/Fe＝0.9），以%/min表示。
11 校验
为确保试验结果的可靠性，有必要定期对设备进行检查。检查的频率由各个试验室自行决定。
检查过程中需要对如下项目的状况进行确认：
── 称量装置；
── 还原罐；
── 温度控制和测量装置；
── 荷重装置；
── 气体流量计；
── 气体纯度；
── 气体压力差测量装置；
── 高度测量装置；
── 瓷球的清洁度；
── 天平；
── 时间控制装置。
*制备内部参考物质来定期检验试验的重复性。
上述检查的记录应保存。
附 录 A
（规范性附录）
试验结果验收程序流程图
（规范性附录）
试验结果验收程序流程图
| 独立的重复测定结果X1，X2 |
| 再测定一次，X3 |
| 是 |
| 否 |
| 是 |
| 否 |
| 再测定一次，X4 |
| 是 |
| 否 |
r：见9.4
附 录 B
（资料性附录）
还原性公式的推导
（资料性附录）
还原性公式的推导
还原度是指氧从铁的氧化物中分离的程度，其基本公式如下：
‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥（B1）
8.3中的公式是假设所有与铁结合的氧全部是Fe2O3的形式推导出的，但大多数铁矿石中铁与氧的存在形式除Fe2O3外，还有Fe3O4、FeO和金属铁。因此，还原度是通过还原过程中试验样损失的质量加上试样理论氧含量与试样中以Fe2O3、Fe3O4和FeO为基础的实际氧含量的差来计算的。
‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥（B2）