中间区域的要多，为了得到均匀的物料产品，延长床中央和器壁之间的区域的溢流管也非常必要。
4.2循环流化床铁矿石直接还原技术
华东冶金学院朱凯荪等人对宝钢纽曼山铁矿流态化预还原的最佳工艺参数进行了研究
[33,34]。结果认为，该矿粉是一种流态化还原性能很好的原料，影响流态化还原的各因素
主次顺序为：温度→气体流速→压力。纽曼山矿粉流态化还原速度的影响很大，其最佳流态化还原温度为850℃；其最佳线速度为0.6m/s。压力的升高也能提高纽曼山矿粉流态化预还原速度，但一般只对还原过程的前期有效，最佳操作压力宜为1.5×l05Pa；随还原剂中CO浓度的增加，由65%增至80%，还原速度加快约10%。
图19 1-反应器；2-热电偶；3-加热炉；4-闸阀；
5-除尘器；6-受料器；7-压差表。
东北大学的方觉等人研究了铁矿石和煤粉混合流化床还原的特点。实验装置如图19所示。试验矿样为南非铁矿，粒度＜1.25mm，实验认为，矿煤混合流化床可通过减少矿石颗粒之间的接触及抑制铁晶须生成的两种措施来有效地防止粘结失流现象。通过混合粒度模型证明1273K以下床内矿石还原的限速环节是表面化学反应，排除了还原速度受外扩散过程控制的可能性，证实了循环流化床中颗粒表面化学反应是控速环节，还原速度是受表面化学反应控制的。
4.3德国Circored和Cireofer法
Circored和Circofer法同是德国鲁奇钢铁公司开发的[35,36]。前者是气基流化床还原法，后者为煤基流化床还原法。核心设备包括一座预还原循环流化床（CFB）（图20）和一座终还原鼓泡流化床（FB）。循环流化床（CFB）的气体流速为普通流化床的10倍以上，由气体带出的颗粒料通过旋风除尘器，返回到流化床反应器中;终还原采用鼓泡流化床，可使固气间逆流原则最为有效，提高煤气利用率。Circored法采用天然气催化裂解制取高氢还原气。
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氢还原为吸热反应，入炉矿粉和还原气都要预热，铁矿粉预热到900℃进入循环流化床参与反应，由于动力学条件的改善，630℃即可反应，矿粉在循环流化床被还原到金属化率65%左右，再进入鼓泡流化床还原到金属化率93%以上，还原铁粉压制成热压块，还原尾气经净化、增氢返回利用。以粒度<10Inln，灰熔点不低于1050℃的煤粉作能源，用1.0～0.3Inln的粉矿作原料，粉矿用烟气加热器预热到800℃，用辅助给料系统将粉煤给入1000℃的气化器内，通过喷氧使煤挥发份和残碳燃烧生成热过程气，并将预热料带入快速循环流化床（CFB）完成高温（（950℃）预还原，气体速度4-6m/s，使还原气与物料的传质、传热条件最佳化，缩短还原时间，预还原金属化率达到70%以上。CFB的热烟气经过净化、传热、脱CO2，增H2后进入鼓泡流化床（FB）终还原，金属化率可达到93%。为确保产品的低脉石、低硫，压块前可先热磁分选。热压块产品成分为TFe为90.4%，Mfe83.2%，C为2.0%，脉石为4.4%，S为0.025%。
图20 Circofer煤还原粉矿的CFB工艺
该工艺的优点是：以流化床为主体设备，直接使用廉价的1.0-0.3mm的粉矿；以煤作一次能源，热能闭路循环，能源消耗低，单位容量产量高。
4.4日本流态化直接还原技术
日本千叶川崎钢铁公司用四种平均粒径分别为30，141，162，101μm、铁品位在60%以上的赤铁矿进行热态循环流态化还原研究[37]。结果表明，在不同温度条件下，反应时间在1小时以内，时间对还原度的影响最大。细粒级物料（30μm）是受表面化学反应控制，而粗粒物料（141，162μm）则受扩散过程和化学反应共同控制。日本爱知名古屋技术研究院用粒径为0.15-0.2lmm、铁品位在65%左右的赤铁矿在鼓泡流化床中合成碳化铁。与常规碳化铁生产工艺相比，采用流化床工艺，反应时间由8-16小时缩短到2.5-5小时，反应速度常数（按一级反应设计）增大了数倍。
日本Tohoku大学新材料研究所开发出了用纯氢还原澳大利亚天然钦铁矿的鼓泡流化床还原装置（如图21）。试验时，还原剂氢气以0.082m/s（由同样的装置在冷态下确定）的表
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观速度从反应器底部流入，通过调节布风板压差来控制矿石颗粒的流化质量，每次在氮气条件下取出反应好的试样0.3-0.4g，放入水中冷却，为了考察还原效果，再将反应好的试样在1000℃的温度下，放入纯氧条件下进行氧化2小时，求出氧化前后的质量差。
1：流量计，2：热电偶，3：压力计，4：电热炉，5：氧化铝球层，6：四通阀，7：固体试样，8：O形密封圈，9：水冷段，10：流化床，11：收尘器，12：记录仪，13：质谱仪
图21 钛铁矿流化床还原装置图
矿石粒径为0.044-0.5mm，其中-0.044mm含量占70%以上，-0.074mm含量占85%以上，反应温度在700-900℃，实验结果表明，在整个还原过程中，化学反应本身的速度和传质速度起决定作用。
日本东京钢铁协会新工艺研究中心试验试样为10-30%的-0.25mm的细粒铁矿石和粒径为几个mm的粗粒铁矿石进行了预还原流化床为鼓泡式流化床。由于处理粗粒铁矿石的需要，在流化床底部为小直径（980mm）致密床，上部分直径为1220mm，装置设有细粒物料循环系统，实验时，床内停留物料为700-2800kg，床内温度400～820℃，床内上部气流速度为2.8-5.5m/s，下部气流速度为1.8-3.5m/s。实验表明，在此类给料条件下，流化指数（U0/Umf）应该大于6。粗粒物料的还原时间为30-60min，虽然流化床在较高的气流速度下运行，但床内压力波动较小，并可通过调节致密床的压力来调整床内负荷。研究表明，当循环率在1-2%时，系统的粗粒物料和细粒物料能达到相同的还原效果。旋风收尘筒的分级效率对铁产量和粉尘的损失影响较大。实验发现，细粒物料的循环对旋风收尘筒粉尘的损失有重要影响，定量分析认为，细粒物料的循环增加了损失率，因此，在考虑还原效果的情况下，应选择最佳的细粒物料的循环参数。
4.5印度流态化直接还原技术
印度科技研究院冶金工程研究中心用粉煤作还原剂，对Kllandband铁矿粉在实验室进行了流化床还原研究[38]。实验装置如图22所示。主要由加热系统和反应炉组成。实验时通入空气，反应完成后，立即将试样投入到装有冷水的炉缸内进行冷却，产品用磁选进行分离，检查产品铁含量。实验所用矿粉为铁品位在66%以上的赤铁矿，粒级为0.353-0.5mm，
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最小流化速度由Kunni和Levenspiel方程进行预先估算：
图22 矿煤流化床还原实验装置
反应表观活化能为155kJ/mol，为CO2气化反应活化能的一半，因而推断出反应受碳的气化反应和扩散过程控制，并通过实验研究建立了900-1000℃时的还原时间与还原率、煤矿比、气流速度之间的关系的数学模型。
奥地利Vienna工业大学化工与环境工程学院Christian Doppler实验室的Arna HABermann等人曾进行了赤铁矿流化床还原动力学研究。
实验室使用气氛组分主要有H2、H2O、CO、CO2、N2，环境压力高（10bar），温度范围大（773-1173K）。实验结果表明：温度和还原气体流量对还原反应影响较大，环境绝对压力则影响不大。粒径为0.5-4.0mm的颗粒的还原率明显比粒径为0.125-0.5mm还原率小，但最终都能达到同样的还原程度。还原后的颗粒分解成2-10μm大小的颗粒，并被小孔覆盖，表层为金属铁，核为氧化铁；铁矿石的还原由两个还原度不同的过程控制，第一阶段还原速度受还原气体与铁矿颗粒之间的气体扩散过程控制，第二阶段还原速率则受铁矿石小颗粒间固相扩散过程所控制。
以上铁矿石流态化还原技术的研究和开发，设备的研制，其多级预热，循环流化及排料、冷却方式，为氧化铁矿石多级循环流态化磁化焙烧工艺和低品位氧化矿磁化焙烧提供了新的思路。
5总结
目前，我国复杂难选铁矿石种类繁多，储量巨大，极其难选，采用常规机械物理选矿工艺，此类资源难以经济、高效利用，更难以得到高品位、低杂质的铁精矿。磁化焙烧处理低
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品位铁矿石是典型的最有效的方法，由于该工艺方法在处理这类铁矿资源方面具有积极作用，受到业内广泛的关注。
传统的铁矿磁化焙烧技术主要有竖炉、回转窑、沸腾炉等，这三种工艺方法在对氧化铁矿进行磁化被烧时，都存在给矿粒度大，传热传质速度慢，焙烧不均匀，导致焙烧时间长，均在60分钟以上，能耗高，焙烧成本高等不足。
流化态磁化焙烧是技术具有可采用吸粉，气-固接触面积较大，热稳定性高，单位设备生产能力大，焙烧速度快，设备结构简单、造价低，符合现代化大生产的需要等显著优点，已开始被国内外研究并应用到铁矿的磁化焙烧领域。
参考文献
[1] .叶卉，孙锡丽．进口铁矿石现状分析及策略研究[J]．金属矿山，2008：7~11 [2] .胡起生，朱曾汉．湖北省铁矿资源的可供性研究[J]．资源环境与工程，2006，20（4）：
341~347
[3] .陈甲斌，许敬华．国内外铁矿石市场形势分析[J]．江苏地质，2007，31（2）：151~156 [4] .信息平台．矿业快报，2007，5：6
[5] .孙炳泉．近年我国复杂难选铁矿石选矿技术进展[J]．金属矿山，2006，3：11~14 [6] .李多勇，丁一．中国铁矿资源开发的循环经济研究[J]．中国矿业，2007，16（1）：23~25 [7] .黑色金属矿石选矿试验编写组．黑色金属矿石选矿试验[M]．北京：冶金工业出版社，
1978
[8] .衰致涛，韩跳新，李艳军．铁矿选矿技术进展及发展方向[J]．有色矿冶，2006，22（5）：
10~14
[9] .曾凡，胡永平．矿物加工颗粒学[M]．江苏：中国矿业大学出版社，1995 [10] .孙仲元．磁选理论[M]．长沙：中南工业大学出版社，1987
[11] .（苏）С.Ф.申柯连科编，殷俊良等译．黑色金属矿选矿手册．北京：冶金工业出版社，
1985
[12] .袁楚雄．特殊选矿[M]．中国建筑工业出版社，1982 [13] .永田武．岩石磁学[M]．地质出版社，1959
[14] .I. Kobayashi, Y. Tanigaki, Uragami. A new process to produce iron directly from fine ore and
coal[J]. Iron Steelmaker, 2001, 9: 19
[15] 张一敏，宋少先．固体物料分选理论与工艺[M]．北京：冶金工业出版社，2007 [16] .东北工学院选矿教研室编．磁电选矿[M]．北京：冶金工业出版社，1977 [17] .n. E.奥斯塔平科.铁矿石选矿〔M].北京:冶金工业出版社，1981:10-30
[18] .黑色金属矿石选矿试验编写组.黑色金属矿石选矿试验[M].北京:冶金工业出版社，
1978:186-200
[19] . R. C. Nogueira, T. Ogasawara. Purifieacao De Minerio De Ferro Atraves A SeParacao
Magnetiea No Estado Pareialmente Reduzido. Left Braeket Purifieation of Partially Reduced
30
fronore By Magnetic Separation Right Bracket. In: 33rd Congress on ABM(Pro. Conf.), Portugal: Rio de Janerio, 1978.17-18
[20] .丘继存.选矿学[M].北京:冶金工业出版社，1987:68-91
[21] .刘万灵. 缺氧磁化焙烧技术用于处理硫砷金精矿[J].黄金, 2000, 21(l2): 26-28 [22] 朱家骥, 朱俊士. 中国铁矿选矿技术[M]. 北京: 冶金工业出版社, 1994: 23-49 [23] .陈鸿复. 冶金炉热工与构造[M]. 北京: 冶金工业出版社, 1990: 23-31
[24] EI-TAWIL. S. Z., Morsi. I. M., Yehia. A. and Francis. A. A. Alkali Reductive Roasting of
llmenite ore(J). Canadian Metallurgical Quarterly. 1996，35(1): 31-37
[25] 宋海霞. 悬浮态磁化焙烧菱铁矿的试验研究[D]. 西安建筑科技大学硕士论文.2007.6 [26] 张汉泉.大冶铁矿难选氧化铁矿多级循环流态化磁化焙烧[D]. 武汉理工大学博士论文
2007.10
[27] 任亚峰. 细粒红铁矿闪速磁化焙烧研究[D]. 武汉理工大学硕士学位论文. 2006.4 [28] 申柯连科(苏)主编, 殷俊良译. 黑色金属矿选矿手册[M]. 北京: 冶金工业出版社, 1985:
23-30
[29] 齐渊洪, 许海川. 还原流化床内铁的析出形态与铁矿粉的粘结行为[J]. 钢铁研究学报，
1996， 8（5）：7-11
[30] 金永龙，徐南平，邬士英等. 流态化预还原法存在的问题及发展趋势[J]. 烧结球团, 1999,
24(6): 28-30
[31] 马鞍山矿山研究院. 用粉煤沸腾磁化焙烧贫氧化锰矿石的工业试验, 1978, 2
[32] 邹东雷，周游. 硫铁矿物料最小流化速度的研究[J]. 吉林化工学院学报, 1997, 14(3):
21-23
[33] 朱凯荪，李卫国，谢红梅等.宝钢纽曼山铁矿粉气固流态化还原过程的研究[J].华东冶金
学院学报, 1996, 13(l): 37-41
[34] 朱凯荪，李卫国，王勇等.宝钢利奥多西矿粉流态化还原过程中粘结问题的研究[J].华东
冶金学院学报, 1996, 13(l): 42-48
[35] 阴继翔.煤基直接还原技术的发展[J].太原理工大学学报, 2000, 31(3): 314-316
[36] ]Nuber Dirk, Eiehberger Heinz, Rollinger Bernt. Cireored fine ore direet reduction-The
Future of modern electric steelmaking[J].Stahl and Eisen, 2006, 126(3):47-51
[37] Hiroshi ITAYA. Masah SATO, Seijil TAGUCHI. Circulation and Reduction Behavior of lron
Ore in A Circulating Fluidized Bed[J]. ISIJ Intemational, 1994, 34(5): 393-400
[38] R HAOUE. H.S.R, A. MUKllERJEE. Fluidized Bed Reduction of lron ore Flnes by Coal
Fines[J]. ISIJ International, 1991,31(11): 1279-1285
31