1.北京科技大學冶金與生態工程學院
2.高端金屬材料特種熔煉與制備北京市重點實驗室
根據世界鋼鐵協會發布的《世界鋼鐵統計數據2019》[1]，過去三年里，全球直接還原鐵產量增長迅猛，2016年全球直接還原鐵產量約7590萬噸，2017年約8870萬噸，2018年約9980萬噸，增長率分別為16.86%，12.51%。氣基直接還原的工藝，占世界還原鐵總產量的80%以上，具有投資少，單體規模大，污染排放低等優勢。我國的氣基直接還原鐵產量雖然當前為零，但是眾多企業和科技工作者正在努力開發適用中國條件的工藝和方法。
還原氣利用率和綜合還原能耗直接關系氣基直接還原工藝開發的成敗，前者是限定了氣體利用限度，后者決定了生產成本的高低。
本文針對氣體還原鐵氧化物的氣體利用率和能耗，從氣體還原煉鐵的熱力學數據出發，建立氣體還原的能耗模型，分析了噸金屬鐵生產所需的還原氣量和熱能量，對還原氣體的選擇和搭配、還原鐵生產的節能降耗、還原工藝條件的改善都具有一定的參考意義。
1氣體還原鐵氧化物模型
1.1 單一氣體還原鐵氧化物
還原氣消耗量
根據化學平衡法原理，依據熱力學手冊數據手冊[1]，計算單一氣體還原鐵氧化物的利用率。
已知，當溫度大于570℃，Fe2O3的還原分為三個階段逐級進行，依次為：Fe2O3→Fe3O4，Fe3O4→FeO，FeO→Fe。
表 1列出單一氣體還原鐵氧化物的化學方程式和相應的熱力學函數數值。表中，、，分別式是化學反應在273.15K時標準摩爾熵變、標準摩爾焓變，單位分別為J?K-1?mol-1，kJ?mol-1。還原反應的吉布斯自由能變根據物質標準生成吉布斯自由能求得，然后對開爾文溫度T做線性擬合，得到的線性關系式。結合等溫方程式，可以求得還原反應的平衡常數。的關系如下式所示：
原過程還原氣體利用率逐級減小，分別為100%，93.57%~ 96.57%，16.35%~22.54%。溫度對于第一級還原反應Fe2O3→Fe3O4的影響幾乎沒有。溫度對于第二級還原反應Fe3O4→FeO的影響比較小，氣體利用率在微小上下區間內變化。溫度對于第三級還原反應FeO→Fe的影響比較大，氣體利用率隨溫度的變化斜率明顯大于第二級還原反應。
另外，對于第二、三級還原反應，CO氣體利用率隨溫度的升高而減小，H2氣體利用率隨溫度的升高而增大。在831~834℃范圍時，CO和H2還原相同鐵氧化物的氣體率相等。高于該溫度范圍，還原相同鐵氧化物的利用率H2高于CO，且隨著溫度增大，兩者的差距也隨之變大；低于該溫度范圍，還原相同鐵氧化物的利用率H2低于CO，且隨著溫度增大，兩者的差距隨之變小。
混合氣體還原鐵氧化物
根據最小自由能原理，依據熱力學手冊數據手冊[1]，計算混合氣體還原鐵氧化物的平衡組成和氣體還原氣利用率。
1.1.1 最小自由能原理
將氣基直接還原煉鐵過程看作是一個封閉體系，進料為氧化球團礦和還原混合氣，出料為金屬鐵、脈石、尾氣，化學反應在高溫下充分進行而達到平衡狀態。對于這一氣固反應的多元多相體系，當體系達到熱力學平衡時，總的自由能最小。
最小自由能原理可以從體系中組元的始態和終態的角度來考慮體系的平衡問題，通過初始態，計算平衡態，根據終止態與起始態的物質的量變化，可以判斷復雜體系中特定組元的化學反應量。其模型如下式所示，式為約束條件。
