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| 标准编号 | GB/T 13241-2017 (GB/T13241-2017) | | 中文名称 | 铁矿石 还原性的测定方法 | | 英文名称 | Iron ores - Determination of reducibility | | 行业 | 国家标准 (推荐) | | 中标分类 | D31 | | 字数估计 | 14,122 | | 发布日期 | 2017-09-07 | | 实施日期 | 2018-06-01 | | 旧标准 (被替代) | GB/T 13241-1991 | | 发布机构 | 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局、中国国家标准化管理委员会 | GB/T 13241-2017
Iron ores--Determination of reducibility
ICS 73.060.10
D31
中华人民共和国国家标准
代替GB/T 13241-1991
铁矿石 还原性的测定方法
2017-09-07发布
2018-06-01实施
中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局
中国国家标准化管理委员会发布
前言
本标准按照GB/T 1.1-2009给出的规则起草。
本标准代替GB/T 13241-1991《铁矿石 还原性的测定方法》,本标准与GB/T 13241-1991相
比,除编辑性修改外,主要技术变化如下:
---修改了规范性引用文件;
---删去了术语“还原性”;
---修改了试验所使用气体和纯度要求;
---明确了试验设备应使用质量流量控制器控制气体流量,并提高了气体的控制精度要求;
---提高了试验恒温区的要求;
---增加了流量计与热电偶校准周期的规定;
---以附录A的形式增加了一氧化碳发生炉。
本标准由中国钢铁工业协会提出。
本标准由全国铁矿石与直接还原铁标准化技术委员会(SAC/TC317)归口。
本标准起草单位:鞍山市科翔仪器仪表有限公司、鞍钢股份有限公司。
本标准主要起草人:张大鹏、闻永辉、刘洪涛、胡广峰、周明顺、马连壮、张靖熙、王汇颖。
本标准所代替标准的历次版本发布情况为:
---GB/T 13241-1991。
铁矿石 还原性的测定方法
警示---本标准的使用可能涉及到某些危险的材料、操作和设备,但并未对与此有关的所有安全问
题都提出建议。用户在使用本标准之前有责任采用适当的安全和保护措施,并保证符合国家有关法规
规定的条件。
1 范围
本标准规定了铁矿石还原性能测定方法的试验条件、试验设备、试样制备、试验步骤、结果的计算和
试验报告。
注:所规定的试验方法的特点是:在固定床中用CO和N2 的混合气体进行等温还原;试样具有一定的粒度范围。
本方法适用于以还原度和还原速率表示的铁矿石(包括天然铁矿石、烧结矿、球团矿,以下简称铁矿
石)的还原性的测定。
2 规范性引用文件
下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本文
件。凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。
GB/T 6003.1 试验筛 技术要求和检验 第1部分:金属丝编织网试验筛
GB/T 6003.2 试验筛 技术要求和检验 第2部分:金属穿孔板试验筛
GB/T 6005 试验筛 金属丝编织网、穿孔板和电成型薄板 筛孔的基本尺寸
GB/T 6730.5 铁矿石 全铁含量的测定 三氯化钛还原法
GB/T 6730.8 铁矿石 亚铁含量的测定 重铬酸钾滴定法
GB/T 8170 数值修约规则与极限数值的表示和判定
GB/T 10322.1 铁矿石 取样和制样方法
GB/T 20565 铁矿石和直接还原铁 术语
3 术语和定义
GB/T 20565界定的以及下列术语和定义适应于本文件。
3.1
还原度 degreeofreduction
Rt
以三价铁状态为基准(即假定铁矿石中的铁全部以Fe2O3、形式存在,并把这些Fe2O3 中的氧算作
100%),还原一定时间后所达到的脱氧的程度,以质量分数(%)表示。
3.2
还原度指数 reductionindex
RI
将粒度为10.0mm~12.5mm的铁矿石试料置于固定床中,通入15L由30%CO和70%N2 组成
的还原气体,在900℃的温度下,以三价铁状态为基准,3h后的还原度,以质量分数(%)表示。
3.3
还原速率 reductionvelocity
以1min为时间单位,以三价铁状态为基准,铁矿石在还原过程中单位时间内还原度的变化值,以
质量分数(%)表示。
3.4
RVI
以三价铁状态为基准,当原子比O/Fe为0.9时的还原速率,以(%/min)表示。
4 原理
将一定粒度范围的试料置于固定床中,用由CO和N2 组成的还原气体,在900℃的温度下进行等
温还原。每隔一定时间称试样质量,以三价铁状态为基准,计算还原3h后的还原度和原子比O/Fe等
于0.9时的还原速率。
5 试验条件
5.1 一般条件
本标准所用的气体体积和流量采用标准状态下(0℃和101.325kPa)的体积和流量。
5.2 还原气体成分(体积分数)
CO30%±0.5%
N270%±0.5%
5.3 还原气体的纯度(体积分数)
CO≥99.9%
N2≥99.99%
5.4 还原气体的流量
在整个试验期间,还原气体的标态流量保持15L/min±0.5L/min。
5.5 试验温度
铁矿石试料在900℃温度下进行等温还原,在整个试验期间,进入料层的气体温度,料层温度保持
在900℃±5℃之间。
6 试验设备
6.1 气体的净化、配置系统
气体的净化、配置系统包括:
a) N2 质量流量控制器:量程20L/min,精度不低于±1.5%F.S。
b) CO质量流量控制器:量程5L/min,精度不低于±1.5%F.S。
c) 洗气+配气室容积:≤5L。(使用CO发生炉发生CO时,CO的净化系统除外)
质量流量控制器每年至少校准一次。在没有瓶装CO的地方,可以参见附录A中的CO发生炉及
净化系统制造CO气体。
6.2 还原管
还原管与筛板结构示意图见图1,反应管内径ϕ75mm±1mm,由耐热不起皮金属制成,能耐
900℃以上的温度。
单位为毫米
说明:
1---气体出口;
2---上部控温点;
3---中部控温点;
4---下部控温点;
5---铁矿石试料;
6---筛板;
7---底装反应管;
8---气体均配管;
9---气体入口。
图1 还原管与筛板结构示意图
6.3 还原炉
三段式加热炉,在线显示恒温区温度,试验时保证试料在900℃±5℃恒温区之内。三段独立控温
管式加热电阻炉结构示意图见图2。
说明:
1---下段内嵌锆纤维加热套;
2---试料底部监控热电偶;
3---中段内嵌锆纤维加热套;
4---试料中部监控热电偶;
5---上段内嵌锆纤维加热套;
6---试料上部监控热电偶。
图2 三段独立控温管式加热电阻炉结构示意图
6.4 温度控制装置
6.4.1 温度控制装置有三路温度显示系统,实时显示试料层上、中、下温度,保证还原气体与试料反应
时,进入试料层的气体温度、整个试料层温度稳定在900℃±5℃范围之内。
6.4.2 温度控制精度为900℃±5℃,温度控制精度等级应不低于0.2级。
6.5 热电偶
三点式监控热电偶结构示意图见图3,应不低于工业级Ⅱ级,热电偶测量端分别位于试料中心的上
部、中部和下部。
单位为毫米
说明:
1---上段控温电偶;
2---中段控温电偶;
3---下段控温电偶。
图3 三点式监控热电偶结构示意图
6.6 辅助设备
6.6.1 热重天平:分辨率不低于0.01g。
6.6.2 CO报警仪:固定式、便携式各一台,现场操作人员应随身携带。
6.6.3 试验用筛:符合GB/T 6003.1、GB/T 6003.2和GB/T 6005规定,正方形筛孔为16.0mm,12.5mm
和10.0mm。
6.6.4 二分器:槽宽32mm。
6.6.5 数粒机:粒度范围ϕ10.0mm~ϕ12.5mm。
7 试样制备
7.1 取样和制样
试验试样应按照GB/T 10322.1的规定进行取样和制样。试验试样应在105℃±5℃的温度下烘
干,烘干时间不小于2h,然后冷却至室温,并保存在干燥器中。
7.2 还原性试验用的试样
7.2.1 试样总量
试验试样的总量不少于2.5kg,以干基计算。
7.2.2 球团矿
通过筛分得到粒度范围10.0mm~12.5mm的试样不少于2.5kg。
7.2.3 天然铁矿石和烧结矿
筛出大于12.5mm的试样,并小心破碎大于12.5mm的部分。直至全部通过16.0mm的筛子,然
后合并各部分进行筛分,从试样中筛除大于12.5mm和小于10.0mm部分。然后将得到的10.0mm~
12.5mm这部分试样混匀,保证10.0mm~12.5mm的试样不少于2.5kg。
7.3 试料缩分
试样用二分器缩分成4份,每份取出100g混成一份试样,大约400g,作为测定TFe和FeO的试
样,其余的分开密封保存,作为还原性试验试样。
8 试验步骤
8.1 实验测定次数
对同一个试样,至少进行两次试验。
8.2 试料量
取一份还原性试验试样,称取500g(±1粒)试料,精确至0.01g,记录为m0。
注:重复性试验,试料粒度差≤1粒。
8.3 还原实验工艺流程
警示---由于含一氧化碳的还原气体是有毒和危险的,试验应在有良好通风环境中或在抽风罩下
进行,为了保证操作人员的安全,应根据国家有关的安全规则,采取防护措施。试验现场,CO含量
≤50×10-6,试验人员进入试验现场应携带CO报警仪,且不要长期处于试验环境中。
8.3.1 铁矿石中温还原实验工艺流程图见图4,将试料放到还原管的多孔板上,铺平,插入热电偶后将
密封盖密封,还原管放入还原炉内,试料处于还原炉恒温区中心部位。还原管放入还原炉内时,还原炉
温度≤200℃。
说明:
1---CO钢瓶;
2---N2 钢瓶;
3---CO减压阀;
4---N2 减压阀;
5---CO质量流量控制器;
6---N2 质量流量控制器;
7---还原气稳压室;
8---流量计;
9---系统控制柜;
10---三点控温热电偶;
11---热重天平;
12---下加热段;
13---中加热段;
14---上加热段;
15---还原炉体;
16---电动升降机构;
17---反应管。
图4 铁矿石中温还原实验工艺流程图
8.3.2 还原炉开始升温,升温速度不得大于10℃/min。200℃~900℃,通氮气保护,流量为5L/min。
900℃时,增大氮气流量至15L/min,恒温30min,称量试料和还原管总质量,精确至0.1g,记录为m1,
然后,以15L/min±0.5L/min的还原气体取代保护氮气,还原180min,用热重天平连续记录还原过程
中试料与还原管总质量,精确至0.1g,记录为mt。还原过程中,保证进入试料层的气体温度、试料层整
体温度保持在900℃±5℃之内。
8.3.3 还原结束后,切断还原气体,通入氮气,流量为15L/min,排除试验设备管路与反应管内还原气
体,5min后关闭氮气,还原管出炉,试验结束。
9 结果计算
9.1 还原度的计算
用式(1)计算时间t的还原度Rt,计算Rt 时,t为180min。以三价铁状态为基准,用质量分数(%)
表示。
Rt(%)=
0.111W1
0.430W2+
m1-mt
m0×0.430w2×
100{ }×100 (1)
式中:
m0---试料的质量,单位为克(g);
m1---还原开始前试料和还原管总质量,单位为克(g);
mt---还原t分钟后试料和还原管总质量,单位为克(g);
W1---试验前试样中用GB/T 6730.8测得的亚铁含量,用质量分数(%)表示;
W2---试验前试样中用GB/T 6730.5测得的全铁含量,用质量分数(%)表示。
注1:公式的推导参见附录B。
注2:商检试验时,建议采用交货批量的W1 和W2,而不用7.3中的500g试样的W1 和W2 画出还原度Rt(%)/t
(min)曲线。
9.2 还原速率指数的计算
从还原曲线读出还原度达到30%和60%时相对应的时间,单位为分(min)。
还原速率指数(RVI),用原子比O/Fe为0.9时的还原速率(%/min)表示,按式(2)计算:
RVI=dRt/dt=33.6/(t60-t30) (2)
式中:
t30 ---还原度达到30%时的时间,单位为分(min);
t60 ---还原度达到60%时的时间,单位为分(min);
33.6---常数。
在某种情况下,试验达不到60%的还原度,此时按式(3)计算较低的还原度:
RVI=dRt/dt=K/(ty-t30) (3)
式中:
ty ---还原度到达y(%)时的时间,单位为分(min);
K ---取决于y(%)的常数:当y为50%时,K=20.0;当y为55%时,K=26.5。
注1:原子比O/Fe=0.9,相当于还原度为40%。
注2:公式的推导参见附录B。
9.3 允许误差和试验次数
还原度指数RI的允许误差,对一对试验结果,两个结果之差值,烧结矿不超过5%(绝对值),球团
矿不超过3%(绝对值),天然矿由供需双方商定。如果两个结果之差值在上述范围内,试验可以结束。
如果不在上述范围内,则应按附录C中规定的程序进行。
9.4 最终结果表示
还原度指数RI应按附录C的规定按实验结果的平均数报出,用%表示,精确到小数点后一位数
字,按GB/T 8170规定进行修约。
还原速率指数RVI的试验结果的取值与还原度指数RI的取值相一致,并以其平均数报出,用
%/min表示,精确到0.01%/min。
以3h的还原度指数RI作为考核指标,还原速率指数RVI作为参考指标。
10 试验报告
本标准的试验结果应与其他试验,特别是那些表示铁矿石在还原时的其他冶金性能的试验结果联
系起来考虑。试验报告应包括以下内容:
a) 试验单位;
b) 试验报告发表日期;
c) 参照本标准;
d) 试样说明(包括还原前全铁和亚铁量含量);
e) 试料质量及粒数。
f) 还原度指数RI和还原速率指数RVI;
g) 如果需要,列出相应时间的质量损失。
附 录 A
(资料性附录)
一氧化碳发生炉
警示---一氧化碳是无色、无味对人体有伤害的有毒气体。本实验使用一氧化碳发生炉时,一氧化
碳要随产随用,不允许储存。使用完毕后,要用氮气或空气清扫试验设备及管路,室内应安装一氧化碳
报警仪,试验在有良好通风条件的场合中进行,室内的一氧化碳浓度不允许超过50×10-6。
A.1 原理
将木炭装入金属反应器中,加热到900℃通入氮气,通过干馏,使木炭脱水、脱氢及去除其他挥发
分,然后通入CO2 气体,与木炭反应生成CO气体。
A.2 原料
N2、CO2、木炭;
N2:纯度99.99%;
CO2:纯度99.5%;
木炭:灰分≤5.0%;固定碳≥70%;小于10mm的颗粒≤10%。
A.3 设备
CO发生炉工艺流程图见图A.1,包括:
a) 反应罐:
材质GH3044,带汽水分离器。
b) 加热炉:
工作温度:1000℃。
c) 控温装置:
控温范围,常温至1000℃。
d) 净化装置:
净化气体末端安装三级过滤器。
脱水剂:变色硅胶。
CO2 吸附剂:碱石灰。
e) 气体流量计:
N2 流量控制器:量程0L/min~5L/min,精度≤1.0%F.S;
CO2 流量控制器:量程0L/min~5L/min,精度≤1.0%F.S;
CO流量检测器:量程0L/min~5L/min,精度≤1.0%F.S。
说明:
1 ---CO2 钢瓶;
2 ---N2 钢瓶;
3 ---CO2 流量控制器;
4 ---N2 流量控制器;
5 ---控温仪;
6 ---控温热电偶;
7 ---加热端子;
8 ---加热炉体;
9 ---气体入口;
10---木炭;
11---气体出口;
12---反应管;
13---脱水器;
14---脱CO2;
15---气体分析;
16---混气罐;
17---转换阀;
18---CO出口;
19---排空出口。
图A.1 CO发生炉工艺流程图
A.4 CO发生步骤
A.4.1 木炭干馏
CO发生炉启动,200℃时向炉内通入流量为5L/min的氮气,加热到950℃时,开始恒温干馏,以
脱除木炭中的水分与挥发分。恒温60min后,停止干馏过程。
A.4.2 CO发生、洗气与配气
发生炉内通入2.25L/min±0.01L/minCO2。CO经过脱水,脱CO2,脱尘,进入CO流量检测器。通
过调节CO2流量,使CO流量达到4.50L/min±0.01L/min。CO气体进入混合器与N2(10.5L/min±
0.01L/min)混合,试验开始。
A.4.3 气路清洗
试验结束后,CO2 切换为N2,流量为5L/min。排清反应罐、管路、洗气系统中的CO,试验结束。
附 录 B
(资料性附录)
还原性公式的推导
B.1 还原度表示从铁氧化物中排除氧的难易程度,通常表示如下:
还原度(%)=
从铁氧化物中排除的氧量
原先铁结合的氧量
(B.1)
B.2 在式(B.1)中,假定所有与铁结合的氧都以Fe2O3 的形式存在,但实际上大部分铁矿石都存在一些
Fe3O4、FeO甚至金属铁。因此,根据还原时试样的质量损失和试样原先的理论含氧量与实际含氧量之
差的和来评价还原度。而试样原先的理论含氧量是根据所有的铁都结合为Fe2O3 计算的。实际含氧
量是根据试样中实际存在的Fe2O3、Fe3O4、FeO的含量计算的,Rt 按式(B.2)进行计算。
Rt(%)=
m0w1×
71.85
m0w2×
111.7
×100+
m1-mt
m0×
w2
100×
111.7
×100 (B.2)
将式(B.2)化简后即可得出式(B.3):
Rt(%)=
0.111W1
0.430W2+
m1-mt
m0×0.430w2×
100{ }×100 (B.3)
在式(B.3)中,假定从铁矿石中去除氧的速率对其瞬时含氧量来说(在动力学上)属于一级反应。
dO
dt=K×Ov
(B.4)
dO=-dRt×
Ot
100
(B.5)
Ov
Ot
=1-
Rt
100
(B.6)
式中:
Ov ---锑矿石在还原过程中的瞬时含氧量;
Ot ---与铁结合的总氧量(按Fe2O3 计算);
Rt ---时间为t时的还原度,用质量分数(%)表示;
t ---时间,单位为分(min)。
从式(B.4)、式(B.5)、式(B.6)中推导出还原速率:
dRt
dt =K× 1-
100
÷×100 (B.7)
式(B.7)积分后得到式(B.8):
log101-
Rt
100
÷=-0.434K×t (B.8)
30%和60%之间的还原度按式(B.9)计算:
K= -
log10(1-60/100)+log10(1-30/100)
0.434(t60-t30) =
0.56
t60-t30
(B.9)
在Fe2O3 的情况下,O/Fe原子比0.9与R=40%有同样的意义,把R=40%和式(B.8)代入
式(B.7),得到
dRt
dt
值(在O/Fe=0.9时),即:
RVI=
dRt
dt =
33.6
t60-t30
(B.10)
附 录 C
(规范性附录)
重复性和试验次数
还原度指数RI两个试验结果之极差的大小,将决定是否需要进行补充试验。极差范围的等级列于
表C.1。
表C.1 极差范围
极 差 x1-x2
等 ......
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