根據“收縮核模型”和擴散理論研究了高爐粉塵球團真空碳熱還原過程中Zn還原動力學。詳細考察了系統(tǒng)壓強、球團直徑、還原溫度對Zn還原率的影響。研究結果表明，碳氣化和界面反應的表觀活化能相對于鋅蒸汽和CO氣體的擴散表觀活化能來說較小，其對Zn還原過程的影響較小，而氣體擴散對Zn還原過程的影響較大，高爐粉塵球團真空碳熱還原過程中Zn還原的控制步驟為內擴散，表觀反應級數(shù)為1。在實驗選取的溫度范圍內，反應的表觀活化能為172.39kJ/mol。根據研究結果，建立了Zn還原的宏觀動力學方程。

　　高爐粉塵中除含有大量的鐵、碳元素外，還含有鋅、鉛、錳等元素。目前很多鋼鐵廠是將高爐粉塵經過燒結后返回高爐重新利用，由于燒結過程不除鋅，這必將會導致鋅元素重新進入高爐，對高爐產生如下危害:一是鋅蒸汽上升過程中，一部分會滲入爐墻與爐襯內元素形成低熔點化合物而軟化爐襯，加快爐襯的侵蝕速度，使高爐壽命降低；二是由于鋅在高爐內的循環(huán)富集，生成爐瘤，在高爐內粘結嚴重，從而會影響高爐產量；三是鋅循環(huán)的存在，增大高爐焦比和影響產品的產量。

　　為了保證高爐壽命和鐵水的質量，提高高爐產量，實現(xiàn)資源綜合利用，有必要對高爐粉塵進行脫鋅并回收鋅。含碳球團的特點是可以“自還原”，而真空還原可以降低溫度和還原時間，綜合兩者的優(yōu)點，作者采用了真空碳熱還原工藝處理高爐粉塵球團。高爐粉塵球團碳熱還原是一個非常復雜的過程，它不是一個簡單的還原反應，而是一個包含固-固反應、氣-固反應、碳氣化反應、傳熱、傳質以及各種物質擴散等諸多過程。已經有很多人對常壓下含碳球團還原的動力學進行了大量研究，但對真空下還原動力學研究卻不多。

　　本文對真空條件下碳熱還原高爐粉塵球團過程中Zn還原動力學進行了研究，闡述了其還原機理，建立了Zn還原宏觀動力學方程，找出了Zn還原的限制性環(huán)節(jié)，為高爐粉塵球團真空碳熱還原工藝脫鋅并回收鋅提供了理論基礎。

1、實驗

　　1.1、實驗原料與設備

　　實驗用的高爐粉塵由常州中天鋼鐵公司提供，其元素含量和物相分析結果分別如表1和圖1所示。

圖1 高爐粉塵的物相分析

　　由表1中可以得出:高爐粉塵中鋅含量為4.76%，碳含量為57.09%，可以用來制作球團，在真空下進行碳熱還原以達到脫除鋅的目的。

表1 高爐粉塵中元素含量

　　從圖1可以看出，高爐粉塵中鋅物相為氧化鋅和鐵酸鋅，鐵物相主要為磁鐵礦、赤鐵礦和和鐵酸鈣。因此，對鋅的脫除可以采用氧化鋅和鐵酸鋅的還原工藝。

　　實驗設備主要為:TCE-Ⅱ型溫度控制儀，DP-AF型精密數(shù)字壓力計，2XZ-Ⅰ型旋片式真空泵，SKC-1.2-10型電阻爐，反應器和冷凝器(自制)。

　　1.2、實驗方法

　　按一定的比例取適量的高爐粉塵、碳、粘結劑和生石灰加水混合均勻，制成直徑為8～15mm的球團，然后在110℃左右烘干2.5h。將球團放入石英坩堝中，再將石英坩堝放入反應器內，密封后抽到實驗需要的真空度。待溫度升到設定溫度后，將反應器放入電阻爐中，開始計算還原時間。經還原、殘渣冷卻后，分別從反應器中和冷凝器上取出還原殘渣和冷凝物，稱重，取樣，并用EDTA滴定法測定殘渣中的Zn的含量，然后按照式(1)計算Zn的還原率。

a=(W0Zn0-WtZnt)/W0Zn0×100%(1)

　　式中，a為還原率，W0為還原前球團的初始質量(g)，Wt為還原t時間后球團(殘渣)的質量(g)；CZn，0為還原前球團中鋅的含量(%)；CZn，t為還原t時間后球團中鋅的含量(%)。

3、結論

　　(1)在實驗選取的條件范圍內，系統(tǒng)壓強越低，球團直徑越小，還原溫度越高，Zn還原率越大。

　　(2)高爐粉塵球團真空碳熱還原過程中Zn還原反應的表觀反應級數(shù)為1，碳氣化和界面反應的表觀活化能相對于氣體擴散的表觀活化能來說較小，其對Zn還原過程的影響較小，而氣體擴散對Zn還原過程的影響較大，氣體擴散是限制性環(huán)節(jié)。

　　(3)Zn還原反應速率k與d2成反比，可以進一步確定其反應過程為內擴散控制。在1023～1173K溫度范圍內，反應的表觀活化能為172.39kJ/mol。

　　(4)高爐粉塵球團真空碳熱還原過程中Zn還原動力學方程可描述為:1-2a/3-(1-a)2/3=3.2×105exp[-20734/T)]t。