中文摘要：

铁矿固相提纯- - 低温固相还原- - （半）固态成型的工艺路线将能避免传统钢铁生产流程中无效的能耗和物耗，使化学和能量状态转换更趋合理。在其中的还原环节可通过减小矿粉粒径来解决低温下反应速率不足、反应时间过长和反应不彻底等问题，这涉及到微空间尺度极端条件下的非经典传质、传热问题，从而必须考虑热（质）传递速度的有限性即非富立叶效应和非费克效应。本课题拟通过实验研究与非典型传输的数值模拟相结合的方法解决其中的关键问题。设计铁矿微粉的可控瞬间反应器在不同的温度、压力、粒径和反应时间下进行还原试验，采用X射线衍射、拉曼谱仪和电镜等方法测定微粉样品矿相组成、结构和形貌变化等信息，从单个微粉颗粒以及微粉团之间的非费克传质、非富立叶导热及反应过程的耦合出发对反应物薄层的扩散和传热行为进行模拟，与实验数据进行综合对照，确定在恰当的还原温度、压力和时间条件下合理的粒径，并对铁矿微粉低温还原机理作出理论分析。

结论摘要：

本课题研究在450－600℃低温条件下微尺度铁矿粉矿气固还原动力学过程。采用失重法测定微纳米铁矿粉颗粒在不同反应条件下还原度的变化,通过X射线衍射仪、扫描电镜等方法测定微粉样品矿相组成和形貌变化等信息。考虑到在微空间尺度内热、质传播速度的有限性，本课题提出了基于非经典传输的"双层球形"模型，引入热、质松弛系数，导出适用于微尺度铁矿粉颗粒的非富立叶传热和非费克传质过程方程式。基于非经典传输方程与气固反应模型方程的耦合，建立起微尺度氧化铁粉还原反应动力学模型。采用控制容积法离散化处理控制方程组并确定相关物性参数，对铁矿粉还原过程进行数值模拟，计算还原气体浓度场、矿粉颗粒温度场、以及还原度和反应速率。数值模拟结果与实验结果的对照表明该模型的合理性。本课题还设计并建立了铁矿微粉低温固相还原的热态模拟装置，建立具有原料制备、送料和样品防氧化保护收集装置。按正交设计进行了铁矿微粉低温还原工艺实验热态模拟试验，分别考虑了气固比、还原时间、反应温度、矿粉粒径、还原剂成分等参数对矿粉还原率的影响，对工艺参数进行了优化,为铁矿微粉气固低温还原的技术路线提供依据。