摘要  本文通过阿仑尼乌斯公式对磁铁矿原料润磨前后球团氧化反应的活化能进行了研究，研究表明：原料不润磨，球团氧化反应活化能为33．96 kJ／mol；原料经润磨后，球团氧化反应活化能为31．68 kJ／mol。这说明润磨降低了球团氧化反应的活化能。

关键词  磁铁矿  润磨  球团  氧化  活化能

1     前  言

  磁铁矿精矿是生产球团的主要原料，在焙烧过程中，磁铁矿将氧化成赤铁矿，其氧化程度对球团矿的固结有重要意义，是决定球团矿强度的重要因素，因此应力求在焙烧中将磁铁矿充分氧化为赤铁矿。研究经润磨预处理后铁精粉制成球团的氧化反应表观活化能的变化，可衡量润磨引起的机械化学变化使球团氧化的活化程度。本文通过对球团氧化过程中亚铁含量的变化来求得其氧化反应的速度常数，再通过阿仑尼乌斯公式作图求得原料润磨与不润磨的球团氧化反应的活化能。

2    实验方法

2．1原料性能

  实验所用磁铁精矿的化学组成及物理性能见表l与表2。

2．2实验设备及方法

    原料润磨所用设备为Ø 500×500 mm无级调速润磨机，润磨时间为6 min。润磨后与不经润磨的磁铁精矿各配1．5％的膨润土进行造球，造球在圆盘造球机上进行，造球机直径为Ø800 mm，转速为25 r／min，倾角45⁰～50⁰可调。造球后将生球在105℃恒温下干燥4 h。氧化焙烧试验在Ø50 mm卧式管状电炉中进行，每次取Ø10—12 mm生球10个，置于瓷舟中，在自然通风的条件下进行氧化焙烧实验，其后在氮气中进行冷却，再化验其亚铁含量。

3实验结果与分析

3．1球团氧化反应级数的确定

    化学动力学中把反应分为基元反应和非基元反应两大类，基元反应是反应物分子在相互作用或碰撞时一步就能直接转化为生成物的反应，反之就是非基元反应。对于磁铁矿氧化成赤铁矿的反应：4Fe₃O₄+O₂=6Fe₂O₃，显然为非基元反应。事实上，Fe₃O₄是Fe₂O₃与FeO的聚合体，所以上式也可写为：

    4FeO+O₂=2Fe₂O₃

    于是，测定反应经一系列不同的反应时间的FeO的百分含量可以标定氧化反应速率和FeO百分含量关系的规律。

  我们知道，对于零级反应有：

  k₀=x·t                        (1)

  对于一级反应有：

  k_l=ln[C_AO／(C_AO一x)]·(1／t)   (2)

  对于二级反应有：

  k₂=[x／(C_AO一x)]·(1／t)       (3)

式中：x一FeO含量的变化量／％

    t一氧化反应时间／min

    C_AO一FeO初始百分含量

    k₀一零级反应速率常数

    k₁一一级反应速率常数

    k₂一二级反应速率常数

  本试验C_AO为20．02％，当焙烧温度为850℃时，将不同氧化时间的FeO百分含量分别代入公式(1)、(2)、(3)计算其反应速率，计算结果列于表3。

    从表3可看出，k_l接近常数，所以磁铁精矿球团的氧化反应属一级反应。

3．2球团氧化反应表观速率常数

  据前述可知，磁铁精矿球团的氧化反应属一级反应，根据公式(2)，在不同温度下用ln[C_A0／(C_A0一x)]对t作图可得一直线，其斜率即为不同温度下的氧化反应表观速率常数。

    表4是在实验室测定的润磨与不润磨情况下，不同焙烧温度时不同焙烧时间的球团亚铁含量表。通过表2的数据求出润磨与不润磨条件下，不同焙烧时间、焙烧温度球团的ln[C_A0／(C_A0一x)]，列于表5。

    采用表5的数据，分别作出铁精矿球团的基准样在不同氧化温度下的ln[C_A0／(C_A0一x)]一t图(图1)，润磨6 min样在不同氧化温度下的ln[C_A0／(C_A0一x)]一t图(图2)。

    图l、2中列出了不同预处理方式下，不同氧化温度的回归直线方程与其决定系数(R²)。从决定系数接近l可知，各回归直线方程拟合得较好，而各回归直线方程的斜率即为不同预处理方式下不同氧化温度的表观速率常数。将各回归直线方程的斜率归集于表6。

    从表6可知，当温度由低到高等步长升高时，不同预处理方式下的表观速率常数也上升，但并不成比例。基准样球团表观速率常数随温度上升得较快，而润磨样球团表观速率常数随温度上升得较慢。这说明球团氧化处于扩散与界面化学反应混合控制。因为铁精粉经润磨预处理后制成的球团，其孔隙率变小，球团更致密，不利于扩散反应的进行。

3．3球团氧化反应表观活化能

  根据有效碰撞理论，在化学反应中不是所有分子的碰撞都能引起反应，只有活化分子的碰撞才能引起反应。一般认为活化分子的平均能量与普通分子的平均能量的差值EA称为化学反应的活化能。化学反应活化能越大，表明要活化普通分子所需的能量越大；活化能越小，则活化所需的能量越小。对于化学反应，影响其反应速率的主要有浓度、温度、催化剂等因素，催化剂加快化学反应速率的原理就是降低了其活化能。铁精粉经机械活化预处理后，在氧化反应过程中其活化能有何变化，可利用下面的阿仑尼乌斯公式进行研究。

   Ink=－E_A/RT+C     (4)

式中：k——反应速率常数

    E_A——活化能

    C——与温度无关的积分常数

    R——常数

    T——反应温度

    从公式(4)可看出：用不同温度下lnk对l／T(T为绝对温度)作图可得一直线，由直线的斜率可求得球团氧化反应的表观活化能。将表6中不同氧化温度的表观速率常数取自然对数得表7。

    由表7的数据作图3如下，不同预处理方式下的回归直线方程列于图中。直线的斜率即为E_A／R(R为8．314)，由此计算得基准样球团、经润磨6 min处理后球团的氧化反应的活化能分别为：33．96 kJ／mol、31．68 kJ／mol。

4  结论

    基准样球团、经润磨6 min处理后球团的氧化反应的活化能分别为：33．96 kJ／mol、31．68 kJ／mol。从而可知，磁铁精矿经润磨处理后，降低了其氧化反应的活化能，得到了机械活化。