1试验方法
1.1试验原料
还原剂为无烟煤，用前经烘干、磨细，过60目筛，其工业分析结果为：灰分11.6，挥发分181，固定碳65.2，硫含量0.43.脱硫剂为CaCO3，采用分析纯试剂。绿矾转化剂为（NH4）2CO3（浓度为4mol/L），用氨水和NH4HCO3配制，氨水、NH4HCO3均为分析纯试剂。
1.2试验设备
主要试验设备有带KSY三相智能温度控制器的马弗炉（长沙中华电炉厂），带温控器的SK管式电炉（沈阳市节能电炉厂），容积为200和300mL的瓷坩埚，长15cm，宽3cm的瓷烧舟。
1.3试验工艺流程和加料方式
由绿矾直接还原焙烧制取还原铁粉会产生SO2，将严重腐蚀设备，污染环境，因此我们首先将绿矾转化为FeCO3，然后进行还原焙烧，其工艺流程所示。
还原焙烧的加料方式主要是采用同心环方式（即中心圆柱和外环为煤，中间环为碳酸亚铁），另外也采用了分层加料方式（即底层和上层为煤，中间层为碳酸亚铁）以进行比较。
2还原铁粉的制取
2.1绿矾的转化为将绿矾转化为FeCO3，先将绿矾溶于水，液固比为11，如果溶解液中固体杂质较多，必须进行过滤，再将4mol/L（NH4）2CO3溶液在室温搅拌条件下缓慢滴加到绿矾溶液中，以得到颗粒均匀细小的FeCO3，（NH4）2CO3的用量为理论量的1.2倍，反应完后静置沉淀一定时间，再过滤洗涤，洗涤用去离子水，洗涤至无SO2-4。检测方式为：取少许洗涤液，滴入BaCl2溶液，无白色沉淀产生，表明SO2-4已洗涤干净。然后在80左右干燥，干燥后粉碎、磨细待用。干燥过程主要是脱去游离水和结晶水：FeCO3nH2O=FeCO3 nH2O↑（1）干燥过程中会有少量亚铁被空气中的氧氧化：2FeCO3xH2O 0.5O2=2FeOOH 2CO2↑ （2x-1）H2O（2）2.2FeCO3还原焙烧2.2.1碳酸亚铁还原的基本原理FeCO3在焙烧过程中首先分解为氧化亚铁：FeCO3=FeO CO2（3）同时少量FeOOH在高温下也会脱水：2FeOOH=Fe2O3 H2O（4）一般FeCO3在400开始分解，650分解完全，因此还原焙烧最终还是氧化铁的还原，根据热力学原理和装料方式，氧化铁的还原不可能是C和FeO之间的固固相反应，而是CO和FeO之间的气固相反应：CO FeO=Fe CO2（5）CO的来源一方面可能是煤与带入的空气中微量氧的气化反应，另一方面主要是由于FeCO3的分解反应（3）产生的CO2，扩散进入煤层，使其气化：C CO2=2CO（6）还原反应（5）产生的CO2同样可扩散进入煤层。
而CaCO3掺入煤中导致另一个分解反应发生：CaCO3=CaO CO2（7）所放出的CO2与煤直接接触，更促进了反应（6）的进行，增加了CO的分压，从而使反应（5）的速度提高。
2.2.2碳酸亚铁的还原焙烧试验由硫铁矿烧渣制取海绵铁的研究中已经证明，用煤还原焙烧最佳温度为1000，温度太低氧化铁还原速度慢，铁的金属化率低；温度太高，则金属铁部分熔融成铁粒和铁块，无法粉碎磨细。因此在用煤还原焙烧FeCO3时温度采用1000.在此温度下分别进行了加脱硫剂CaCO3和不加CaCO3及不同焙烧时间的试验，每次试验加FeCO340g，煤30g，CaCO35g或0g所示。
可知，焙烧时间4.5h，铁的金属化率达到最高98.6，再延长时间，金属化率反而略有下降。这可能是因为随着反应时间的延长，固体C越来越少，CO的浓度也会有所下降，还原性气氛有所减弱，空气中少量氧的进入，使金属铁微量氧化，导致金属化率略有下降。因此，在料层表面有必要盖适当厚度的煤层，以防止空气中的氧进入反应层，特别是出炉时可以防止金属化铁氧化。
还可以看出，在同样焙烧时间下，加CaCO3还原焙烧比不加CaCO3还原焙烧的金属化率高。也证明CaCO3的分解确实对氧化铁的还原起到了催化作用。
总铁分析结果显示，焙烧4h以上铁粉中总铁都在95以上，大部分实验达到或超过98.
按理论计算40gFeCO3需要4.15g碳还原，所用煤中含固定C65.2，相当于需煤6.35g，考虑到过量1倍，也只需煤12.7g，由于FeCO3体积膨松，12.7g煤无法满足同心环加料方式的要求。试验规模增大时用煤量可减少，综合性试验表明，加料量为80g和100gFeCO3，煤的用量可分别减少为50g和60g，即可满足同心环加料方式的要求，而且可达到同样还原效果。CaCO3也可相应减少。
综上所述，FeCO3用煤直接还原为铁粉的合适条件为：FeCO3煤CaCO3为100608，焙烧温度1000，焙烧时间4.55h.
2.2.3综合性试验在上述条件下，进行了多次试验，分别用FeCO340、80和100g，煤相应为30、50和60g，CaCO3相应为4、6和8g，还原焙烧产物中除C采用定碳仪测定外，其他元素经化学分析和光谱分析，分析结果如表2，还原铁粉的国家标准，以便对照。
可以看出，由于绿矾中杂质含量较少，加上碳酸盐转化过程又分离了部分杂质，因此所得产品总铁含量均[/img][/align]98，完全符合各种牌号还原铁粉要求，而杂质中Si、S、P和Mn也都达到了还原铁粉的要求，但C的含量均超过还原铁粉要求，需进行二次还原，即精还原。
另外，表中Fe1-28号试验的装料方式为分层装料，底层是混合了CaCO3的煤，中层为FeCO3，上层盖煤，其余实验均为同心环装料方式，可以看出2种装料方式的结果并无明显差别，但分层装料操作方便，不过装料厚度有待放大试验进一步确定。
2.3精还原试验
2.3.1精还原脱除杂质原理
可以看出，一次还原所得铁粉C含量超过了还原铁粉的国家标准，需要进行二次还原，即以氢气作还原剂，进一步脱除碳、氧和硫。
一次还原铁粉中存在的铁氧化物，主要是冷却过程中再次氧化形成的二次氧化物Fe3O4，另外还可能有少量未彻底还原的铁氧化物。氢还原的一个作用是将这些铁氧化物还原成金属铁，据氢还原氧化铁的热力学平衡图，还原温度控制在800以上比较合适，以上反应均为吸热反应，因此温度越高越有利于反应进行。铁粉中C主要为固溶于Fe形成的渗碳体（FeC），渣铁分离不彻底也会残留少量C，在二次还原过程中除了铁粉中的氧和碳进行自身反应脱碳外，通过以上反应可以使铁粉中氧、碳、硫得以进一步脱除，从而降低杂质含量，提高总铁和稀土金属化水平。
二次精还原的另一作用是能软化铁粉和减少气体在粉体中的饱和度（吸附和吸收量），因此在现代工业纯铁粉的生产过程中，二次还原工艺已成为必不可少的重要工序之一。
2.3.2精还原工艺试验二次还原是在管式炉中进行的，试样放入长15cm，宽3cm的瓷烧舟中，每个瓷烧舟可装铁粉50g左右，一次可送2个烧舟进管式炉，还原温度860，氢气流量0.1L/min，还原时间分别为50和70min.还原结束时通入适量N2（同时通少量H2）保护，使温度逐渐下降冷却，试验结果如所示。
从表中数据可以看出，二次还原后总铁和金属化率都有所提高，C含量明显下降，基本达到还原铁粉的要求，S的含量原本较低，经H2还原后都达到了国家标准的要求。在860下还原时间50min提高到70min，还原效果基本相同。由X射线衍射试验可以看出精还原后只有金属铁相，没有其他杂相。由于试验设备的限制，未进行900以上的氢还原试验，从反应热力学和动力学角度看，适当提高还原温度，预计C的含量可以进一步降低，达到高质量铁粉的要求。
3结论
（1）制取还原铁粉的工艺路线是：经（NH4）2CO3转化为FeCO3，然后经无烟煤还原焙烧制取粗还原铁粉。
（2）由FeCO3一次还原制取粗还原铁粉，采用无烟煤作还原剂，CaCO3为脱硫剂和催化剂，最佳工艺条件为FeCO3煤CaCO3为100608，用同心环或分层装料方式，焙烧温度1000，焙烧时间45h，所得粗还原铁粉除C含量外均符合还原铁粉的国家相关标准。
（3）在900左右经H2还原，可进一步提高总铁含量和金属化率，明显降低铁粉中C含量，S含量也略有降低，使二次还原铁粉完全达到相关国家标准。