钒钛铁精矿内配碳球团料层内部温度测试实验研究

2016-01-13   作者：佚名   网友评论 0 条

　　杨绍利1，2，3，马兰1，2，李俊翰1，3，李昌东1，赵均辉1，何军1

　　1攀枝花学院攀西科技创新中心 2国家钒钛检测重点实验室(筹)3钒钛资源综合利用四川省重点实验室

　　1 序言

　　1.1 背景

　　进入21世纪以来，国内外学者包括笔者及其所在单位均对钒钛磁铁矿煤基直接还原新工艺进行了大量的实验室和工业试验研究工作，得出了许多较高水平的研究成果[1~4]，并且有的已经实现产业化。若按主体还原设备不同，可分为转底炉流程、隧道窑流程、回转窑流程以及车底炉流程等。

　　研究得出，钒钛磁铁矿内配碳球团在约1300℃、大约30分钟的还原条件下，大部分铁氧化物能还原成金属铁或铁的低价氧化物，铁的金属化率可达55%～75%，而且还原速度在很大程度上取决于球团料层内部的传热速度高低。因为传热速度跟不上则达不到发生还原反应所需的温度，从势力学角度分析则还原反应就不会发生，也就是说，球团料层内部的温度及其传热速度直接影响球团料层的总体还原效率。

　　目前，回转窑法和转底炉法运用相对最为广泛。转底炉煤基直接还原工艺是在20世纪60年代由美国Midrex公司和日本神户制钢开发出的炼铁新工艺，转底炉煤基直接还原工艺在进入20世纪以来得到了快速发展，包括Fastmet法、ITmk3法、Inmeto法、Comet法、DRyIron法等[5]。

　　进入20世纪以来，四川攀枝花地区开发出了以转底炉流程为代表的多种煤基直接还原新工艺，并且已经在实验室研究和工业试验研究层面取得了成功，先后建成了2座7万吨/年和10万吨/年规模的工业试验线。所取得在研究成果达到领先水平。转底炉流程很适合处理钒钛磁铁矿，除了具有处理普通铁矿的优点外，还具有如下优点[6]：

　　(1)由于转底炉还原过程炉底转动而放在炉底上的炉料相对不动，所以炉料可不产生或极少产生粉料，出炉时的炉料仍为完整的球团-金属化球团，且不易粘结，有利于向下一步工序运输及处理;

　　(2)对完整的固态金属化球团进行熔炼和深还原，可制备含钒生铁和50钛渣，从而实现钒钛磁铁矿中的铁、钒和钛的分离和回收利用;

　　(3)本工艺流程附产的煤气可作为低热值燃料加以回收利用，对污染环境无污染。

　　1.2 球团还原与传热过程研究现状

　　目前，所涉及钒钛铁精矿内配碳球团传热速率与还原过程的文章较少，相关研究未曾看到相关报道。大多数这方面的研究致力于在还原过程中设备中的温度场的模拟，并建立了相应的数学模型，包含了回转窑内和转底炉内的温度场模拟。澳大利亚JINGGYU SHI等人在轴对称温度场条件下，利用有限控制体积法建立了铁矿石和煤混合而成的球团的煤基直接还原过程的模型。研究表明，对流传热对整个还原的影响很小，但对流对球团组成成分有很大的影响。在球团周围均匀的温度场下，还原得到的球团金属化率更好[7]。

　　北京周春芳等人利用Fluent软件建立了转底炉炉内温度场及流动的数学模型，模拟炉内的辐射传热和湍流流动，研究了烧嘴和助燃喷嘴，并研究了两个装置的布置对转底炉炉内的温度及速度分布的影响[8];彭兵等人对电弧炉炼钢粉尘和碳混合制成的球团在还原过程中的热传导行为进行了相关研究, 根据实验推导出了球团导热模型的结构参数, 并且建立了热传导模型。此模拟过程为进一步深入研究球团还原过程的有关机理和控制因素打下坚实的基础[9]。上述研究者在球团传热以及炉膛温度分布方面的模拟研究较多，但是，对料层内部的传热及其对还原的影响研究力较少。

　　上述研究中的基础理论研究却相对薄弱。特别是还原过程中内配碳球团料层内部的温度分布及其变化对料层还原效率的影响规律等，未见报道。本文既主要测试研究钒钛磁铁矿内配碳多球团组成的料层中的温度分布、传热速率及其对还原反应的影响。

　　2 还原过程的球团料层传热分析

　　2.1 传热速率与还原的关系

　　以转底炉或车底炉还原流程为例，钒钛铁精矿内配碳球团料层放在其中的炉底或车底上进行还原，其料层中的传热过程是一个复杂的过程。在宏观上，球团料层是一个相对固定不动的料层，此时球团料层的传热首先是由还原炉向料层表面进行传热，然后由料层表面再向料层内部进行传热。还原炉向料层表面进行的传热为热辐射传热，而料层表面向料层内部进行传热为导热。但是在料层内部的微观区域上，其传热是非常复杂的。因为在该微区内，随着传热和还原的进行，微区的结构和成份是不断变化的，如发生挥发物的不断挥发溢出、CO气体生成等而不断产生孔隙，孔隙度不断增大，不断生成铁的低价氧化物、金属铁、CO气体等新物质，即因存在大量不同温度的固体而发生导热和热辐射传热，还因产生挥发物、CO气体不断挥发溢出而产生对流传热。因此，从微观上看，球团料层在还原过程中即有导热，也中时存在热辐射传热及对流传热[10]。

　　在宏观上，球团料层是一个相对固定不动的料层，外观上球团始终呈固态，料层也呈完整的固态料层，所以，可以忽略微区的热辐射传热和对流传热，而将料层中的传热视为以导热为主。

　　众所周知，料层内部任何位置若发生还原反应，必须首先满足热力学条件，即必须达到反应所需的温度，温度达不到则不发生反应。而该温度的达到则依靠传热，传热不到位则温度必然是达不到的。因此，还原反应与传热速度密不可分。