转底炉煤基热风熔融炼铁工艺的基础性研究

论文摘要

随着对环境保护的日益重视以及对成本控制的需要,炼铁工业的改革势在必行。对用铁精矿粉取代烧结矿,用煤取代焦炭的直接还原和熔融还原炼铁工艺的研究正越来越蓬勃兴旺。转底炉煤基热风熔融炼铁工艺,又称恰普法（Coal Hot-Air Rotary Hearth Furnace Process,简称CHARP）是20世纪九十年代末由北京科技大学冶金学院冶金喷枪研究中心在转底炉直接还原基础上开发的新炼铁工艺。该工艺以矿粉煤粉复合含碳球团为原料,在13501450℃的温度下,使得球团快速还原,经渣铁熔分,得到形似珠状、成分如生铁、不含脉石的产品,称为珠铁,而不同于一般的金属化球团。本文主要为该工艺的基础研究,目的是充分地掌握含碳球团还原熔分的特点、机理以及所需要的一般性条件。因此利用高温电阻炉对转底炉内含碳球团还原、熔分行为进行了热态模拟,并且对含碳球团还原、熔分过程中硫的分配、硫的行为及如何控制或者降低珠铁中的硫含量进行了实验研究。然后又将研究对象扩展到普通铁矿粉之外的特殊铁矿,特别是对钒钛磁铁矿、钛精矿复合含碳球团的还原熔分行为进行了探索性的研究,既扩大了转底炉煤基热风熔融炼铁工艺对矿的适用范围,又为钛资源利用开辟了新的方法。在确定含碳球团还原熔分的基本参数后,针对工业转底炉原型,利用CFX软件,耦合湍流、燃烧和辐射模型,对转底炉炉内湍流流动、燃烧和传热进行了数值模拟研究,得到了炉膛内温度场和流场的分布。本研究的主要创新点表现在:（1）对转底炉煤基热风熔融炼铁工艺进行了高温热态模拟,研究了含碳球团的还原熔分的行为以及还原熔分过程中的硫行为及硫控制。（2）提出了通过转底炉利用钛资源的两条路线,并通过实验证实了这两条路线的技术可行性。一是以钒钛磁铁精矿为主要原料,以Na2SO4为熔剂,经过还原熔分后得到铁和品位约50%的含钛渣,二是以钛精矿为原料,以Na2SO4和Li2CO3为复合熔剂,经过还原熔分和磁选后得到当量直径38毫米的粒铁和品位约75%的含钛渣。（3）根据热态模拟实验的结果,对转底炉内燃烧、传热、流动现象进行了数值模拟,得到了转底炉料面层的温度场和流场的分布,为工程化设计提供参考和依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 文献综述
• 1.1 转底炉煤基热风熔融炼铁工艺的发展演变
• 1.1.1 直接还原
• 1.1.2 转底炉直接还原的技术起源和发展
• 1.1.3 转底炉Itmk3 生产工艺的由来和发展
• 1.1.4 国内转底炉煤基热风熔融炼铁工艺发展过程
• 1.1.5 转底炉煤基热风熔融炼铁工艺和转底炉直接还原工艺的区别
• 1.2 转底炉煤基热风熔融炼铁工艺的开发和应用现状
• 1.2.1 转底炉炼铁的几个典型工艺
• 1.2.2 转底炉炼铁方法的优劣
• 1.3 含碳球团还原熔分理论
• 1.3.1 含碳球团的铁矿石还原热力学
• 1.3.2 固体碳还原铁氧化物的动力学
• 1.3.3 对固体碳还原铁氧化物机理的认识
• 1.3.4 终还原机理
• 1.3.5 铁渗碳和熔分机理
• 1.3.6 含碳球团脱硫工艺理论研究
• 1.4 研究主要内容
• 1.4.1 研究目的和意义
• 1.4.2 研究方法和内容
• 2 含碳球团还原熔分实验研究
• 2.1 实验目的
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 实验原料和球团制备
• 2.2.2 实验装置
• 2.2.3 研究方法
• 2.3 实验结果与讨论
• 2.3.1 温度对还原熔分的影响
• 2.3.2 配碳量对珠铁还原熔分的影响
• 2.3.3 化学成分对球团还原分离的影响
• 2.3.4 孔隙率和球团厚度对珠铁还原熔分的影响
• 2.3.5 含碳球团显微结构和能谱分析
• 2.4 含碳球团还原熔分特征
• 2.5 含碳球团还原熔分动力学描述
• 2.6 小结
• 3 珠铁脱硫实验研究
• 3.1 实验目的
• 3.2 研究方法
• 3.2.1 实验原料
• 3.2.2 实验方案
• 3.3 实验结果和分析
• 3.3.1 硫分配
• 3.3.2 球团还原熔分过程中的硫变化
• 3.3.3 垫底料对球团中硫含量的影响
• 3.3.4 煤种、矿种和添加剂对珠铁中硫含量的影响
• 3.3.5 碱度对珠铁中硫含量的影响
• 3.3.6 炉内气氛和温度对球团中硫蒸发的影响
• 3.4 含碳球团脱硫的热力学和机理
• 3.5 小结
• 4 通过含碳球团还原熔分利用钛资源的实验研究
• 4.1 钛精矿碳热还原的基本原理
• 4.1.1 钛铁矿的还原过程
• 4.1.2 高钛渣的熔化性质
• 4.2 实验原料和配料
• 4.2.1 实验原料
• 4.2.2 配料原则
• 4.2.3 实验方案
• 4.3 实验结果和分析
• 4.3.1 预实验
• 4.3.2 钒钛磁铁矿配钛精矿含碳球团还原熔分实验
• 4.3.3 钛精矿还原熔分实验
• 4.4 小结
• 5 转底炉煤基热风熔融炼铁流程和优化控制理论分析
• 5.1 工业流程和特点
• 5.2 能量平衡计算
• 5.2.1 进出口物料成分和相关参数
• 5.2.2 能量平衡计算
• 5.2.3 二次燃烧率对珠铁生产的影响
• 5.3 优化工艺控制的理论分析
• 5.4 小结
• 6 转底炉流动、传热和燃烧数学模型
• 6.1 问题的提出
• 6.2 转底炉炉膛燃烧模拟的控制方程组的建立
• 6.2.1 粘性流动基本方程组（Navier-stokes 方程组）
• 6.2.2 湍流模型
• 6.2.3 湍流燃烧模型
• 6.2.4 辐射模型
• 6.2.5 边界条件
• 6.2.6 收敛的解决
• 6.2.7 数值计算方法
• 6.3 转底炉数值模拟计算结果
• 6.3.1 侧吹转底炉模拟计算条件
• 6.3.2 侧吹模型计算结果
• 6.3.3 顶吹转底炉模拟计算条件
• 6.3.4 顶吹模型计算结果
• 6.4 小结
• 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢