高炉软熔带内浮氏体还原-成渣反应非稳态竞争行为的机理研究

摘要

高炉软熔带与炉内煤气流的二次分布和煤气利用密切相关，继而直接影响炉况的顺行与燃料的消耗，因此研究软熔带的形成机理以获得其合理的形态结构对于高炉操作至关重要。现有的工作重在通过测试含铁炉料的软熔性能，获取表征物理形态变化的温度、压差来评价软熔带的形状及透气性，忽略了内部发生的化学反应，特别是浮氏体还原-成渣反应及其相互间的竞争行为对其形成规律的影响。本文围绕软熔带形成机理，依次从浮氏体还原反应竞争行为、成渣反应竞争行为和还原-成渣反应竞争行为等三部分开展系统的研究工作，研究结果对于浮氏体还原过程中不同气体组分之间的动态竞争行为及作用机制获得了新的认知，对于不同氧化物对浮氏体成渣反应的影响规律也挖掘了新的数据。
　　本研究主要内容包括：①当利用CO-H2二元混合气体还原浮氏体时，反应速率小于对应两种单一气体单独还原时反应速率的线性加和。基于物理电路知识，类比提出了C-S-S、C-S-P、C-P-S、C-P-P、I-P-S、I-S-P六个模型用以模拟气基还原浮氏体过程中，CO与H2间的相互作用关系。通过模型理论计算与实验测量结果的比较，其中I-S-P模型的预测结果与实验测量的结果最为接近，推导三者还原浮氏体速率满足下列关系式，且相对误差小于8.5％。②当单独添加CaO或者Al2O3后，软化过程整体提前，软化开始温度分别从783℃提前到735℃和775℃。整个过程既没有检测出压差，也没有发现滴落现象，由此说明添加CaO虽然促进软化，但是形成的渣相不利于滴落。单独添加SiO2时， FeO与SiO2结合生成硅铁橄榄石（2FeO?SiO2，熔点1189℃），软化整体滞后，且熔融区间相对于纯浮氏体也有所推迟。当单独添加MgO时，推迟浮氏体二元渣系的滴落行为。③同时加入CaO、SiO2时，软化开始和结束温度受酸碱两种氧化物的影响而呈中和趋势，软化区间主要受结束温度滞后的影响而有所增大。同时加入 SiO2、MgO，较基准实验温度均提前，软化区间较基准实验基本不变。同时加入 SiO2、Al2O3，比SiO2、MgO更为显著的提前，软化开始温度为646℃，软化结束温度为828℃。④所有样品还原前的收缩速率都要比还原后的收缩速率大，其中添加CaO后的样品前后差距最大，大约相差9.7倍，加 SiO2后的样品前后相差最小仅为4.9倍，纯浮氏体和添加MgO和Al2O3的样品前后相差大概在6倍左右。添加CaO的样品还原前的收缩速率较纯浮氏体的大，而还原后的收缩速率较纯浮氏体的小；添加SiO2的样品还原前的收缩速率要比纯浮氏体的小，但在还原后收缩速率却比纯浮氏体的大；添加MgO的样品熔滴实验整个过程的收缩速率都比纯浮氏体样品的大；而添加Al2O3的样品整个熔滴过程的收缩速率都比纯浮氏体的小。⑤气氛对添加SiO2和添加MgO的二元渣系成渣反应影响较大，当还原气氛由CO变为H2时，FeO-SiO2渣系下推迟成渣软化的作用，FeO-MgO呈现促进成渣软化的作用，而对于CaO的二元渣系，气氛对其影响较小，添加Al2O3的二元渣系不同还原气氛几乎对其成渣反应没有影响。⑥当进一步增加CaO含量时促进作用逐渐减小，而从整体上看CaO的增加会促进成渣反应，致使整个过程中未出现压差且最后的总收缩率降低。当加入10%SiO2时，FeO的还原反应趋势强于 FeO与 SiO2的成渣反应，进一步加入20%SiO2后，SiO2与FeO结合生成2FeO?SiO2成渣反应要强于FeO的还原反应。当单独添加MgO时，添加5%和10%的二元渣系都较纯浮氏体推迟软化，二者的开始软化温度分别推迟到834℃和891℃，并且MgO含量越高，软化推迟现象越明显，说明MgO的添加会促进FeO和MgO的结合成渣反应而不利于FeO的还原。添加Al2O3时，添加5%时较纯浮氏体推迟软化，添加10%时使软化稍微提前。说明随着Al2O3的含量增加，对于软化区间推迟效果呈现先增加后减小的作用。

目录

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 课题研究现状

1.3 课题研究目的和内容

1.4 课题研究意义

2 实验设备及研究方案

2.1 实验设备

2.2 实验准备与研究方案

3 高炉软熔带内浮氏体还原反应竞争行为的实验研究

3.1 单一气体还原浮氏体条件下的动力学实验研究

3.2 混合气体还原浮氏体条件下的动力学实验研究

3.3 本章小结

4 高炉软熔带内浮氏体成渣反应竞争行为的实验研究

4.1 浮氏体成渣反应的热力学基础

4.2 浮氏体成渣反应竞争行为的非稳态基础实验研究

4.3 浮氏体成渣过程中收缩速率分析

4.4 本章小结

5 高炉软熔带内浮氏体还原-成渣竞争行为的实验研究

5.1 还原气氛的影响

5.2 脉石成分含量的影响

5.3 本章小结

6 结 论

致谢

参考文献

附录

A. 作者在硕士学位期间发表的论文与专利目录

B. 作者在硕士学位期间参与的科研项目

C. 作者在硕士学位期间参与的学术活动