高反应性铁焦的性能及其在高炉中应用的基础研究

摘要

目前，炼铁工艺中高炉炼铁仍然处于无可争议的领先地位，但随着生铁产量的不断增加，其可持续发展受到了自然资源、能源供给等问题的制约。高炉对优质煤资源的严重依赖是其主要问题之一，按照2009年的消耗速度，中国的主焦煤和肥煤资源在50年内将消耗殆尽。此外，我国高炉的能耗水平仍然偏高，以2010年为例，与欧洲高炉相比，我国高炉的平均燃料比和焦比分别高出50kg/t和10kg/t以上，这不仅消耗了更多的煤资源，也导致了更多的CO2排放，造成环境问题。因此，如何有效利用煤资源，降低高炉的能耗和CO2的排放成为了钢铁业最关注的问题。针对以上问题，本论文对用添加有铁矿石的配合煤混合炼制的新型炉料铁焦进行了研究。采用武汉平煤武钢联合焦化公司的配合煤探究了铁矿石种类和炼焦工艺对铁焦质量的影响;研究了不同铁焦的反应性，测定了它们的气化反应开始温度;试验研究了铁焦与矿石混装对矿石还原性和炉料熔滴性能的影响;对铁焦和铁矿石在高炉内的反应进行了动力学分析;并使用高炉一维数学模型对在高炉内使用铁焦的效果进行了预测，得到了以下主要结论:
　　(1)以加拿大精矿粉、澳大利亚FMG粉、鄂西高磷铁矿粉与武汉平煤武钢联合焦化公司的配合煤为原料炼制了铁焦，发现在炼焦过程中，配煤中的铁矿石大部分被还原为金属铁，而且铁矿石配比越多，矿石的金属化率越高;炼制的铁焦与不加铁矿石时比较，相对密度增大，冷强度下降，反应性明显增大，反应后强度降低，而这三种铁矿石中加拿大矿对焦炭冷强度与热性质的不利影响最小，是本文条件下最合适的炼制铁焦的原料;以家拿大精矿粉为例，发现炼焦原料中矿石配比不宜超过15％，而炼焦最佳工艺条件为:堆密度1.0t/m3，焖炉时间150min，矿石粒度＜0.2mm。
　　(2)研究了铁焦的反应性并测定它们的气化反应开始温度，结果表明:铁焦中的金属铁有利于加快气化反应的进行，且金属铁含量越高，铁焦反应性越好;焦炭气化反应为吸热反应，温度提高，铁焦的反应速度加快，反应率提高;采用了FactSage软件进行了热力学分析，证实了试验中观察到的反应初期铁焦重量不减反增的现象是因为发生了金属铁被CO2氧化的反应;金属铁可以促进焦炭在较低温度下开始气化，而且金属铁含量越高，铁焦的气化反应开始温度越低。
　　(3)研究了铁焦与矿石混装对矿石还原性和炉料熔滴性能的影响，结果表明:铁焦与矿石混装增加了反应气体的还原势，使还原反应的驱动力提高，有促进还原反应的作用;增加混装铁焦的用量或减小混装铁焦的粒度，反应中产生的CO更多，对还原反应促进作用更明显;铁焦与还原性较好的矿石发生耦合反应效果更好;与铁焦混装炉料的还原度升高，透气性阻力减小，高温熔滴性能改善;同时，增加混装铁焦的用量使软化区间增大，而软熔区间有所减小，炉料熔滴性能改善。
　　(4)采用未反应核模型对铁焦和铁矿石在高炉内的反应进行了动力学分析，并采用分段法对铁矿石还原的限制环节进行判断，采用混合环节控制对铁焦的气化进行分析。此外，由于烧结矿结构不规则且显微结构复杂，难以用传统方式进行描述，因此引入分形法对烧结矿还原进行分析。得到如下结论:
　　1)在反应的开始阶段，铁矿石还原的限制环节为界面化学反应，而随着反应的进行固体内扩散逐渐成为反应的限制环节;
　　2)根据动力学计算得到了球团矿和烧结矿在900～1000℃温度范围内的化学反应速率常数和内扩散系数，并依此计算了其界面反应活化能和内扩散活化能，得出烧结矿的界面反应活化能与内扩散活化能要低于球团矿;
　　3)微观分析结果表明，铁矿石的还原是按照氧化物由高级到低级逐步进行的，铁矿石采用未反应核模型进行动力学分析是正确的;
　　4)铁焦在模拟高炉混合气体中进行气化反应时，在反应初期仍有轻微的氧化现象，而且氧化现象随温度升高而减弱;
　　5)计算得到铁焦2的活化能低于铁焦0的活化能，这表明铁焦2在较低温度下就能开始并较快地进行气化反应;
　　6)对铁焦气化反应各阻力比例进行分析，发现铁焦在反应开始阶段受界面化学反应控制，随反应进行界面化学反应阻力逐渐减小，而内扩散阻力增加，内扩散逐渐成为反应的限制环节。
　　(5)建立了全高炉一维数学模型，采用多目标遗传算法确定模型的边界条件，模拟采用了北欧某座高炉的生产条件，得到模拟结果与神户制钢公司二号高炉在B操作时期的实测结果一致。又在模拟计算的基础上对铁焦在高炉内使用的效果进行了预测，发现使用铁焦后高炉的生产率提高，同时等效焦比降低8.87％，等效燃料比降低7.74％。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 高炉中的焦炭

1．2．1 高炉中焦炭的作用

1．2．2 高炉对焦炭的质量要求

1．2．3 高反应性焦炭的制备

1．3 国内外铁焦的研究现状

1．3．1 21世纪前各国对铁焦研究

1．3．2 21世纪各国对铁焦的研究

1．4 课题主要研究内容

第2章 铁焦质量的影响因素

2．1 铁焦试验原料

2．1．1 试验原料分析方法

2．1．2 试验原料

2．2 试验过程

2．2．1 铁矿粉对铁焦质量的影响

2．2．2 炼焦工艺对铁焦质量的影响

2．2．3 分析方法

2．3 试验结果与讨论

2．3．1 铁矿粉对铁焦质量的影响

2．3．2 炼焦工艺对铁焦质量的影响

2．4 本章小结

第3章 铁焦的气化性质研究

3．1 试验过程

3．1．1 铁焦反应性试验

3．1．2 铁焦气化反应开始温度的测定

3．2 铁焦反应性试验结果与分析

3．2．1 试验结果

3．2．2 试验结果分析

3．3 铁焦开始气化温度测定结果与分析

3．3．1 测定结果

3．3．2 结果分析

3．4 本章小结

第4章 铁焦铁矿石混合物在高炉内的反应

4．1 试验过程

4．1．1 试验样品

4．1．2 等温条件下铁焦对矿石还原行为的影响

4．1．3 非等温条件下铁焦对矿石还原行为的影响

4．1．4 铁焦混装对矿石熔滴性能的影响

4．2 等温条件下铁焦对矿石还原行为的影响

4．2．1 试验结果

4．2．2 试验结果分析

4．3 非等温条件下铁焦对矿石还原行为的影响

4．3．1 试验结果

4．3．2 试验结果分析

4．4 铁焦混装对矿石熔滴性能的影响

4．4．1 试验结果

4．4．2 试验结果分析

4．5 本章小结

第5章 高炉炉料的化学反应动力学分析

5．1 实验过程

5．1．1 实验样品

5．1．2 矿石还原实验

5．1．3 铁焦气化实验

5．2 炉料化学反应动力学的分析方法

5．2．1 未反应核模型基本方程的构建

5．2．2 模型的求解方法

5．3 实验结果与讨论

5．3．1 矿石还原实验

5．3．2 铁焦气化实验

5．4 本章小结

第6章 铁焦在高炉应用的模拟

6．1 模型的建立

6．1．1 主要过程变量

6．1．2 主要的化学反应及其速度

6．1．3 区域的划分

6．1．4 基本方程的建立

6．1．5 模块结构

6．1．6 边界条件

6．2 模型界面与求解方法

6．2．1 模拟模型

6．2．2 预测模型

6．3 模型计算结果

6．3．1 模拟模型

6．3．2 预测模型

6．4 本章小结

第7章 结论

7．1 主要结论

7．2 主要创新点

7．3 展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间取得的科研成果

附录2 攻读博士学位期间参加的科研项目