铁矿预还原球团微波加热煤基直接还原研究

摘要

近年来短流程炼钢工艺在世界范围内得到了迅速的发展,其入炉原料主要是废钢,但是我国废钢资源短缺,因此发展作为废钢优质替代品的直接还原铁工艺就显的十分重要。氧化球团矿需要高效供热才能实现快速还原,在传统加热反应器内,物料依靠传导和对流供热,容易造成球团受热不均,发生球团表面颗粒之间粘结粉化,降低还原速度,使反应受到限制。微波加热具有高效节能的特点,煤基微波直接还原能耗理论计算表明:使用微波加热的方法还原每吨海绵铁的能耗为3.04GJ,C/Fe=0.531时消耗还原煤654.44kg。采用预还原球团进行直接还原可以显著降低微波能的使用,当预还原球团金属化率达到42.8％,其还原所消耗的微波能仅为氧化球团直接还原所需微波能的32％。与传统加热不同,采用微波加热时,微波能够“选择性”地加热试验原料中的吸波物质,对微波吸收能力强的物质可以优先被加热到很高的温度。小型工业微波炉升温试验表明：预还原球团在微波场中的升温速率随其金属化率的增加而小,通过对其介电常数的计算也证实了以上试验结果。当预还原球团金属化率为42.85％时,其表观升温速率仍为0.332K/s,还原剂具有良好的吸波性能,粒径小的碳质还原剂升温速率更快,在微波加热中形成高温热点,加快了碳的气化反应,促进了球团直接还原。
　　 在竖炉中微波加热预还原球团配加还原剂混合料的升温速率是不断变化的,在低温升温阶段及高温反应阶段有着不同的升温规律:低温时混合料升温速率主要受到微波输入功率及还原剂粒度的影响,微波输入功率越高、混合料中细粒级还原剂比例越高,混合料升温速率越快；在高温时混合料的升温速率主要受到微波输入功率及还原剂用量、种类的影响,微波输入功率越高、还原剂用量越高、杂质越多混合料升温速率越快。在这两个阶段由于细粒级还原剂及还原反应的存在,预还原球团还原程度对混合料的升温影响不大。
　　 在微波作用下预还原球团可以实现快速还原,在较短的时间内达到很好的还原效果。当金属化率为42.85％的预还原球团采用微波加热、配加细煤粉、高温还原时间为63min、还原温度为1000～1050℃时还原产品的金属化率达到98.75％。预还原球团微波加热煤基直接还原试验表明:随着预还原球团金属化率的提高,在相同的工艺条件下,产品的金属化率越高。而当预还原球团的金属化率大于27.5％后,金属化率提高的幅度降低。
　　 运用光学显微镜对预还原球团微波加热直接还原产品进行了研究,结果表明：当预还原球团金属化率较低时,浮氏体及Fe3O4混合体颗粒呈椭圆球形分布在球团内部,深还原从颗粒表面开始进行；而预还原球团金属化率增加,浮氏体与Fe3O4混合体颗粒出现碎裂结构,还原气体CO可以容易地将其内部还原,还原效果好。

目录

文摘

英文文摘

第一章 文献综述

1.1 钢铁工业简介

1.2 钢铁生产流程

1.2.1 国内外钢铁生产流程的发展

1.2.2 长流程与短流程的比较

1.2.3 短流程工艺存在的问题

1.3 直接还原工艺

1.3.1 世界直接还原铁的发展

1.3.2 直接还原工艺

1.3.3 直接还原技术的发展趋势

1.3.4 直接还原工艺存在的问题

1.4 微波加热技术

1.4.1 微波加热技术的特点

1.4.2 微波加热的基本原理

1.4.3 铁矿石微波加热直接技术的研究与应用

1.4.4 微波加热技术应用前景

1.5 本研究的目的和研究思路

1.5.1 研究目的

1.5.2 研究思路

第二章 氧化球团及预还原球团原料性能研究

2.1 氧化球团原料

2.2 预还原球团原料

2.2.1 预还原球团的物理及化学性质

2.2.2 预还原球团的矿物组成

2.3 还原剂

第三章 煤基微波加热直接还原计算与试验研究方法

3.1 铁矿直接还原理论基础

3.1.1 直接还原基本理论

3.1.2 氧化球团不同还原阶段脱氧速率测定

3.2 微波加热预还原球团直接还原计算

3.2.1 微波能转换机理

3.2.2 预还原球团煤基直接还原微波加热所需能耗理论计算

3.3 试验研究流程及研究方法

3.3.1 试验设备及流程

3.3.2 球团抗压强度检测

3.3.3 还原球团化学成分检测

3.3.4 矿相鉴定

3.4 本章小结

第四章 铁矿预还原球团在微波场中加热与升温性能研究

4.1 试验原料在微波场中升温特性研究

4.1.1 预还原球团的升温特性研究

4.1.2 矿物组成结构的对预还原球团在微波场中升温速率的影响

4.1.3 预还原球团介电常数计算及其吸波性能分析

4.2 还原剂的升温特性研究

4.3 预还原球团矿在煤基微波竖炉中升温特性影响因素研究

4.3.1 微波加热混合料的升温过程

4.3.2 微波输出功率对混合料升温特性影响

4.3.3 还原剂用量对混合料升温特性影响

4.3.4 还原剂种类对混合料升温特性影响

4.3.5 煤粉粒度对混合料升温特性影响

4.4 煤基预还原球团在微波竖炉中的升温规律研究

4.4.1 煤基预还原球团在微波竖炉中低温时的升温规律

4.4.2 煤基预还原球团在微波竖炉中高温时的升温规律

4.5 本章小结

第五章 预还原球团煤基竖炉微波加热直接还原工艺

5.1 预还原球团煤基竖炉微波加热还原效果影响因素研究

5.1.1 还原剂种类对还原效果影响

5.1.2 还原剂用量对还原效果影响

5.1.3 微波输入功率对还原效果影响

5.1.4 电机转速（还原时间）对还原效果影响

5.1.5 增加还原段导气管对还原效果影响

5.1.6 还原剂粒度对还原效果影响

5.1.7 预还原球团还原程度对还原效果影响

5.2 预还原球团煤基直接还原机理研究

5.2.1 还原膨胀对直接还原效果的影响

5.2.2 不同还原程度预还原球团还原矿物结构的分析

5.3 本章小结

第六章 结论

参考文献

致谢

攻读学位期间主要成果