铁矿球团微波加热煤基直接还原基础与技术研究

摘要

传统钢铁生产流程长、投资大、能耗高、污染严重，而且焦煤资源日益枯竭，开发一种以煤代焦、节能减排、高效紧凑的炼铁新工艺具有重大的战略意义。本文以铁矿球团和无烟煤为主要研究对象，开展了铁矿球团微波加热煤基直接还原的基础与技术研究。论文研究的主要创新点和结论如下:
　　研究了铁矿球团和煤的电磁性能及其微波加热升温特性。球团或团块的升温速度快慢顺序是:Fe3O4＞FeO≈Fe2O3≈氧化球团＞Fe粉;在微波作用下铁矿球团物相及其结构产生了改变，铁氧化物反应活性增强，促进了铁氧化物的还原。无烟煤在微波场中强烈吸收微波，具有还原剂和发热体双重作用，加快了固定碳的气化反应。
　　采用光学显微镜、XRD和SEM等现代测试技术研究了铁矿球团微波加热煤基非等温还原过程物相和显微结构变化。结果表明，微波作用下球团中的颗粒出现碎裂，促进了铁氧化物还原反应，以及晶格发生变化而产生内应力，造成球团膨胀。当升温到850℃，还原度为43.06％时膨胀率最大，球团强度最低为320 N/个，进一步还原时金属铁增多，铁晶粒迁移、聚集、长大，温度上升到1050℃并恒温50 min时，球团的还原度达97％，金属化球团的抗压强度达到1035 N/个。
　　揭示了微波作用下铁矿球团煤基还原过程的规律。铁矿氧化球团微波加热煤基还原受CO的内扩散控制;当还原气氛不足，铁矿颗粒碎裂后未能快速还原而形成浑圆状FeO并快速长大，当存在SiO2时，形成了大量的FeSiO3，阻碍还原进行。
　　研究了预还原球团微波加热煤基直接还原新工艺。铁矿氧化球团经预还原后，结构疏松、孔隙发达、体积膨胀小，具有较高的抗压强度;低还原度（金属化率＜40％）预还原球团微波加热煤基还原时，表层铁氧化物快速还原形成金属铁壳，阻碍了中心铁氧化物快速还原;对于较高还原度（金属化率＞40％）预还原球团微波加热煤基直接还原，球团结构疏松、孔隙发达，提高了CO/CO2扩散速率，加快了铁氧化物还原反应，缩短了还原时间，提高了生产率。当还原度66.90％的预还原球团118 g，微波功率1.3 kW，配碳量/球团量为0.22，温度上升到1050℃时，球团的还原度和金属化率分别达到94.29％和88.23％。
　　采用φ120 mm连续式微波竖炉进行了铁矿球团微波加热煤基直接还原中试研究。结果表明:以氧化球团和无烟煤为原料，在温度1050℃，时间65 min时，球团金属化率和生产率分别为95.25％和4.08 kg/h;以金属化率42.85％的预还原球团和无烟煤为原料，在温度1050℃，时间41 min时，球团金属化率和生产率分别为97.68％和6.33 kg/h，高温还原时间缩短了36.92％，生产率提高了55.15％。

目录

声明

摘要

第一章 文献综述

1．1 直接还原工艺现状与发展

1．1．1 气基直接还原工艺发展现状

1．1．2 煤基直接还原工艺发展现状

1．2 煤基直接还原技术研究现状与发展方向

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．2．3 发展趋势

1．3 直接还原工艺现状与发展

1．3．1 不同材料的微波损耗机制

1．3．2 微波加热技术的发展及在冶金领域的应用

1．4 微波加热在铁矿还原方面的研究

1．4．1 国外研究进展及现状

1．4．2 国内研究进展及现状

1．5 研究目的和研究思路

1．5．1 研究目的

1．5．2 研究思路

第二章 还原物料微波加热升温特性研究

2．1 原料性能

2．1．1 氧化球团

2．1．2 还原剂

2．2 研究方法

2．2．1 试验研究设备

2．2．2 检测及测试设备

2．3 微波的电磁响应机制及微波能的转化原理

2．3．1 电磁损耗的微观机制

2．3．2 吸收与反射

2．3．3 衰减与透入深度

2．3．4 微波能-热能转化

2．3．5 微波-材料作用模型

2．4 还原物料在微波场中的升温特性及机理

2．4．1 还原物料在微波场中的升温特性

2．4．2 还原物料在微波场中的升温机理

2．5 本章小结

第三章 微波场中铁矿球团还原基础研究

3．1 微波场中铁氧化物直接还原热力学基础

3．1．1 微波场中煤基还原的热力学条件

3．1．2 微波加热煤基还原过程的“非热效应”

3．2 铁矿球团微波加热煤基直接还原

3．2．1 还原机制

3．2．2 与传统加热煤基直接还原的比较

3．3 本章小结

第四章 氧化球团微波加热煤基直接还原研究

4．1 原料性能及试验流程

4．2 氧化球团微波加热煤基直接还原行为研究

4．2．1 碳铁比的影响

4．2．2 微波功率的影响

4．2．3 质量的影响

4．2．4 焙烧温度的影响及机理分析

4．2．5 焙烧时间的影响

4．3 氧化球团微波加热煤基还原过程结构变化

4．4 氧化球团微波加热煤基还原过程物相和微观结构演变机制

4．5 CO／CO2的循环与扩散

4．6 本章小结

第五章 预还原球团微波加热煤基直接还原研究

5．1 预还原球团的制备及性能测试

5．1．1 预还原球团的制备

5．1．2 预还原球团性能测试

5．2 预还原球团微波加热升温性能研究

5．2．1 预还原球团电磁性能研究

5．2．2 预还原球团微波加热升温曲线

5．3 预还原球团微波加热煤基直接还原研究

5．3．1 R 21．56％预还原球团还原

5．3．2 R 45．22％预还原球团还原

5．3．3 R 66．90％预还原球团还原

5．4 预还原球团微波加热煤基还原行为及机理分析

5．4．1 不同预还原球团微波加热煤基还原比较

5．4．2 预还原球团微波加热煤基还原后的矿相分析

5．4．3 机理分析

5．5 本章小结

第六章 铁矿球团微波加热煤基直接还原中试研究

6．1 中试研究设备及预还原球团的制备

6．1．1 中试研究设备

6．1．2 预还原球团的制备

6．2 调试阶段出现的主要问题及解决方法

6．2．1 下料不畅问题及解决方法

6．2．2 微波／CO泄漏问题及解决方法

6．2．3 还原“链式反应”受阻及解决方法

6．3 氧化球团微波竖炉煤基直接还原试验研究

6．3．1 试验条件及产品性能

6．3．2 氧化球团在微波竖炉煤基直接还原过程结构变化

6．3．3 氧化球团微波竖炉煤基直接还原过程物相和微观结构变化

6．4 预还原球团微波竖炉煤基直接还原试验研究

6．4．1 试验条件及产品性能

6．4．2 预还原球团微波竖炉煤基直接还原过程物相和微观结构变化

6．5 本章小结

第七章 推荐的工艺流程

第八章 结论

参考文献

致谢

攻读学位期间发表论文情况