高料层碳热还原的基础试验研究

摘要

为了实现可持续发展，开发不依赖于焦炭的非高炉炼铁工艺非常必要。世界范围内的直接还原工艺发展过程中，国内外的冶金工作者进行了大量新工艺的研究与开发工作。本课题主要针对新开发的以含碳球团为原料的高料层直接还原技术进行了试验研究及理论分析。
　　通过高料层球团的碳热还原试验，考察配碳量、还原温度、还原时间及优化措施（炉外保温和坩埚底部热装）等对含碳球团金属化率的影响规律及作用机理。主要考察指标为:球团失重率、DRI（直接还原铁，Direct Reduction Iron的简称）金属化率、DRI强度和密度、显微结构等。在此基础上进行了燃气炉的扩大型试验，同时采用XRD、SEM、EDS等分析手段对试验结果进行了机理分析。
　　(1)建立了含碳球团中心温度的计算式:T0=A(Tl-T∞)exp(Bt)+T。通过物理试验确定了计算式中的常数A和B，计算出的球团中心温度与实测温度吻合。
　　(2)按全碳计，当C/O为1.0时，由于还原剂量不足，各层DRI的金属化率都比较低，C/O为1.2和1.4时，各层DRI及总DRI的金属化率都相差不大。但C/O=1.4时，球团内部残炭量较多。因此，综合DRI金属化率和残炭分析认为，C/O为1.2是本试验条件下最佳的配碳量。
　　(3)炉内还原50min时，整个料层DRI总金属化率为57.31％。炉内还原60min时，整个料层DRI总金属化率为80.23％。可见，通过延长还原时间，可提高DRI金属化率，DRI直径最多可收缩为原始球团的约70％，横截面积可收缩为原始球团的约50％，DRI密度可达3.0g/cm3以上。
　　(4)炉外保温是提高DRI金属化率的有效措施之一，炉内还原50min，炉外保温10min时，整个料层总的金属化率由57.31％提高至76.70％。炉内还原60min，炉外保温10min时，整个料层总的金属化率由80.23％提高至85.22％。
　　(5)坩埚底热装也是提高DRI金属化率的有效措施，尤其是有效提高下层球团的金属化率。炉内还原50min，坩埚底热装，整个料层总的金属化率由57.31％提高至85.24％。炉内还原60min，坩埚底热装，整个料层总的金属化率由80.23％提高至87.07％。因此，最佳的操作方式为:C/O=1.2，坩埚底热装，炉内还原50min。
　　(6)燃气炉试验结果表明:最高还原温度1450℃，炉内还原60min时，整个料层DRI总的金属化率为79.75％。最高还原温度1500℃，炉内还原50min时，整个料层DRI总的金属化率为83.02％。可见，在高料层碳热还原技术中，温度参数比时间参数更重要。
　　本课题的研究成果将为高料层碳热还原技术的实施提供科学的理论支撑，为选择适宜的操作参数提供依据，对发展非高炉炼铁工艺提供了一种新的选择。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 非高炉炼铁技术的开发背景

1．2 直接还原工艺的发展状况

1．2．1 直接还原工艺的现状

1．2．2 直接还原工艺的技术分析

1．3 含碳球团技术的应用

1．4 高温高料层直接还原工艺的开发

1．4．1 PSH工艺的提出

1．4．2 PSH工艺的理论依据

1．5 本课题研究的主要内容及意义

1．5．1 研究内容

1．5．2 研究意义

第2章 碳热还原的传热计算

2．1 传热方程

2．2 试验测定

2．2．1 测定方法

2．2．2 880℃时球团中心温度

2．2．3 1200℃时球团中心温度

2．2．4 其它温度时球团中心温度的计算

2．3 高料层加热条件下底层球团温度分析

2．4 本章小结

第3章 高料层球团一维辐射传热试验

3．1 试验原料

3．1．1 铁矿石

3．1．2 煤粉

3．1．3 皂土

3．2 试验设备与方法

3．2．1 试验电炉

3．2．2 坩埚材质

3．2．3 试验方法

3．3 试验结果及分析

3．3．1 底层球团沿径向的失重率变化

3．3．2 阻止辐射传热对球团还原的影响

3．4 本章小结

第4章 高料层球团碳热还原的试验研究

4．1 配碳量对DRI金属化率的影响

4．1．1 金属化率分析

4．1．2 残炭分析

4．1．3 显微分析

4．2 还原时间对球团还原的影响

4．2．1 失重率和金属化率分析

4．2．2 收缩率和DRI密度分析

4．2．3 炉内还原时间的讨论

4．3 优化试验研究

4．3．1 炉外保温对DRI金属化率的影响

4．3．2 坩埚底部热装对DRI金属化率的影响

4．4 本章小结

第5章 燃气炉的高料层碳热还原试验

5．1 试验设备

5．2 试验结果与分析

5．3 讨论

5．4 本章小结

第6章 结论

参考文献

致谢

攻读学位期间发表论文