白云鄂博矿含碳球团直接还原数值模拟研究

摘要

随着环境问题的日益加剧，国家对环境问题的重视程度也在增加。钢铁企业普遍存在高污染、高能耗等问题，因此很多研究者也在研究改进炼铁、炼钢技术，使其效率更高，环境污染更少。直接还原工艺与传统的高炉炼铁工艺相比，不需要炼焦和烧结，因此环境污染更少。
　　白云鄂博矿位于包头市北部，属多成因的内生铁矿，其主要成分包括铁、铌、稀土等71种金属，其铁矿石总储量约为14.6亿吨。对白云鄂博矿含碳球团直接还原的研究大部分集中在实验方面，数值模拟研究非常少。由于实验只可以看到结果而对还原过程不能充分了解，无法得到还原过程中各组分分布、温度分布等从而无法准确分析结果。因此采用数值模拟的方法来研究白云鄂博矿含碳球团的直接还原过程，建立白云鄂博矿含碳球团还原过程的一维非稳态数学模型。数学模型考虑了白云鄂博矿含碳球团内的传热、传质以及化学反应（铁氧化物的还原，碳的气化反应），数学模型的准确性得到实验数据的验证，因此建立的数学模型可以模拟白云鄂博矿含碳球团直接还原过程。
　　研究炉气温度、球团粒径、碳氧比等工艺参数对白云鄂博矿含碳球团直接还原过程的影响规律。由于粒径较小，在反应初期球团温度趋于均匀。反应中期由于化学反应剧烈进行并大量吸热，球表与球心出现温差。分析还原过程中球团内部组分分布可知，球团内的Fe大部分是由FeO生成的。随着炉气温度的升高金属化率也在逐渐升高，但当炉气温度大于1000℃时温度对最终金属化率作用不明显；增加球团直径可以使金属化率增加速度变缓，但对最终金属化率影响不大；增加碳氧比可以提高最终金属化率，但当碳氧比大于1.0时提高碳氧比对最终金属化率的影响很小。通过正交数值模拟得出影响白云鄂博矿含碳球团金属化率的主要因素依次是：炉气温度>焙烧时间>碳氧比>球团直径。在转底板推式还原炉内白云鄂博矿含碳球团直接还原模拟结果可得，较高的炉温才可以使化学反应剧烈进行，而化学反应对球团内温度的分布影响很大。粒径为12mm、碳氧比0.9的含碳球团在转底板推式还原炉内最高炉气温度为1100℃时各段的焙烧时间可以控制在10min左右。通过白云鄂博矿含碳球团直接还原过程的数值模拟研究，对白云鄂博矿含碳球团的实际生产有理论指导作用。

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引言

1 文献综述

1.1 研究背景及意义

1.2 含碳球团研究现状

1.3 研究内容

1.4 本章小结

2 模型建立及参数确定

2.1 物理模型

2.2 数学模型

2.3 控制方程及计算区域的离散

2.4 模型参数

2.5 模拟参数

2.6 计算流程图

2.7 本章小结

3 模型的验证

3.1 实验原料

3.2 实验装置及方法

3.3 模型的验证

3.4 本章小结

4 结果及讨论

4.1 白云鄂博矿含碳球团内温度及组分分布

4.2 炉气温度对白云鄂博矿含碳球团还原过程的影响

4.3 白云鄂博矿含碳球团C/O比对还原过程的影响

4.4 白云鄂博矿含碳球团粒径对还原过程的影响

4.5 不同炉气工况对白云鄂博矿含碳球团金属化率的影响

4.6 白云鄂博矿含碳球团直接还原工艺参数优化

4.7 转底（板推式）还原炉内白云鄂博矿含碳球团直接还原数值模拟

4.8 本章小结

结论

参考文献

在学研究成果

致谢