超声波辅助铁酸钙生成及结晶基础研究

摘要

烧结矿是高炉炼铁的主要原料，其质量直接决定着高炉炼铁工艺的技术与经济指标。目前国内钢铁企业普遍存在烧结原料成分波动频繁的问题，增加了烧结生产的难度。随着脉石成分增加，烧结过程中初始液相的流动性变差，抑制了烧结的同化过程。因此，如何在复杂原料条件下提高烧结的经济和技术指标成为目前钢铁企业亟待解决的问题。理论上看，烧结过程中产生充足的液相量及快速均一的同化过程是解决问题的关键。在此背景下，本文提出将超声波引入到铁矿石烧结过程中，通过施加超声场加快质点的运动、改善反应动力学条件、促进凝固过程中的均匀形核、细化铁酸钙晶粒，改善其强度及还原性。　　本课题以超声波辅助铁矿石烧结工艺所涉及到的主要物理化学行为为研究对象开展工作，主要研究内容包括：　　① 超声波作用下固相铁酸钙的生成规律：实验研究在超声波作用下，温度、超声波作用时间、超声波功率等对固相铁酸钙生成的影响规律;　　② 超声波传播过程中铁酸钙熔体内的空化行为：通过建立铁酸钙熔体中空化气泡的运动模型，利用仿真模拟方法研究超声频率、超声功率、空化气泡半径等因素对空化气泡运动过程的影响;　　③ 超声波作用下氧化物在铁酸钙熔体中的溶解：通过 COMSOL 多物理场耦合计算软件模拟超声波在氧化物溶解过程中形成的声场和流场，实验研究有无超声波作用时Al2O3、SiO2和MgO在铁酸钙中的溶解行为，观察溶解界面，分析终渣中的氧化物含量;　　④ 铁酸钙凝固过程数值模拟及超声波在铁酸钙熔体中的传播行为：借助QuikCAST仿真软件探究铁酸钙凝固过程中内部的温度分布，并采用COMSOL模拟超声波作用于铁酸钙凝固时熔体中的物理场分布;　　⑤ 铁酸钙熔体的凝固行为：通过实验观察铁酸钙凝固后的显微结构及晶粒分布;研究功率和施振深度对铁酸钙凝固的影响，包括物相组成、显微结构、晶粒尺寸、密度、强度及还原性;研究300 W超声波作用时，样品凝固后的显微组织及物相组成特点，分析超声波的作用机理。　　论文得出的主要结论如下：　　①施加超声波有利于固相铁酸钙的生成。无超声波处理时，当温度达到850 ℃时，约有47.76 wt%的CaFe2O4(CF)和40.66 wt%的Ca2Fe2O5(C2F)生成。当加入超声波处理后，CaO与Fe2O3开始反应的温度降低了约50 ℃，当温度达到850 ℃时，约有98.73 wt%的CF生成，这远大于无超声波处理时的CF含量（47.76 wt%）。增大超声功率及延长超声处理时间均有利于固相CF的生成。　　② 较小的超声频率和较大的超声功率有利于铁酸钙中的气泡空化。超声杆端面位置的声压幅值随超声功率的增加而增加。较小的空化气泡初始半径有利于空化效应的产生，避免稳态空化。超声功率增大，则超声波声压幅值增大，空化气泡半径幅值越大，产生空化效应的周期越短，有利于空化。　　③ 施加超声波加速了氧化物在铁酸钙中的溶解。超声波作用于氧化物在铁酸钙熔体的溶解过程中时，超声杆端面处的声压和声强最大，超声杆拐角处的流速最大。超声波在铁酸钙熔体中形成了声场和流场，改善了氧化物溶解的限制性环节，进而加速了棒样在铁酸钙中的溶解。相比无超声处理的溶解实验，在施加超声波后，Al2O3、SiO2和MgO在铁酸钙中的溶解量明显增加。　　④ 超声波作用于铁酸钙熔体时会产生声场和流场。常规条件下，铁酸钙熔体凝固时，表面最先开始凝固，随后坩埚壁处开始凝固，熔体中心区域最后凝固。施加不同功率超声波时，熔体中超声杆正下方处的声压和声强最大。当超声功率增加到300 W时，熔体中超声杆拐角处的声流最大，约0.002m/s，熔体中的流场呈对称的环形分布。当施加不同施振深度的超声波时，各熔体中最大声压和声强均一致，但其在熔体中的分布受到超声杆施振深度的影响，随着施振深度增加，熔体中近坩埚处的声压增大。　　⑤ 增加超声功率和施振深度，均会细化铁酸钙晶粒、减小孔洞面积，相应的增加铁酸钙样品的密度、抗压强度及还原性。常规条件下，铁酸钙熔体凝固后在中心处出现长约22 mm的孔洞。铁酸钙熔体中心处和边缘处凝固后的物相组成相似，但不同部位的晶粒尺寸明显分布不均。凝固后的物相可分为富钙铁酸钙和富铁铁酸钙，富钙铁酸钙表面较为致密，而富铁铁酸钙较为疏松。提高超声功率和增加施振深度均有利于铁酸钙特性的改善。300 W超声波处理后渣样中不同部分的主要物相基本相同，分别为CaFe2O4、Ca8(Fe,Al)8O20及Ca3.18Fe15.48Al1.34O28。在不同部位的中心处及边缘处，铁酸钙的晶粒尺寸均相似，表明超声波处理有利于渣样内部晶粒的均匀分布。

目录

1 绪 论

1.1.1 铁矿石

1.1.2 铁矿石造块

1.1.3 铁矿石烧结工艺的发展历史

1.1.4 现代铁矿石烧结工艺流程

1.1.5 烧结矿成矿机理

1.2 复合铁酸钙研究进展

1.2.1 CaO-Fe2O3体系

1.2.2 CaO-Al2O3-Fe2O3体系

1.2.3 CaO-SiO2-Fe2O3体系

1.2.4 CaO-MgO-Fe2O3体系

1.2.5 Fe2O3-CaO-Al2O3-SiO2体系

1.2.6 Fe2O3-CaO-Al2O3-SiO2-MgO体系

1.3.1 溶解模型

1.3.2 动力学研究

1.4.1 超声波简介

1.4.2 超声波熔体处理系统简介

1.4.3 功率超声在冶金领域的应用

1.5 我国铁矿石烧结工艺现状及存在的问题

1.6 研究背景与意义

1.7 技术路线及研究内容

2 超声波作用下固相铁酸钙的生成

2.1 实验方法

2.1.1 实验材料及设备

2.1.2 实验过程及检测

2.1.3 Rietveld结构精修方法

2.2.1 实验温度的影响

2.2.2 超声波处理时温度的影响

2.2.3 施振时间的影响

2.2.4 超声功率的影响

2.2.5 样品的显微结构

2.2.6 超声波影响固相铁酸钙生成的机理

2.3 本章小结

3 超声波传播过程中铁酸钙熔体内的空化行为

3.1 超声空化的分类

3.2.1 模型假设

3.2.2 数值模型

3.2.3 控制方程

3.2.4 初使条件

3.3 结果与分析

3.3.1 不同超声功率下的声压幅值

3.3.2 气泡初始半径的影响

3.3.3 超声频率的影响

3.3.4 声压的影响

3.4 本章小结

4 超声波作用下氧化物在铁酸钙熔体中的溶解

4.1.1 模型假设

4.1.2 模型建立

4.1.3 物性参数

4.1.4 模拟结果与分析

4.2 实验研究

4.2.1 实验方案设计

4.2.2 实验方法

4.2.3 实验结果与分析

4.3 本章小结

5 铁酸钙凝固过程数值模拟及超声波在铁酸钙熔体中的传播

5.1.1 模型假设

5.1.2 模型建立

5.1.3 物性参数

5.1.4 模拟结果与分析

5.2.1 模型假设

5.2.2 模型建立

5.2.3 物性参数

5.2.4 模拟结果与分析

5.3.1 数值模拟

5.3.2 模拟结果与分析

5.4 本章小结

6 铁酸钙熔体的凝固行为

6.1.1 实验材料及设备

6.1.2 实验过程及检测

6.1.3 实验结果与分析

6.2.1 实验材料及设备

6.2.2 实验过程及检测

6.2.3 结果与分析

6.3.1 实验材料及设备

6.3.2 实验过程及检测

6.3.3 结果与分析

6.4.1 实验材料及设备

6.4.2 实验过程及检测

6.4.3 实验结果及讨论

6.5 本章小结

7 结论与主要创新点

7.1 主要结论

7.2 创新点

7.3 不足之处

参考文献

附录

A. 攻读博士学位期间发表的论文目录

B. 攻读博士学位期间申请的专利目录

C. 攻读博士学位期间参加的国内外学术交流

D. 攻读博士学位期间主持或参与的科研项目

E. 攻读博士学位期间获奖情况

F. 学位论文数据集

致谢