内配碳团块CO-CO2气氛下反应行为的研究

为了建立了内配碳团块CO CO2气氛下反应的数学模型并验证模型的正确性,根据还原动力学原理模拟计算内配碳团块在CO CO2气氛下的还原过程,对不同温度下的团块还原度、团块碳转化率的模拟值和实验值之间的比较证明了模型的可靠性。经过研究发现模型的反应包括了铁氧化物的逐级还原、碳的boudouard反应和金属铁的再氧化。在1473K和CO CO2气氛下对内配碳团块的反应进程的模拟分析表明,在早期阶段内配碳团块显示出自还原的特征;在团块达到其最大还原度时,团块内氧化铁还原和金属铁再氧化同时存在;在后期阶段,团块内主要是金属铁的再氧化反应。在1473K和CO CO2气氛下对影响内配碳团块反应行为的相关因素的模拟结果表明,改变铁矿粉反应性或还原剂气化性不能有效提高内配碳团块的最终还原度,但是减小孔隙率可以提高团块的最终还原度。     

Technical analysis on ironmaking process of rotary kiln pre- reduction and smelting by coal and oxygen

The traditional blast furnace ironmaking process has many problems such as long process flow, high dependence on coke and large environmental pollution. In order to solve these problems, the new ironmaking process of rotary kiln pre- reduction and smelting by coal and oxygen was developed. This new process has advantages of wide raw material adaptability, no coke consumption, less pollutant emissions and suitable for special iron ore resources. The mathematical model of the new process was established. Numerical simulation results show that the metallization rate of pre- reduction iron, smelting furnace gas oxidation degree and blast air oxygen content have great influence on coal and oxygen consumption. The coal and oxygen consumption reduces with the increase of pre- reduction iron metallization rate, the rise of oxygen degree of coal gas or the decrease of oxygen content of blast air. This process has a significant advantage in smelting special iron ore resources, which can make up the shortage of blast furnace ironmaking. It is also of great significance to reduce fuel consumption and CO2 emissions.     

煤中挥发分对热解过程的行为影响分析

较高的还原温度易造成结圈,使回转窑直接还原铁工艺发展受限,为此,需研究低温条件下煤中还原性气体释放和铁矿石的还原过程。通过热重分析仪-傅里叶红外光谱仪-质谱仪(TG-FTIR-MS)联用方法分析不同挥发分煤的热解特性和铁矿石还原过程。结果显示,高挥发分煤在热解过程中具有更加优越的反应活性,随着挥发分的提高,煤中还原性气体的释放温度更低,释放含量更高。整个热解过程中有机气体主要为CH₄、CH3+碎片、苯、甲苯以及同系物;无机气体为SO₂、CO、CO₂、H₂O。高挥发分煤种的还原性气体CO释放温度较低。此外,热解过程中,高挥发分煤种表观活化能更低,热解过程更容易进行;相较于无烟煤,采用烟煤还原铁矿石时还原反应进程更快,还原过程更加彻底。为此,采用高挥发分煤种进行煤基还原将会为有效降低煤基还原温度提供新思路。     

Reduction and Carburization of Iron Oxide by Carbonaceous Materials

The iron nugget making process, where mixtures of iron ore powder and pulverized coal are made to heat rapidly, is regarded as a new ironmaking process. Since the iron carburization reaction is an especially important step from the viewpoint of energy saving in this process, the purpose of this study is to reveal the carburization mechanism of reduced iron formed during the heating process of the mixtures. Fe₂O₃ and H₂‐CO‐CO₂ gas mixture were made react with each other to simulate the formation of iron ore and the generation of coal gas from coal during the heating process. An electric resistance furnace was used to heat the samples. A cut surface of the quenched iron product was observed by microscopy. Carbon content in the iron was analyzed after reduction and carburization of Fe₂O₃. It is considered that there are many possibilities in the real process to carburize the reduced iron during the heating process, such as carburization with CO formed by coal combustion, solution loss reaction, and direct carburization with coal. It was observed in the present work that the carbon content in the reduced iron became the highest as Fe₃C was formed during the heating process. Therefore, it became clear that the key technology for production of pig iron containing high carbon was to control the formation of Fe₃C in the heating period of the mixture. The carburization mechanism was discussed in this study based on these experimental results.     

碳热FeO反应过程的控速环节分析

为了探讨煤基还原FeO在试验过程可能出现的控速环节,分多种条件进行了理论计算及分析。在不考虑传热条件下(加热方向物料很薄时),同一种还原剂在不同的温度段表现出不同的控速环节。气煤作为还原剂时,1 273 K以下碳的气化反应为控速环节,1 273～1 523 K为混合控速;温度超过1 523 K,则CO还原FeO转为反应的控速环节。不同煤种在同一温度下,可能表现出不同的控速环节。如1 373 K,气煤作为还原剂时,碳气化与FeO间接还原混合控速,而兰炭作为还原剂时,碳气化为控速环节。煤粉粒度与FeO粒度之比不同会使控速环节发生变化。如果物料厚度小于1 mm,则可忽略传热影响;如果物料厚度不小于4 mm,则传热将成为限制性环节;如果试验时的物料厚度介于两者之间,就有可能出现传热与反应混合控速情况。     

高炉富氧喷煤经济评价模型

 在高炉多区域热质平衡数学模型基础之上建立了高炉富氧喷吹煤粉经济评价模型,并利用模型计算了高炉富氧喷煤之后高炉相关操作参数和吨铁冶炼成本的变化。结果表明,增加富氧率提高喷煤比可以有效降低吨铁冶炼成本,降低成本的幅度主要取决于煤粉和焦炭之间价格差别（煤焦差价）和氧气单价,煤焦差价越高、氧气单价越低,吨铁成本降低幅度越大,对应的最佳富氧率水平越高,在目前的原燃料成本条件下,降低成本的最佳富氧率可以达到15%~18%。此外,该模型还可够应用于不同高炉流程冶炼生铁的经济效益评价,为探索低成本炼铁方法提供支持。     

喷吹煤与废塑料时矿石的还原粉化性能

以首钢炼铁原料为基础,对高炉喷吹煤与废塑料条件下的矿石还原粉化性能进行研究。结果表明:温度是影响炉料低温还原粉化的主要因素,500℃时粉化最为严重,900℃时炉料的低温还原粉化基本结束,在500~900℃,炉料粉化率随温度的升高而降低;相同温度条件下,炉料的低温还原粉化率随H2含量的增加而增加,随CO2含量的增加而减少;喷吹煤与废塑料后,炉料的低温还原粉化性能不会影响高炉的顺行;烧结矿的低温还原粉化率较大,球团矿、块矿较小。     

HIsmelt熔融还原主反应器能质流转模型构建与验证

 HIsmelt熔融还原炼铁工艺以铁矿粉和煤粉作为原料,流程中不需要烧结、球团和焦化,与高炉炼铁流程相比具有降碳减排等优势。明晰能质流转过程对HIsmelt熔融还原炼铁实际生产具有指导意义。基于物料平衡、热平衡方程,对输入和输出HIsmelt主反应器物质和能量进行平衡计算,建立能质流转模型,并结合FactSage中Equilib模块计算的各元素在渣铁两相间的质量分配比及实际生产数据对其进行修正。该模型可以计算原料和燃料成分、矿煤质量比、二次燃烧率、热风氧含量等参数对铁水温度、炉渣成分、热风量、煤气量等主要冶炼指标的影响。其次依据该模型,进行了物料平衡、热平衡计算,依据实际生产数据对模型计算结果进行了验证,结果表明该模型与实际生产数据契合度较高。探究了矿煤质量比对冶炼的影响,矿煤质量比为1.39～1.45时,矿煤质量比降低0.1,会使二次燃烧率降低0.23%,进而造成煤气化学能的利用率降低,同时需要更多的热风使煤粉燃烧,热风量和煤气产生量增加,可以通过适当提高热风氧含量以提高二次燃烧率并使煤气量降低来改善;矿煤质量比降低0.001,会使铁水温度升高3.76 ℃,有利于铁水后续的加工处理,但铁水温度升高使铁元素在铁液与渣中的比值降低,使炉渣FeO质量分数升高0.026%,增加铁损,可通过降低富氧热风喷吹量来降低铁的氧化量,从而降低铁损。     

Study on Direct Reduction Characteristics of Iron Ore Coal Mixed Pellets

Ｉｒｏｎｏｒｅｃｏａｌｍｉｘｅｄｐｅｌｌｅｔｓａｒｅｃａｐａｂｌｅｏｆｑｕｉｃｋｌｙｓｅｌｆ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ .Ｉｎｔｈｅｙｅａｒｓｏｆｓｉｘｔｉｅｓ ,ｔｈｅＩｎｍｅｔｃｏｐｒｏｃｅｓｓａｎｄＭｉｄｒｅｘＦａｓｔｍｅｔｐｒｏｃｅｓｓｆｏｒｍａｋｉｎｇｃｏａｌｍｉｘｅｄｐｅｌｌｅｔｓｔｏｄｅａｌｗｉｔｈｔｈｅｓｅｃｏｎｄａｒｙｄｕｓｔｉｎｉｒｏｎａｎｄｓｔｅｅｌｐｌａｎｔｏｒｔｏｐｒｏｄｕｃｅＤＲＩ[1- 3] ｗｅｒｅｄｅｖｅｌ ｏｐｅｄ .Ｒｅｃｅｎｔｌｙ ,ａｌｏｔｏｆｂａｓｉｃｒｅｓｅａｒｃｈｅｓｏ…     

CHARP工艺过程中的硫行为及硫控制

 对转底炉煤基热风熔融炼铁工艺(CHARP)含碳球团还原熔分过程中硫的分配、硫的行为以及如何降低或控制珠铁中的硫含量进行了实验研究。结果表明，除了控制原料中以及垫底料中硫含量以外，应尽量缩短珠铁形成以后其在炉内的停留时间，防止液态铁从垫底料中吸硫；垫底料中混合适量的固硫剂有利于降低珠铁中硫含量。含碳球团中碱度对珠铁降硫作用不大，添加适量的Na2CO3和MnO2对珠铁具有较显著的降硫效果。氧化性气氛可促进含碳球团中硫的挥发。     

CO还原Fe2O3过程中金属铁析出的微观行为

 通过原位观察和同步热分析的方式,研究气固两相界面还原反应时金属铁析出形态、矿相结构演变过程,明确金属铁的析出形态与显微结构、黏结特性之间的关系。结果表明,CO气氛下Fe2O3还原时金属铁主要以纤维状生成的铁晶须为主,还原速率是决定这种形态差异的主要原因;在Fe2O3→Fe3O4→FeO中只会因晶格转变产生体积大小变化,且伴有裂纹和孔洞的发生,没有铁晶须生成;在FeO→Fe中出现铁晶须形核和生长,且铁晶须是100%的纯金属铁。要避免铁晶须生成,就要在FeO→Fe转变时抑制铁原子的定向迁移。     

Effects of Temperature and Atmosphere on Pellets Reduction Swelling Index

 After taking into account the conditions of the domestic iron resources and the non-coking coal resources, the process of coal gasification-shaft furnace is an effective way to develop direct reduction iron in China. The following tasks are very critical to choose suitable process of shaft furnace and gasification, including the production of oxidized pellets with excellent comprehensive properties as well as the study of the reaction behavior and mechanism of swelling. The results showed that the oxidized pellets of using domestic magnetic iron concentrate as raw materials have favorable comprehensive properties, including higher mechanical strength both before and after reduction, faster reduction rate and lower reduction swelling index (RSI). All of these properties can meet the shaft furnace yielding requirement. When the temperature was below 1223 K, the pellets′ RSI was lower than 20%. With increasing of the content of H2 in atmosphere, the pellets reaction rate accelerated, crushing strength enhanced and RSI decreased. The RSI dropped to 10.26% at 1323 K in 100% H2 atmosphere, and it is up to 39.88% in 100% CO atmosphere. The iron grains mainly presented in platelike when pellets were reduced by H2, however, in CO atmosphere the iron grains were precipitated in flocculent. The whisker shape of iron grains and heating effects of reduction reaction are the major factors leading to the poor pellets strength and increase of RSI. Appropriately controlling the temperature and increasing the ratio of H2 to CO in atmosphere are good for dropping the RSI.     

不锈钢尘泥球团煤基直接还原动力学

摘要：研究了不锈钢尘泥球团在温度分别为1100、1150、1200、1250℃时的煤基直接还原反应动力学。采用随机成核和随后生长、化学反应控制、相界面反应和n（n=1、2、3、4）维扩散模型及其相应动力学机制函数对反应过程进行拟合,并结合X-射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、能谱分析（EDS）等手段对不锈钢尘泥球团煤基直接还原过程的物相组成、显微结构及元素分布进行表征和分析。研究结果表明：反应初期铁氧化物还原速率较快,随后逐渐减慢,当反应至40min后,反应趋向于平衡。在1100~1250℃温度范围内反应遵从随机成核和随后生长及A1(α)=-ln(1-α)机制函数,碳的气化反应和界面化学反应是尘泥球团煤基直接还原反应的限制性环节,该反应活化能E为47.423kJ/mol,线性相关系数为0996。     

微粒嵌布难选金红石矿煤基深度还原热力学

关键词：金红石矿;深度还原;配碳比;KOH;K2CO3     

SiO2、Na2CO3对预还原烧结过程中气化脱磷的影响

白云鄂博铁精矿磷含量较高为0.08%(质量分数),且磷元素主要以氟磷灰石的形式存在。基于前期白云鄂博矿磷的赋存状态及白云鄂博矿预还原烧结工艺对脱磷影响的研究,同时为了开发利用其他中、高磷铁矿,研究了白云鄂博铁精矿预还原烧结过程中磷的气化脱除机制。利用FactSage热力学软件、XRD、SEM-EDS对比分析不同SiO2、Na2CO3添加量对预还原烧结过程中气化脱磷率、金属化率以及物相转变的影响。结果表明:最佳的SiO2、Na2CO3添加量(质量分数)分别为3%、1%,对应的脱磷率为31%,金属化率为96%,实现了预还原烧结过程中磷的有效脱除,进一步明确预还原烧结脱磷机制,为以后中、高磷铁矿脱磷的研究指明了方向。     

利用非焦煤低碳炼铁新技术的初步研究

通过对非焦煤与铁矿粉“干馏”特征的实验调查分析,提出了“非炼焦煤与铁矿粉”共处理的低碳炼铁预处理技术路线。研究表明：干馏温度800℃,铁矿粉金属化率可达到约85%以上,其中金属铁约60%为氢元素所还原,铁氧化物还原过程约减少CO₂排放量可达0.67 t,经济和环境效益显著。     

煤中氢对含碳球团还原的影响

针对含碳球团还原过程中的煤种选择问题,研究了烟煤和无烟煤挥发分中氢对含碳球团还原的作用以及温度、加热速度对氢还原过程的影响。结果表明,含碳球团中煤热解产生的氢对铁氧化物有还原作用。由于煤中挥发分的热解析出温度与氢还原铁氧化物的还原温度不一致,氢在还原初期迅速放出,导致氢的还原作用率低;提高温度和加热速度可提高煤中氢的还原作用率和挥发分的利用率。综合考虑,含碳球团实际生产选择煤种时,应选择反应性好的无烟煤。     

铁精矿氧化球团微波加热直接还原新方法

传统加热直接还原具有热效率低、球团"冷中心"和废热废气量大等问题,造成还原时间长、能耗高和污染大。试验利用微波的选择加热、快速加热、体积加热和清洁干净等优点,以及铁矿球团和无烟煤强的吸波特性,开发了铁矿球团煤基微波竖炉直接还原这一新工艺。研究表明,铁矿球团外配煤粉在1 050℃的微波加热条件下还原焙烧65min,可以获得95.25%的金属化率,同时具有1718.88N/个的抗压强度。与常规加热相比,微波加热还原焙烧的时间可以缩短27.78%,抗压强度增加近1倍,而且还原过程产生的废热废气量很少。     

微型流化床内CO还原铁矿粉动力学试验

 采用微型流化床-过程质谱反应分析仪进行了铁矿粉的CO还原动力学研究。结果表明：微型流化床可抑制外扩散作用,利用等温方法算出的铁矿粉还原反应的活化能为2628kJ/mol,指前因子003946s-1,证明该铁矿粉还原符合气体内扩散控制机制模型,并且采用等温动力学方法可实现反应速率常数与模型函数的分离,极大地简化了计算过程,增加了动力学参数的准确性,为铁矿粉还原动力学的研究提供了一种简单可靠的测试方法。     

炉顶煤气循环氧气高炉一维气固换热与反应动力学模型

结合风口回旋区燃烧和炉外煤气预热、脱除和循环的平衡关系,建立了氧气高炉一维气固换热与反应动力学模型,并采用传统高炉的运行和解剖数据对模型进行了验证分析.通过模型研究了氧气含量和上部循环煤气流量对氧气高炉炉内过程变量的影响规律.结果表明:氧气含量偏低和上部循环煤气流量不足时,会降低铁矿石还原效果,炉渣内出现大量未还原铁氧化物;氧气含量和上部循环煤气流量的提高可以有效提高炉内CO含量和铁矿石还原速度,但提高上部循环煤气流量会大幅提升炉顶煤气温度,增大热量损失.与传统高炉相比,氧气高炉内CO含量提高1.0~1.5倍,炉内气体还原性更强;铁矿石还原完成位置提高1.49 m,全炉还原反应速度更快;直接还原度降低55.2%~79.2%,炉内直接还原反应消耗的碳量更少.