Mathematical model of the direct reduction of dust composite pellets containing zinc and iron

Direct reduction of dust composite pellets containing zinc and iron was examined by simulating the conditions of actual production process of a rotary hearth furnace (RHF) in laboratory. A mathematical model was constructed to study the reduction kinetics of iron oxides and ZnO in the dust composite pellets. It was validated by comparing the calculated values with experimental results. The effects of furnace temperature, pellet radius, and pellet porosity on the reduction were investigated by the model. It is shown that furnace temperature has obvious influence on both of the reduction of iron oxides and ZnO, but the influence of pellet radius and porosity is much smaller. Model calculations suggest that both of the reduction of iron oxides and ZnO are under mixed control with interface reactions and Boudouard reaction in the early stage, but only with interface reactions in the later stage.     

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.     

钒钛磁铁矿焙烧竖炉操作参数对传热过程的影响

以年产量2×10⁴ t钒钛磁铁矿焙烧竖炉为研究对象,建立竖炉内三维稳态传热数理模型.通过UDF(user defined functions)将反应热以内热源形式编译到固相能量方程中,定义球团矿下移速度,以竖炉内的焙烧时间和温度为判断指标,研究操作参数对竖炉内传热过程的影响.结果表明:焙烧风流量、冷却风流量以及球团下移速度为3个主要影响因素,其中球团下移速度对传热过程的影响更明显.在球团直径为38mm,焙烧时间为4～6h,焙烧温度为1100～1200K的条件下,竖炉适宜的操作参数为:冷却风流量1210～1430m³/h;焙烧风流量3070～3670m³/h;球团下移速度0.258～0.290m/h.     

Numerical simulation of the direct reduction of pellets in a rotary hearth furnace for zinc-containing metallurgical dust treatment

A mathematical model was established to describe the direct reduction of pellets in a rotary hearth furnace (RHF). In the model, heat transfer, mass transfer, and gas-solid chemical reactions were taken into account. The behaviors of iron metallization and dezincification were analyzed by the numerical method, which was validated by experimental data of the direct reduction of pellets in a Si-Mo furnace. The simulation results show that if the production targets of iron metallization and dezincification are up to 80% and 90%, respectively, the furnace temperature for high-temperature sections must be set higher than 1300℃. Moreover, an undersupply of secondary air by 20% will lead to a decline in iron metallization rate of discharged pellets by 10% and a decrease in dezincing rate by 13%. In addition, if the residence time of pellets in the furnace is over 20 min, its further extension will hardly lead to an obvious increase in production indexes under the same furnace temperature curve.     

不同还原度铁氧化物球团在微波场中的升温及还原行为

为深入了解氧化球团在微波竖炉中的升温以及煤基直接还原行为,实验采用铁精矿氧化球团作为基础原料,在气体还原剂条件下进行预还原,通过控制还原时间得到不同还原度铁氧化物球团,并从不同还原度铁氧化物球团的结构以及性能出发,研究它们在微波场中的升温性能及其还原变化.电磁性能测试结果表明,球团中的铁及其氧化物在微波场中的升温速度从快到慢依次为:Fe3O4,Fe2O3,Fe,FeO.微波加热还原结果分析及矿相结构观察显示,Fe2O3的深还原时间较长,物相多重转变,造成过程温度和还原气氛跟不上氧化物的还原反应速度;Fe3O4阶段升温速度快,结构松散,有助于进一步的还原,但进入浮士体(FeO的固溶体)阶段后孔隙率降低,升温速度骤降,造成还原的困难;在还原度达到66.90％时,表层以金属铁相为主,孔洞发达,吸波性能强,在气化反应有效进行的条件下,球团将会实现快速还原.     

烧结镁砂煅烧竖炉内气固传热特性数值分析

以年产5×10⁴t烧结镁砂竖炉为研究对象,基于多孔介质理论,建立竖炉内三维稳态气固流动传热模型,并模拟研究竖炉热工参数对床层内气固传热过程的影响.研究结果表明:冷却风流量每增加10%,出口烟气温度降低50℃,出口球团温度降低80℃;冷却段长度每增加5%,出口球团温度降低25℃.以竖炉出口烟气温度和球团温度为优化目标函数,得到竖炉最适宜结构和操作参数,即煅烧风流量为2606.67m³/h,冷却风流量为2203.34m³/h,预热煅烧段长度为6.64m,冷却段长度为11.70m.在此竖炉运行工况下,出口球团温度为288.75℃,出口烟气温度为414.32℃.     

采用烧结法制备微晶玻璃陶瓷板

把天然矿物原料长石、石英和双飞粉、碳酸钡、氧化锌等粉料混匀,然后在熔块窑炉中熔融成玻璃液经水淬,筛分成具有一定粒级的碎粒,干燥后置于模具中压实、压平,于辊道窑中晶化烧结成微晶玻璃陶瓷板.同样,也可以把上述熔块小颗粒用布料器在素坯上布料,经滚筒把熔块压平、压实,然后进辊道窑晶化,烧结成微晶玻璃陶瓷.制成的微晶玻璃陶瓷板产品的莫氏硬度为6.5,光泽度为98 Gs(光泽单位)以上,抗弯曲强度为31.4 MPa,抗压强度为450 MPa,吸水率为0.1%,具有耐急冷急热、耐酸碱、耐污染的能力.     

铬铁矿固态碳热还原过程的影响因素

 铬铁矿是一种重要的国家战略资源,它是冶金、耐材和化工领域的重要原料,但在其开采过程中产生的大量矿粉一直难以高效利用.为了能够解决这一难题,科研工作者提出了铬铁矿的固态碳热还原工艺,即将矿石粉末与固体碳的混料在高温炉中直接进行还原反应,此工艺能使铬铁矿中铁的氧化物被选择性还原,从而提高了矿石的铬铁比.本文在系统分析铬铁矿碳热还原反应机理的基础上,着重研究了还原温度、还原时间、还原剂类型、气体流速、矿粉粒度与球团尺寸、添加剂类型等因素对铬铁矿固态碳热还原过程的影响作用,以期为实现低品位铬铁矿粉的高效综合利用提供指导.研究得出多数因素对铬铁矿固态碳热还原反应的影响是非线性的,在作用区间内往往存在最优值.因此,适宜工艺条件的选择对于得到高质量产品、降低生产成本有重要意义.     

兑铁水条件下UHP电弧炉脱碳数学模型

以脱碳反应动力学规律及质量平衡为基础导出了电炉兑铁水条件下熔池脱碳速度与相应工艺参数之间关系的数学模型.与某钢厂100 t UHP电弧炉实际冶炼结果对比表明,该模型可以比较准确地预测熔池含碳量的变化和控制冶炼终点碳含量.研究表明,在高碳范围内脱碳速度与供氧流量成正比;在中碳范围内,其脱碳速度与熔池碳含量的平方根成正比;在低碳范围内脱碳速度与熔池碳含量成正比.用最小经济吹氧量曲线,即根据钢水碳含量降低相应递减吹氧量的吹氧方式,可以获得最佳的冶炼效果.     

含碳铬矿球团在竖炉内的还原

在0.10m~3的试验竖炉内使用含碳球团冶炼出18%Cr的铁合金。利用前人所做的基础理论研究结果,讨论了铬、硅、硫等元素在竖炉内的还原及渣—液两相的分配规律。     

铁酸锌气体还原的热力学分析

根据热力学原理,计算并分析了含锌冶金粉尘中的重要成分ZnFe2 O4在CO- CO2气体还原过程中的热力学行为. ZnFe2 O4的气体还原遵循逐级还原规律,且ZnFe2 O4很容易被CO还原到ZnO和Fe3 O4.较高温度条件下,ZnO的气体还原易于FeO的还原.随着反应温度升高,锌完全反应和挥发所需要的CO含量不断降低,当反应温度从1100 K升高到1400 K时所需的CO体积分数由0.4降低到0.01以下.要达到还原分离金属锌的目的,不必将铁氧化物还原到金属铁,而只需将铁氧化物还原到Fe3 O4或FeO,同时满足锌的还原条件即可.在高炉炉身中上部,由于发生锌的还原反应和内部循环,给高炉生产带来危害,因此应减少和控制高炉的锌负荷.     

燃烧过程中脱挥发分引起煤颗粒破碎的研究

从理论上分析了燃烧过程中脱挥发分引起的煤颗粒破碎机理,并通过模型预测了脱挥发分过程中球型颗粒内部的压力和应力分布,研究了颗粒大小、温度等几个因素对脱挥发分引起的破碎的影响,研究表明,煤颗粒的挥发分含量越高、炉膛内的温度越高,颗粒越容易破碎;颗粒越小,发生破碎需要的时问越短,但是极小的颗粒可能不会发生脱挥发分破碎,这和颗粒内部的对流孔径有关;此外,挥发分含量极小的颗粒,可能不会发生脱挥发分破碎。     

氨法处理高炉瓦斯灰制取等级氧化锌研究

以氨-碳酸氢铵混合液为浸出剂浸出高炉瓦斯灰中的有价金属锌,经净化、蒸氨、煅烧得到等级氧化锌,对相关工艺参数进行优化选择。结果表明,最佳浸出条件为:[氨水]/[NH4HCO3]=2、液固比为4、总氨浓度为5mol·L-1,浸出时间为3h,此条件下锌浸出率为82.55%;最佳净化条件为:锌粉用量为1.5g·L-1、净化时间为2.5h,此条件下铅的脱除率为97.70%;最佳蒸氨条件为90℃下蒸氨至终点溶液pH值为6~7,此条件下蒸氨后锌的沉淀率可达99.95%。沉淀物在500℃下煅烧1h,得到纯度为96.03%的氧化锌粉末,达到了HG/T2527—94的一级标准。     

钒钛球团矿取代钒钛块矿进行护炉的工艺研究

采用氧化焙烧的钒钛球团矿取代钒钛块矿进行护炉,由于TFe,TiO2含量的提高,减少了渣量,故其还原性、软熔性能等冶金性能优于钒钛块矿.将其运用于高炉生产,结果表明,生铁中的钛含量明显高于使用钒钛块矿时的水平,炉缸部位两段冷却壁的进出水温差测量值呈降低趋势,综合焦比略有降低.     

高炉处理烧结烟气脱硫脱硝理论分析

对利用高炉处理烧结烟气同时脱硫脱硝脱二噁英技术的可行性进行了理论探讨,分析高炉内部还原二氧化硫和氮氧化物,以及分解二噁英的热力学条件,探讨烧结烟气代替空气鼓风对理论燃烧温度、风量、炉缸煤气、炉顶煤气和铁水硫含量的影响.结果表明：二氧化硫、一氧化氮和二氧化氮的最低平衡体积分数分别为1.84×10-13%、3.08×10-11%和3.72×10-21%,高炉内部还原二氧化硫和氮氧化物是可行的;高炉具有分解二噁英的有利热力学条件;烟气中二氧化硫和一氧化碳对理论燃烧温度的影响可忽略,氮氧化物能略微提高理论燃烧温度,二氧化碳体积分数增加1%,理论燃烧温度降低大约40.5℃,但通过降低鼓风湿度和提高富氧率等措施,能达到高炉正常生产时的炉缸热状态水平;随着烟气中二氧化碳含量的增加,风量、炉缸和炉顶煤气量都逐渐降低,炉缸煤气一氧化碳和氢气含量增加,炉顶煤气中一氧化碳、氢气、二氧化碳和水含量都增加,氮气含量显著降低;铁水硫含量与烟气二氧化硫含量成正比,但当二氧化硫质量浓度达到2000 mg·m-3,铁水中硫质量分数仅为0.025%,铁水质量仍合格.通过综合调节高炉操作参数,也可以实现烧结烟气代替空气鼓风进行高炉炼铁生产,达到脱硫脱硝脱二恶英的目的.     

移动床粉煤干馏炉一维数学模型的建立

以煤气-煤-循环灰三相传热机理和煤热解反应方程为依据,建立了以高温循环灰为热载体的移动床粉煤干馏炉的一维数学模型。根据不同的操作条件,分别对三相温度轴向分布规律和煤热解产物产率进行了模拟计算,微分方程组采用等步长的四阶Runge-Kutta数值积分方法进行求解。结果表明,煤颗粒在进入干馏炉后被快速加热,对于小粒径煤,升温速率可达600 K/min以上,煤粒径和灰/煤混合比分别对煤粒的升温速率和热解反应温度有显著的影响。     

新型氧化铝矿浆烧成炉内热过程的数值模拟

在了解氧化铝矿浆干燥、烧成工艺及设备的基础上,针对中国铝业股份有限公司中州分公司开发的一种新的氧化铝矿浆干燥和烧成炉,建立了矿浆干燥、烧成炉内气固两相流的流动传热以及烧成过程的数学模型,就干燥、烧成炉运行参数及各几何参数进行优化计算,得出了炉内气固两相流动的速度场、温度场、压力场以及颗粒干燥和烧成反应时间,并分析讨论了喷口位置、喷口速度、颗粒雾化粒径等参数对氧化铝矿浆干燥、烧成工艺的影响.     

四段燃油加热炉的传热数学模型及其优化

建立了四段燃油式连续加热炉的炉膛化热数学模型及其金属加热数学模型,计算出了炉气温度、炉墙温度、金属温度及金属表面热流密度随炉长的分布曲线。在数数模型基础上,利用启发式优化法和准数参数优化法计算了几种最佳参数,所得结论可行、适用。     

真空碳热还原过程中二氧化硅的挥发行为

为了解在真空碳热还原过程中SiO2的还原特性以及还原过程中的主要影响因素,对二氧化硅的还原过程进行热力学分析,得出化学反应自由能和临界温度。在系统压力为2~200 Pa条件下,以分析纯SiO2和Fe2O3为原料,采用XRD,SEM,EDS和化学成分分析等手段,研究Fe/Si摩尔比、配碳量、反应时间、还原剂粒度和升温速率对硅的挥发率和还原反应速率的影响。实验结果表明:在100 Pa条件下,SiO2的临界反应温度为1 330~1 427 K。SiO2发生气化反应生成的SiO气体挥发至石墨冷凝系统歧化生成Si和SiO2,造成硅的损失,且有部分SiO气体和石墨反应生成SiC;增大Fe/Si摩尔比和配碳量以及减小还原剂粒度均降低了硅的挥发率,提高了SiO2还原反应速率;延长反应时间和提高升温速率增加了硅的挥发率。     

用综合加权评分法优化高铬型钒钛矿电热熔分工艺

以气基竖炉还原得到的金属化率为95%的高铬型钒钛磁铁矿球团为原料,在高频感应炉内进行电热熔分深度还原.设计了三因素三水平正交试验,重点考察熔分温度、熔分时间及二元碱度对熔分效果的影响,并运用综合加权评分法对试验结果进行分析,发现熔分后可获得含钒、铬铁块和高钛渣.适宜的高铬型钒钛磁铁矿电热熔分参数为:二元碱度1.1,熔分温度1 650℃,熔分时间45 min.对熔分综合指标影响大小依次为二元碱度熔分温度熔分时间.另外,分析二元碱度对熔分效果的影响规律及作用机理可知,随碱度增大,铁、钒、铬及钛的收得率呈先上升后下降的趋势,在二元碱度为1.1时,高铬型钒钛矿熔分效果最好.