微-納米級(jí)鐵礦粉氣相還原動(dòng)力學(xué)研究.pdf

1、由于傳統(tǒng)高爐煉鐵生產(chǎn)的發(fā)展受到資源、環(huán)保等方面的制約，因此我國(guó)在繼續(xù)完善和改進(jìn)高爐煉鐵工藝的同時(shí)，應(yīng)適度發(fā)展直接還原和熔融還原等技術(shù)，尤其是直接利用粉礦、粉煤為原料的非高爐煉鐵新技術(shù)。為了深入揭示微細(xì)鐵礦粉的還原反應(yīng)機(jī)理及動(dòng)力學(xué)行為，本文采用數(shù)學(xué)建模與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法研究了微/納米級(jí)氧化鐵礦粉在中、低溫下氣體還原動(dòng)力學(xué)行為，對(duì)礦粉在微尺度下還原過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并考察了礦粉還原過(guò)程中非經(jīng)典傳輸行為對(duì)還原過(guò)程的影響，為微細(xì)礦

2、粉在中、低溫度下還原的應(yīng)用提供理論依據(jù)。 本文運(yùn)用失重法研究了450℃～600℃條件下，H2還原微/納米級(jí)鐵礦粉的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。應(yīng)用掃描電鏡和X-射線衍射分析了還原過(guò)程中的結(jié)構(gòu)與物相變化。結(jié)果表明，鐵礦粉在還原初始會(huì)發(fā)生瞬間失重現(xiàn)象，瞬間失重率在550℃時(shí)最大；還原曲線初始斜率很大，后趨于平緩。在整個(gè)溫度范圍內(nèi)，隨著還原率增加，反應(yīng)界面周圍H2O汽濃度逐漸提高，反應(yīng)產(chǎn)物層厚度和致密度也逐漸增加，還原速率相減小。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可確定還

3、原過(guò)程初期、中期及后期的反應(yīng)活化能值。 針對(duì)氣體濃度及反應(yīng)熱對(duì)微尺度礦粉還原過(guò)程的影響，本文提出了非等溫反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型模擬氧化鐵粉氣相還原過(guò)程。模型中包含耦合的氣、固相間傳質(zhì)方程、傳熱方程和化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程。采用差分格式的全隱式控制容積法對(duì)控制方程進(jìn)行離散化處理，通過(guò)迭代逐步求出處在不同時(shí)刻、不同節(jié)點(diǎn)處的溫度和氣體濃度值，進(jìn)而可計(jì)算出該時(shí)刻、該節(jié)點(diǎn)處的還原速率及還原率值。運(yùn)用數(shù)值模擬可以預(yù)測(cè)在不同溫度、不同初始?xì)怏w濃度及不同礦

4、粉粒徑條件下反應(yīng)速率和完全還原所需時(shí)間。模擬計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)還原反應(yīng)為吸熱反應(yīng)時(shí)，顆粒溫度反應(yīng)初始瞬間下降，隨后周圍熱量迅速補(bǔ)上，使顆粒溫度升高至礦粉整體溫度；氣體濃度由外向內(nèi)逐漸減?。粴怏w的擴(kuò)散速率是隨著厚度增加而降低。此外，模擬計(jì)算還給了出溫度和氣體濃度在微顆粒內(nèi)部的分布及變化。數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合。 鑒于微尺度條件下的熱、質(zhì)傳遞是以有限速率傳播的，本文提出了“雙層球形”模型來(lái)描述微納米級(jí)鐵礦粉氣相還原過(guò)程中的非經(jīng)典傳

5、輸現(xiàn)象。該模型假設(shè)緊靠介質(zhì)內(nèi)受擾動(dòng)的位置存在一瞬間“薄層”區(qū)域，在該薄層內(nèi)的傳輸行為用非經(jīng)典傳輸定律描述；而在薄層外的傳輸行為則近似滿足經(jīng)典的傳輸定律：“薄層”區(qū)域邊界上的傳輸滿足連續(xù)性邊界條件。通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算，發(fā)現(xiàn)在極端傳遞條件下熱、質(zhì)傳播具有波的性質(zhì)，熱、質(zhì)波僅在擾動(dòng)過(guò)后的極短瞬時(shí)存在。通過(guò)數(shù)值模擬確定了非經(jīng)典效應(yīng)的瞬間“薄層”厚度，并分析了各相關(guān)因素對(duì)非經(jīng)典效應(yīng)的影響。上述理論與實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，微尺度鐵礦粉在氣相還原過(guò)程中，反