微-納米級鐵礦粉氣相還原動力學研究.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，因此我國在繼續(xù)完善和改進高爐煉鐵工藝的同時，應適度發(fā)展直接還原和熔融還原等技術，尤其是直接利用粉礦、粉煤為原料的非高爐煉鐵新技術。為了深入揭示微細鐵礦粉的還原反應機理及動力學行為，本文采用數(shù)學建模與實驗研究相結合的方法研究了微/納米級氧化鐵礦粉在中、低溫下氣體還原動力學行為，對礦粉在微尺度下還原過程進行數(shù)值模擬和實驗驗證，并考察了礦粉還原過程中非經(jīng)典傳輸行為對還原過程的影響，為微細礦

2、粉在中、低溫度下還原的應用提供理論依據(jù)。 本文運用失重法研究了450℃～600℃條件下，H2還原微/納米級鐵礦粉的動力學過程。應用掃描電鏡和X-射線衍射分析了還原過程中的結構與物相變化。結果表明，鐵礦粉在還原初始會發(fā)生瞬間失重現(xiàn)象，瞬間失重率在550℃時最大；還原曲線初始斜率很大，后趨于平緩。在整個溫度范圍內(nèi)，隨著還原率增加，反應界面周圍H2O汽濃度逐漸提高，反應產(chǎn)物層厚度和致密度也逐漸增加，還原速率相減小。根據(jù)實驗結果可確定還

3、原過程初期、中期及后期的反應活化能值。 針對氣體濃度及反應熱對微尺度礦粉還原過程的影響，本文提出了非等溫反應動力學模型模擬氧化鐵粉氣相還原過程。模型中包含耦合的氣、固相間傳質方程、傳熱方程和化學反應動力學方程。采用差分格式的全隱式控制容積法對控制方程進行離散化處理，通過迭代逐步求出處在不同時刻、不同節(jié)點處的溫度和氣體濃度值，進而可計算出該時刻、該節(jié)點處的還原速率及還原率值。運用數(shù)值模擬可以預測在不同溫度、不同初始氣體濃度及不同礦

4、粉粒徑條件下反應速率和完全還原所需時間。模擬計算結果表明，當還原反應為吸熱反應時，顆粒溫度反應初始瞬間下降，隨后周圍熱量迅速補上，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??；氣體的擴散速率是隨著厚度增加而降低。此外，模擬計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)值模擬與實驗結果基本吻合。 鑒于微尺度條件下的熱、質傳遞是以有限速率傳播的，本文提出了“雙層球形”模型來描述微納米級鐵礦粉氣相還原過程中的非經(jīng)典傳

5、輸現(xiàn)象。該模型假設緊靠介質內(nèi)受擾動的位置存在一瞬間“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。通過數(shù)值模擬計算，發(fā)現(xiàn)在極端傳遞條件下熱、質傳播具有波的性質，熱、質波僅在擾動過后的極短瞬時存在。通過數(shù)值模擬確定了非經(jīng)典效應的瞬間“薄層”厚度，并分析了各相關因素對非經(jīng)典效應的影響。上述理論與實驗研究結果表明，微尺度鐵礦粉在氣相還原過程中，反