高反應性鐵焦的性能及其在高爐中應用的基礎(chǔ)研究.pdf

1、目前，煉鐵工藝中高爐煉鐵仍然處于無可爭議的領(lǐng)先地位，但隨著生鐵產(chǎn)量的不斷增加，其可持續(xù)發(fā)展受到了自然資源、能源供給等問題的制約。高爐對優(yōu)質(zhì)煤資源的嚴重依賴是其主要問題之一，按照2009年的消耗速度，中國的主焦煤和肥煤資源在50年內(nèi)將消耗殆盡。此外，我國高爐的能耗水平仍然偏高，以2010年為例，與歐洲高爐相比，我國高爐的平均燃料比和焦比分別高出50kg/t和10kg/t以上，這不僅消耗了更多的煤資源，也導致了更多的CO2排放，造成環(huán)境問題

2、。因此，如何有效利用煤資源，降低高爐的能耗和CO2的排放成為了鋼鐵業(yè)最關(guān)注的問題。針對以上問題，本論文對用添加有鐵礦石的配合煤混合煉制的新型爐料鐵焦進行了研究。采用武漢平煤武鋼聯(lián)合焦化公司的配合煤探究了鐵礦石種類和煉焦工藝對鐵焦質(zhì)量的影響;研究了不同鐵焦的反應性，測定了它們的氣化反應開始溫度;試驗研究了鐵焦與礦石混裝對礦石還原性和爐料熔滴性能的影響;對鐵焦和鐵礦石在高爐內(nèi)的反應進行了動力學分析;并使用高爐一維數(shù)學模型對在高爐內(nèi)使用鐵焦的

3、效果進行了預測，得到了以下主要結(jié)論:
　　(1)以加拿大精礦粉、澳大利亞FMG粉、鄂西高磷鐵礦粉與武漢平煤武鋼聯(lián)合焦化公司的配合煤為原料煉制了鐵焦，發(fā)現(xiàn)在煉焦過程中，配煤中的鐵礦石大部分被還原為金屬鐵，而且鐵礦石配比越多，礦石的金屬化率越高;煉制的鐵焦與不加鐵礦石時比較，相對密度增大，冷強度下降，反應性明顯增大，反應后強度降低，而這三種鐵礦石中加拿大礦對焦炭冷強度與熱性質(zhì)的不利影響最小，是本文條件下最合適的煉制鐵焦的原料;以家拿大

4、精礦粉為例，發(fā)現(xiàn)煉焦原料中礦石配比不宜超過15％，而煉焦最佳工藝條件為:堆密度1.0t/m3，燜爐時間150min，礦石粒度＜0.2mm。
　　(2)研究了鐵焦的反應性并測定它們的氣化反應開始溫度，結(jié)果表明:鐵焦中的金屬鐵有利于加快氣化反應的進行，且金屬鐵含量越高，鐵焦反應性越好;焦炭氣化反應為吸熱反應，溫度提高，鐵焦的反應速度加快，反應率提高;采用了FactSage軟件進行了熱力學分析，證實了試驗中觀察到的反應初期鐵焦重量不減反

5、增的現(xiàn)象是因為發(fā)生了金屬鐵被CO2氧化的反應;金屬鐵可以促進焦炭在較低溫度下開始氣化，而且金屬鐵含量越高，鐵焦的氣化反應開始溫度越低。
　　(3)研究了鐵焦與礦石混裝對礦石還原性和爐料熔滴性能的影響，結(jié)果表明:鐵焦與礦石混裝增加了反應氣體的還原勢，使還原反應的驅(qū)動力提高，有促進還原反應的作用;增加混裝鐵焦的用量或減小混裝鐵焦的粒度，反應中產(chǎn)生的CO更多，對還原反應促進作用更明顯;鐵焦與還原性較好的礦石發(fā)生耦合反應效果更好;與鐵焦混

6、裝爐料的還原度升高，透氣性阻力減小，高溫熔滴性能改善;同時，增加混裝鐵焦的用量使軟化區(qū)間增大，而軟熔區(qū)間有所減小，爐料熔滴性能改善。
　　(4)采用未反應核模型對鐵焦和鐵礦石在高爐內(nèi)的反應進行了動力學分析，并采用分段法對鐵礦石還原的限制環(huán)節(jié)進行判斷，采用混合環(huán)節(jié)控制對鐵焦的氣化進行分析。此外，由于燒結(jié)礦結(jié)構(gòu)不規(guī)則且顯微結(jié)構(gòu)復雜，難以用傳統(tǒng)方式進行描述，因此引入分形法對燒結(jié)礦還原進行分析。得到如下結(jié)論:
　　1)在反應的開始階

7、段，鐵礦石還原的限制環(huán)節(jié)為界面化學反應，而隨著反應的進行固體內(nèi)擴散逐漸成為反應的限制環(huán)節(jié);
　　2)根據(jù)動力學計算得到了球團礦和燒結(jié)礦在900～1000℃溫度范圍內(nèi)的化學反應速率常數(shù)和內(nèi)擴散系數(shù)，并依此計算了其界面反應活化能和內(nèi)擴散活化能，得出燒結(jié)礦的界面反應活化能與內(nèi)擴散活化能要低于球團礦;
　　3)微觀分析結(jié)果表明，鐵礦石的還原是按照氧化物由高級到低級逐步進行的，鐵礦石采用未反應核模型進行動力學分析是正確的;
　　

8、4)鐵焦在模擬高爐混合氣體中進行氣化反應時，在反應初期仍有輕微的氧化現(xiàn)象，而且氧化現(xiàn)象隨溫度升高而減弱;
　　5)計算得到鐵焦2的活化能低于鐵焦0的活化能，這表明鐵焦2在較低溫度下就能開始并較快地進行氣化反應;
　　6)對鐵焦氣化反應各阻力比例進行分析，發(fā)現(xiàn)鐵焦在反應開始階段受界面化學反應控制，隨反應進行界面化學反應阻力逐漸減小，而內(nèi)擴散阻力增加，內(nèi)擴散逐漸成為反應的限制環(huán)節(jié)。
　　(5)建立了全高爐一維數(shù)學模型，采用