低温快速冶金理论及技术

1非高炉炼铁技术进展1 1.1高炉炼铁1 1.1.1高炉炼铁的原燃料1 1.1.2高炉炼铁流程的能耗与排放2 1.1.3值得熔融还原借鉴的特点3 1.2熔融还原流程3 1.2.1COREX流程3 1.2.2FINEX工艺8 1.2.3HIsmelt工艺9 1.2.4DIOS工艺13 1.2.5AISI工艺13 1.2.6熔融还原工艺分析14 1.3气基直接还原技术的发展现状16 1.3.1MIDREX工艺16 1.3.2HYL工艺17 1.3.3FIOR(FINMET)工艺19 1.3.4H-Iron工艺20 1.3.5气基直接还原铁工艺分析21 1.4煤基直接还原铁22 1.4.1回转窑工艺22 1.4.2隧道窑工艺23 1.4.3转底炉技术25 1.4.4竖炉直接还原法28 1.4.5煤基直接还原铁的综合分析30 1.5低温快速冶金提出与研究进展31 1.5.1低温快速冶金提出31 1.5.2微观低温快速反应理论研究32 1.5.3低温快速还原的传输机理研究33 1.5.4新型反应器研制33 1.5.5现有非高炉炼铁工艺的改进33 1.5.6新工艺开发34 参考文献36 2矿粉的物性表征43 2.1物性参数43 2.1.1粒度43 2.1.2表面积43 2.1.3形状系数44 2.1.4休止角44 2.1.5密度44 2.2粉体晶粒度的变化规律45 2.2.1赤铁矿45 2.2.2磁铁矿48 2.2.3炭粉49 2.3粉体比表面积随颗粒度的变化规律51 2.3.1铁矿51 2.3.2炭粉51 2.4矿粉的堆密度与休止角随粒度的变化规律52 2.4.1堆密度52 2.4.2休止角52 2.5球磨过程铁矿粉粒度变化规律53 2.5.1粒度变化规律53 2.5.2铁矿粉粒度与晶粒的细化程度53 2.6粉体的晶体结构随颗粒度的变化规律54 2.6.1氧化铁54 2.6.2碳54 2.7机械力对铁矿粉的储能分析55 2.7.1表面能对储能的贡献量55 2.7.2位错能对储能的贡献56 2.7.3无定形化对储能的贡献57 参考文献60 3低温还原热力学基础61 3.1储能对间接还原的热力学影响61 3.1.1传统的气基氧化铁还原61 3.1.2储能矿粉的气基还原63 3.2储能对气化反应的热力学影响66 3.2.1碳的CO2气化反应66 3.2.2碳与水蒸气的气化反应66 3.3储能对直接还原的热力学影响68 3.3.1固体碳还原氧化铁的平衡图68 3.3.2储能对直接还原反应的热力学影响69 3.4碳化铁生成热力学71 3.4.1不同温度Fe3C形成规律72 3.4.2Fe3C生成曲线探讨73 3.4.3Fe3C生成顺序研究75 3.4.4Fe3C生成的影响因素76 3.5析炭反应76 3.5.1CO的析炭反应76 3.5.2CO与氢气混合气析炭77 3.5.3CH4析炭77 3.6煤气重整制氢热力学79 3.6.1等温焦炉煤气重整热力学79 3.6.2实际条件下的焦炉煤气重整热力学85 3.6.3水煤气变换90 3.7氢冶金热力学92 3.7.1高温氢冶金92 3.7.2低温氢冶金97 参考文献101 4低温气基还原动力学基础103 4.1低温非平衡条件下氧化铁还原顺序103 4.1.1纯CO(H2)还原时还原产物的物相分析103 4.1.2不同还原气氛对还原产物的影响104 4.1.3低温下Fe2O3还原的热力学平衡图104 4.1.4低温下Fe2O3还原过程真实的动力学剖析105 4.1.5Fe3C生成顺序108 4.2铁矿还原动力学模型109 4.2.1矿粉还原未反应核模型109 4.2.2还原限制环节性确定110 4.2.3分阶段未反应核模型114 4.3还原气体氧化动力学模型116 4.3.1单颗粒矿粉还原117 4.3.2单层颗粒气体利用率119 4.3.3颗粒粒度对气体利用率的影响119 4.4氧化还原耦合动力学模型120 4.4.1多层球影响120 4.4.2单层球快速反应124 4.4.3单层球与多层球反应126 4.5移动床内氧化还原行为127 4.5.1氧化铁还原与气体氧化动力学模型127 4.5.2典型移动床工艺参数128 4.5.3工艺参数对氧化还原的影响129 4.6连续流化床氧化还原行为134 4.6.1连续流化床反应器动力学模型134 4.6.2流化床动力学计算135 4.7粉末冶金氢气扩散还原动力学140 4.7.1动力学模型140 4.7.2模拟计算结果140 4.8热重氢气还原动力学143 4.8.1等温还原动力学143 4.8.2逐步升温还原动力学148 参考文献152 5低温煤基还原动力学基础153 5.1低温直接还原的反应机理153 5.1.1机理解析153 5.1.2热重试验及结果分析153 5.1.3催化试验及结果分析155 5.2碳的气化反应动力学初步155 5.2.1低温气化反应的反应机理155 5.2.2气化反应的影响因素156 5.3CO2气化反应本征速率常数计算新方法161 5.3.1不同煤种的CO2气化转化实验162 5.3.2碳气化反应动力学模型162 5.3.3k计算165 5.3.4直接还原中的碳气化反应165 5.4煤基低温反应动力学初步166 5.4.1铁矿种类的影响166 5.4.2炭粉种类的影响167 5.4.3铁矿粒度的影响167 5.4.4炭粉粒度的影响168 5.4.5纳米晶催化反应168 5.4.6工艺参数的影响169 5.5碳热还原过程间接还原定量解析172 5.5.1试验原料、装备及步骤172 5.5.2试验结果174 5.5.3间接还原来源及量化分析176 5.6碳热还原过程限制性环节探讨180 5.6.1煤基反应速率180 5.6.2不考虑传热条件的限制环节181 5.6.3考虑传热条件的限制环节184 5.7炭粉和煤粉还原氧化铁的催化动力学186 5.7.1炭粉和煤粉两种还原剂的催化动力学差异186 5.7.2含碳球团催化还原动力学分析188 5.7.3矿煤分层布料方式下的催化还原动力学分析191 参考文献196 6铁矿还原过程的催化机理197 6.1碳气化反应与矿粉还原的催化机理现状197 6.1.1碳气化催化反应机理197 6.1.2铁矿石的还原催化机理200 6.2碳气化反应的催化机理201 6.2.1氧迁移理论的不自洽性201 6.2.2卤化物催化作用的反常现象203 6.2.3卤盐对碳气化反应的催化规律204 6.2.4复合盐对碳气化反应的催化规律207 6.2.5碳气化反应的微观催化机理213 6.3气基还原催化机理216 6.3.1催化规律216 6.3.2铁氧化物的微观结构217 6.3.3微观催化机理分析219 6.4煤基还原催化机理220 6.4.1催化规律220 6.4.2催化机理分析220 6.5碱金属盐对碳氧反应的催化机理222 6.5.1碳氧反应催化现象222 6.5.2碳氧反应催化机理223 6.6催化剂对炭粉与煤粉的催化差异分析228 6.6.1反应产物层厚度的影响228 6.6.2未反应核面积的影响230 参考文献232 7低温煤基还原过程的传热及反应耦合模型233 7.1模型建立233 7.1.1非稳态热传递方程233 7.1.2初始条件和边界条件234 7.2气煤还原温度场与还原度分布235 7.2.150mm料层温度分布235 7.2.250mm料层还原分数分布236 7.2.3热通量变化237 7.3不同料层厚度对还原、传热影响238 7.3.175mm料层温度场、还原分数分布238 7.3.2料层厚度的影响规律239 7.4不同还原剂影响241 7.4.1兰炭作为还原剂241 7.4.2两种还原剂的加热、反应性能比较244 7.5改善传热及反应过程245 7.5.175mm物料反应及加热特性246 7.5.2不同物料厚度247 7.5.3不同翻动频率对反应影响249 7.6非对称强化加热体系的传热反应模型250 7.6.1强制传热模型250 7.6.2翻动及附加传热与仅翻动比较251 7.6.3强化翻动及附加传热与仅附加传热比较254 7.6.4料层厚度影响256 7.6.5改变翻动频率257 7.6.6改变加热时间258 7.6.7反应温度影响262 7.7碳热带式还原炉的燃烧及全炉传热、反应耦合模拟265 7.7.1理论燃烧温度计算265 7.7.2热烟气热辐射黑度计算268 7.7.3火焰加热马弗炉272 7.7.4带式还原炉集成加热、传热及化学耦合数学模型275 参考文献280 8铁矿粉气固两相流及还原行为281 8.1流化装备及流化基本参数281 8.1.1流化床装置281 8.1.2试验原料及流化参数测量282 8.1.3流化床中各种流体力学特性参数283 8.2铁矿粉在循环流化床中的流化特性283 8.2.1提升管中压力梯度的变化规律283 8.2.2铁矿粉颗粒浓度分布287 8.2.3铁矿粉颗粒速度的变化规律291 8.2.4铁矿粉颗粒的带出速度293 8.2.5铁矿粉颗粒循环量的变化规律294 8.3鼓泡床内铁矿粉的气固两相流行为294 8.3.1铁矿粉临界流化速度294 8.3.2床层压降的变化规律297 8.3.3床层膨胀比298 8.4锥形流化床中铁矿粉流化性能300 8.4.1铁矿粉的临界流化速度规律300 8.4.2床层压降的变化规律302 8.4.3料高的变化规律303 8.4.4锥形床与圆柱流化床比较303 8.5矿粉量与还原率的关系304 8.5.1矿粉循环量与还原率的关系304 8.5.2混合鼓泡流化床内矿粉量与还原率关系307 8.6多组分气体流化还原铁矿粉规律308 8.6.1H2-H2O体系308 8.6.2CO-CO2体系319 8.6.3H2-CO体系326 参考文献328 9多级流化床的物料移动及压降329 9.1单级循环流化床的压力分析329 9.1.1单级循环流化床的组成329 9.1.2正压操作与负压操作330 9.1.3正压操作与负压操作的压降组成330 9.2正压差操作的压降分析计算330 9.2.1循环流化床提升管内压降330 9.2.2主副床连接管处压降335 9.2.3旋风分离器压降336 9.2.4排料装置中压降337 9.3负压差操作的压降分析计算338 9.3.1加料装置中压降338 9.3.2返料装置压降342 9.3.3返料斜管压降345 9.4双级循环流化床的压降分析347 9.4.1两床之间气体管路的压降347 9.4.2两床之间加料斜管的压降349 9.5循环流化床体系的压力平衡模型349 9.5.1单回路循环流化床的压力平衡349 9.5.2双级循环流化床系统回路压力平衡351 9.5.3循环流化床回路压力平衡讨论353 9.6宽粒度分布铁矿粉流化反应器354 9.6.1锥形流化床反应器354 9.6.2混合流化床反应器355 9.6.3锥形流化床内压力匹配355 9.6.4混合流化床内压力匹配358 参考文献362 10铁粉处理与测试分析364 10.1常温钝化364 10.1.1铁粉常温钝化现状364 10.1.2钝化热力学364 10.1.3钝化动力学366 10.2高温固态钝化技术369 10.2.1金属铁球氧化动力学369 10.2.2热压条件与装备371 10.3电炉熔化分离373 10.3.1高金属化率海绵铁374 10.3.2不同金属化率的海绵铁376 10.3.3含碳球团376 10.4磁选分离378 10.4.1杂质的来源与分布378 10.4.2杂质去除与能耗分析379 10.4.3高含量杂质的铁粉杂质分离380 10.5铁粉定量分析381 10.5.1各物相强度的定量关系381 10.5.2复杂体系相关系的定量计算384 10.5.3衍射峰的选择385 参考文献386 11低铁原料晶粒聚集长大分离387 11.1含铁原料低温还原基础387 11.1.1氧化铁的低温还原387 11.1.2复合铁相的低温还原388 11.1.3非铁氧化物的低温还原可能性390 11.2铁晶粒聚集长大分离条件394 11.2.1铁晶粒长大热力学394 11.2.2铁晶粒长大动力学394 11.3低铁原料铁晶粒聚集长大分离方法395 11.3.1降低金属铁的熔点395 11.3.2炉渣性质的改变397 11.3.3外场作用399 11.4典型铁原料的低温还原与晶粒聚集长大401 11.4.1红土镍矿401 11.4.2钛铁矿403 11.4.3含锌粉尘405 11.4.4钒钛磁铁矿406 11.4.5铜渣407 参考文献408 12低磷铁水冶炼410 12.1含磷矿还原热力学410 12.1.1Ca3(PO4)2的还原热力学410 12.1.2碱度对Ca3(PO4)2还原影响412 12.1.3Na2O对Ca3(PO4)2还原影响413 12.2铁浴法冶炼过程铁水磷的控制413 12.2.1铁水中磷的氧化反应413 12.2.2对铁水中磷含量的影响因素414 12.2.3铁水冶炼过程磷的控制417 12.2.4铁水冶炼磷控制实例417 12.2.5脱磷与铁矿还原关系418 12.3低温还原熔分过程磷的控制420 12.3.1直接还原中磷的走向420 12.3.2熔分过程磷的控制420 参考文献421 13低温冶金新技术开发423 13.1粉末冶金423 13.1.1碳氢联合还原制备超细金属铁粉423 13.1.2碳还原制备粉末冶金铁粉429 13.2直接还原铁工艺431 13.2.1焦炉煤气生产直接还原铁431 13.2.2煤基低温还原生产海绵铁434 13.3铁水冶炼新工艺435 13.3.1水煤气变换COREX尾气制富氢预还原粉矿工艺435 13.3.2基于铁精矿粉还原的新型熔融还原工艺437 13.3.3煤基低温还原熔分冶炼半钢工艺442 参考文献443 附录与本书相关的课题445 纵向课题445 横向课题445