【摘要】：鐵礦石燒結過程是鋼鐵企業(yè)中重要的預處理工藝,以向高爐提供煉鐵用熟料。燒結礦是一種制粒后準顆粒堆積床經(jīng)高溫部分熔融后生產(chǎn)出的多孔塊狀物料。燒結過程可依此視為兩個主要階段,即冷態(tài)的生料堆積床的構建和熱態(tài)的床層轉換。目前我國逐漸貧瘠的鐵礦石資源、波動多變的原料供給、日趨嚴格的污染物排放和能耗要求,均對燒結廠提出了巨大挑戰(zhàn),燒結生產(chǎn)的運行調控必須持續(xù)優(yōu)化改進。對冷態(tài)生料床的制粒堆積、熱態(tài)燒結床的火焰鋒面?zhèn)鞑ヌ匦缘幕A性研究對于開發(fā)高效環(huán)保的燒結技術具有重要意義�；诖吮尘�,本文重點關注并開展了燒結過程的床層多孔結構及火焰鋒面阻力特性的研究工作。首先,基于制粒后準顆粒的內核加粘附層這一典型結構的顆粒數(shù)平衡的數(shù)學描述,開展了制粒試驗和透氣性杯堆積試驗研究了水分、熟石灰含量、磁精礦用量對準顆粒結構和生料床特性的影響。結果表明,準顆粒的索特平均直徑與水分成線性關系,熟石灰和磁精礦等微細顆粒的引入能有效促進制粒過程的團聚粘附速度,在制粒水分足夠時形成具更大粘附比的準顆粒。準顆粒堆積的床層孔隙度和床層透氣性隨水分的變化曲線均有典型的三段特性。熟石灰的添加有利于床層透氣性的提高而磁精礦的增加會惡化床層透氣性。第二,準顆粒的粘附層變形程度對堆積形成的床層孔隙度具有關鍵影響,主要與粘附層的強度特性和施加在準顆粒上的力相關。為更好地了解準顆粒粘附層的力學特性,基于Litster開發(fā)的制粒模型,配置了能準確代表準顆粒粘附層原料、粒度組成的模擬柱,在特制的單軸壓縮試驗裝置和直接剪切裝置上分別測量了準顆粒粘附層的可壓縮性和剪切強度。熟石灰可作為粘結劑明顯增強粘附層的強度而磁精礦的作用相反將惡化粘附層的強度。相比于準顆粒在布料堆積時所受的應力,粘附層本身的粘附強度僅在1-3 kPa間,極易被壓縮或剪切導致變形。第三,開發(fā)了機理性的燒結生料床孔隙度預測模型,考慮了燒結準顆粒堆積時的粒徑分布、顆粒間粘性力和準顆粒粘附層的變形程度等關鍵機理。在前面研究的基礎上,該模型采用單種礦石料結構、不同熟石灰及磁精礦用量的混合料結構的大量制粒、堆積試驗的數(shù)據(jù)進行了對比驗證,多數(shù)預測結果均在±10%的誤差范圍內。結合Litster開發(fā)的顆粒數(shù)平衡的制粒模型,孔隙度模型能夠很好地依據(jù)配料結構、原料特性和制粒水分預測出生料床孔隙度,從而很好地指導燒結現(xiàn)場生產(chǎn)的配料、制粒及布料堆積。第四,采用無損的X射線顯微斷層掃描技術(XCT)觀測了燒結礦三維的復雜多孔結構,并開展數(shù)值模擬預測了燒結礦的有效熱導系數(shù)。三維重建的燒結礦具有復雜的孔隙分布,造成了明顯的各向異性的熱導系數(shù)和溫度分布。燒結礦中小于300 μm的小孔隙在數(shù)量頻率上占據(jù)大多數(shù)(約45-55%),但僅占小部分數(shù)量的大于1 mm的大孔隙則貢獻了約95%的總孔隙體積占比,并主要決定了燒結礦的導熱行為。通過將模擬預測的有效熱導系數(shù)與文獻中的類似鐵系聚合物的導熱值、典型的經(jīng)驗式預測方程和結構分析模型等的比較,證明了 XCT三維重建結合數(shù)值模擬的技術手段可有效捕捉燒結礦真實的多孔結構,從而比簡單的經(jīng)驗式方程或結構分析模型能獲取更精確的熱物理行為的預測效果。第五,為考察燒結床中的已燒結區(qū)域的不均勻流動情況,在高分辨率的XCT技術重建獲取的真實多孔結構中開展CFD模擬,直觀地展現(xiàn)了氣流速度在固相燒結礦作為阻礙物或者氣流通道變窄時的增大情況。孔隙度更大的燒結床將具有更多的氣流通道,其流場分布也發(fā)展得更為均勻。燒結杯中試試驗結果表明,燒結床的透氣性與生料床的透氣性具有強相關性。燒結風量在過程中基本保持在一個穩(wěn)定的水平,表明整個燒結床在固定負壓(16 kPa)的燒結過程中具有自適應的透氣性調節(jié)能力,約100mm厚的高溫區(qū)域對燒結床透氣性具有決定性作用。最后,為更好地了解燒結床火焰鋒面中熔融液相的形成對氣流通道的發(fā)展演變及多孔結構對氣流的阻力特性,創(chuàng)新地在燒結杯試驗中同時測量壓力分布和溫度分布跟蹤研究火焰鋒面的傳播特性,并進一步采用XCT技術對比了生料床與已燒結床的孔隙分布和氣流通道的統(tǒng)計參數(shù)。三維重建和圖像分析結果表明,相比于生料床,經(jīng)過熱轉換后的已燒結床因氣相-固相-熔融液相的共存凝聚將具備更大孔徑的氣流通道、更多的閉孔分布。床層蓄熱或者增加焦粉配比使得熱量輸入增加時,形成的更多的熔融液相將抑制氣流通道的發(fā)展,并擴大燒結床上部與底部的氣流阻力差異。較高的焦粉配比將增加火焰鋒面的氣流阻力,明顯降低火焰鋒面的傳播速度。高溫區(qū)域的具體壓降值從上部床層的～3 kPa增加至底部床層的～7kPa,主要受床層溫度和床層多孔結構特點所影響。
【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TF046.4
【圖文】：

在大多數(shù)鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)中，高爐煉鐵必須以冶金級焦炭、天然塊礦、燒結礦逡逑或球團礦等塊狀熟料作為入爐的原料，入爐原料滿足化學成分、物理特性、冶金逡逑特性等方面的一定要求才能保證高爐安全穩(wěn)定、高效經(jīng)濟的運行生產(chǎn)［１４］。國際逡逑上，高爐入爐原料的普遍組成為？５０％的燒結礦，￣３５％的球團礦，￣１５％的天然逡逑塊礦或廢鋼，而在我國，燒結礦在高爐爐料中占比高達８０％［５＿７］。鐵礦石燒結作逡逑為一個向高爐提供燒結礦這一主要煉鐵原料的預處理加工過程，在鋼鐵冶煉流程逡逑中扮演著不可或缺的角色。逡逑１９０３年時高爐的塊狀熟料主要以機械壓力壓塊處理為主［ｓ］。在１９１１年，逡逑Ｄｗｉｇｈｔ和Ｌｌｏｙｄ發(fā)明出可高效循環(huán)作業(yè)的帶式抽風燒結機，而后被廣泛采用，逡逑目前國內外的燒結廠幾乎全部采用帶式抽風燒結機生產(chǎn)燒結礦［７，９］，其示意圖如逡逑圖Ｍ所示。帶式抽風燒結法的主體組成包括有原料配料系統(tǒng)、混勻制粒系統(tǒng)、逡逑燒結機臺車、輥式布料裝置、噴嘴點火系統(tǒng)、破碎系統(tǒng)、篩分系統(tǒng)、風箱及引風逡逑機、廢煙氣后處理系統(tǒng)等。逡逑

船、國防等行業(yè)頜域。同美國、日本、俄羅斯等發(fā)達國家的工業(yè)化發(fā)展歷程類似，逡逑我國鋼鐵行業(yè)對我國國民經(jīng)濟建設，尤其在近幾十年的飛速發(fā)展期，起到了不可逡逑替代的支撐作用［２２＿２４］。圖１．３為我國近年來粗鋼產(chǎn)量的變化情況。我國粗鋼逡逑產(chǎn)量在１９９６年首次突破１億噸，而后在２００３年、２００６年、２０１３年接連翻了三逡逑番，即便２００８年因金融危機世界粗鋼產(chǎn)量有所降低，我國的鋼鐵生產(chǎn)依舊保持逡逑強勁增長，２０１３年我國的粗鋼產(chǎn)量首次突破８億噸，占世界粗鋼產(chǎn)量的４９．４％。逡逑從２０１３年后，我國粗鋼產(chǎn)量已基本穩(wěn)定在８億余噸的水平，不再有明顯增長，逡逑說明我國的鋼鐵工業(yè)發(fā)展已經(jīng)從８０年代的初創(chuàng)期，２０００年到２０１３年的快速成逡逑長期轉換到了成熟期。實質上，２０１５年我國的粗鋼產(chǎn)量為８．０４億噸，同比２０１４逡逑年的８．２３億噸下降了邋２．３％，這是我國鋼鐵生產(chǎn)自１９８２年來的首次下降；２０１５逡逑年的鋼材實際消費量也同比２０１４下降了邋５．４％

【參考文獻】

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本文編號：2725572