【摘要】：鐵礦石燒結(jié)過程是鋼鐵企業(yè)中重要的預(yù)處理工藝,以向高爐提供煉鐵用熟料。燒結(jié)礦是一種制粒后準(zhǔn)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(jié)過程可依此視為兩個(gè)主要階段,即冷態(tài)的生料堆積床的構(gòu)建和熱態(tài)的床層轉(zhuǎn)換。目前我國(guó)逐漸貧瘠的鐵礦石資源、波動(dòng)多變的原料供給、日趨嚴(yán)格的污染物排放和能耗要求,均對(duì)燒結(jié)廠提出了巨大挑戰(zhàn),燒結(jié)生產(chǎn)的運(yùn)行調(diào)控必須持續(xù)優(yōu)化改進(jìn)。對(duì)冷態(tài)生料床的制粒堆積、熱態(tài)燒結(jié)床的火焰鋒面?zhèn)鞑ヌ匦缘幕A(chǔ)性研究對(duì)于開發(fā)高效環(huán)保的燒結(jié)技術(shù)具有重要意義�；诖吮尘�,本文重點(diǎn)關(guān)注并開展了燒結(jié)過程的床層多孔結(jié)構(gòu)及火焰鋒面阻力特性的研究工作。首先,基于制粒后準(zhǔn)顆粒的內(nèi)核加粘附層這一典型結(jié)構(gòu)的顆粒數(shù)平衡的數(shù)學(xué)描述,開展了制粒試驗(yàn)和透氣性杯堆積試驗(yàn)研究了水分、熟石灰含量、磁精礦用量對(duì)準(zhǔn)顆粒結(jié)構(gòu)和生料床特性的影響。結(jié)果表明,準(zhǔn)顆粒的索特平均直徑與水分成線性關(guān)系,熟石灰和磁精礦等微細(xì)顆粒的引入能有效促進(jìn)制粒過程的團(tuán)聚粘附速度,在制粒水分足夠時(shí)形成具更大粘附比的準(zhǔn)顆粒。準(zhǔn)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(huì)惡化床層透氣性。第二,準(zhǔn)顆粒的粘附層變形程度對(duì)堆積形成的床層孔隙度具有關(guān)鍵影響,主要與粘附層的強(qiáng)度特性和施加在準(zhǔn)顆粒上的力相關(guān)。為更好地了解準(zhǔn)顆粒粘附層的力學(xué)特性,基于Litster開發(fā)的制粒模型,配置了能準(zhǔn)確代表準(zhǔn)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(yàn)裝置和直接剪切裝置上分別測(cè)量了準(zhǔn)顆粒粘附層的可壓縮性和剪切強(qiáng)度。熟石灰可作為粘結(jié)劑明顯增強(qiáng)粘附層的強(qiáng)度而磁精礦的作用相反將惡化粘附層的強(qiáng)度。相比于準(zhǔn)顆粒在布料堆積時(shí)所受的應(yīng)力,粘附層本身的粘附強(qiáng)度僅在1-3 kPa間,極易被壓縮或剪切導(dǎo)致變形。第三,開發(fā)了機(jī)理性的燒結(jié)生料床孔隙度預(yù)測(cè)模型,考慮了燒結(jié)準(zhǔn)顆粒堆積時(shí)的粒徑分布、顆粒間粘性力和準(zhǔn)顆粒粘附層的變形程度等關(guān)鍵機(jī)理。在前面研究的基礎(chǔ)上,該模型采用單種礦石料結(jié)構(gòu)、不同熟石灰及磁精礦用量的混合料結(jié)構(gòu)的大量制粒、堆積試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證,多數(shù)預(yù)測(cè)結(jié)果均在±10%的誤差范圍內(nèi)。結(jié)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(jié)構(gòu)、原料特性和制粒水分預(yù)測(cè)出生料床孔隙度,從而很好地指導(dǎo)燒結(jié)現(xiàn)場(chǎng)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(shù)(XCT)觀測(cè)了燒結(jié)礦三維的復(fù)雜多孔結(jié)構(gòu),并開展數(shù)值模擬預(yù)測(cè)了燒結(jié)礦的有效熱導(dǎo)系數(shù)。三維重建的燒結(jié)礦具有復(fù)雜的孔隙分布,造成了明顯的各向異性的熱導(dǎo)系數(shù)和溫度分布。燒結(jié)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?jǐn)?shù)量的大于1 mm的大孔隙則貢獻(xiàn)了約95%的總孔隙體積占比,并主要決定了燒結(jié)礦的導(dǎo)熱行為。通過將模擬預(yù)測(cè)的有效熱導(dǎo)系數(shù)與文獻(xiàn)中的類似鐵系聚合物的導(dǎo)熱值、典型的經(jīng)驗(yàn)式預(yù)測(cè)方程和結(jié)構(gòu)分析模型等的比較,證明了 XCT三維重建結(jié)合數(shù)值模擬的技術(shù)手段可有效捕捉燒結(jié)礦真實(shí)的多孔結(jié)構(gòu),從而比簡(jiǎn)單的經(jīng)驗(yàn)式方程或結(jié)構(gòu)分析模型能獲取更精確的熱物理行為的預(yù)測(cè)效果。第五,為考察燒結(jié)床中的已燒結(jié)區(qū)域的不均勻流動(dòng)情況,在高分辨率的XCT技術(shù)重建獲取的真實(shí)多孔結(jié)構(gòu)中開展CFD模擬,直觀地展現(xiàn)了氣流速度在固相燒結(jié)礦作為阻礙物或者氣流通道變窄時(shí)的增大情況�？紫抖雀蟮臒Y(jié)床將具有更多的氣流通道,其流場(chǎng)分布也發(fā)展得更為均勻。燒結(jié)杯中試試驗(yàn)結(jié)果表明,燒結(jié)床的透氣性與生料床的透氣性具有強(qiáng)相關(guān)性。燒結(jié)風(fēng)量在過程中基本保持在一個(gè)穩(wěn)定的水平,表明整個(gè)燒結(jié)床在固定負(fù)壓(16 kPa)的燒結(jié)過程中具有自適應(yīng)的透氣性調(diào)節(jié)能力,約100mm厚的高溫區(qū)域?qū)Y(jié)床透氣性具有決定性作用。最后,為更好地了解燒結(jié)床火焰鋒面中熔融液相的形成對(duì)氣流通道的發(fā)展演變及多孔結(jié)構(gòu)對(duì)氣流的阻力特性,創(chuàng)新地在燒結(jié)杯試驗(yàn)中同時(shí)測(cè)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(jìn)一步采用XCT技術(shù)對(duì)比了生料床與已燒結(jié)床的孔隙分布和氣流通道的統(tǒng)計(jì)參數(shù)。三維重建和圖像分析結(jié)果表明,相比于生料床,經(jīng)過熱轉(zhuǎn)換后的已燒結(jié)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(shí),形成的更多的熔融液相將抑制氣流通道的發(fā)展,并擴(kuò)大燒結(jié)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(jié)構(gòu)特點(diǎn)所影響。
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：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(jí)焦炭、天然塊礦、燒結(jié)礦逡逑或球團(tuán)礦等塊狀熟料作為入爐的原料，入爐原料滿足化學(xué)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(jì)的運(yùn)行生產(chǎn)［１４］。國(guó)際逡逑上，高爐入爐原料的普遍組成為？５０％的燒結(jié)礦，￣３５％的球團(tuán)礦，￣１５％的天然逡逑塊礦或廢鋼，而在我國(guó)，燒結(jié)礦在高爐爐料中占比高達(dá)８０％［５＿７］。鐵礦石燒結(jié)作逡逑為一個(gè)向高爐提供燒結(jié)礦這一主要煉鐵原料的預(yù)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(shí)高爐的塊狀熟料主要以機(jī)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(fēng)燒結(jié)機(jī)，而后被廣泛采用，逡逑目前國(guó)內(nèi)外的燒結(jié)廠幾乎全部采用帶式抽風(fēng)燒結(jié)機(jī)生產(chǎn)燒結(jié)礦［７，９］，其示意圖如逡逑圖Ｍ所示。帶式抽風(fēng)燒結(jié)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(jié)機(jī)臺(tái)車、輥式布料裝置、噴嘴點(diǎn)火系統(tǒng)、破碎系統(tǒng)、篩分系統(tǒng)、風(fēng)箱及引風(fēng)逡逑機(jī)、廢煙氣后處理系統(tǒng)等。逡逑

船、國(guó)防等行業(yè)頜域。同美國(guó)、日本、俄羅斯等發(fā)達(dá)國(guó)家的工業(yè)化發(fā)展歷程類似，逡逑我國(guó)鋼鐵行業(yè)對(duì)我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)，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(guó)近年來粗鋼產(chǎn)量的變化情況。我國(guó)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(jī)世界粗鋼產(chǎn)量有所降低，我國(guó)的鋼鐵生產(chǎn)依舊保持逡逑強(qiáng)勁增長(zhǎng)，２０１３年我國(guó)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(guó)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(zhǎng)，逡逑說明我國(guó)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(zhǎng)期轉(zhuǎn)換到了成熟期。實(shí)質(zhì)上，２０１５年我國(guó)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(guó)鋼鐵生產(chǎn)自１９８２年來的首次下降；２０１５逡逑年的鋼材實(shí)際消費(fèi)量也同比２０１４下降了邋５．４％

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2725572