楊紹利1，2，3，馬蘭1，2，李俊翰1，3，李昌東1，趙均輝1，何軍1

　　1攀枝花學(xué)院攀西科技創(chuàng)新中心 2國(guó)家釩鈦檢測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(籌)3釩鈦資源綜合利用四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

　　1 序言

　　1.1 背景

　　進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者包括筆者及其所在單位均對(duì)釩鈦磁鐵礦煤基直接還原新工藝進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)試驗(yàn)研究工作，得出了許多較高水平的研究成果[1~4]，并且有的已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。若按主體還原設(shè)備不同，可分為轉(zhuǎn)底爐流程、隧道窯流程、回轉(zhuǎn)窯流程以及車(chē)底爐流程等。

　　研究得出，釩鈦磁鐵礦內(nèi)配碳球團(tuán)在約1300℃、大約30分鐘的還原條件下，大部分鐵氧化物能還原成金屬鐵或鐵的低價(jià)氧化物，鐵的金屬化率可達(dá)55%～75%，而且還原速度在很大程度上取決于球團(tuán)料層內(nèi)部的傳熱速度高低。因?yàn)閭鳠崴俣雀簧蟿t達(dá)不到發(fā)生還原反應(yīng)所需的溫度，從勢(shì)力學(xué)角度分析則還原反應(yīng)就不會(huì)發(fā)生，也就是說(shuō)，球團(tuán)料層內(nèi)部的溫度及其傳熱速度直接影響球團(tuán)料層的總體還原效率。

　　目前，回轉(zhuǎn)窯法和轉(zhuǎn)底爐法運(yùn)用相對(duì)最為廣泛。轉(zhuǎn)底爐煤基直接還原工藝是在20世紀(jì)60年代由美國(guó)Midrex公司和日本神戶(hù)制鋼開(kāi)發(fā)出的煉鐵新工藝，轉(zhuǎn)底爐煤基直接還原工藝在進(jìn)入20世紀(jì)以來(lái)得到了快速發(fā)展，包括Fastmet法、ITmk3法、Inmeto法、Comet法、DRyIron法等[5]。

　　進(jìn)入20世紀(jì)以來(lái)，四川攀枝花地區(qū)開(kāi)發(fā)出了以轉(zhuǎn)底爐流程為代表的多種煤基直接還原新工藝，并且已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室研究和工業(yè)試驗(yàn)研究層面取得了成功，先后建成了2座7萬(wàn)噸/年和10萬(wàn)噸/年規(guī)模的工業(yè)試驗(yàn)線(xiàn)。所取得在研究成果達(dá)到領(lǐng)先水平。轉(zhuǎn)底爐流程很適合處理釩鈦磁鐵礦，除了具有處理普通鐵礦的優(yōu)點(diǎn)外，還具有如下優(yōu)點(diǎn)[6]：

　　(1)由于轉(zhuǎn)底爐還原過(guò)程爐底轉(zhuǎn)動(dòng)而放在爐底上的爐料相對(duì)不動(dòng)，所以爐料可不產(chǎn)生或極少產(chǎn)生粉料，出爐時(shí)的爐料仍為完整的球團(tuán)-金屬化球團(tuán)，且不易粘結(jié)，有利于向下一步工序運(yùn)輸及處理;

　　(2)對(duì)完整的固態(tài)金屬化球團(tuán)進(jìn)行熔煉和深還原，可制備含釩生鐵和50鈦渣，從而實(shí)現(xiàn)釩鈦磁鐵礦中的鐵、釩和鈦的分離和回收利用;

　　(3)本工藝流程附產(chǎn)的煤氣可作為低熱值燃料加以回收利用，對(duì)污染環(huán)境無(wú)污染。

　　1.2 球團(tuán)還原與傳熱過(guò)程研究現(xiàn)狀

　　目前，所涉及釩鈦鐵精礦內(nèi)配碳球團(tuán)傳熱速率與還原過(guò)程的文章較少，相關(guān)研究未曾看到相關(guān)報(bào)道。大多數(shù)這方面的研究致力于在還原過(guò)程中設(shè)備中的溫度場(chǎng)的模擬，并建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，包含了回轉(zhuǎn)窯內(nèi)和轉(zhuǎn)底爐內(nèi)的溫度場(chǎng)模擬。澳大利亞JINGGYU SHI等人在軸對(duì)稱(chēng)溫度場(chǎng)條件下，利用有限控制體積法建立了鐵礦石和煤混合而成的球團(tuán)的煤基直接還原過(guò)程的模型。研究表明，對(duì)流傳熱對(duì)整個(gè)還原的影響很小，但對(duì)流對(duì)球團(tuán)組成成分有很大的影響。在球團(tuán)周?chē)鶆虻臏囟葓?chǎng)下，還原得到的球團(tuán)金屬化率更好[7]。

　　北京周春芳等人利用Fluent軟件建立了轉(zhuǎn)底爐爐內(nèi)溫度場(chǎng)及流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，模擬爐內(nèi)的輻射傳熱和湍流流動(dòng)，研究了燒嘴和助燃噴嘴，并研究了兩個(gè)裝置的布置對(duì)轉(zhuǎn)底爐爐內(nèi)的溫度及速度分布的影響[8];彭兵等人對(duì)電弧爐煉鋼粉塵和碳混合制成的球團(tuán)在還原過(guò)程中的熱傳導(dǎo)行為進(jìn)行了相關(guān)研究, 根據(jù)實(shí)驗(yàn)推導(dǎo)出了球團(tuán)導(dǎo)熱模型的結(jié)構(gòu)參數(shù), 并且建立了熱傳導(dǎo)模型。此模擬過(guò)程為進(jìn)一步深入研究球團(tuán)還原過(guò)程的有關(guān)機(jī)理和控制因素打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[9]。上述研究者在球團(tuán)傳熱以及爐膛溫度分布方面的模擬研究較多，但是，對(duì)料層內(nèi)部的傳熱及其對(duì)還原的影響研究力較少。

　　上述研究中的基礎(chǔ)理論研究卻相對(duì)薄弱。特別是還原過(guò)程中內(nèi)配碳球團(tuán)料層內(nèi)部的溫度分布及其變化對(duì)料層還原效率的影響規(guī)律等，未見(jiàn)報(bào)道。本文既主要測(cè)試研究釩鈦磁鐵礦內(nèi)配碳多球團(tuán)組成的料層中的溫度分布、傳熱速率及其對(duì)還原反應(yīng)的影響。

　　2 還原過(guò)程的球團(tuán)料層傳熱分析

　　2.1 傳熱速率與還原的關(guān)系

　　以轉(zhuǎn)底爐或車(chē)底爐還原流程為例，釩鈦鐵精礦內(nèi)配碳球團(tuán)料層放在其中的爐底或車(chē)底上進(jìn)行還原，其料層中的傳熱過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程。在宏觀(guān)上，球團(tuán)料層是一個(gè)相對(duì)固定不動(dòng)的料層，此時(shí)球團(tuán)料層的傳熱首先是由還原爐向料層表面進(jìn)行傳熱，然后由料層表面再向料層內(nèi)部進(jìn)行傳熱。還原爐向料層表面進(jìn)行的傳熱為熱輻射傳熱，而料層表面向料層內(nèi)部進(jìn)行傳熱為導(dǎo)熱。但是在料層內(nèi)部的微觀(guān)區(qū)域上，其傳熱是非常復(fù)雜的。因?yàn)樵谠撐^(qū)內(nèi)，隨著傳熱和還原的進(jìn)行，微區(qū)的結(jié)構(gòu)和成份是不斷變化的，如發(fā)生揮發(fā)物的不斷揮發(fā)溢出、CO氣體生成等而不斷產(chǎn)生孔隙，孔隙度不斷增大，不斷生成鐵的低價(jià)氧化物、金屬鐵、CO氣體等新物質(zhì)，即因存在大量不同溫度的固體而發(fā)生導(dǎo)熱和熱輻射傳熱，還因產(chǎn)生揮發(fā)物、CO氣體不斷揮發(fā)溢出而產(chǎn)生對(duì)流傳熱。因此，從微觀(guān)上看，球團(tuán)料層在還原過(guò)程中即有導(dǎo)熱，也中時(shí)存在熱輻射傳熱及對(duì)流傳熱[10]。

　　在宏觀(guān)上，球團(tuán)料層是一個(gè)相對(duì)固定不動(dòng)的料層，外觀(guān)上球團(tuán)始終呈固態(tài)，料層也呈完整的固態(tài)料層，所以，可以忽略微區(qū)的熱輻射傳熱和對(duì)流傳熱，而將料層中的傳熱視為以導(dǎo)熱為主。

　　眾所周知，料層內(nèi)部任何位置若發(fā)生還原反應(yīng)，必須首先滿(mǎn)足熱力學(xué)條件，即必須達(dá)到反應(yīng)所需的溫度，溫度達(dá)不到則不發(fā)生反應(yīng)。而該溫度的達(dá)到則依靠傳熱，傳熱不到位則溫度必然是達(dá)不到的。因此，還原反應(yīng)與傳熱速度密不可分。