釩鈦磁鐵礦內(nèi)配碳球團(tuán)還原傳熱理論分析

趙均輝,楊紹利,李彬彬,王 濤

(1.西華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,四川成都610039; 2.攀枝花學(xué)院釩鈦資源綜合利用四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川攀枝花617000; 3.成都理工大學(xué)材料與化學(xué)化工學(xué)院,四川成都610039)

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釩鈦磁鐵礦內(nèi)配碳球團(tuán)還原傳熱理論分析

趙均輝1,2,楊紹利2,李彬彬1,2,王 濤3

(1.西華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,四川成都610039; 2.攀枝花學(xué)院釩鈦資源綜合利用四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川攀枝花617000; 3.成都理工大學(xué)材料與化學(xué)化工學(xué)院,四川成都610039)

摘 要:根據(jù)目前攀西地區(qū)釩鈦磁鐵礦資源綜合利用情況,結(jié)合國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者的研究成果及本人的研究方向(釩鈦磁鐵礦內(nèi)配碳球團(tuán)內(nèi)部傳熱及仿真模擬研究)重點(diǎn)分析了釩鈦磁鐵礦內(nèi)配碳球團(tuán)的還原傳熱,即球團(tuán)的兩種加熱方式,球團(tuán)的三種傳熱方式(熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射)以及球團(tuán)內(nèi)部傳熱與還原之間的關(guān)系。結(jié)論是為了提高球團(tuán)的傳熱效率,得到理想的金屬化率,減少球團(tuán)的再次氧化,需通過效率更高的微波加熱方式。

關(guān)鍵詞:釩鈦磁鐵礦內(nèi)配碳球團(tuán);還原;傳熱;金屬化率

1 引言

球團(tuán)的傳熱性能直接影響球團(tuán)的金屬化率及提取其他元素時(shí)的影響,所以研究球團(tuán)的內(nèi)部傳熱效果對(duì)研究球團(tuán)的還原性能具有重大意義。球團(tuán)的傳熱性能對(duì)其還原過程產(chǎn)生很大的影響,它取決于溫度、時(shí)間、球團(tuán)還原率和球團(tuán)的空隙率等因素,許多學(xué)者對(duì)單個(gè)球團(tuán)的傳熱情況進(jìn)行了研究,并建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型,也有學(xué)者對(duì)多球團(tuán)料層的還原傳熱情況經(jīng)行了研究,并進(jìn)行了相關(guān)的模擬。劉勇[1]等學(xué)者研究了硅熱法煉鎂工藝中單個(gè)球團(tuán)及球團(tuán)填充層的傳熱學(xué)分析,得出了單個(gè)球團(tuán)正規(guī)階段的無(wú)量綱溫度的分析解表達(dá)式及還原罐內(nèi)的傳熱規(guī)律;劉宏專[2]等人研究了球團(tuán)的傳熱及溫度分布,得出了球團(tuán)的導(dǎo)熱為一維瞬態(tài)導(dǎo)熱;范坤[3]等人研究了含碳球團(tuán)的傳熱速率,總結(jié)出了含碳球團(tuán)中心溫度的計(jì)算式;北京科技大學(xué)張倩茹[4]等人研究了含碳球團(tuán)的還原過程,建立了球團(tuán)傳熱傳質(zhì)的數(shù)學(xué)模型;馮俊小[5]等人研究了球團(tuán)礦傳熱過程數(shù)學(xué)模型,得到了球團(tuán)礦內(nèi)的溫度分布。這些結(jié)論為研究釩鈦磁鐵礦內(nèi)配碳球團(tuán)傳熱及模擬球團(tuán)溫度場(chǎng)提供了好的理論支撐。

球團(tuán)還原過程中,伴隨著成分、物相、密度、質(zhì)量、孔隙率等因素變化,也就會(huì)伴隨球團(tuán)導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、熱擴(kuò)散率等傳熱系數(shù)的變化。球團(tuán)還原是一個(gè)溫度隨時(shí)間變化的過程,所以就是一個(gè)瞬態(tài)傳熱過程,但就整個(gè)還原過程來(lái)說(shuō),主要以球團(tuán)內(nèi)部熱傳導(dǎo)及爐內(nèi)對(duì)球團(tuán)以熱輻射傳熱為主。

綜合考慮,要想得到理想的金屬化率,必須提高球團(tuán)內(nèi)部的傳熱,因此就必須考慮影響球團(tuán)傳熱的各個(gè)因素,從各個(gè)因素入手,搞清各個(gè)因素之間的主次關(guān)系及影響球團(tuán)的內(nèi)部機(jī)理,然后綜合起來(lái)提高球團(tuán)的傳熱性能,最終得到理想的還原性能。

2 釩鈦磁鐵礦內(nèi)配碳球團(tuán)還原傳熱加熱方式

釩鈦磁鐵礦內(nèi)配碳球團(tuán)是在還原爐中加熱還原的,在加熱過程中發(fā)生一系列復(fù)雜的還原反應(yīng),成分、物相隨著溫度的升高在不斷變化著,達(dá)到一定溫度之后,球團(tuán)內(nèi)部成分將基本保持不變,也將達(dá)到球團(tuán)的最大金屬化率。球團(tuán)在還原過程中伴隨著吸熱和放熱的過程,以吸熱反應(yīng)為主,所以需要足夠的熱源。由于球團(tuán)在加熱過程中伴隨著復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng),因此,在整個(gè)還原過程中其傳熱速率及傳熱方式也在不斷變化著。

釩鈦磁鐵礦球團(tuán)的加熱方式包括傳統(tǒng)加熱和新型的微波加熱兩種方式。

2.1 傳統(tǒng)加熱

2.1.1 傳統(tǒng)加熱原理

傳統(tǒng)加熱[6-7]方式就是通過在還原爐內(nèi)懸掛幾組硅碳棒或硅鉬棒加熱元件,是目前應(yīng)用比較廣泛的加熱方式。在通電之后,加熱元件通過不斷發(fā)熱,將熱量通過氣體對(duì)流傳熱、熱輻射等方式傳遞給球團(tuán)表面,再由球團(tuán)表面通過熱傳導(dǎo)方式將熱量傳遞到球團(tuán)內(nèi)部。

2.1.2 傳統(tǒng)加熱的劣勢(shì)

傳統(tǒng)加熱方式存在很多局限性:(1)加熱元件的易脆性。由于硅碳棒特別脆,很容易在通電功率大的情況下發(fā)生脆裂等安全事故,因此必須在控制一定功率的情況下加熱。(2)加熱時(shí)間長(zhǎng)。由于加熱功率限制,球團(tuán)的受熱源就會(huì)受限,由于球團(tuán)是一個(gè)以吸熱為主的還原過程,所以需要充足的加熱源。(3)溫度梯度比較大[8]。得不到足夠的熱量,球團(tuán)傳熱就會(huì)變慢,球團(tuán)內(nèi)部與外部會(huì)產(chǎn)生很大的溫度梯度,就會(huì)需要很長(zhǎng)的時(shí)間加熱球團(tuán)。(4)被加熱物體受熱不均勻。(5)被加熱物體易被再氧化。受熱時(shí)間長(zhǎng)了容易導(dǎo)致球團(tuán)被再次氧化的可能。

2.2 微波加熱

2.2.1 微波加熱的原理

微波加熱是一種新型加熱方式。微波加熱是材料在高頻電磁波作用下,球團(tuán)中的分子被電離之后進(jìn)而被極化,使球團(tuán)中的分子產(chǎn)生正負(fù)電性,由于微波電磁波交替產(chǎn)生,球團(tuán)分子就會(huì)隨著微波電磁波方向的變化而發(fā)生高頻振蕩,因此產(chǎn)生強(qiáng)大的熱能,如圖1所示[9]。

圖1　偶極子在電磁場(chǎng)中調(diào)整取向的方式

2.2.2 微波加熱的特點(diǎn)

微波加熱主要具有以下特點(diǎn):(1)熱量是在被加熱物體內(nèi)部產(chǎn)生的,而不是由外向內(nèi)逐漸傳導(dǎo),加熱均勻,加熱速度快,加熱效率高,不會(huì)產(chǎn)生溫度梯度,能提高產(chǎn)品質(zhì)量。(2)可以選擇性的對(duì)混合物料進(jìn)行加熱。(3)能同時(shí)促進(jìn)吸熱和放熱反應(yīng),對(duì)化學(xué)反應(yīng)具有催化作用,無(wú)熱滯后效應(yīng)。(4)無(wú)污染。

2.2.3 微波加熱的應(yīng)用

微波加熱已用于礦石的破碎,難選金礦的預(yù)處理,從低品位礦石和尾礦中回收金,從礦石中提取稀有金屬和重金屬,鐵礦石和釩鈦磁鐵礦的碳熱還原等等。采用微波輻射加熱和常規(guī)加熱對(duì)釩鈦磁鐵精礦進(jìn)行碳還原,微波輻射加熱還原可以降低還原溫度、縮短還原時(shí)間,所獲得的鐵粉表面有更發(fā)達(dá)的海綿體、更大的比表面積[10]。微波加熱還原球團(tuán)時(shí),會(huì)產(chǎn)生局部的電弧,從而產(chǎn)生附加的熱量,這有利于球團(tuán)的還原和加快球團(tuán)的傳熱,有利于獲得更好的還原效果和金屬化率。

釩鈦磁鐵礦內(nèi)配碳球團(tuán)中的鐵氧化物主要以磁鐵礦、板鈦礦、鈦鐵礦、鈦鐵晶石及浮氏體存在,由于組分復(fù)雜,所以釩鈦磁鐵礦球團(tuán)的還原是多途徑進(jìn)行的。因此通過微波加熱還原球團(tuán),可以避免球團(tuán)加熱到過高的溫度和過長(zhǎng)的時(shí)間,又可以深度還原釩鈦磁鐵礦球團(tuán),獲得較高的球團(tuán)金屬化率。

3 釩鈦磁鐵礦內(nèi)配碳球團(tuán)還原傳熱類型分析

球團(tuán)還原過程分為兩種:等溫還原和非等溫還原。等溫還原即當(dāng)爐溫升到設(shè)定值時(shí)保持不變,將所需還原球團(tuán)放入爐內(nèi)進(jìn)行還原。非等溫還原即在還原起始就將球團(tuán)放入爐內(nèi),然后讓球團(tuán)隨著爐子升溫不斷傳熱還原。

球團(tuán)等溫還原在初始階段就在高溫下還原,這時(shí)還原能力比較強(qiáng),由于溫度高,傳熱效果好以及球團(tuán)內(nèi)的碳在高溫下很容易氣化,對(duì)傳熱還原都起到促進(jìn)作用,大大縮短了還原時(shí)間,得到比較理想的金屬化率。

球團(tuán)在非等溫還原初始階段還原能力比較低,由于溫度低,傳熱差以及碳還沒有氣化,在還原到高溫時(shí),傳熱加強(qiáng),碳?xì)饣_(dá)到比較高的程度,這時(shí)的還原能力大大加強(qiáng)。這樣會(huì)花費(fèi)比較多的時(shí)間,時(shí)間長(zhǎng)了,容易導(dǎo)致球團(tuán)還原金屬鐵的再次氧化。

4 釩鈦磁鐵礦內(nèi)配碳球團(tuán)傳熱方式分析

4.1 熱傳導(dǎo)

熱傳導(dǎo)是物體各部分之間不發(fā)生相對(duì)位移時(shí),依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)進(jìn)行熱量傳遞。熱傳導(dǎo)可以定義為完全接觸的兩個(gè)物體之間或一個(gè)物體的不同部分之間由于溫度梯度而引起的內(nèi)能的交換。熱傳導(dǎo)遵循傅里葉定律,即

式中:qn為熱流密度(W/m2);k為導(dǎo)熱系數(shù)(W/(m-℃));“-”表示熱量流向溫度降低的方向。如圖2所示:

圖2　熱傳導(dǎo)示意圖

4.2 熱對(duì)流

熱對(duì)流是指固體的表面與它周圍接觸的流體之間由于存在溫差引起的熱能的交換。熱對(duì)流可以分為自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流兩類。熱對(duì)流可以用牛頓冷卻方程來(lái)描述,即

式中:h為對(duì)流換熱系數(shù)(或稱為膜傳熱系數(shù)、給熱系數(shù)、膜系數(shù));Ts為固體表面的溫度;TB為周圍流體的溫度。如圖3所示:

圖3　熱對(duì)流示意圖

4.3 熱輻射

熱輻射指物體發(fā)射電磁能并被其他物體吸收轉(zhuǎn)變?yōu)闊岬臒崃拷粨Q過程。物體溫度越高,單位時(shí)間內(nèi)輻射的熱量越多。熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流都需要有傳熱介質(zhì),而熱輻射無(wú)需任何傳熱介質(zhì)。實(shí)質(zhì)上,真空中的熱輻射效率最高。如圖4所示:

圖4　熱輻射示意圖

在工程中通常考慮兩個(gè)或兩個(gè)以上物體之間的熱輻射,系統(tǒng)中每個(gè)物體同時(shí)輻射并吸收熱量。它們之間的凈熱量傳遞可以用斯蒂芬一波爾茲曼方程來(lái)計(jì)算,即

式中:q為熱流率;ε為輻射率(黑度);σ為斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù),約為5.67×10-8W/m2·K4;A1為輻射面1的面積;F12為由輻射面1到輻射面2的形狀系數(shù);T1為輻射面1的絕對(duì)溫度;T2為輻射面2的絕對(duì)溫度。由方程式可以看出,包含熱輻射的熱分析是高度非線性的。

以上分別討論了三種傳熱的基本方式:導(dǎo)熱、對(duì)流、熱輻射。在球團(tuán)的實(shí)際傳熱中,這三種方式往往是相互關(guān)聯(lián)在一起的。只是在傳熱的過程中,在不同的溫度段內(nèi),三種方式的主次不同而已。但就球團(tuán)的整個(gè)傳熱過程來(lái)看,其中主要以導(dǎo)熱和熱輻射為主,對(duì)流為輔的傳熱方式。

5 釩鈦磁鐵礦內(nèi)配碳球團(tuán)還原傳熱過程分析

5.1 單球團(tuán)還原傳熱分析

釩鈦磁鐵礦內(nèi)配碳球團(tuán)還原傳熱是一個(gè)由外向里逐漸傳熱的過程。球團(tuán)的傳熱過程如圖5所示[11],球團(tuán)內(nèi)部溫度隨著爐內(nèi)溫度升高而不斷升高,內(nèi)部傳熱也在不斷加劇。球團(tuán)內(nèi)部發(fā)生還原反應(yīng),碳與氧結(jié)合生成CO 和CO2氣體,從球團(tuán)內(nèi)部的空隙中擴(kuò)散到反應(yīng)爐內(nèi)。當(dāng)爐內(nèi)溫度從初始階段到623K 時(shí),球團(tuán)熱量主要通過爐內(nèi)的空氣對(duì)流傳熱方式傳到球團(tuán)表面,再由球團(tuán)表面通過熱傳導(dǎo)傳遞到球團(tuán)內(nèi)部;隨著溫度的升高,當(dāng)球團(tuán)內(nèi)部的碳不斷發(fā)生還原反應(yīng)而減少,這時(shí)爐膛氣氛中的CO氣體就會(huì)從外部滲透到球團(tuán)內(nèi)部繼續(xù)發(fā)生還原反應(yīng)。當(dāng)爐內(nèi)溫度達(dá)到1 073K時(shí),爐內(nèi)熱量將通過熱輻射方式傳熱到球團(tuán)表面,這時(shí)球團(tuán)內(nèi)部的還原反應(yīng)已經(jīng)進(jìn)行,煤粉已經(jīng)氣化,球團(tuán)內(nèi)部產(chǎn)生比較多的空隙,這時(shí)球團(tuán)內(nèi)部的傳熱將變成由球團(tuán)內(nèi)部顆粒之間熱傳導(dǎo)和顆粒與球團(tuán)內(nèi)部空隙的還原氣體對(duì)流傳熱共同傳遞。由于在高溫情況下,球團(tuán)表面形成一層由球團(tuán)內(nèi)部雜質(zhì)生成的固溶體,這樣就會(huì)影響爐膛氣氛中的CO氣體進(jìn)入球團(tuán)內(nèi)部進(jìn)行還原,從而影響球團(tuán)的還原度及金屬化率。

圖5　球團(tuán)在爐膛內(nèi)的傳熱過程示意圖1-爐膛;2-球團(tuán)

球團(tuán)碳熱還原反應(yīng)中存在直接還原反應(yīng)和間接還原反應(yīng),且整個(gè)反應(yīng)過程中的大部分為直接還原吸熱反應(yīng),少部分為間接還原放熱反應(yīng)(煤的液化作用,脫揮發(fā)份作用)。碳的氣化是個(gè)很強(qiáng)的吸熱過程,在球團(tuán)溫度達(dá)到大約500℃左右,開始有鐵相生成[12]。球團(tuán)還原反應(yīng)中生成的氣相在對(duì)流傳熱、傳質(zhì)中扮演重要角色。球團(tuán)還原過程中,還原過程從外向里不斷進(jìn)行,外層的還原反應(yīng)先進(jìn)行,球團(tuán)內(nèi)部受溫度梯度的影響,后進(jìn)行還原反應(yīng),由于外層還原反應(yīng)中產(chǎn)生的氣相進(jìn)入球團(tuán)內(nèi)部,促進(jìn)球團(tuán)內(nèi)部的還原反應(yīng),所以球團(tuán)內(nèi)部的碳含量將遠(yuǎn)大于球團(tuán)外層。

5.2 多球團(tuán)還原傳熱分析

多球團(tuán)傳熱涉及單個(gè)球團(tuán)內(nèi)部導(dǎo)熱及球團(tuán)與球團(tuán)之間的傳熱、球團(tuán)之間空隙的傳熱等傳熱相結(jié)合的綜合傳熱過程。

多球團(tuán)的傳熱過程[2]有如下幾種形式: (1)球團(tuán)內(nèi)的導(dǎo)熱,為球團(tuán)內(nèi)部微粒與微粒之間的導(dǎo)熱及微粒與空隙之間還原氣氛的導(dǎo)熱。(2)接觸面的導(dǎo)熱,為多個(gè)球團(tuán)相互接觸之間的導(dǎo)熱。(3)球團(tuán)與球團(tuán)間的熱輻射。(4)空隙與空隙間的熱輻射。(5)球團(tuán)與空隙間還原氣氛的對(duì)流傳熱。

因此,釩鈦磁鐵礦內(nèi)配碳球團(tuán)整個(gè)還原傳熱過程伴隨著對(duì)流傳熱、熱傳導(dǎo)、熱輻射三種傳熱方式,所以球團(tuán)內(nèi)部的傳熱是一個(gè)復(fù)雜的過程。

6 球團(tuán)還原與傳熱的關(guān)系分析

球團(tuán)的傳熱伴隨整個(gè)還原過程,隨著溫度升高,傳熱效率提高,將產(chǎn)生一系列復(fù)雜的還原反應(yīng),釩鈦磁鐵礦中鐵氧化物和鈦鐵化合物的還原歷程可表示如下[13]:

傳熱速率隨著還原反應(yīng)產(chǎn)物及物相變化而不斷發(fā)生變化,在起始階段,整個(gè)還原反應(yīng)與傳熱是相輔相成,互相促進(jìn)的。隨著溫度升高,反應(yīng)產(chǎn)物、物相變化劇烈,導(dǎo)致碳的消耗,空隙加大,氣體濃度變化,伴隨傳熱效果不斷變化。因此,球團(tuán)內(nèi)部的還原與傳熱是一個(gè)不斷變化的復(fù)雜過程。

7 結(jié)語(yǔ)

前文對(duì)釩鈦磁鐵礦內(nèi)配碳球團(tuán)整個(gè)還原傳熱的機(jī)理分析以及對(duì)還原傳熱主要影響因素作了比較系統(tǒng)性的分析描述。通過分析得出,釩鈦磁鐵礦內(nèi)配碳球團(tuán)還原程度受傳熱的影響很大,還原過程中成分、物相的變化反過來(lái)也在影響傳熱效果。以目前的理論研究效果來(lái)看,釩鈦磁鐵礦內(nèi)配碳球團(tuán)也存在一些問題,由于攀西地區(qū)釩鈦磁鐵礦成分復(fù)雜,很難提煉分離,球團(tuán)內(nèi)部的傳熱速率小,溫度梯度大,還原時(shí)間長(zhǎng),還原反應(yīng)后產(chǎn)生的廢氣對(duì)環(huán)境的污染大。所以我們需要通過更多的實(shí)驗(yàn)研究分析球團(tuán)內(nèi)部的具體傳熱情況,力爭(zhēng)在節(jié)約成本,減少環(huán)境污染的原則上,以便尋求更好的還原工藝。

接下來(lái)將通過球團(tuán)內(nèi)部傳熱試驗(yàn)測(cè)量具體的傳熱值(導(dǎo)熱系數(shù)及比熱容),再通過計(jì)算機(jī)仿真模擬得到球團(tuán)內(nèi)部的溫度場(chǎng)的分布,為球團(tuán)還原反應(yīng)的進(jìn)一步分析提供了研究思路,目的在于提高球團(tuán)還原反應(yīng)的傳熱效率和溫度場(chǎng)均勻性的工藝技術(shù),不斷開拓思路,發(fā)掘低成本、無(wú)污染、高效益的還原工藝。

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Investigation of Vanadium Titano-magnetite Carbon-containing Pellets Reduction in Heat Transfer Analysis

ZHAO Jun-hui1,2,YANG Shao-li2,LI Bin-bin1,2,WANG Tao3
(1.Xihua University,Materials Science and Engineering Institute,Chengdu,610039,Sichuan,China; 2.Sichuan Province Key Laboratory of Comprehensive Utilization for Vanadium &Titanium Resources, Panzhihua University,Panzhihua 617000,Sichuan,China)

Abstract:According to the current vanadium titanium magnetite resources comprehensive utilization in Panxi region,combining with the results of many scholars at home and abroad and my research direction(vanadium titanium magnetite pellets with carbon in internal heat transfer and simulation studies)focuses on analyzing the vanadium titanium magnetite pellets with carbon in the reduction of heat transfer.Pellets are emphatically analyzed the two heating mode;Pellets of three types of heat transfer(heat conduction,convection and radiation)and the internal heat transfer and reduction of the relationship between pellets.Comprehensive,in order to improve the heat transfer efficiency of pellets;Get ideal metallization rate;Reducing pellets again oxidation;To be more efficient way of microwave heating.

Key words:vanadium titanium magnetite carbon-containing pellets;reduction;heat transfer; metallization rate

作者簡(jiǎn)介:趙均輝,碩士研究生,主要從事釩鈦磁鐵礦資源綜合利用研究。

文章編號(hào):1001-5108(2016)01-0001-06

中圖分類號(hào):TF046

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A