釩鈦磁鐵礦內配碳球團還原傳熱理論分析

趙均輝,楊紹利,李彬彬,王 濤

(1.西華大學材料科學與工程學院,四川成都610039; 2.攀枝花學院釩鈦資源綜合利用四川省重點實驗室,四川攀枝花617000; 3.成都理工大學材料與化學化工學院,四川成都610039)

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釩鈦磁鐵礦內配碳球團還原傳熱理論分析

趙均輝1,2,楊紹利2,李彬彬1,2,王 濤3

(1.西華大學材料科學與工程學院,四川成都610039; 2.攀枝花學院釩鈦資源綜合利用四川省重點實驗室,四川攀枝花617000; 3.成都理工大學材料與化學化工學院,四川成都610039)

摘 要:根據目前攀西地區釩鈦磁鐵礦資源綜合利用情況,結合國內外許多學者的研究成果及本人的研究方向(釩鈦磁鐵礦內配碳球團內部傳熱及仿真模擬研究)重點分析了釩鈦磁鐵礦內配碳球團的還原傳熱,即球團的兩種加熱方式,球團的三種傳熱方式(熱傳導、熱對流、熱輻射)以及球團內部傳熱與還原之間的關系。結論是為了提高球團的傳熱效率,得到理想的金屬化率,減少球團的再次氧化,需通過效率更高的微波加熱方式。

關鍵詞:釩鈦磁鐵礦內配碳球團;還原;傳熱;金屬化率

1 引言

球團的傳熱性能直接影響球團的金屬化率及提取其他元素時的影響,所以研究球團的內部傳熱效果對研究球團的還原性能具有重大意義。球團的傳熱性能對其還原過程產生很大的影響,它取決于溫度、時間、球團還原率和球團的空隙率等因素,許多學者對單個球團的傳熱情況進行了研究,并建立了相應的數學模型,也有學者對多球團料層的還原傳熱情況經行了研究,并進行了相關的模擬。劉勇[1]等學者研究了硅熱法煉鎂工藝中單個球團及球團填充層的傳熱學分析,得出了單個球團正規階段的無量綱溫度的分析解表達式及還原罐內的傳熱規律;劉宏專[2]等人研究了球團的傳熱及溫度分布,得出了球團的導熱為一維瞬態導熱;范坤[3]等人研究了含碳球團的傳熱速率,總結出了含碳球團中心溫度的計算式;北京科技大學張倩茹[4]等人研究了含碳球團的還原過程,建立了球團傳熱傳質的數學模型;馮俊小[5]等人研究了球團礦傳熱過程數學模型,得到了球團礦內的溫度分布。這些結論為研究釩鈦磁鐵礦內配碳球團傳熱及模擬球團溫度場提供了好的理論支撐。

球團還原過程中,伴隨著成分、物相、密度、質量、孔隙率等因素變化,也就會伴隨球團導熱系數、比熱容、熱擴散率等傳熱系數的變化。球團還原是一個溫度隨時間變化的過程,所以就是一個瞬態傳熱過程,但就整個還原過程來說,主要以球團內部熱傳導及爐內對球團以熱輻射傳熱為主。

綜合考慮,要想得到理想的金屬化率,必須提高球團內部的傳熱,因此就必須考慮影響球團傳熱的各個因素,從各個因素入手,搞清各個因素之間的主次關系及影響球團的內部機理,然后綜合起來提高球團的傳熱性能,最終得到理想的還原性能。

2 釩鈦磁鐵礦內配碳球團還原傳熱加熱方式

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

釩鈦磁鐵礦球團的加熱方式包括傳統加熱和新型的微波加熱兩種方式。

2.1 傳統加熱

2.1.1 傳統加熱原理

傳統加熱[6-7]方式就是通過在還原爐內懸掛幾組硅碳棒或硅鉬棒加熱元件,是目前應用比較廣泛的加熱方式。在通電之后,加熱元件通過不斷發熱,將熱量通過氣體對流傳熱、熱輻射等方式傳遞給球團表面,再由球團表面通過熱傳導方式將熱量傳遞到球團內部。

2.1.2 傳統加熱的劣勢

傳統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)加熱時間長。由于加熱功率限制,球團的受熱源就會受限,由于球團是一個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,球團傳熱就會變慢,球團內部與外部會產生很大的溫度梯度,就會需要很長的時間加熱球團。(4)被加熱物體受熱不均勻。(5)被加熱物體易被再氧化。受熱時間長了容易導致球團被再次氧化的可能。

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,球團中的分子被電離之后進而被極化,使球團中的分子產生正負電性,由于微波電磁波交替產生,球團分子就會隨著微波電磁波方向的變化而發生高頻振蕩,因此產生強大的熱能,如圖1所示[9]。

圖1　偶極子在電磁場中調整取向的方式

2.2.2 微波加熱的特點

微波加熱主要具有以下特點:(1)熱量是在被加熱物體內部產生的,而不是由外向內逐漸傳導,加熱均勻,加熱速度快,加熱效率高,不會產生溫度梯度,能提高產品質量。(2)可以選擇性的對混合物料進行加熱。(3)能同時促進吸熱和放熱反應,對化學反應具有催化作用,無熱滯后效應。(4)無污染。

2.2.3 微波加熱的應用

微波加熱已用于礦石的破碎,難選金礦的預處理,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加熱對釩鈦磁鐵精礦進行碳還原,微波輻射加熱還原可以降低還原溫度、縮短還原時間,所獲得的鐵粉表面有更發達的海綿體、更大的比表面積[10]。微波加熱還原球團時,會產生局部的電弧,從而產生附加的熱量,這有利于球團的還原和加快球團的傳熱,有利于獲得更好的還原效果和金屬化率。

釩鈦磁鐵礦內配碳球團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,由于組分復雜,所以釩鈦磁鐵礦球團的還原是多途徑進行的。因此通過微波加熱還原球團,可以避免球團加熱到過高的溫度和過長的時間,又可以深度還原釩鈦磁鐵礦球團,獲得較高的球團金屬化率。

3 釩鈦磁鐵礦內配碳球團還原傳熱類型分析

球團還原過程分為兩種:等溫還原和非等溫還原。等溫還原即當爐溫升到設定值時保持不變,將所需還原球團放入爐內進行還原。非等溫還原即在還原起始就將球團放入爐內,然后讓球團隨著爐子升溫不斷傳熱還原。

球團等溫還原在初始階段就在高溫下還原,這時還原能力比較強,由于溫度高,傳熱效果好以及球團內的碳在高溫下很容易氣化,對傳熱還原都起到促進作用,大大縮短了還原時間,得到比較理想的金屬化率。

球團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,傳熱加強,碳氣化達到比較高的程度,這時的還原能力大大加強。這樣會花費比較多的時間,時間長了,容易導致球團還原金屬鐵的再次氧化。

4 釩鈦磁鐵礦內配碳球團傳熱方式分析

4.1 熱傳導

熱傳導是物體各部分之間不發生相對位移時,依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運動進行熱量傳遞。熱傳導可以定義為完全接觸的兩個物體之間或一個物體的不同部分之間由于溫度梯度而引起的內能的交換。熱傳導遵循傅里葉定律,即

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

圖2　熱傳導示意圖

4.2 熱對流

熱對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。熱對流可以分為自然對流和強制對流兩類。熱對流可以用牛頓冷卻方程來描述,即

式中:h為對流換熱系數(或稱為膜傳熱系數、給熱系數、膜系數);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　熱對流示意圖

4.3 熱輻射

熱輻射指物體發射電磁能并被其他物體吸收轉變為熱的熱量交換過程。物體溫度越高,單位時間內輻射的熱量越多。熱傳導和熱對流都需要有傳熱介質,而熱輻射無需任何傳熱介質。實質上,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?？紤]兩個或兩個以上物體之間的熱輻射,系統中每個物體同時輻射并吸收熱量。它們之間的凈熱量傳遞可以用斯蒂芬一波爾茲曼方程來計算,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,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;T1為輻射面1的絕對溫度;T2為輻射面2的絕對溫度。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:導熱、對流、熱輻射。在球團的實際傳熱中,這三種方式往往是相互關聯在一起的。只是在傳熱的過程中,在不同的溫度段內,三種方式的主次不同而已。但就球團的整個傳熱過程來看,其中主要以導熱和熱輻射為主,對流為輔的傳熱方式。

5 釩鈦磁鐵礦內配碳球團還原傳熱過程分析

5.1 單球團還原傳熱分析

釩鈦磁鐵礦內配碳球團還原傳熱是一個由外向里逐漸傳熱的過程。球團的傳熱過程如圖5所示[11],球團內部溫度隨著爐內溫度升高而不斷升高,內部傳熱也在不斷加劇。球團內部發生還原反應,碳與氧結合生成CO 和CO2氣體,從球團內部的空隙中擴散到反應爐內。當爐內溫度從初始階段到623K 時,球團熱量主要通過爐內的空氣對流傳熱方式傳到球團表面,再由球團表面通過熱傳導傳遞到球團內部;隨著溫度的升高,當球團內部的碳不斷發生還原反應而減少,這時爐膛氣氛中的CO氣體就會從外部滲透到球團內部繼續發生還原反應。當爐內溫度達到1 073K時,爐內熱量將通過熱輻射方式傳熱到球團表面,這時球團內部的還原反應已經進行,煤粉已經氣化,球團內部產生比較多的空隙,這時球團內部的傳熱將變成由球團內部顆粒之間熱傳導和顆粒與球團內部空隙的還原氣體對流傳熱共同傳遞。由于在高溫情況下,球團表面形成一層由球團內部雜質生成的固溶體,這樣就會影響爐膛氣氛中的CO氣體進入球團內部進行還原,從而影響球團的還原度及金屬化率。

圖5　球團在爐膛內的傳熱過程示意圖1-爐膛;2-球團

球團碳熱還原反應中存在直接還原反應和間接還原反應,且整個反應過程中的大部分為直接還原吸熱反應,少部分為間接還原放熱反應(煤的液化作用,脫揮發份作用)。碳的氣化是個很強的吸熱過程,在球團溫度達到大約500℃左右,開始有鐵相生成[12]。球團還原反應中生成的氣相在對流傳熱、傳質中扮演重要角色。球團還原過程中,還原過程從外向里不斷進行,外層的還原反應先進行,球團內部受溫度梯度的影響,后進行還原反應,由于外層還原反應中產生的氣相進入球團內部,促進球團內部的還原反應,所以球團內部的碳含量將遠大于球團外層。

5.2 多球團還原傳熱分析

多球團傳熱涉及單個球團內部導熱及球團與球團之間的傳熱、球團之間空隙的傳熱等傳熱相結合的綜合傳熱過程。

多球團的傳熱過程[2]有如下幾種形式: (1)球團內的導熱,為球團內部微粒與微粒之間的導熱及微粒與空隙之間還原氣氛的導熱。(2)接觸面的導熱,為多個球團相互接觸之間的導熱。(3)球團與球團間的熱輻射。(4)空隙與空隙間的熱輻射。(5)球團與空隙間還原氣氛的對流傳熱。

因此,釩鈦磁鐵礦內配碳球團整個還原傳熱過程伴隨著對流傳熱、熱傳導、熱輻射三種傳熱方式,所以球團內部的傳熱是一個復雜的過程。

6 球團還原與傳熱的關系分析

球團的傳熱伴隨整個還原過程,隨著溫度升高,傳熱效率提高,將產生一系列復雜的還原反應,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產物及物相變化而不斷發生變化,在起始階段,整個還原反應與傳熱是相輔相成,互相促進的。隨著溫度升高,反應產物、物相變化劇烈,導致碳的消耗,空隙加大,氣體濃度變化,伴隨傳熱效果不斷變化。因此,球團內部的還原與傳熱是一個不斷變化的復雜過程。

7 結語

前文對釩鈦磁鐵礦內配碳球團整個還原傳熱的機理分析以及對還原傳熱主要影響因素作了比較系統性的分析描述。通過分析得出,釩鈦磁鐵礦內配碳球團還原程度受傳熱的影響很大,還原過程中成分、物相的變化反過來也在影響傳熱效果。以目前的理論研究效果來看,釩鈦磁鐵礦內配碳球團也存在一些問題,由于攀西地區釩鈦磁鐵礦成分復雜,很難提煉分離,球團內部的傳熱速率小,溫度梯度大,還原時間長,還原反應后產生的廢氣對環境的污染大。所以我們需要通過更多的實驗研究分析球團內部的具體傳熱情況,力爭在節約成本,減少環境污染的原則上,以便尋求更好的還原工藝。

接下來將通過球團內部傳熱試驗測量具體的傳熱值(導熱系數及比熱容),再通過計算機仿真模擬得到球團內部的溫度場的分布,為球團還原反應的進一步分析提供了研究思路,目的在于提高球團還原反應的傳熱效率和溫度場均勻性的工藝技術,不斷開拓思路,發掘低成本、無污染、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:1001-5108(2016)01-0001-06

中圖分類號:TF046

文獻標識碼:A