钒钛磁铁矿内配碳球团还原传热理论分析

赵均辉,杨绍利,李彬彬,王 涛

(1.西华大学材料科学与工程学院,四川成都610039; 2.攀枝花学院钒钛资源综合利用四川省重点实验室,四川攀枝花617000; 3.成都理工大学材料与化学化工学院,四川成都610039)



钒钛磁铁矿内配碳球团还原传热理论分析

赵均辉1,2,杨绍利2,李彬彬1,2,王 涛3

(1.西华大学材料科学与工程学院,四川成都610039; 2.攀枝花学院钒钛资源综合利用四川省重点实验室,四川攀枝花617000; 3.成都理工大学材料与化学化工学院,四川成都610039)

摘 要:根据目前攀西地区钒钛磁铁矿资源综合利用情况,结合国内外许多学者的研究成果及本人的研究方向(钒钛磁铁矿内配碳球团内部传热及仿真模拟研究)重点分析了钒钛磁铁矿内配碳球团的还原传热,即球团的两种加热方式,球团的三种传热方式(热传导、热对流、热辐射)以及球团内部传热与还原之间的关系。结论是为了提高球团的传热效率,得到理想的金属化率,减少球团的再次氧化,需通过效率更高的微波加热方式。

关键词:钒钛磁铁矿内配碳球团;还原;传热;金属化率

1 引言

球团的传热性能直接影响球团的金属化率及提取其他元素时的影响,所以研究球团的内部传热效果对研究球团的还原性能具有重大意义。球团的传热性能对其还原过程产生很大的影响,它取决于温度、时间、球团还原率和球团的空隙率等因素,许多学者对单个球团的传热情况进行了研究,并建立了相应的数学模型,也有学者对多球团料层的还原传热情况经行了研究,并进行了相关的模拟。刘勇[1]等学者研究了硅热法炼镁工艺中单个球团及球团填充层的传热学分析,得出了单个球团正规阶段的无量纲温度的分析解表达式及还原罐内的传热规律;刘宏专[2]等人研究了球团的传热及温度分布,得出了球团的导热为一维瞬态导热;范坤[3]等人研究了含碳球团的传热速率,总结出了含碳球团中心温度的计算式;北京科技大学张倩茹[4]等人研究了含碳球团的还原过程,建立了球团传热传质的数学模型;冯俊小[5]等人研究了球团矿传热过程数学模型,得到了球团矿内的温度分布。这些结论为研究钒钛磁铁矿内配碳球团传热及模拟球团温度场提供了好的理论支撑。

球团还原过程中,伴随着成分、物相、密度、质量、孔隙率等因素变化,也就会伴随球团导热系数、比热容、热扩散率等传热系数的变化。球团还原是一个温度随时间变化的过程,所以就是一个瞬态传热过程,但就整个还原过程来说,主要以球团内部热传导及炉内对球团以热辐射传热为主。

综合考虑,要想得到理想的金属化率,必须提高球团内部的传热,因此就必须考虑影响球团传热的各个因素,从各个因素入手,搞清各个因素之间的主次关系及影响球团的内部机理,然后综合起来提高球团的传热性能,最终得到理想的还原性能。

2 钒钛磁铁矿内配碳球团还原传热加热方式

钒钛磁铁矿内配碳球团是在还原炉中加热还原的,在加热过程中发生一系列复杂的还原反应,成分、物相随着温度的升高在不断变化着,达到一定温度之后,球团内部成分将基本保持不变,也将达到球团的最大金属化率。球团在还原过程中伴随着吸热和放热的过程,以吸热反应为主,所以需要足够的热源。由于球团在加热过程中伴随着复杂的物理化学反应,因此,在整个还原过程中其传热速率及传热方式也在不断变化着。

钒钛磁铁矿球团的加热方式包括传统加热和新型的微波加热两种方式。

2.1 传统加热

2.1.1 传统加热原理

传统加热[6-7]方式就是通过在还原炉内悬挂几组硅碳棒或硅钼棒加热元件,是目前应用比较广泛的加热方式。在通电之后,加热元件通过不断发热,将热量通过气体对流传热、热辐射等方式传递给球团表面,再由球团表面通过热传导方式将热量传递到球团内部。

2.1.2 传统加热的劣势

传统加热方式存在很多局限性:(1)加热元件的易脆性。由于硅碳棒特别脆,很容易在通电功率大的情况下发生脆裂等安全事故,因此必须在控制一定功率的情况下加热。(2)加热时间长。由于加热功率限制,球团的受热源就会受限,由于球团是一个以吸热为主的还原过程,所以需要充足的加热源。(3)温度梯度比较大[8]。得不到足够的热量,球团传热就会变慢,球团内部与外部会产生很大的温度梯度,就会需要很长的时间加热球团。(4)被加热物体受热不均匀。(5)被加热物体易被再氧化。受热时间长了容易导致球团被再次氧化的可能。

2.2 微波加热

2.2.1 微波加热的原理

微波加热是一种新型加热方式。微波加热是材料在高频电磁波作用下,球团中的分子被电离之后进而被极化,使球团中的分子产生正负电性,由于微波电磁波交替产生,球团分子就会随着微波电磁波方向的变化而发生高频振荡,因此产生强大的热能,如图1所示[9]。

图1　偶极子在电磁场中调整取向的方式

2.2.2 微波加热的特点

微波加热主要具有以下特点:(1)热量是在被加热物体内部产生的,而不是由外向内逐渐传导,加热均匀,加热速度快,加热效率高,不会产生温度梯度,能提高产品质量。(2)可以选择性的对混合物料进行加热。(3)能同时促进吸热和放热反应,对化学反应具有催化作用,无热滞后效应。(4)无污染。

2.2.3 微波加热的应用

微波加热已用于矿石的破碎,难选金矿的预处理,从低品位矿石和尾矿中回收金,从矿石中提取稀有金属和重金属,铁矿石和钒钛磁铁矿的碳热还原等等。采用微波辐射加热和常规加热对钒钛磁铁精矿进行碳还原,微波辐射加热还原可以降低还原温度、缩短还原时间,所获得的铁粉表面有更发达的海绵体、更大的比表面积[10]。微波加热还原球团时,会产生局部的电弧,从而产生附加的热量,这有利于球团的还原和加快球团的传热,有利于获得更好的还原效果和金属化率。

钒钛磁铁矿内配碳球团中的铁氧化物主要以磁铁矿、板钛矿、钛铁矿、钛铁晶石及浮氏体存在,由于组分复杂,所以钒钛磁铁矿球团的还原是多途径进行的。因此通过微波加热还原球团,可以避免球团加热到过高的温度和过长的时间,又可以深度还原钒钛磁铁矿球团,获得较高的球团金属化率。

3 钒钛磁铁矿内配碳球团还原传热类型分析

球团还原过程分为两种:等温还原和非等温还原。等温还原即当炉温升到设定值时保持不变,将所需还原球团放入炉内进行还原。非等温还原即在还原起始就将球团放入炉内,然后让球团随着炉子升温不断传热还原。

球团等温还原在初始阶段就在高温下还原,这时还原能力比较强,由于温度高,传热效果好以及球团内的碳在高温下很容易气化,对传热还原都起到促进作用,大大缩短了还原时间,得到比较理想的金属化率。

球团在非等温还原初始阶段还原能力比较低,由于温度低,传热差以及碳还没有气化,在还原到高温时,传热加强,碳气化达到比较高的程度,这时的还原能力大大加强。这样会花费比较多的时间,时间长了,容易导致球团还原金属铁的再次氧化。

4 钒钛磁铁矿内配碳球团传热方式分析

4.1 热传导

热传导是物体各部分之间不发生相对位移时,依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动进行热量传递。热传导可以定义为完全接触的两个物体之间或一个物体的不同部分之间由于温度梯度而引起的内能的交换。热传导遵循傅里叶定律,即

式中:qn为热流密度(W/m2);k为导热系数(W/(m-℃));“-”表示热量流向温度降低的方向。如图2所示:

图2　热传导示意图

4.2 热对流

热对流是指固体的表面与它周围接触的流体之间由于存在温差引起的热能的交换。热对流可以分为自然对流和强制对流两类。热对流可以用牛顿冷却方程来描述,即

式中:h为对流换热系数(或称为膜传热系数、给热系数、膜系数);Ts为固体表面的温度;TB为周围流体的温度。如图3所示:

图3　热对流示意图

4.3 热辐射

热辐射指物体发射电磁能并被其他物体吸收转变为热的热量交换过程。物体温度越高,单位时间内辐射的热量越多。热传导和热对流都需要有传热介质,而热辐射无需任何传热介质。实质上,真空中的热辐射效率最高。如图4所示:

图4　热辐射示意图

在工程中通常考虑两个或两个以上物体之间的热辐射,系统中每个物体同时辐射并吸收热量。它们之间的净热量传递可以用斯蒂芬一波尔兹曼方程来计算,即

式中:q为热流率;ε为辐射率(黑度);σ为斯蒂芬-波尔兹曼常数,约为5.67×10-8W/m2·K4;A1为辐射面1的面积;F12为由辐射面1到辐射面2的形状系数;T1为辐射面1的绝对温度;T2为辐射面2的绝对温度。由方程式可以看出,包含热辐射的热分析是高度非线性的。

以上分别讨论了三种传热的基本方式:导热、对流、热辐射。在球团的实际传热中,这三种方式往往是相互关联在一起的。只是在传热的过程中,在不同的温度段内,三种方式的主次不同而已。但就球团的整个传热过程来看,其中主要以导热和热辐射为主,对流为辅的传热方式。

5 钒钛磁铁矿内配碳球团还原传热过程分析

5.1 单球团还原传热分析

钒钛磁铁矿内配碳球团还原传热是一个由外向里逐渐传热的过程。球团的传热过程如图5所示[11],球团内部温度随着炉内温度升高而不断升高,内部传热也在不断加剧。球团内部发生还原反应,碳与氧结合生成CO 和CO2气体,从球团内部的空隙中扩散到反应炉内。当炉内温度从初始阶段到623K 时,球团热量主要通过炉内的空气对流传热方式传到球团表面,再由球团表面通过热传导传递到球团内部;随着温度的升高,当球团内部的碳不断发生还原反应而减少,这时炉膛气氛中的CO气体就会从外部渗透到球团内部继续发生还原反应。当炉内温度达到1 073K时,炉内热量将通过热辐射方式传热到球团表面,这时球团内部的还原反应已经进行,煤粉已经气化,球团内部产生比较多的空隙,这时球团内部的传热将变成由球团内部颗粒之间热传导和颗粒与球团内部空隙的还原气体对流传热共同传递。由于在高温情况下,球团表面形成一层由球团内部杂质生成的固溶体,这样就会影响炉膛气氛中的CO气体进入球团内部进行还原,从而影响球团的还原度及金属化率。

图5　球团在炉膛内的传热过程示意图1-炉膛;2-球团

球团碳热还原反应中存在直接还原反应和间接还原反应,且整个反应过程中的大部分为直接还原吸热反应,少部分为间接还原放热反应(煤的液化作用,脱挥发份作用)。碳的气化是个很强的吸热过程,在球团温度达到大约500℃左右,开始有铁相生成[12]。球团还原反应中生成的气相在对流传热、传质中扮演重要角色。球团还原过程中,还原过程从外向里不断进行,外层的还原反应先进行,球团内部受温度梯度的影响,后进行还原反应,由于外层还原反应中产生的气相进入球团内部,促进球团内部的还原反应,所以球团内部的碳含量将远大于球团外层。

5.2 多球团还原传热分析

多球团传热涉及单个球团内部导热及球团与球团之间的传热、球团之间空隙的传热等传热相结合的综合传热过程。

多球团的传热过程[2]有如下几种形式: (1)球团内的导热,为球团内部微粒与微粒之间的导热及微粒与空隙之间还原气氛的导热。(2)接触面的导热,为多个球团相互接触之间的导热。(3)球团与球团间的热辐射。(4)空隙与空隙间的热辐射。(5)球团与空隙间还原气氛的对流传热。

因此,钒钛磁铁矿内配碳球团整个还原传热过程伴随着对流传热、热传导、热辐射三种传热方式,所以球团内部的传热是一个复杂的过程。

6 球团还原与传热的关系分析

球团的传热伴随整个还原过程,随着温度升高,传热效率提高,将产生一系列复杂的还原反应,钒钛磁铁矿中铁氧化物和钛铁化合物的还原历程可表示如下[13]:

传热速率随着还原反应产物及物相变化而不断发生变化,在起始阶段,整个还原反应与传热是相辅相成,互相促进的。随着温度升高,反应产物、物相变化剧烈,导致碳的消耗,空隙加大,气体浓度变化,伴随传热效果不断变化。因此,球团内部的还原与传热是一个不断变化的复杂过程。

7 结语

前文对钒钛磁铁矿内配碳球团整个还原传热的机理分析以及对还原传热主要影响因素作了比较系统性的分析描述。通过分析得出,钒钛磁铁矿内配碳球团还原程度受传热的影响很大,还原过程中成分、物相的变化反过来也在影响传热效果。以目前的理论研究效果来看,钒钛磁铁矿内配碳球团也存在一些问题,由于攀西地区钒钛磁铁矿成分复杂,很难提炼分离,球团内部的传热速率小,温度梯度大,还原时间长,还原反应后产生的废气对环境的污染大。所以我们需要通过更多的实验研究分析球团内部的具体传热情况,力争在节约成本,减少环境污染的原则上,以便寻求更好的还原工艺。

接下来将通过球团内部传热试验测量具体的传热值(导热系数及比热容),再通过计算机仿真模拟得到球团内部的温度场的分布,为球团还原反应的进一步分析提供了研究思路,目的在于提高球团还原反应的传热效率和温度场均匀性的工艺技术,不断开拓思路,发掘低成本、无污染、高效益的还原工艺。

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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

作者简介:赵均辉,硕士研究生,主要从事钒钛磁铁矿资源综合利用研究。

文章编号:1001-5108(2016)01-0001-06

中图分类号:TF046

文献标识码:A