含碳球团在氧化性气氛中的还原机理
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Fig. 1 Reduction of IO-CP in N2 and CO2
图 3 气流速度对 还原过程的影响 —— N2; ---- CO2
Fig. 3 Eff ects of f low rates on the reduction of pellet
第 3 期 汪 琦等: 含碳球团在氧化性气氛中的 还原机理
D —— 气体扩散系数;
Q—— 气体密度;
Y CO —— 气相中任意 r 处的 CO 浓度。 不发生氧化的必要条件是: 还原过程的 St efan 流的 CO 2 质量分流大于气相中 CO 2 气体向球面的 扩散质量流, 使扩散到球面的 CO 2 浓度低于氧化反 应的 CO 2 平衡浓度。由质量平衡得
2
钢 铁 研 究 学 报 第 10 卷
燥后, 留作还原实验。 还原实验在反应管直径为 50 m m 的竖式电炉 中进行。当炉温升到给定温度后通入气体。将 3 个球 团吊入炉内, 用失重法测试其还原度[ 8] 。 1. 2 实验结果 由图 1 和图 2 示出的铁矿—煤球团( IO-CP ) 在 N 2 和 CO 2 气氛( 气流速度 v= 0. 034 m/ s) 中的还原 度 R 和还原速度 vR 比较可见, 在还原初期存在一个 抗氧化的还原阶段, 在 N 2 和 CO 2 气氛中的还原度 和还原速度在此阶段基本一致。还原进行到一段时
曲线的交点。 由式( 15) 和表 1 的数据可见, 在一定温度下, 极 限抗氧化还原速度随气相 CO 浓度的升高而降低, 随 CO 2 气流速度的增加而增大, 而温度对极限抗氧 化还原速度的影响不大。
表 1 极限抗氧化还原速度的计算值和实测值 Table 1 Measured and calculated minimum reduction rates of pellet without oxidation
4. 81 10. 03 10. 65 11. 23 11. 72 7. 08 10. 03 12. 48 13. 58 17. 08
4 结 论
( 1) 含碳球团在氧化性气氛中存在一个无氧化
反应发生的抗氧 化还原阶段和 极限抗氧化还 原速
3
间、还原速度降低到一定值时, 在 CO 2 气氛 中的还 原度才比在 N 2 气氛中的低, 即存在一个极限抗氧化 还原速度 v RL。加热温度( 见图 1) 和气氛中 CO 浓度 ( 见图 2) 愈高, 气流速度( 见图 3) 愈低, 抗氧化还原 阶段达到的还原度愈大。
2 极限抗氧化还原速度
恒温加热时含碳球团的还原反应可表示为[ 8]
图 2 CO 浓度对还原度的影响 Fig. 2 Ef fect of CO content on reduction rate
图 1 铁矿—煤球团在 N2 和 CO2 气氛中的还原情况
v = 0. 034 m/ s; —— N2; ---- CO2 ( a) 还原度与时间的关系; ( b) 还原速度与时间的关系
( 5)
设在极限抗氧化 Stef an 质量流速下, 从球面排
出 的还 原 产生 的 气体 质 量为 极限 抗 氧化 质 量 流
MS L。将式( 3) 和式( 4) 相加, 并考虑到 Y CO + Y CO 2= 1
和dY CO dr
+
dY CO2 dr
=
0, 可得
MSL = 4Pr2 Qv SL
( 10)
在对流条件下, 根据对流传质与一假想的扩散
过程等价的原则, 极限抗氧化质量流可表示为
M L, = Re≠0 N2uM L, Re= 0
( 11)
式中 Re—— 球团在气流中的雷诺数( R e= 0 为相
对静止条件, R e≠0 为强制对流条
件) ;
Nu —— 无还原反应发生时固体球团的传质 努塞尔数。
由还原反应式( 1) 产生的气体为 CO, 故极限抗
氧化还原速度为
v RL=
16 28M O M L, Re≠0
( 14)
式中 M O—— 与铁氧化物结合的氧含量。
将式( 10) 、( 11) 、( 12) 和( 13) 分别代入式( 14) 得
v RL=
3. M
6
O
cQD
r
Reduction Mechanism of Pellet Containing Carbon in Oxidizing Atmosphere
W ang Qi Y ang Zhaox i ang S un J iaf u T ian J imin L i Wenz hong
摘 要 根据 Stefan 流理论, 研究了含碳球团在氧化性 气氛中的还原机理, 建立了 极限抗氧化还原速度 v RL 的计算式。结果 表明: 当还 原速度大于 v RL 时, 还原过程不 受氧化性气氛的影响。加热温度一定时, v RL 随气相中 CO 浓度增加和气流速度减小 而降低, 加热温度对 vRL的影响不大。 关键词 含碳球团, 氧化性气氛, 还原机理, Stefan 流
v RL ×10- 4g·g- 1·s - 1
1 150
温度/ ℃ 1 200 1 250
1 300
CO/ % ( 1 250 ℃)
0
20
40
气流速度/ m·s - 1 0. 034 0. 051 0. 060 0. 068
计算值 实测值
8. 43 6. 92
9. 11 9. 39 9. 63 9. 39 7. 24 9. 58 10. 03 9. 28 10. 03 6. 38
努塞尔数的计算式为
N u= 2+ 0. 6R e0. 5P r0. 33
( 12)
式中 P r —— 气体的普郎特数。
考虑还原过程的 Stef an 流对传质过程的影响,
式( 12) 加入一个修正系数 c, 即
M L, = Re≠0
cN u 2 M L, Re= 0
( 13)
4Pr 2Qv S Y CO2≥4Pr 2QD
dY CO2 dr
( 4)
式中 Y CO2 —— 气相中 r 处的 CO 2 浓度。
设 不发生氧化反 应的最低还原速 度的 St efan
流速为极限抗氧化 St efan 质量流速 vSL 。由式( 3) 得
v SL=
D ·dY CO 2 Y CO 2 dr
Fex Oy ( S) + C( S) →F exO y-1 ( S) + CO ( G )
( 1)
还原产生的 CO 气体从球内排出。
在 CO 2 气氛中, 若扩散到球面的 CO 2 气体浓度 高于氧化反应的 CO 2 平衡浓度, 将发生氧化反应 Fex Oy -1( S) + CO 2( G ) →FexO y ( S) + CO ( G ) ( 2) 设在静止的 CO + CO 2 混合气氛中, 单位时间内 从球团内排出的气体质量为 M 。根据 Stef an 流理
( 9)
式中 r P——球团半径;
Y —— 气相中 r 处的 CO 2 浓度;
Y P, CO2 ——氧化反应的 CO 2 平衡浓度; Y ∞ ,CO2 —— 气相中 CO 2 浓度。 由此可得极限抗氧化流速下还原产生的气体量
ML 为
ML =
4PQD rPln
Y ∞, CO2 Y P , CO 2
第 10 卷第 3 期
钢铁研究学报
1998 年 6 月
JO U RN A L OF IRO N A ND ST EEL RESEA RCH
·冶金与金属加工·
V ol. 10, N o. 3 Jun. 1998
含碳球团在氧化性气氛中的还原机理*
汪 琦¹ 杨兆祥º 孙家富¹ 田济民¹ 李文忠¹
1 实验研究
1. 1 研究方法 实验用铁精矿粉的成分质量分数( 下同) 为 T Fe = 65. 39 % , F eO= 25. 62 % 。无烟煤工业分析的固 定碳为 81. 83 % 。将铁矿粉和煤粉按 C/ O 摩尔比= 1. 0 的比例混合, 用 7 % 的水玻璃作粘结剂, 在圆盘 造球机上造球, 球径为 16～18 m m。生球经 150 ℃干
* 冶金部教育司有偿资助项目 作者单位: ¹ 鞍山钢铁学院( A n shan Ir on & S t eel U niver sit y)
º 东北大学( N ort h east ern U nivers ity ) 联系人: 汪 琦, 副教授, 鞍山( 114002) , 鞍山钢铁学院冶金系
4
钢 铁 研 究 学 报 第 10 卷
表 1 列出用式( 15) 计算的极限抗氧化还原速度 计算值和实测值。计算时, 努塞尔数的气体的特性温 度为 0. 5 t ∞( t∞—加热温度, ℃) , St efan 流修正系数 为 0. 15, 球团表面温度等于加热温度。实测值的极 限抗氧化还原速度为在 N 2 和 CO 2 气氛中还原速度
论, 从球面排出的气体通过流动和分子扩散两种方 式迁移到环境中。设通过流动方式迁移的质量流为
还原过程的 St efan 流, 其流速为 vS。在球面周围 CO
和 CO 2 浓度分布为球对称时, 存在以下关系
M =
-
4Pr 2 QD
dY C dr
O
+
4Pr 2Qv S Y CO
( 3)
式中 r ——球团边界层半径;
( 6)
或 v SL =
M SL 4PQr 2
( 7)
将式( 7) 代入式( 5) 得
M
S
L
dr r2
=
4PQD
dY CO2 Y CO 2
( 8)
对式( 8) 积分( MSL与 r 无关) , 并取边界条件得
r = r P Y = Y P, CO2
r = r ∞ Y = Y ∞, CO 2
p(
2
+
0.
6Re0. 5 Pr 0. 33) ×
ln
Y ∞, CO2 Y P , CO 2
( 15)
3 分析和讨论
由式( 15) 可以得出, 气相中 CO2 浓度低于氧化 反应式( 4) 的 CO 2 平衡浓度时, Y ∞, CO2 ≤ Y CO2 , v RL ≤0, 不发生氧化反应, 这与热力学的结果一致。
含碳球团已在 F ast met 还原工艺中应用[ 1] , 并 试图应用到一些其他的新的还原工艺中[ 2, 3] 。在这些 工艺中都是用高温烟气提供含碳球团的还原耗热。 因为铁矿—煤球团还原时, 产生的气体不断向外喷 出, 能够阻止氧化性气体向球团内扩散, 进行快速还 原, 达到较高的还原度[ 4～6] 。作者根据实验 结果和 St ef an 流理论[ 7] , 对这种还原过程的机理进行分析, 为提高还原度提供理论依据。
ABSTRACT Based o n the theor y of Stefan flow , r eduction m echanism of pellet containing car bon in o xidizing atmosphere has been studied and t he minimum r eductio n r ate v RL of pellet w itho ut o xidat ion may be calculat ed. W hen r eductio n r ate is lar ger t han vRL , pellets are reduced in o xidizing gas without ox idatio n. vRL decr eases w it h the flow rate o f ox idizing g as decrea sing and CO co nt ent in g as incr easing . T he effect o f hea ting t emper atur e o n vRL is not sensible. KEY WORDS pellet co nt aining car bon, o x idizing at mospher e, reduction mechanism , Stefan flow
图 3 气流速度对 还原过程的影响 —— N2; ---- CO2
Fig. 3 Eff ects of f low rates on the reduction of pellet
第 3 期 汪 琦等: 含碳球团在氧化性气氛中的 还原机理
D —— 气体扩散系数;
Q—— 气体密度;
Y CO —— 气相中任意 r 处的 CO 浓度。 不发生氧化的必要条件是: 还原过程的 St efan 流的 CO 2 质量分流大于气相中 CO 2 气体向球面的 扩散质量流, 使扩散到球面的 CO 2 浓度低于氧化反 应的 CO 2 平衡浓度。由质量平衡得
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钢 铁 研 究 学 报 第 10 卷
燥后, 留作还原实验。 还原实验在反应管直径为 50 m m 的竖式电炉 中进行。当炉温升到给定温度后通入气体。将 3 个球 团吊入炉内, 用失重法测试其还原度[ 8] 。 1. 2 实验结果 由图 1 和图 2 示出的铁矿—煤球团( IO-CP ) 在 N 2 和 CO 2 气氛( 气流速度 v= 0. 034 m/ s) 中的还原 度 R 和还原速度 vR 比较可见, 在还原初期存在一个 抗氧化的还原阶段, 在 N 2 和 CO 2 气氛中的还原度 和还原速度在此阶段基本一致。还原进行到一段时
曲线的交点。 由式( 15) 和表 1 的数据可见, 在一定温度下, 极 限抗氧化还原速度随气相 CO 浓度的升高而降低, 随 CO 2 气流速度的增加而增大, 而温度对极限抗氧 化还原速度的影响不大。
表 1 极限抗氧化还原速度的计算值和实测值 Table 1 Measured and calculated minimum reduction rates of pellet without oxidation
4. 81 10. 03 10. 65 11. 23 11. 72 7. 08 10. 03 12. 48 13. 58 17. 08
4 结 论
( 1) 含碳球团在氧化性气氛中存在一个无氧化
反应发生的抗氧 化还原阶段和 极限抗氧化还 原速
3
间、还原速度降低到一定值时, 在 CO 2 气氛 中的还 原度才比在 N 2 气氛中的低, 即存在一个极限抗氧化 还原速度 v RL。加热温度( 见图 1) 和气氛中 CO 浓度 ( 见图 2) 愈高, 气流速度( 见图 3) 愈低, 抗氧化还原 阶段达到的还原度愈大。
2 极限抗氧化还原速度
恒温加热时含碳球团的还原反应可表示为[ 8]
图 2 CO 浓度对还原度的影响 Fig. 2 Ef fect of CO content on reduction rate
图 1 铁矿—煤球团在 N2 和 CO2 气氛中的还原情况
v = 0. 034 m/ s; —— N2; ---- CO2 ( a) 还原度与时间的关系; ( b) 还原速度与时间的关系
( 5)
设在极限抗氧化 Stef an 质量流速下, 从球面排
出 的还 原 产生 的 气体 质 量为 极限 抗 氧化 质 量 流
MS L。将式( 3) 和式( 4) 相加, 并考虑到 Y CO + Y CO 2= 1
和dY CO dr
+
dY CO2 dr
=
0, 可得
MSL = 4Pr2 Qv SL
( 10)
在对流条件下, 根据对流传质与一假想的扩散
过程等价的原则, 极限抗氧化质量流可表示为
M L, = Re≠0 N2uM L, Re= 0
( 11)
式中 Re—— 球团在气流中的雷诺数( R e= 0 为相
对静止条件, R e≠0 为强制对流条
件) ;
Nu —— 无还原反应发生时固体球团的传质 努塞尔数。
由还原反应式( 1) 产生的气体为 CO, 故极限抗
氧化还原速度为
v RL=
16 28M O M L, Re≠0
( 14)
式中 M O—— 与铁氧化物结合的氧含量。
将式( 10) 、( 11) 、( 12) 和( 13) 分别代入式( 14) 得
v RL=
3. M
6
O
cQD
r
Reduction Mechanism of Pellet Containing Carbon in Oxidizing Atmosphere
W ang Qi Y ang Zhaox i ang S un J iaf u T ian J imin L i Wenz hong
摘 要 根据 Stefan 流理论, 研究了含碳球团在氧化性 气氛中的还原机理, 建立了 极限抗氧化还原速度 v RL 的计算式。结果 表明: 当还 原速度大于 v RL 时, 还原过程不 受氧化性气氛的影响。加热温度一定时, v RL 随气相中 CO 浓度增加和气流速度减小 而降低, 加热温度对 vRL的影响不大。 关键词 含碳球团, 氧化性气氛, 还原机理, Stefan 流
v RL ×10- 4g·g- 1·s - 1
1 150
温度/ ℃ 1 200 1 250
1 300
CO/ % ( 1 250 ℃)
0
20
40
气流速度/ m·s - 1 0. 034 0. 051 0. 060 0. 068
计算值 实测值
8. 43 6. 92
9. 11 9. 39 9. 63 9. 39 7. 24 9. 58 10. 03 9. 28 10. 03 6. 38
努塞尔数的计算式为
N u= 2+ 0. 6R e0. 5P r0. 33
( 12)
式中 P r —— 气体的普郎特数。
考虑还原过程的 Stef an 流对传质过程的影响,
式( 12) 加入一个修正系数 c, 即
M L, = Re≠0
cN u 2 M L, Re= 0
( 13)
4Pr 2Qv S Y CO2≥4Pr 2QD
dY CO2 dr
( 4)
式中 Y CO2 —— 气相中 r 处的 CO 2 浓度。
设 不发生氧化反 应的最低还原速 度的 St efan
流速为极限抗氧化 St efan 质量流速 vSL 。由式( 3) 得
v SL=
D ·dY CO 2 Y CO 2 dr
Fex Oy ( S) + C( S) →F exO y-1 ( S) + CO ( G )
( 1)
还原产生的 CO 气体从球内排出。
在 CO 2 气氛中, 若扩散到球面的 CO 2 气体浓度 高于氧化反应的 CO 2 平衡浓度, 将发生氧化反应 Fex Oy -1( S) + CO 2( G ) →FexO y ( S) + CO ( G ) ( 2) 设在静止的 CO + CO 2 混合气氛中, 单位时间内 从球团内排出的气体质量为 M 。根据 Stef an 流理
( 9)
式中 r P——球团半径;
Y —— 气相中 r 处的 CO 2 浓度;
Y P, CO2 ——氧化反应的 CO 2 平衡浓度; Y ∞ ,CO2 —— 气相中 CO 2 浓度。 由此可得极限抗氧化流速下还原产生的气体量
ML 为
ML =
4PQD rPln
Y ∞, CO2 Y P , CO 2
第 10 卷第 3 期
钢铁研究学报
1998 年 6 月
JO U RN A L OF IRO N A ND ST EEL RESEA RCH
·冶金与金属加工·
V ol. 10, N o. 3 Jun. 1998
含碳球团在氧化性气氛中的还原机理*
汪 琦¹ 杨兆祥º 孙家富¹ 田济民¹ 李文忠¹
1 实验研究
1. 1 研究方法 实验用铁精矿粉的成分质量分数( 下同) 为 T Fe = 65. 39 % , F eO= 25. 62 % 。无烟煤工业分析的固 定碳为 81. 83 % 。将铁矿粉和煤粉按 C/ O 摩尔比= 1. 0 的比例混合, 用 7 % 的水玻璃作粘结剂, 在圆盘 造球机上造球, 球径为 16～18 m m。生球经 150 ℃干
* 冶金部教育司有偿资助项目 作者单位: ¹ 鞍山钢铁学院( A n shan Ir on & S t eel U niver sit y)
º 东北大学( N ort h east ern U nivers ity ) 联系人: 汪 琦, 副教授, 鞍山( 114002) , 鞍山钢铁学院冶金系
4
钢 铁 研 究 学 报 第 10 卷
表 1 列出用式( 15) 计算的极限抗氧化还原速度 计算值和实测值。计算时, 努塞尔数的气体的特性温 度为 0. 5 t ∞( t∞—加热温度, ℃) , St efan 流修正系数 为 0. 15, 球团表面温度等于加热温度。实测值的极 限抗氧化还原速度为在 N 2 和 CO 2 气氛中还原速度
论, 从球面排出的气体通过流动和分子扩散两种方 式迁移到环境中。设通过流动方式迁移的质量流为
还原过程的 St efan 流, 其流速为 vS。在球面周围 CO
和 CO 2 浓度分布为球对称时, 存在以下关系
M =
-
4Pr 2 QD
dY C dr
O
+
4Pr 2Qv S Y CO
( 3)
式中 r ——球团边界层半径;
( 6)
或 v SL =
M SL 4PQr 2
( 7)
将式( 7) 代入式( 5) 得
M
S
L
dr r2
=
4PQD
dY CO2 Y CO 2
( 8)
对式( 8) 积分( MSL与 r 无关) , 并取边界条件得
r = r P Y = Y P, CO2
r = r ∞ Y = Y ∞, CO 2
p(
2
+
0.
6Re0. 5 Pr 0. 33) ×
ln
Y ∞, CO2 Y P , CO 2
( 15)
3 分析和讨论
由式( 15) 可以得出, 气相中 CO2 浓度低于氧化 反应式( 4) 的 CO 2 平衡浓度时, Y ∞, CO2 ≤ Y CO2 , v RL ≤0, 不发生氧化反应, 这与热力学的结果一致。
含碳球团已在 F ast met 还原工艺中应用[ 1] , 并 试图应用到一些其他的新的还原工艺中[ 2, 3] 。在这些 工艺中都是用高温烟气提供含碳球团的还原耗热。 因为铁矿—煤球团还原时, 产生的气体不断向外喷 出, 能够阻止氧化性气体向球团内扩散, 进行快速还 原, 达到较高的还原度[ 4～6] 。作者根据实验 结果和 St ef an 流理论[ 7] , 对这种还原过程的机理进行分析, 为提高还原度提供理论依据。
ABSTRACT Based o n the theor y of Stefan flow , r eduction m echanism of pellet containing car bon in o xidizing atmosphere has been studied and t he minimum r eductio n r ate v RL of pellet w itho ut o xidat ion may be calculat ed. W hen r eductio n r ate is lar ger t han vRL , pellets are reduced in o xidizing gas without ox idatio n. vRL decr eases w it h the flow rate o f ox idizing g as decrea sing and CO co nt ent in g as incr easing . T he effect o f hea ting t emper atur e o n vRL is not sensible. KEY WORDS pellet co nt aining car bon, o x idizing at mospher e, reduction mechanism , Stefan flow