增刊1 高金涛等：转底炉分区域供热研究 111· 球团产品方面也有很大的潜力和优势圆.我国研究 转底炉直接还原炼铁尚处起步阶段0，目前相关 却 研究工作主要集中在原料搭配、压球工艺、含碳球团 治金性能以及还原制度等方面1-，而转底炉工艺 出料口 自身的热工问题却一直被忽略了. 164 进料口 本文首次结合转底炉的热工特性和含碳球团的 分段反应性能，以系统分析、热模拟实验和数值模拟 为手段，对转底炉各段还原进度与热工参数的匹配 预热段 热段 1000 进行研究，探索转底炉分段供热参数，为国内转底炉 1200℃ 344nm 的优化设计提供依据. 358mm 图1转底炉分区参数 1 转底炉热工系统分析 Fig.1 Partition map of a rotary hearth furnace (RHF) 转底炉的热工系统是决定金属化球团成品性能 确定含碳球团于各段的实时还原进度，以实现各段 的关键要素，含碳球团的自还原吸热又会对转底炉 含碳球团自还原吸热与转底炉热工参数的匹配.按 热工产生较大的影响.故首先对转底炉直接还原炼 3类典型工况和3个温度段共进行9组实验，如表1 铁过程物料、能量供需及转底炉各分区职能进行系 所列 统分析 表1实验方案 1.1转底炉直接还原过程分析 Table 1 Scheme of the experiment 基于国内转底炉直接还原炼铁生产实际工况， 碳氧 质量分数/% 还原 建立转底炉治金模型和热模型，共涉及变量和参数 序号 摩尔比 精矿粉煤粉 粘结剂 温度/℃ 103个，包括：G精矿粉、G煤粉、G煤气、G助燃风、 0.8 79.2416.803.961000(模拟预热段) G粘结剂、G金属球团、G废气等35个物料变量，Q 2 1.0 75.87 20.11 4.02 1000(模拟预热段) 煤气、Q助燃风、Q煤气/C0/挥发分燃烧、Q还原、Q 3 1.2 72.8323.164.01 1000(模拟预热段) 废气、Q金属球团、Q损失等36个能量变量，金属化 4 0.8 79.24 16.80 3.96 1200(模拟加热段) 率)等12个工艺变量以及20个工艺参数. 5 1.0 75.87 20.11 4.02 1200(模拟加热段) 使用该模型对典型工况进行模拟计算求得：每 6 1.2 72.8323.164.01 1200(模拟加热段) 生产1t金属化球团（金属化率=85%），需要铁精 7 0.8 79.24 16.80 3.96 1350(模拟还原段) 粉1213kg(w(TFe)=67.4%),消耗煤粉283kg(固 8 1.0 75.87 20.114.021350(模拟还原段) 定碳的质量分数为74.2%)，消耗煤气615kg(热值 9 1.2 72.83 23.16 4.01 1350(模拟还原段) 5.5M/m3),计算误差为1.0%，能有效估计能量需 求、指导能量供应. 2.2实验装置及方法 1.2转底炉功能分区 热模拟实验于型号为S07215的管式电阻炉内 为提高转底炉的热效率，实现炉内含碳球团预 进行，实验方法及参数为： 热、预还原、高温快速还原、冷却的连续过程，将炉膛 (1)细磨：将精矿粉、煤粉和粘结剂分别细磨至 分为：预热段、加热段、还原段、冷却段4个区域，各 -200目(74um)的质量分数占30%左右： 分区参数详见图1，其中：预热段完成含碳球团的预 (2)配料：按表1配料方案分别称取精矿粉、煤 热、煤粉挥发分分解及结晶水逸出，加热段开始含碳 粉和粘结剂，配加适量水置入混料机中混匀： 球团的自还原反应，还原段完成还原反应，冷却段喷 (3)压球：用压球机将混匀料压制成尺寸为 吹煤气以防止产物氧化 25mm×18mm×10mm(重约25g)的含碳球团； 2 转底炉分段热模拟实验 (4)烘干：将含碳球团置于烘干机中，于105℃ 左右烘干2~4h: 2.1实验方案 (5)加料：每次将4个（重约100g)干燥含碳球 将前述精矿粉、煤粉、粘结剂按转底炉典型工况 团置于铁铬钼丝吊篮内，吊篮上端悬挂于失重天平 配成含碳球团.分别进行预热段、加热段、还原段条 底部，下端吊入电阻炉内： 件下的热模拟实验，研究各段发生的主要理化反应， (6)还原：通入N2作为保护气氛，控制其流量增刊 1 高金涛等: 转底炉分区域供热研究 球团产品方面也有很大的潜力和优势［8］． 我国研究 转底炉直接还原炼铁尚处起步阶段［9--10］，目前相关 研究工作主要集中在原料搭配、压球工艺、含碳球团 冶金性能以及还原制度等方面［11--14］，而转底炉工艺 自身的热工问题却一直被忽略了． 本文首次结合转底炉的热工特性和含碳球团的 分段反应性能，以系统分析、热模拟实验和数值模拟 为手段，对转底炉各段还原进度与热工参数的匹配 进行研究，探索转底炉分段供热参数，为国内转底炉 的优化设计提供依据． 1 转底炉热工系统分析 转底炉的热工系统是决定金属化球团成品性能 的关键要素，含碳球团的自还原吸热又会对转底炉 热工产生较大的影响． 故首先对转底炉直接还原炼 铁过程物料、能量供需及转底炉各分区职能进行系 统分析． 1. 1 转底炉直接还原过程分析 基于国内转底炉直接还原炼铁生产实际工况， 建立转底炉冶金模型和热模型，共涉及变量和参数 103 个，包括: G 精矿粉、G 煤粉、G 煤气、G 助燃风、 G 粘结剂、G 金属球团、G 废气等 35 个物料变量，Q 煤气、Q 助燃风、Q 煤气/CO/挥发分燃烧、Q 还原、Q 废气、Q 金属球团、Q 损失等 36 个能量变量，金属化 率 η 等 12 个工艺变量以及 20 个工艺参数． 使用该模型对典型工况进行模拟计算求得: 每 生产 1 t 金属化球团( 金属化率 = 85% ) ，需要铁精 粉 1213 kg( w( TFe) = 67. 4% ) ，消耗煤粉 283 kg( 固 定碳的质量分数为 74. 2% ) ，消耗煤气 615 kg( 热值 5. 5 MJ/m3 ) ，计算误差为 1. 0% ，能有效估计能量需 求、指导能量供应． 1. 2 转底炉功能分区 为提高转底炉的热效率，实现炉内含碳球团预 热、预还原、高温快速还原、冷却的连续过程，将炉膛 分为: 预热段、加热段、还原段、冷却段 4 个区域，各 分区参数详见图 1，其中: 预热段完成含碳球团的预 热、煤粉挥发分分解及结晶水逸出，加热段开始含碳 球团的自还原反应，还原段完成还原反应，冷却段喷 吹煤气以防止产物氧化． 2 转底炉分段热模拟实验 2. 1 实验方案 将前述精矿粉、煤粉、粘结剂按转底炉典型工况 配成含碳球团． 分别进行预热段、加热段、还原段条 件下的热模拟实验，研究各段发生的主要理化反应， 图 1 转底炉分区参数 Fig． 1 Partition map of a rotary hearth furnace ( ＲHF) 确定含碳球团于各段的实时还原进度，以实现各段 含碳球团自还原吸热与转底炉热工参数的匹配． 按 3 类典型工况和 3 个温度段共进行 9 组实验，如表 1 所列 . 表 1 实验方案 Table 1 Scheme of the experiment 序号 碳氧 摩尔比 质量分数/% 精矿粉 煤粉 粘结剂 还原 温度/℃ 1 0. 8 79. 24 16. 80 3. 96 1000( 模拟预热段) 2 1. 0 75. 87 20. 11 4. 02 1000( 模拟预热段) 3 1. 2 72. 83 23. 16 4. 01 1000( 模拟预热段) 4 0. 8 79. 24 16. 80 3. 96 1200( 模拟加热段) 5 1. 0 75. 87 20. 11 4. 02 1200( 模拟加热段) 6 1. 2 72. 83 23. 16 4. 01 1200( 模拟加热段) 7 0. 8 79. 24 16. 80 3. 96 1350( 模拟还原段) 8 1. 0 75. 87 20. 11 4. 02 1350( 模拟还原段) 9 1. 2 72. 83 23. 16 4. 01 1350( 模拟还原段) 2. 2 实验装置及方法 热模拟实验于型号为 ISO7215 的管式电阻炉内 进行，实验方法及参数为: ( 1) 细磨: 将精矿粉、煤粉和粘结剂分别细磨至 － 200 目( 74 μm) 的质量分数占 30% 左右; ( 2) 配料: 按表 1 配料方案分别称取精矿粉、煤 粉和粘结剂，配加适量水置入混料机中混匀; ( 3) 压球: 用压球机将混匀料压制成尺寸为 25 mm × 18 mm × 10 mm( 重约 25 g) 的含碳球团; ( 4) 烘干: 将含碳球团置于烘干机中，于 105 ℃ 左右烘干 2 ～ 4 h; ( 5) 加料: 每次将 4 个( 重约 100 g) 干燥含碳球 团置于铁铬钼丝吊篮内，吊篮上端悬挂于失重天平 底部，下端吊入电阻炉内; ( 6) 还原: 通入 N2作为保护气氛，控制其流量 ·111·