微波碳热还原钛铁矿制备焊条药皮

作     者：贾景岩 

作者单位：昆明理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：朱红波

授予年度：2014年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：微波加热 碳热还原 钛铁矿 复合还原剂 焊条药皮 

摘      要：随着天然金红石日益开采趋于枯竭,人造金红石又大量转向用做氯化沸腾原料等原因,还原钛铁矿型电焊条在焊条生产中得到日益重视。采用还原钛铁矿为焊条药皮主料的典型焊条J422型焊条占整个我国焊条产量的80%以上。由于微波具有传统加热方式无法比拟的特点:整体加热,物料升温速度快;促进催化诱导化学反应,加快反应速度;无废弃物产生,清洁绿色高效等特点,利用微波加热,碳热还原钛铁矿用做焊条药皮是一种不错的方法。国内有学者利用微波还原钛铁矿的实验研究只处于实验室研究阶段,目前还没有此研究方面的中试实验及扩大实验,更没有相关生产设备和工艺的报道,市场还处于空白。因此利用钛铁矿直接制备高附加值电焊药皮的工程化实验研究意义重大。本论文立足于云南钛铁矿资源,利用微波加热,碳热还原钛铁矿制备焊条药皮原料。通过大量系统的实验,研究了微波条件下小试实验的钛铁矿还原最佳还原时间、温度和还原剂配量;通过对小试实验结果的分析,发现产品因还原剂无烟煤代入的硫含量超标,改用复合还原剂(无烟煤和木炭的复合),并得到其最佳配比,从而使硫含量达到产品要求,又提高了还原率,在保证产品质量的基础上还兼顾了成本。由于添加剂Na2CO3能够对反应起到降低反应活化能的作用从而加速还原反应进行,故小试实验还对添加剂的强化反应作用进行了研究。在小试实验研究的基础上,做了大量中试实验,实验得到中试窑式微波加热设备的相关工艺技术参数,为下一步设备改进和实现产业化化提供了依据。本实验得出的具体结论如下:(1)在对钛铁矿进行了化学成分分析、XRD物相组成分析基础上,通过单因素实验,得出了微波加热条件下碳热还原钛铁矿的最佳还原温度1150℃、还原时间80min和还原剂无烟煤配比15%,还原率可达93.1%,很好满足了产品对还原率的要求。(2)复合还原剂的使用消除了单一使用无烟煤带入杂质超标的影响,为提高还原速率使用了添加剂Na2CO3可缩短反应时间约20min。经实验验证复合还原剂和添加剂的最佳比例为:无烟煤:木炭:Na2CO3=11:3:3。(3)利用响应曲面法对微波碳热还原钛铁矿制备焊条药皮的还原温度、还原时间和还原剂配量对还原率的影响进行了优化,方差分析说明了模型的适应性和精确性,经模型优化,得到了优化参数:还原温度1150℃、还原时间80min、还原剂无烟煤配比15%,在优化条件下重复试验两次,得到还原率(93±2)%,与预测值94.2%基本符合。(4)在小试实验得到最佳还原条件基础上,通过大量中试实验,为保证窑式微波设备还原钛铁矿的连续化,最终确定了物料在预热段的最低预热温度和窑式微波高温还原反应器腔体内还原气体CO的压力控制(微负压),得到了满足要求的还原钛铁矿。(5)由于静态中试试验的成功,完善了窑式微波高温加热设备并进行了碳热还原钛铁矿制备焊条药皮工艺的连续化扩大实验,还进行了成本核算、产品质量分析等研究工作,对微波还原钛铁矿生产焊条药皮工业化生产设备的完善提供了相应的改进方向,并展望了随微波设备大型化发展此项目的重要意义。