烧结基础知识

1 烧结基础知识 2 烧结的含义 将含铁粉状料或细粒料进行高温加热 在不完全熔化的条件下烧结成 块的过程 铁矿粉烧结是一种人造富矿的过程 2 1 烧结的方法 1 鼓风烧结 烧结锅 平地吹 2 抽风烧结 a 连续式 带式烧结机和环式烧结机等 b 间歇式 固定式烧结机 如盘式烧结机和箱式烧结机 移动式烧 结机 如步进式烧结机 3 在烟气中烧结 回转窑烧结和悬浮烧结 2 2 烧结生产的工艺流程 一般包括 原燃料的接受 贮存 溶剂 燃料的准备 配料 混合 制粒 布料 点火烧结 热矿破碎 热矿筛分 热矿冷却 冷矿筛分 铺 底料 成品烧结矿及返矿的贮存 运输等工艺环节 机上冷却工艺不包括热矿破碎和热矿筛分 现代烧结工艺流程不再使用热矿工艺 应使用冷矿工艺 在冷矿工艺 中 宜推广具有铺底料系统的流程 2 3 烧结厂主要技术经济指标 烧结厂的主要技术经济指标包括利用系数 作业率 质量合格率 原 材料消耗定额等 2 3 1 利用系数 每台烧结机每平方米有效抽风面积 m2 每小时 h 的生产量 t 称烧结机 利用系数 单位为 t m2 h 它用台时产量与烧结机有效抽风面积的比值 表示 利用系数 台时产量 有效抽风面积 总产量 总生产台时 总有效面积 台时产量是一台烧结机一小时的生产量 通常以总产量与运转的总台 时之比值表示 这个指标体现烧结机生产能力的大小 它与烧结机有效面 积的大小无关 利用系数是衡量烧结机生产效率的指标 它与烧结机有效面积的大小 无关 2 3 2 烧结机作业率 作业率是设备工作状况的一种表示方法 以运转时间占设备日历时间 的百分数表示 设备作业率 100 运转台时 日历台时 日历台时是个常数 每台烧结机一天的日历台时即为 24 台时 它与 台数 时间有关 日历台时 台数 24 天数 事故率是指内部事故时间与运转时间的比值 以百分数表示 事故率 100 事故台时 运转台时 设备完好率是衡量设备良好状况的指标 按照完好设备的标准 进行 定期检查 设备完好率是全厂完好设备的台数与设备总台数的比值 用百 分数表示 设备完好率 100 完好设备台数 设备总台数 2 3 3 质量合格率 烧结矿的化学成分和物理性能符合原冶金部 YB T421 标准要求的叫 烧结矿合格品 不符合的烧结矿叫出格品 根据部颁标准的规定 实际生产检验过程及工艺试验中出现的一部分 未检验品和试验品 不参加质量合格率的计算 因此 质量合格率 100 总产量 未验品量 试验品量 出格品量 总产量 未验品量 试验品量 质量合格率是衡量烧结矿质量好坏的综合指标 烧结矿合格品 一级品或出格品的判定根据其物理化学性能的检验结 果而定 主要包括烧结矿全铁 TFe 氧化亚铁 FeO 硫 S 含量 碱度 CaO SiO2 转鼓指数 6 3mm 粉末 5mm 等 有的厂还包括氧化镁 MgO 氟 F 磷 P 等 一级品率 100 一级品量 合格品量 转鼓指数 100 检测粒度 5mm 的重量 试样重量 筛分指数 100 筛分后粒度 5mm 的的重量 试样重量 2 3 4 烧结矿的原料 燃料 材料消耗定额 生产一吨烧结矿所消耗的原料 燃料 动力 材料等的数量叫消耗定 额 包括含铁原料 熔剂料 燃料 煤气 重油 水 电 炉蓖条 胶带 破碎机锤头 润滑油 蒸气等 2 3 5 生产成本与加工费 生产成本是指生产一吨烧结矿所需的费用 由原料费及加工费两部分 构成 加工费是指生产一吨烧结矿所需的加工费用 不包括原料费 它包括 辅助材料费 如燃料 润滑油 胶带 炉蓖条 水 动力费等 工人工资 车间经费 包括设备折旧费 维修费等 2 3 6 劳动生产率 劳动生产率是指每人每年生产烧结矿的吨数 这个指标反映工厂的管 理水平和生产技术水平 它又称全员劳动生产率 全员包括工人和干部 另外 还有工人劳动生产率 即每个工人每年生产烧结矿的吨数 3 烧结物理化学过程 3 1 基本概念 烧结过程是许多物理化学变化的综合过程 这个过程不仅错综复杂 而且瞬息万变 在几分钟甚至几秒钟内 烧结料就因强烈的热交换而从 70 以下被加热到 1200 1400 与此同时 它还要从固相中产生液相 然后液相又被迅速冷却而凝固 这些物理化学变化包括 1 燃料的燃烧和热交换 2 水分的蒸发及冷凝 3 碳酸盐的分解 燃料中挥发分的挥发 4 铁矿物的氧化 还原与分解 5 硫化物的氧化和去除 6 固相间的反应与液相生成 7 液相的冷却凝结和烧结矿的再氧化等 3 2 燃料的燃烧和热交换 3 2 1 烧结矿生产使用的燃料 烧结生产使用的燃料分为点火燃料和烧结燃料两种 3 2 1 1 点火燃料 现在烧结使用的点火燃料有气体燃料 高炉煤气 焦炉煤气 发生炉 煤气和天然气等 和液体燃料 重油 两种 发生炉煤气在这里不再介绍 因 固体燃料已经不再使用 在这里也不做介绍 3 2 1 1 1 气体燃料 3 2 1 1 1 1 高炉煤气 高炉煤气是高炉冶炼时的一种副产品 高炉每炼一吨生铁可以获得 3500 4000m 的高炉煤气 其成分随冶炼时所采用的燃料种类及高炉操作 条件而不同 一般含有大量氮 二氧化碳等气体 约占 63 70 因此 它的发热量不高 约为 850 1100 千卡 标 m 其成分见表 2 1 若不经过 预热 高炉煤气燃烧温度达不到 1250 高炉煤气中一般含尘量为 50 80 毫克 m 所以必须除尘后才能应用 做为烧结点火用的煤气含尘量不应 大于 30 毫克 m 经过除尘后高炉煤气含尘量可以降至 5 20 毫克 m 煤 气温度在 40 以下 输送到烧结厂的煤气压力一般为 300 毫米水柱左右 表 3 1 高炉煤气成分 成分CO2COCH4H2N2发热量 kJ m 范围9 0 15 525 310 3 0 52 0 3 055 58 850 1100 4 1868 3 2 1 1 1 2 焦炉煤气 焦炉煤气是炼焦过程产生的副产品 平均每吨干煤炼焦时可产生 320m 的焦炉煤气 约占全部产品的 17 6 经过洗涤后的煤气含焦油量 为 0 00 0 02 克 标 m 用于烧结的焦炉煤气的发热量为 4000 4 1868kJ m 左右 其成分见表 2 2 表 3 2 焦炉煤气成分 成分H2COCH4CO2N2O2发热量 kJ m 范围54 595 5 7 023 281 5 2 53 50 3 1 7 3160 4580 4 1868 3 2 1 1 1 3 天然气 天然气是由地下开采出来的可燃性气体 它的发热量很高可达 8000 9000 4 1868kJ m 主要可燃物质是甲烷 CH4 其成分见表 2 3 表 3 3 天然气气成分 成分H2COCH4H2SH2N2O2发热量 kJ m 范围0 4 0 8 0 1 0 3 85 950 90 4 0 88 1 5 5 0 2 0 3 8000 9000 4 1868 3 2 1 1 2 液体燃料 石油是天然的液体燃料 也称为原油 它基本上由炭 氢 氮 氧 硫五种元素组成 将石油加热分馏后 比重最大的残留物就是重油 重油 具有发热值高 大于 9000 4 1868kJ kg 粘性大等特点 呈黑褐色或绿褐 色的粘稠液状 比重约为 0 9 0 96kg L 重油的灰分含量非常低 一般不 超过 0 3 重油按粘度不同 可分为 20 号 60 号 200 号几种 重油粘 度越大 含氢量越少 重油含的杂质主要是少量的硫化物 氧化物 水分 以及混入的机械杂质 我国重油的含硫量都在 1 以下 重油的着火点约 为 500 600 3 2 1 2 烧结燃料 烧结燃料主要指在料层内燃烧的固体燃料 最常用的是碎焦粉粉末和 无烟煤等 3 2 1 2 1 碎焦粉末 焦碳是炼焦煤在隔绝空气高温加热后的固体产物 碎焦粉末是高炉用 的焦碳的筛下物 粒度一般小于 25 毫米 焦碳的质量的好坏 主要从它的化学成分 物理机械性能 物理化学 性质几方面来衡量 焦碳的化学成分通常以工业分析测得 主要有固定炭 灰分 挥发分 和含硫量 焦碳的物理机械性能主要指机械强度 如耐磨性和抗冲击强度 抗压 强度 及筛分粒度组成 焦碳的物理化学性质是指其燃烧性和反应性 燃烧性是指焦碳与氧在 一定温度下的反应速度 反应速度越快 燃烧反应性越高 一般反应性好 的焦碳燃烧性也好 3 2 1 2 2 无烟煤 随着煤炭化的程度不同 煤中的挥发物含量的差别是很大的 炭化程 度越高 它的挥发分含量也就越少 无烟煤是各种煤中炭化最好的烧结燃 料 在生产上要求无烟煤的发热量大于 6000 千卡 公斤 挥发分小于 10 灰分小于 15 硫小于 2 5 进厂的粒度小于 40 毫米 挥发分高的煤不宜做烧结燃料 因为煤在烧结中的挥发物会被抽入抽 风机和抽风系统 冷凝后使除尘器 抽风机等挂泥结垢 3 2 1 2 3 兰炭 兰炭也称为半焦 表 3 4 兰炭质量要求 质量指标 序号名称符号单位 甲类地区乙类地区丙类地区 1干燥基全硫 St d 0 40 0 50 0 60 2干燥无灰基挥发分Vdaf 6 00 12 00 3收到基低位发热量 Qnet arMJ kg 24 50 4干燥基灰分Ad 12 00 5全水分 Mt 10 0 7限下率Rx 10 0 和为强制性项目 表 3 5 兰炭质量指标 序号名称符号单位等级质量指标 1灰分 一级 二级 三级 8 00 10 00 12 00 2全硫 一级 二级 三级 0 20 0 40 0 60 3固定碳 一级 二级 三级 85 00 80 00 75 00 4反应性 1 1100 95 0 5氧化铝 2 2 3 一级 1 50 序号名称符号单位等级质量指标 二级 三级 2 50 3 00 6挥发份 15000 9限下率Rx 10 0 10全水分Mt 10 0 注 百分号为质量分数 全水分不作为考核指标 1 兰炭用作化肥 气化是考核指标 2 兰炭用作铁合金时考核该指标 3 兰炭用作高炉喷吹时考核该指标 4 兰炭用作电石 铁合金时考核该指标 3 3 烧结生产对燃料物理化学性能的要求 烧结过程必须在一定的高温下才能进行 而高温是由燃料的燃烧产生 的 温度的高低 燃烧速度的快慢 燃烧带的宽窄 以及烧结料中的气氛 等都将影响烧结过程的进行和烧结矿的产 质量 而这些因素又都与燃料 的物化性能 用量有关 因此 燃料的物化性能是影响烧结过程的重要因 素 3 3 1 对燃料质量的要求 烧结要求燃料的灰分尽可能低些 因为燃料中灰分含量增多必然引起 烧结料含铁量降低和酸性氧化物增多 灰分中 SiO2的数量高达 50 以上 因而必然相应需要增加溶剂的消耗量 使用无烟煤做烧结燃料时 要求它挥发分的含量不能太高 以免燃料 中的挥发物质在温度较低的地方凝结下来恶化料层透气性和粘结在集气管 及抽风机的叶片上 影响烧结过程的正常进行 此外 燃料中的挥发分在 着火前即已挥发出去 不能在烧结过程中被利用 所以 烧结生产使用的燃料最好选用固定碳高 灰分低 挥发分低及 含硫量低的优质燃料 3 3 2 对燃料粒度的要求 燃料的粒度过大时 会带来一系列的不良影响 a 燃烧带变宽 从而使烧结料层透气性变坏 b 燃料在料层中分布不均匀 以至在大颗粒燃料的周围熔化得很厉害 而离燃料颗粒较远的地方的物料则不能很好地烧结 c 粗粒燃料周围 还原性气氛较强 而没有燃料地方空气得不到利用 d 在向烧结机布料时 易产生燃料偏析现象 大颗粒燃料集中在料层 的下部 再加上烧结料层下部的蓄热作用 使烧结料层的温度差异更大 以至造成上层烧结矿的强度差 下层过熔 FeO 含量偏高 燃料粒度过小 烧结速度快 燃烧所产生的热量难以使烧结料达到所 需的高温 从而使烧结矿的强度下降 同时 小的燃料颗粒 小于 0 5 毫米 使 烧结料层的透气性变坏 并有可能被气流带走 研究表明 燃料最适宜的粒度为 0 5 3 毫米 而日本规定燃料粒度下 限为 0 25 毫米 但在我国实际生产条件下 仅仅能保证粒度上限 难以 保证粒度下限 因为在生产过程中要避免 0 5 0 毫米粒级是难以达到的 所以 一般烧结厂只要求控制其燃料粒度在 3 0 毫米范围内 对于各种粒度的烧结料 燃料粒度的影响也不同 铁精矿由于粒度细 当燃料粒度减少时对烧结过程影响不大 而当其粒度稍有增大时 却使成 品烧结矿的产率和强度显著下降 相反 当烧结 8 0 毫米粉矿时 燃料粒 度稍大时对烧结过程影响不大 而当减少燃料粒度时 烧结质量则明显地 下降 3 4 固体燃料燃烧的一般原理 在冶金物理化学中对碳的燃烧早已有所研究 虽然有些问题尚未完全 搞清楚 但是对其中某些问题已经取得一致看法 固体燃料在空气中燃烧 是属于多相反应 其型式为 固体 气体 气体 燃烧的结果导致固相消失 而形成新的气体产生 这种类型的反应可 以概括地分为五个步骤 1 气体 分子扩散到固体炭的表面 2 气体 分子被固体炭表面所吸附 3 被吸附的气体 和炭发生化学反应 形成中间产物 4 中间产物断裂 形成反应产物气体 并被吸附在炭的表面 5 反应产物气体 脱附 并向气相扩散跑掉 多相反应时的燃烧过程是在可燃物表面进行 其反应速度主要取决于 两个因素 化学反应速度和扩散速度 过程反应的总速度取决于这两个速 度中最慢的一个 所谓化学反应速度是指固体燃料与体 之间的反应速度 所谓扩散速度是指体 向固体燃料扩散的速度 当过程的速度受扩散速度影响时 称为 扩散燃烧区 如果过程的速 度受化学速度影响时 则称为 动力学燃烧区 所以 燃烧处于 动力学 区域 时 一切影响化学反应速度的因素 如温度 将影响燃烧速度的快慢 当燃烧处于 扩散燃烧区 时 一切影响气体扩散的条件 如固体燃料的粒 度 气流速度和压力等 都将影响燃烧的速度 而温度的改变并不引起多 大的影响 对于 3 毫米的碳粒 在雷诺规范数 Re 为 100 的条件下 在温度 700 时 C O2反应速度处于 动力学区 而温度高于 1250 时 反应速 度处于扩散区 700 1250 处于中间速度区 烧结料层中的温度在 1300 1500 范围内 所以 固体燃烧基本上是在扩散区域内进行的 因 此 一切能够影响扩散速度的因素如减少燃料粒度 增加气流速度 增大 风量 改善料层透气性 和气流中的含氧量都能增加燃烧反应的速度 从 而能够强化烧结过程 3 5 烧结料层中燃料燃烧的基本特点 燃料在烧结料层中的燃烧不同于一般固体燃料燃烧 而具有其自身的 特点 第一 烧结料层中固定炭含量低 按重量计算只占总料量的 3 5 而且分布的很分散 第二 固定炭的燃烧从料层上部向下部转移 料层中的热交换条件十 分有利 固定炭燃烧十分迅速 而且集中在厚度 30 40 毫米宽的高温区 第三 烧结料层氧化带较宽而还原带很窄 第四 铁的氧化物参与了氧化还原反应 第五 离开料层的废气中存在着剩余的氧等 这是因为在这样情况下 CO2不能顺利地被碳还原成 CO 而且部分 CO 却有可能被所遇到的空气和铁氧化物中的氧进一步氧化 由于料层下 部温度低 CO 仍不能全部都氧化成 CO2 所以在烧结的废气中含有 CO2 CO 和剩余的氧 3 6 燃烧层温度及其厚度对烧结过程的影响 烧结过程不是一个等温过程 所谓温度是指烧结料层中某一点所达到 的最高温度 也就是燃料燃烧层的温度 这一层的温度水平与厚度对烧结 过程的进行和产 质量的优劣有着重大的影响 若燃烧层的温度愈高 产生的液相必然增多 燃烧层厚度增大 虽然 对烧结矿的强度有利 但是由于温度过高物料过熔 使得烧结料层阻力加 大 不仅延长了烧结过程的时间 而且还会使烧结矿产量下降 还原性变 坏 然而 燃烧层过窄也是不利于烧结过程 虽然透气性变好 但是不能 保证各种物料高温反应正常进行 所以需要燃烧层的厚度根据不同原料有 一个适宜值 通常烧结料层的燃烧层的温度水平和厚度要取决于高温区的热平衡和 固定碳的燃烧速度以及传热速度 3 7 烧结过程的热交换 3 7 1 烧结料层的蓄热作用 抽入烧结料层的空气经过热烧结矿层被预热到很高的温度后参加燃烧 带的燃烧 燃烧后的废气又将下层的烧结混合料预热 因而料层越是向下 热量积蓄的越多 以至于达到很高的温度 这种积蓄热量的过程好象热风 炉的蓄热石的格子砖蓄热一样 所以被称为自动蓄热作用 料层的自动蓄热作用对于提高燃烧层温度具有很大的意义 这可以通 过简单计算的方法加以了解 据实验确定 当燃烧层上部的烧结矿层达 180 220 毫米厚度时 上层烧结矿的自动蓄热可以提供燃烧层总热量的 35 45 但是 当上层烧结矿层厚度超过 200 毫米以后 换热的增长速 度逐渐变慢 这是因为从上部抽入的空气带进燃烧带的热量已接近达到最 高水平的恒定值 从烧结的经济性和能源节约的观点来看 应该尽可能提 高料层高度 这对烧结的热利用是有利的 对产品的质量也有好处 3 7 2 烧结料层中温度分布和热交换的特点 烧结料层中热交换可以分成两个区域 在燃料着火温度以上 即燃烧 层和烧结矿层 烧结矿层的温度高于气体温度 烧结矿将热量传给抽入的 空气 使其温度很快升高 在燃烧层以下 是热废气将热量传给烧结混合 料使其温度很快上升 而气体自身温度迅速下降 由于烧结混合料比表面 积大和水分的导热系数比干矿粉高 20 60 倍 所以 传热速度是非常快的 据测量预热层升温速度高达 1700 2000 分 低的也有 450 550 分 在 干燥层可达 500 分 由于染来哦集中燃烧和烧结矿层的自动蓄热作用 越往下温度越高 热量越多 高温带越宽 因此 在研究料层中温度分布对烧结过程影响时 高温区的运动速度 高温区的温度水平与厚度受到很大的重视 高温区运动快 即烧结速度快 产量高 但是速度过快产品强度将下 降 高温区温度可以提高产品强度 但是温度过高则还原性能不好 烧结 速度下降 产量受到影响 高温区厚度增加 可以保证烧结过程各种反应有充分的时间 对提高 质量有利 但是厚度过大 气体阻力增加对烧结速度有不良的影响 3 7 3 影响传热速度的因素 烧结料层中的温度最高点的移动速度实际上反映了料层中碳燃烧的移 动速度和燃烧带下部热量的传递速度 热量的传递速度主要取决于气流速度 气体和物料的热容量 因为空 气在料层中是传热介质 风量增加燃烧带的氧量充足 固体炭燃烧速度加 快 料层中高温区的移动速度随风量增加几乎成直线上升 因此 凡是可 以增加通过料层风量的措施都可以增加高温区的移动速度 此外 烧结料的性质也影响热传递速度 烧结料的热容量大 导热性 能好 粒度小以及吸热反应发展等因素都会增加混合料从气流吸收热量的 能力 因而随气流传热速度减慢 加之粒度小 透气性变坏就可能显著地 降低燃烧带的温度 烧结料传热速度较快 主要是因为废气中的水蒸气起作用 烧结混合 料跟废气之间的热交换面积比烧结矿大得多 因此 混合料与废气之间的 热交换进行的较快 应该指出 工艺因素的影响是多方面的 例如 在混合料中增加水分 和石灰石用量时 一方面增加了吸热反应的热量消耗 另方面它又能改善 料层的透气性 使通过料层的风量增加 因而高温区的移动速度最终还是 增加的 4 水分的蒸发和冷凝 4 1 烧结料中水分的来源和作用 混合料中的水分是影响烧结过程的一个极为重要的因素 它的来源可 分为二部分 一部分是由烧结原料自身含水带入的 另一部分是烧结混合 料在混合造球过程补加的 混合料中的水分在烧结过程中的作用是 1 有利于混合料的混匀造球 从而改善料层的透气性 提高烧结生 产率 2 原料颗粒被水润湿后 表面变的光滑 有水膜存在 可以减少气体 通过料层的阻力 3 改善烧结料的换热条件 由于烧结料中有水分存在 改善了烧结 混合料的导热性能 水的导热系数为 30 100 4 1868kJ m h K 而矿石的导 热系数为 0 15 4 1868kJ m h K 使得料层中的热交换条件良好 这就有 利于使燃烧带限制在较窄的范围内 减少了烧结过程的料层阻力 同时也 保证了在燃料消耗较少的情况下获得必要的高温 当然 从热平衡的角度来看 去掉水分又需要消耗一部分热量 是不 利的一方面 所以烧结料水分不能控制得太高或过低 必须控制在适宜的 范围内 因为水分过大使混合料过湿变成泥浆状不仅浪费燃料而且更严重 的是使料层的透气性变坏 若水分过小混合料不能很好的成球 使烧结料 层的透气性变坏 混合料的适宜水分是根据原料的性质和粒度组成而确定 的 例如 气孔多 表面粗糙 亲水性强的矿粉适宜的水分就要高一些 而组织致密 表面光滑 亲水性差的矿粉适宜水分就要低一些 粒度细的 矿粉比粒度粗的矿粉吸水性强 适宜水分就要高一些 但对表面疏松多孔 的褐铁矿粉烧结时所需水分要大一些 总之 每种矿粉所需的水分是不一样的 应该通过试验确定 4 2 水分蒸发和水汽冷凝的一般规律 当烧结过程发生后 烧结料层的水分就会沿着料层不同高度和烧结的 不同阶段而出现一系列的蒸发和冷凝现象 4 2 1 烧结料层中水分的蒸发条件 所谓水分蒸发若从分子运动理论来解释 那就是 水分子经常处于运 动状态 并且同一液体的各个不同分子具有不同的速度 在表面层运动速 度大的分子 有可能离开水面 甚至与水的其他分子失去内聚力而变成蒸 汽 这个过程叫做蒸发 烧结过程中水分蒸发的条件是什么呢 那就是 当气相中水汽的实际 分压小于在该条件下的饱和蒸汽压 即 饱和蒸汽压是随 2 2 2 温度的升高而增大的 当水的温度升高到 100 时它的饱和蒸汽压 1 2 个大气压 这时便会产生汽化沸腾现象 从理论上讲 蒸发速度是随大气 压的减小而增大的 但是在烧结过程中 烟气压力约为 0 9 大气压 水的 汽化沸腾温度小于 100 而实际上 在大于 100 的部分烧结混合料中 仍然存在有相当部分的水分 这是因为 a 烟气对烧结料的传热速度很快 最大可达 1100 2000 分 b 少量的水分子和薄膜水同物料粒子的表面存在着巨大的结合力的 作用使得水分不容易跑掉 所以 一般认为干燥层终了温度应该为 150 左右 当热废气进入干燥层时 由于温差大和废气中水汽分压低 故水 2 分蒸发速度逐渐加快 废气的含湿量很快升高 温度很快降低 因为水分 蒸发要吸收汽化热 而烧结料的含湿量很快降低 烧结料温度由于处在汽化阶段 基本上维持不变 当废气含湿量逐步 增加 即水汽分压升高 温度随之逐渐降低 直至接近料温 因此 2 料中水分蒸发速度减慢 料温缓慢降低 随料温降低混合料的饱和蒸汽压 也相应降低 当实际水汽分压等于水的饱和蒸汽压时 即 2 蒸发就将停止 2 2 4 2 2 水汽的冷凝规律 在烧结过程中从点火瞬间开始水分就开始受热蒸发使废气的水汽分压 不断升高 带着水汽的废气在穿过下层冷料时 由于与烧结混合料之 2 间进行热交换 将热量的大部分传给冷料 而自身的温度不断降低 饱和 蒸汽压也随之下降 当水汽分压大于饱和蒸汽压时 废气 2 2 2 中的水汽就开始在冷料表面上发生冷凝 水汽开始冷凝的温度叫做 露点 由于水汽冷凝 料层下部混合料的含水量逐渐增加 当含水量超过了烧结 混合料的适宜水分时 我们把这种现象称为 过湿 这层烧结料称为 过 湿层 它是烧结过程水分再分配的结果 过湿现象在烧结过程开始的头 2 3 分钟就发生了 过湿层的最大含水 量为原始水分的 120 135 而不是象有人说的那样在全部烧结过程水汽 冷凝在过湿带不断发生以至使下层烧结料的过湿水分会超过原始水分的好 多倍 烧结过程中水汽的冷凝并发生过湿现象 对于烧结料层的透气性是非 常不利的 因为冷凝下来的水分充塞在混合料颗粒之间的孔隙中 使气流 通过的阻力大大增加 同时过湿现象会使料层下部已造好的不坚固的小球 遭到破坏 甚至会出现泥浆 阻碍气体的通过 严重影响烧结过程 4 2 3 消除过湿层的主要措施 4 2 3 1 预热混合料 将混合料的料温预热到露点以上 就可以显著的减少料层中水汽冷凝 形成的过湿现象 从而可以降低过湿层对气流的阻力 改善料层的透气性 使抽过料层空气量增加为料层内的热交换创造了良好的条件 燃烧速度加 快 燃烧带厚度减薄 熔融物的冷却速度加快 阻力减少 目前预热混合料的方法有 热返矿预热 生石灰预热 蒸汽预热 热风预热 热水预热 4 2 3 2 提高烧结混合料的湿容量 所有增加表面的胶体物质都能增大混合料的最大湿容量 如生石灰可 以消化成极细的消石灰胶体颗粒 它具有较大的比表面积 可以吸附和持 有大量水分而不失去物料的松散性和透气性 4 2 3 3 低水分烧结 把烧结混合料的水分在装入烧结台车之前尽量降低 然后在点火前向 整个料面均匀地喷入一部分 约为料重的 0 1 0 5 这样即可保持料层下 部由于大颗粒偏析而具有较好的透气性 同时上层由于表面补喷水分可以 增大透气性 据试验表明 当把烧结料水分降低至 5 5 料面补充喷水 0 3 产 量提高 2 7 这样方法的优点是 a 减少了过湿层的不利影响 提高了料层透气 性 b 增大料层密度 有利于提高烧结矿的产 质量 c 减少了水分蒸 发热 可节省燃料消耗 5 烧结原料的准备及加工处理 5 1 烧结原料及其特性 烧结用的原料有铁矿石 锰矿石 溶剂 燃料及工业废弃物 5 2 铁矿石 在地壳中含铁矿物种类很多 凡能在现代技术条件下较为经济地提出 含铁矿物的岩石称之为铁矿石 根据铁矿石的主要含铁矿物可以把铁矿石 分为磁铁矿石 赤铁矿石 褐铁矿石和菱铁矿石等四种类型 5 2 1 磁铁矿石 磁铁矿石主要的化学成分为 Fe3O4 理论含铁量为 72 4 磁铁矿也 可看作 FeO Fe2O3 磁铁矿的晶体多成八面体 它的组成结构比较致密坚 硬 一般成块状或粒状 它的外表颜色为钢灰色和黑灰色 条痕色为黑色 磁铁矿的密度为 4 9 5 2g cm 硬度为 5 5 6 5 它具有金属光泽但较 暗 并有磁性 因此比其它类型铁矿石易于分选 磁铁矿的脉石主要为石英 各种硅酸盐 如绿泥石等 于碳酸盐 有时 还含有少量粘土 此外由于矿石中含有黄铁矿及磷灰石 有时有闪锌矿黄 铜矿 所以一般磁铁矿含硫 磷均高 并且含有锌和铜 含钛和钒较多的磁铁矿叫钛磁铁矿和钒钛磁铁矿 地表层的磁铁矿由于氧化作用部分被氧化成赤铁矿 但仍保持磁铁矿 的结晶形态 这种矿石叫假象赤铁矿或半假象赤铁矿 根据磁铁矿和假象 赤铁矿在矿石中含量不同 一般用磁性率 即 FeO TFe 的百分率来分类 磁性率 FeO TFe 100 式中 FeO 矿石中全铁含量 TFe 矿石中氧化铁含量 磁性率 42 8 为纯磁铁矿 磁性率 28 6 为磁铁矿 磁性率 28 6 14 3 为半假象赤铁矿 磁性率3 5 褐铁矿及镜铁矿都 不能用磁性率来衡量 磁铁矿结晶结构很致密 所以它的还原性比其它铁矿差 5 2 2 赤铁矿 主要的含铁矿物为赤铁矿 化学式为 Fe2O3 含铁 70 含氧 30 它的结晶外形为片状和板状集合体 片状表面有金属光泽 明亮如镜的叫 镜铁矿 细小片状的叫云母状赤铁矿 红土状赤铁矿 铁赭石 系红色粉末 没有光泽 此外还有胶体沉积形成的鲕状 豆状和肾状等集合体 结晶的 赤铁矿外表颜色为钢灰色和铁黑色 其它为暗红色 但条痕色均为暗红色 赤铁矿的物理组织结构相差很悬殊 由非常致密的结晶到很松散的粉 末 结晶的赤铁矿硬度达到 5 5 6 土状及粉状则硬度很低 赤铁矿的比 重为 4 8 5 3g cm 在赤铁矿中往往含有 1 8 的残余磁铁矿以及部分风化而生成的褐铁 矿 脉石常常为石英质 一般含硫 磷低 因此可用来冶炼低磷贝氏铁 赤铁矿还原性好 5 2 3 褐铁矿石 主要含铁矿物为含水的 Fe2O3 它的化学组成可用 mFe2O3 nH2O 来表 示 根据含结晶水的不同 褐铁矿可分为以下五种类型 水赤铁矿 2Fe2O3 H2O 含 5 23 的结晶水 66 1 铁 针铁矿 Fe2O3 H2O 含 10 11 的结晶水 62 9 铁 褐铁矿 2Fe2O3 3H2O 含 14 39 的结晶水 60 0 铁 黄针铁矿 Fe2O3 2H2O 含 18 37 的结晶水 57 2 铁 黄赭石 2Fe2O3 3H2O 含 25 23 的结晶水 52 2 铁 自然界的褐铁矿大部分以 2Fe2O3 3H2O 形态存在 褐铁矿的密度为 3 0 4 2g cm 硬度 1 4 由于褐铁矿是其它铁矿风化后生成的 所以质 地松软 密度小 含水大 因此不宜直接入炉 必须经过焙烧或造块 自然界中褐铁矿的富矿很少 一般含铁 37 55 由于褐铁矿多存在 于水成岩中 所以脉石多为可溶性的碳酸盐 磷酸盐 硫酸盐等盐类溶解 后留下的矿物 或者在矿床生成时从混浊状沉积下来的泥土 铝土矿等 因而褐铁矿的硫 磷 砷等有害元素的含量一般较高 5 2 4 菱铁矿石 主要含铁矿物为菱铁矿 其化学式为 FeCO3 菱铁矿含 Fe48 2 FeO62 1 CO2 37 9 自然界中常见的一种是坚硬的菱铁矿 其外表颜色为带黄褐色褐灰色 风化后变为深褐色 条痕色为灰色或带黄 色 玻璃光泽 密度为 3 9g cm 硬度为 3 5 4 菱铁矿露出地表面部分 很容易风化成褐铁矿 在自然界中分布较广 的为粘土质菱铁矿 它是沉积于泥沙中的矿床 夹杂不少泥土与泥沙 有 时还和泥碳状的物质共生而呈黑色 被称为碳质铁矿 菱铁矿常夹杂有镁 锰 钙等碳酸盐 这些碳酸盐的结晶体都是同一 类型的菱面体 菱铁矿石一般含铁 Fe30 40 经过焙烧后 其含铁量显 著增加 矿石也变得多孔 易破碎 其还原性也好 5 3 锰矿石 锰矿石是用来制造锰烧结矿供高炉冶炼锰铁得原料 有时在铁矿烧结 配料中加入少量锰矿粉 其目的使高炉炉渣的 MnO 含量达到 6 10 以 降低炉渣的粘度 提高炉渣的流动性 锰矿粉对于提高烧结的产量及质量 也是有利的 但锰矿的价格比较贵 因此在一般情况下烧结不配加锰矿粉 自然界蕴藏着很丰富的锰矿资源 但在目前技术条件下可供开采的锰矿却 为数不多 主要有软锰矿 硬锰矿 水锰矿 褐锰矿及菱锰矿 6 配料 6 1 简介 配料是高炉优质 高产 低耗的先决条件 是获得优质烧结矿的前提 烧结矿使用的原料种类多 物理化学性质各不相同 为了合理综合利用国 家资源 生产出符合高炉冶炼要求而且成分相对稳定的烧结矿 同时还要 兼顾生产过程的要求 烧结厂必须根据本厂原料的供应情况及物理化学性 质选择合适的原料 通过计算确定配料比 并严格按配比确定每条电子称 皮下料量 经常进行重量检查 跑盘 及时调整 所谓配料就是根据高炉对烧结矿的产品质量要求及原料的化学性质 将各种原料 溶剂 燃料 代用品及时返矿等按一定比例进行配加的工序 配料的目的是根据烧结过程的要求 将各种不同的含铁原料 溶剂和燃料 进行准确的配料 以获得较高的生产率和理化性能稳定的优质烧结矿 符 合高炉冶炼在要求 目前国内常用的配料方法有两种 即容积配料法和重量配料法 容积配料法是利用物料的堆比重 通过给料设备对物料容积进行控制 达到配加料所要求的添加比例的一种方法 此法优点是设备简单 操作方 便 其缺点是物料的堆比重受物料水分 成分 粒度等影响 所以 尽管 闸门开口大小不变 若上述性质改变时 其给料量往往不同 造成配料误 差 重量配料法是按照物料重量进行配料的一种方法 该法是借助于电子 皮带称和定量给料自动调节系统实现自动配料的 优点是 重量配料比容积配料更加精确 特别是对添加数量较少的原 料 这一点更明显 除这两种配料法外 化学成分配料是一种目前最为理想的配料方法 它采用先进的在线检测技术 随时测出原料混合料成分并输入微机进行分 析 判断 调整 使烧结矿质量稳固在高水平 国外对这种方法也处于开 发阶段 我国的宝钢 首钢已具备开发这种水平的条件 6 2 原燃料性质及其对烧结过程和质量的影响 6 3 含铁原料 精矿粉是含铁贫矿经过细磨选矿处理 除去了一部分脉石和杂质使含 铁量提高的极细的矿粉 在烧结生产过程中 除了精矿粉外 往往还添加 一些其它的含铁原料 如高炉返矿 铁皮和富矿粉等 这样做有两个目的 一是为了增加烧结混合料成球核心 改善混合料的透气性 提高烧结机利 用系数 降低烧结矿成本 二是为了提高烧结矿的品位 为高炉顺产 高 产创造条件 返矿具有多孔的结构 含低熔点化合物 有利于烧结过程液相的生成 提高烧结矿的强度 有利于烧结料粒度的组成 改善透气性 提高烧结矿 质量 因此 返矿的配加量 返矿质量的好坏 直接影响烧结生产过程的 进行 6 4 熔剂 1 熔剂的分类 熔剂可分为碱性熔剂 酸性熔剂和中性熔剂三类 多国铁矿的脉石多 以 SiO2为主 所以普遍使用碱性熔剂 碱性熔剂即含 CaO 和 MgO 高的 熔剂 常用的熔剂有 石灰石 CaCO3 生石灰 CaO 消石灰 Ca OH 2 和白 云石 主要是 CaCO3和 MgCO3 2 烧结对熔剂的要求 碱性氧化物含量要高 S P 杂质要少 酸性氧化物含量 SiO2 Al2O3 越低越好 粒度和水分适宜 3 配加熔剂的目的 烧结生产过程中配加熔剂的目的主要有三个 一是将高炉冶炼时高炉 所配加的一部分或大部分熔剂和高炉中大部分化学反应转移到烧结过程中 来进行 从而有利于高炉进一步提高冶炼强度和降低焦比 二是碱性熔剂 中的 CaO 和 MgO 与烧结料中的氧化物及酸性脉石 SiO2 Al2O3等在高温 作用下 生成低熔点的化合物 以改善烧结矿强度 冶金性和还原性 三 是加入碱性熔剂 可提高烧结料的成球性和改善料层透气性 提高烧结矿 质量和产量 白灰也称生石灰 主要成分是 CaO 其遇水即消化成消石灰 Ca OH 2 后 在烧结料中起粘结剂的作用 增加了料的成球性 并提高了混合料成球后 的强度 改善了烧结料的粒度组成 得高了料层的透气性 其次 由于消 石灰粒度极细 比表面积比消化前增大 100 倍左右 因此与混合料中其它 成分能更好的接触 加快固液相反应 不仅加速烧结过程 而且防止游离 CaO 存在 而且它还可以均匀分布在烧结料中 有利于烧结过程化学反应 的进行 再次 白灰消化放出的热量 可以提高混合料料温 从另一个方面来看 生石灰用量也不宜过多 a 生石灰用量过多 烧结料会过分疏松 混合料堆密度下降 生球 强度反而会变坏 由于烧结速度过快 返矿率增加 产量降低 另外 生 石灰量过多 烧结料水分不易控制 b 烧结前必须使生石灰全部消化 使用生石灰时必须相应增加混合 前打水量 保证必要消化时间 使生石灰颗粒一般在一次混合机内松散开 绝大多数消化 生石灰粒度一般要小于 3mm c 生石灰在配料前的运输和储运中 尽量避免受潮 以防止事先消 化去 CaO 的作用 d 生石灰不宜长途运输和皮带转运 极易产生粉尘 恶化劳动条件 4 烧结料中加入石灰石对烧结矿质量的影响 a CaO 成分增加 其软化区间缩小 燃烧层厚度减薄 改善料层透 气性 b 石灰石的细粉比精矿粘结性好 有利于混合料成球 而较粗的部 分本身就具有良好的透气性 可以改善烧结料透气性 c 烧结过程中石灰石分解 放出 CO2 起疏松料层作用 大大改善 料层透气性 通过石灰石的加入 使垂直燃烧速度增加 产量提高 d 石灰石的加入量也不宜过多 如石灰石量过多成球条件变坏 由 于透气性变好 机速加快 矿物结晶不完全 另外 CaO 过多易形成正硅 酸钙体系液相 导致冷却时风化碎裂 使烧结矿强度降低 5 用消石灰来代替石灰石的好处 a 消石灰粒度很细 亲水性强 而且有粘性 大大改善烧结料透气 性 提高小球强度 b 消石灰比表面积大 增加混合料最大湿容量 可使烧结料过湿层 有较好的透气性 c 粒度细微的消石灰颗粒比粒度较粗的石灰石颗粒更易产生低熔点 化合物 液相流动好 凝结成块 从而降低燃料用量和燃烧带阻力 但消 石灰用量也不宜过多 过多的消石灰使烧结料过于松散 烧结矿脆性大 强度下降 成品率下降 6 5 烧结矿碱度 1 碱度的分类 碱度是烧结矿的碱性氧化物与酸性氧化物百分比含量比值 二元碱度 R CaO SiO2 三元碱度 R CaO MgO SiO2 四元碱度 R CaO MgO SiO2 Al2O3 烧结矿按 R 分为三种 普通烧结矿 自熔性烧结矿 高碱性烧结矿 普通烧结矿又叫酸性烧结矿 即烧结矿的碱度低于高炉炉渣的碱度 一般都有小于 1 0 这种烧结矿在入炉冶炼时需加入一定数量的熔剂 自熔性烧结的碱度等于或稍高于高炉炉渣的碱度 一般为 1 2 1 5 左 右 其烧结矿在入炉冶炼时不需另加熔剂 高碱度烧结矿又叫熔剂性烧结矿 其碱度高于高炉炉渣的碱度 一般 都大于 1 5 其烧结矿在入炉冶炼时 可以代替部分或全部熔剂 可常与 富矿或酸性烧结矿 酸性球团矿配合使用 2 高碱度烧结矿的特点 因现在普遍生产的是高碱度烧结矿 就其特点做一概述 a 高碱度烧结矿强度高 稳定性好 粒度均匀 粉末少 b 高碱度烧结矿具有良好的还原性 这是因为高碱度烧结矿是以易 还原的铁酸钙为主要液相 随碱度提高 烧结矿中 FeO 降低 还原性得 到改善 高碱度烧结矿处于还原性最好的结构状态 其中的磁铁矿晶粒细 小且密集 并被铁酸钙包裹或溶蚀 c 高碱度的烧结矿软化开始温度和软化终了温度均有所下降 d 高碱度烧结矿含硫量有所提高 这是因为烧结料中的 CaO 有吸硫 作用 形成 CaS 留于烧结矿中 3 烧结中配加白云石的目的 烧结料中加入白云石主要是为了提高烧结矿 MgO 含量从而提高烧结 矿的质量 强度 并改善高炉炉渣的流动性 6 6 影响烧结矿 TFe 高低和碱度高低的原因 1 含铁原料品位不稳定 当品位高时 烧结矿的 TFe 升高 SiO2下降 CaO 正常 R 上升 当品位低时 烧结矿的 TFe 降低 SiO2升高 CaO 正常 R 下降 2 熔剂下料量不稳定 下料量大 相当于配比高 SiO2稍低 烧结矿 TFe 下降 CaO 上升 R 上升 下料量小 相当于配比代 SiO2稍高 烧结矿 TFe 上升 CaO 下降 R 下降 3 含铁原料下料不稳定 下料量大 铁上升 SiO2稍高 CaO 下降 R 下降 下料量小 铁下降 SiO2稍低 CaO 上升 R 上升 4 熔剂中 CaO 不稳定 CaO 高时 SiO2变动不大 R 上升 CaO 低时 SiO2变动不大 R 下降 5 熔剂水分变化 相当于配比或下料量变化 水分大 SiO2稍高 铁上升 CaO 下降 R 下降 水分小 SiO2稍低 铁下降 CaO 上升 R 上升 7 混合与制粒 7 1 混合制粒的目的与方法 混合制粒的目的有三 第一 将配料配好的各种物料以及后来加入的 返矿进行混匀 得到质量比较均一的烧结料 第二 在混合过程中加入烧 结料所必须的水分 使烧结料为水所润湿 第三 进行烧结料的造球 提 高烧结料的透气性 总之 通过混合得到化学成分均匀 粒度适宜 透气 性良好的烧结料 为了达到上述目的 将原料进行两次混合 一次混合主要是将烧结料 混匀 并起预热烧结料的作用 二次混合主要是对已润湿混匀的烧结料进 行造球并补加水分 我国烧结厂一般都采用两次混合工艺 7 2 影响物料混合及造球的因素 物料在混合机混匀程度和造球的质量与烧结料本身的性质 加水润湿 的方法 混合制粒时间 混合机的充填率及添加物有关 1 原料性质的影响 物料的密度 混合料中各组分之间比重相差太大 是不利于混匀和制粒的 物料的粘结性 粘结性大的物料易于制粒 一般来说 铁矿石中赤铁 矿 褐铁矿比磁铁矿易于制粒 但对于混匀的影响却恰好相反 物料的粒度和粒度组成 粒度差别大 易产生偏析 对于混匀不利 也不易制粒 因此 对于细精矿烧结 配加一定数量的返矿作为制粒核心 返矿的粒度上限最好控制在 5 6mm 这对于混匀和制粒都有利 如果是 富矿粉烧结 国外对作为核心颗粒 粘附颗粒和介于上述两者之间的中间 颗粒的比例亦有一定要求 以保证最佳制粒效果 另外 在粒度相同的情 况下 多棱角和形状不规则的物料比圆滑的物料易于制粒 且制粒小球强 度高 2 加水润湿方法及地点 混合料的水分对烧结过程有重要的影响 a 通过水的表面张力 使混合料小颗粒成球 从而改善料柱透气性 b 被润湿的矿石表面对空气摩擦阻力较小 也有利于提高透气性 随着水分的增加 混合料的透气性增大 从而提高生产率 一般达到 最佳值后又下降 直到泥浆界限 致使空气不能再通过混合料 加水方式是提高制粒效果的重要措施之一 一次混合的目的在于混匀 应在沿混合机长度方向均匀加水 加水量占总水量的 80 90 二次混 合的主要作用是强化制粒 加水量仅为 10 20 分段加水法能有效提 高二次混合作业的制粒效果 通常在给料端用喷射流使料形成球核 继而 用高压雾状水 加速小球长大 距排料端 1m 左右停止加水 小球粒紧密 坚固 3 混合制粒时间 为了保证烧结料的混匀核制粒效果 混合过程应有 足够的时间 混合时间与混合机的长度 转速和倾角有关 增加混合机长 度 可以延长混合制粒时间 有利于混匀和制粒 混合机的转速决定着物 料在圆筒内的运动状态 转速太小 筒体所产生的离心力作用较小 物料 难以达到一定高度 形成堆积状态 所以混合制粒效果都低但转速过大 则筒体产生的离心力作用过大 使物料紧贴于筒壁上 致使物料完全失去 混匀和制粒作用 混合机的倾角决定物料在机内停留时间 倾角越大 物 料混合时间越短 故其混匀和制粒效果越差 圆筒混合机用于一次混合时 其倾角应小于 2 0 用于二次混合时 其倾角不小于 1 5 4 混合机的充填率 充填率是以混合料在圆筒中所占体积来表示的 充填率过小时 产量低 且物料相互间作用力小 对混合制粒不利 充填 率过大 在混合时间不变时 能提高产量 但由于料层增厚 物料运动受 到限制和破坏 对混匀制粒不利 一般认为一次混合机的充填率为 15 左 右 而二次混合比一次混合的充填率要低些 5 添加物 生产实践表明 往烧结料中添加生石灰 消石灰 皂土等 能有效地提高烧结混合料的制粒效果 改善料层透气性 7 3 混合料水分的测量方法 混合料水分的测量方法通常是在混合机的出口处以人工检查或采用自 动测水装置测量烧结料最后的水分 人工检查采用烘干法及观察法 烘干法将烧结料取出 称 500 克 放 在烘箱内加热到 110 烘干 再称其料量 失去的量即水分数量 水分 500 克 烘干后量 克 500 克 100 观察法是凭经验用眼睛检验料的外部特征 水分适当时有以下现象 1 手紧握料后能保持团状 轻微搅动就能散开 2 手握料后感到柔和 有少数粉料粘在手上 3 有 1 3mm 的小球 4 料面无特殊光泽 水分不足时 手握不能成球 无小球 水分过大时 料有光泽 手握 成团后 搅动后不易散开 有泥粘在手上 自动测水装置主要有中子测水和红外线测水等水分测量装置 这里就 不一一介绍了 8 烧结机布料与点火制度 8 1 烧结机布料 8 1 1 对布料的要求 首先 布料应该使混合料在粒度 化学成分及水分等沿台车宽度均匀 分布 保证混合料具有均一的透气性 其次 应该保证料面平整 并有一定的松散性 防止产生堆积或压料 现象 但对于松散 堆比重小的烧结料 应该适当的压料 再次 最理想的布料方法 应该使混合料沿料层高度的分布 是由上 而下粒度变粗 含碳量逐渐减少 这样的布料有利于热的利用 并有利于 改善料层的透气性和提高烧结矿的产质量 提高上部料层强度并使下层不 致过熔 8 1 2 布料方法 目前我国采用的布料方式有两种 一种是圆辊给料机 反射板布料 这种布料方法的优点是工艺流程简 单 设备运转可靠 缺点是反射板经常粘料 引起布料偏析 不均匀 目 前新建厂都采用圆辊给料机与多辊布料器的工艺流程 用多辊布料器代替 反射板