烧结技术综述

1、1文献综述1.1烧结生产概况1.1.1烧结及其开展烧结法是迄今为止除北美以外使用最为广泛的铁矿石造块方法。自20世纪 80年代起烧结技术得到了快速开展，主要表达在烧结工艺和新技术的研究开发 和应用上。烧结工艺方面如自动化配料、混合料强化制粒、偏析布料、冷却筛分、 整粒技术及铺底料技术等；新技术主要表现为球团烧结技术、小球烧结技术、低 温烧结技术等。上述工艺和技术目前已经在大局部钢铁企业推广应用，并取得了 显著的经济效益。1897年，T.Huntington和F,Heberlein申请并注册了第一个有关烧结方面的 专利。1905 年，E.J.Savelsberg 首先把 T.Huntington

2、-F.Heberlein 烧结杯用于铁矿 石烧结，从而开辟了烧结法进展铁矿粉造块的新纪元。在当今的冶金生产中，烧 结已成为一道重要的单元工序并占有相当重要地位。据统计，全世界约有一半的 生铁是用烧结矿生产的。过去十年中，世界上烧结矿年产量维持在538x106t586 x106t范围内。从1989年起，由于独联体和其他局部东欧国家发生巨变，因此, 它们的钢铁工业进展了重新调整，导致烧结矿产量有所下降。欧洲和日本的经济 衰退也影响了产量，但是不久烧结矿的产量又慢慢恢复。东欧和独联体的产量将 下降，而中国、朝鲜和XX的产量将继续上升。尽管出现新的炼铁工艺，但是在 下一个十年中或更长的时间内，它们仍不

3、可能对高炉产量有巨大影响。因此，烧 结矿产量在未来相当长的时间内仍将维持在目前水平。1.1.2烧结生产目的铁矿粉烧结是一种铁矿粉造块的方法，是将细粒含铁物料与燃料、熔剂按一 定比例混合，再加水润湿、混匀和制粒成为烧结料，加于烧结设备上，点火、抽 风，借助燃料燃烧产生高温和一系列物理化学变化，生成局部低熔点物质，并软 化熔融产生一定数量的液相，将铁矿物颗粒润湿粘结起来，冷却后，即成为具有 一定强度的多孔块状产品一侥结矿。烧结生产的目的主要是：将粉状物料制成具有高温强度的块状料以适应高炉冶炼、直接复原等在流 体力学方面的要求；通过烧结改善铁矿石的冶金性能，使高炉冶炼指标得到改善；通过烧结去除某些有

4、害杂质，回收有益元素以到达综合利用资源和扩大炼 铁矿石原料资源的目的。1.1.3烧结反响过程烧结反响过程是分层依次向下进展的。抽入的空气通过已烧结好的热烧结矿 层预热，在燃烧层中使固体碳燃烧，放出热量，获得高温（1300C。1600C。）。料层在加热过程中，熔点较低局部首先出现液相，将周围物料浸润和熔融， 相邻液滴产生聚合，引起收缩和形成气孔，并在冷却过程中固结和产生结品，成 为具有一定强度的多孔烧结块。烧结过程中根本的液相是硅酸盐和铁酸盐体系。 从燃烧层下抽出的高温废气，经预热枯燥层，将热量传给烧结料，使烧结料着火， 将料中的游离水和化合水蒸发和分解。废气继续下行，温度继续降低，其中水分 又

5、重新凝结，使物料过湿。如将烧结料预热到一定温度，可以消除过湿现象。1.2烧结矿的烧结特性烧结矿的质量主要指它的冷态强度和冶金性能。冷态强度主要指机械强度； 冶金性能主要指复原性、低温复原粉化性、高温软化和熔滴性。烧结特性的研究 是研究烧结矿的矿物组成和微观构造及其生成机理和对外部工艺条件的依赖关 系，以便在烧结生产中有目的的控制烧结的反响过程和微观构造，以提高烧结矿 的质量。众所周知，由于高炉是逆流工艺，固体炉料相对上升气流而下降，所以必须 供给块状的含铁炉料。因此，必须通过烧结法或球团法将粉块造成块状。烧结矿 是高炉炼铁的根本原料之一，高炉生产要想实现良好的运行，就必须要求炉料具 有较高的冷

6、态强度和良好的冶金性能。1.2.1机械强度机械强度指烧结矿在自然条件下的强度，一般用转鼓指数或落下指数表示。 烧结矿转鼓指数与高炉冶炼指标有密切的关系。西德克虏伯公司NO7及NO8 高炉的生产实践说明:烧结矿的机械强度与高炉产量存在着较好的线性关系;石钢 提高烧结矿强度的工业实验说明:烧结矿强度上升4.35%，那么高炉利用系数提高 0.116t/(m3.d)，焦比下降28kg/t。因此要提高高炉冶炼指标，就必须提高烧结矿 的机械强度。烧结矿的强度是受多方面影响的，主要有以下几点：原料破碎粒度一些研究者指出，如果原料破碎粒度较大，就会导致它们在烧结过程中不可 能熔融。如石灰的剩余物遇水以后形成C

7、a(OH)2，使烧结矿破裂。单个矿物的强度Loo等人研究了不同矿物的破裂强度，发现矿物强度按以下顺序递减:原生赤 铁矿次生赤铁矿磁铁矿SFCA玻璃质。也就是说，在所有的矿物中玻璃质的 强度是最低的。因此要使烧结矿强度增加，就要从构造消除这些玻璃质以及尽可 能使它转变为结晶体。烧结矿的矿物组成烧结矿是一个由多种矿物组成的复合体。一般说来，烧结矿的矿物组成为: 含铁矿物是磁铁矿、浮士体、赤铁矿；粘结相中有铁橄榄石、钙铁橄榄石、硅灰 石、硅酸二钙、硅酸三钙、铁酸钙和钙铁硅石。但是根据原料条件及烧结工艺条 件的不同，其矿物组成各异。如当铁矿脉石中氧化镁含量较高时，会出现新的矿 物：钙镁橄榄石、镁黄长石

8、及镁蔷薇辉石等，它们会使硅酸二钙生成量相对减少， 粘结相增加且固溶于硅酸二钙中，对6硅酸二钙相变有稳定作用。这些都有助于 提高烧结矿的强度。1.2.2复原性复原性是冶金性能的根底，烧结矿复原性对高炉冶炼，尤其对加强稳定性和 降低焦比有很大影响，许多冶金工作者进展了大量的研究工作，发现复原度和烧 结矿矿物构造、矿物组成及碱度有很大的关系。烧结矿的矿物构造对复原性的影响磁铁矿是主要的含铁矿物，晶粒细小密集而粘结相少的磁铁矿容易复原而 大块磁铁矿或者被硅酸盐包裹时均难复原或者只是外表复原。另外气孔率高（大 孔和微孔）晶体嵌布松弛以及裂纹多的组织也容易复原。烧结矿的矿物组成对复原性的影响赤铁矿和磁铁矿

9、作为主要的含铁矿物，它们都能复原成浮士体，但进一步复 原成金属的速度不同24J。赤铁矿复原的浮士体能均匀、迅速地复原，即使其中 一局部被金属所包裹。而磁铁矿复原的浮士体的复原是外表的化学过程，几乎所 有的颗粒被金属迅速包裹，阻止了进一步复原。SFCA的复原性与其形态、气孔率以及它是否在玻璃体中有关。低温下生成 的针状SFCA较易复原，而高温下生成的柱状SFCA难于复原。Bristow等人研究 了气孔率对复原率的影响，发现SFCA稳固了复原过程中产生的气孔，导致气孔 率和复原度增加。二烧结矿的碱度对复原性的影响在碱度特别低的烧结矿中，由于液相少，含铁矿物暴露面积大，因而有较好 的复原性。随着碱度

10、的提高（超过酸性烧结矿，一般在1.0以上），烧结矿的气孔 率增加，难复原的铁橄榄石被钙铁橄榄石所代替，烧结矿的复原性也就变好。有 些烧结矿在碱度2.0以上时，复原性又变坏，这可能由于相对复原性差的铁酸二 钙出现的缘故。1.2.3低温复原粉化性低温复原粉化性能是指铁矿石在低温复原条件下矿石复原粉化性能，它是衡 量铁矿石在高炉上部块状带性能的一项指标，对高炉冶炼具有极大的影响。国外 研究说明，烧结矿RDL315,每提高5%，焦比增加约3kg，生铁产量下降1.5%5%。 另外，烧结矿低温复原粉化对炉龄、炉墙及热损失都有很大的影响。冀东铁矿粉 粒度粗，含Si和A12O3高，含P低，极易发生低温复原粉化

11、现象，所以研究烧 结矿发生低温复原粉化的机理及影响因素是非常重要的。烧结矿发生低温复原粉化的最根本原因是烧结矿中的再生三氧化二铁在低 温（450C。550C。）时，由a-Fe2O3复原成y-Fe3O4。由于前者为三方晶系六方晶格, 而后者为等轴晶系立方晶格，在复原气体的作用下发生了晶格的改变，造成了构 造的扭曲，产生极大的内应力，导致在机械作用下严重的破裂。影响烧结矿发生低温复原粉化的因素主要有微观组织构造、烧结矿碱度和其 它成分（如 MgO，A12O3，FeO 和 TiO2）。1.2.4高温软化及熔滴性在过去20年中.由于日本和德国对运转的高炉进展熄火和解剖研究，人们对 高炉内部状态的了解在

12、本质上大大增加。这些研究发现炉料在软熔带上部开场软 化，在软熔带下部开场熔融。由炉料软化到开场滴落这个区间形成一个与焦炭层 交替的软熔带，其透气性很不好.因此高炉内软熔带对高炉操作，尤其对生产率 有显著影响。一个窄的软熔带，即软化和熔融之间的温度区间小在实际高炉操作 中是非常必要的。所以对软熔带内炉料的高温软化及熔滴性能进展研究具有重要 的意义。MgO对高温性能的影响在烧结混合料中添加MgO将大大改善烧结矿的高温性能。这主要是由于 MgO提高了烧结矿软化和熔融温度，增加了烧结矿在高温复原过程中料层的透 气性。碱度对高温性能的影响由于提高碱度能导致较高的熔化温度和较低的气流阻力，因此提高碱度能改

13、 善烧结矿高温性能。一些研究指出烧结矿碱度对到达软熔带的初始复原度有重要 影响，当碱度超过1.4时，复原度到达最大值。Beppler等人也提出碱度提高到 1.7以上将导致软熔带较宽。1.3烧结矿的矿物组成和显微构造对其质量的影响烧结矿的质量主要表现在它的强度、复原性及低温复原粉化性上，它们与粘 结相的开展程度、结晶条件、粘结相矿物的强度和复原性等有关。由于液相冷却 析晶时，浓度及温度的不均匀性以及矿物本身的特点不同，各种集合体可以以树 枝状、针状、柱状、片状，板状等形式凝固组成，而这些不同形状的集合体的强 度和复原性又有很大的差异，因此烧结矿冷凝时形成的矿物组成及其构造对烧结 矿的性能有着重要

14、的影响。1.3.1烧结矿中不同矿物组成和显微构造对其强度的影晌烧结矿中各种矿物自身强度对其强度的影响近几年来国内外学者对烧结矿中各种矿物的机械强度作了大量的研究工作， 发现烧结矿中的磁铁矿、赤铁矿、铁酸一钙、铁橄榄石、铁黄长石有较高的抗压 强度，其次那么为钙铁橄榄石、钙镁橄榄石及铁酸二钙，在钙铁橄榄石中，当X =1.0时，其抗压性、耐磨性及脆性的指标均与前一类接近或超过，当X=1.5时， 其强度相当低。而且易产生裂纹，它的晶格常数接近于2CaOSO2。研究说明： 铁酸钙的抗压强度为363N/cm2，玻璃相仅为45N/cm2。因此在烧结矿的构造中 应尽量减少玻璃相的形成，这有利于提高烧结矿的强度

15、。烧结矿在冷却过程中产生的内应力对其强度的影响在冷却过程中，产生不同的内应力：1）由于烧结矿外表与中心存在温差而产生的热应力。这种应力主要取决于冷 却条件，可采用缓冷或热处理的方法来消除。2）烧结矿中各种不同矿物具有不同热膨胀系数，因而引起各矿物之间的应 力，因此减少烧结矿中的矿物组分，有利于提高烧结矿强度。3）熔剂性烧结矿中硅酸二钙在冷却中的多晶转变所引起的相变应力。通常在 熔剂性烧结矿中主要出现介P-C2S和y-C2S。当6-C2S在冷却转变为Y-C2S时，由于相变，体积膨胀10%,因而产生极大应力，导致烧结矿自动粉碎。烧结矿中矿物组分的多少对其强度的影响1）非熔剂性烧结矿，其显微构造为斑

16、状或共晶构造，其中磁铁矿斑晶被钙铁 橄榄石和少量玻璃相所固结，因而强度好。2）熔剂性烧结矿，其显微构造呈斑状构造，其中的磁铁矿斑晶被钙铁橄榄石、 玻璃相以及少量的硅酸二钙和铁酸钙等所固结，强度较差。3）高碱度烧结矿，其显微构造为熔蚀或共晶构造，其中的磁铁矿与铁酸钙等一起固结，具有良好的强度。1.3.2烧结矿的矿物组成和显微构造对其复原性的影响烧结矿的矿物组成对其复原性的影响研究说明:赤铁矿、磁铁矿、铁酸半钙、铁酸一钙、铁酸钙容易复原，铁酸 二钙、铁铝酸四钙复原性稍低，而玻璃相和钙铁橄榄石，特别是铁橄榄石是难复 原的矿物。如非熔剂性烧结矿的气孔壁大局部是由铁橄榄石和玻璃相组成，而熔 剂性烧结矿的

17、气孔壁那么由钙铁橄榄石、玻璃相及铁酸钙等组成，所以在同样的 气孔度条件下，非熔剂性烧结矿的复原性比熔剂性烧结矿差。随着烧结矿碱度的 提高，烧结矿气孔率增加，难复原的铁橄榄石被钙铁橄榄石和铁酸钙所代替，因 而在高碱度烧结矿中因有大量的铁酸钙固结，所以它的强度及复原性都好。该类 型烧结矿在今后生产中应大力开展。烧结矿的显微构造对其复原性的影响烧结矿的构造对其复原性影响也很大。例如当磁铁矿晶粒细小，其品粒间粘 结相也很少，这种烧结矿在800C。时容易复原，而大颗粒磁铁矿被硅酸盐粘结相 包裹时，那么难复原或只外表复原。另外，气孔率高，矿物晶体嵌布松弛以及裂 纹多的构造，虽然其强度较差，但却容易复原。关

18、于单矿物的复原性，还可以从 结晶化学的观点来说明:晶格能低的晶体容易复原，晶格能高的晶体那么复原性 差。烧结矿的矿物组成和显微构造对其低温复原粉化性能的影响复原过程中产生的内应力主要是由于烧结矿中赤铁矿逐级复原时体积发生 膨胀引起的。1000C。时，赤铁矿在被CO-CO2混合气体复原过程中体积变化如下：Fe2O3Fe3O4FeOFe相对体积/% 100125132127磁铁矿及浮士体的晶格都是立方晶格，在第二阶段复原时体积变化很小，最 后从浮士体复原为铁，因为铁的分子体积比氧化物的小而伴随着体积的收缩。研究说明:烧结矿的裂纹普遍发生在骸晶状的次生赤铁矿晶体集中处，如果 赤铁矿周围和玻璃相及赤铁

19、矿内部有较多的气孔，它就能够缓和赤铁矿向磁铁矿 转变时低温复原相变力，阻止裂纹扩散。1.4烧结新工艺和技术1.4.1厚料层烧结厚料层烧结作为20世纪80年代开场开展起来的烧结技术，近二十年来得到 了广泛应用和快速开展。普遍认为厚料层烧结能够改善烧结矿强度、提高成品率、 降低固体燃料消耗和总热耗、降低FeO含量并提高复原性。由于厚料层烧结具 有种种优点，我国烧结行业的料层厚度也从20世纪80年代以前的300mm以下 逐步提高到500mm左右，少数厂家已提高到600mm800mm。料层厚度的大 幅度提高，使烧结机台时产量相应有所降低。因此，伴随着厚料层的开展，低温 烧结、小球烧结、燃料分加和均质烧

20、结等新技术也相继诞生和采用。厚料层烧结能降低燃耗，主要是充分利用了烧结过程的自动蓄热作用，其蓄 热量随料层的提高而增加。厚料层与烧结矿质量关系主要表现在:提高转鼓强度、 减少烧结矿粉末、降低含量和提高复原性。原因在于:料层提高后，机速变缓，点火时间延长，上部供热增多，有利于 改善中上部烧结矿质量，从而提高整个烧结矿强度，降低粉末;料层提高后充分 利用蓄热，在保持同样烧结矿强度下，可用低碳操作，将风量提高，为烧结过程 提供较高氧化性气氛，有利于降低FeO,促进铁酸钙的形成，因而增加了烧结矿 的强度及复原性.厚料层与烧结速度烧结机单位时间的产量与烧结料的垂直烧结速度、烧成率和成品率成正比， 也就是

21、说，垂直烧结速度的快慢直接影响到产量的上下。而影响垂直烧结速度的 主要因素是烧结过程中料层的透气性和通过料层的有效风量。料层的透气性应该 包括烧结料在点火前的初始透气性和烧结过程的透气性。初始透气性的好坏，取 决于原料的特性、制粒效果、混合料水分和粒度组成。而影响烧结过程透气性的 关键是最高温度水平及熔融层的厚度和过湿层的形成。对于烧结同一种混合料而言，其初始透气性一样。随着料层厚度的提高，通 过料层风量的阻力增加，原因有四：其一，料层提高，空气通过料层的路径延长， 压力损失增大；其二，随料层厚度增加，在料层的重力作用下，下部料被压紧， 因而阻力增加；其三，在料温较低的情况下，易产生过湿，导致

22、透气性恶化；其 四，料层提高后，高温熔融层厚度相对增加，也将造成阻力增加（当然，在燃料 用量相对减少的条件下可抵消局部影响）。由于料层提高后，空气阻力增加，通 过料层的风速降低，风量减少，造成垂直烧结速度下降。烧结速度随料层提高而降低的另一个原因是漏风率增大。由于料层不断提 高，料层的阻力不断增大，烧结机的抽风负压随之升高，造成漏风率上升。厚料层与成品率烧结料层提高后，成品率提高。其主要原因在于:料层提高后，表层未烧好 及强度较差的烧结矿相对减少。另外，随料层提高，机速减慢，点火时间相应延 长，使料层上部供热比拟充足，表层烧结矿强度得到改善。同时，由于整个烧结 过程热交换充分，料层内自动蓄热增

23、加。高温保持时间延长，整个烧结矿的强度 都得到提高，因此烧结矿的成品率增加。厚料层对烧结矿产量的影响在烧结原料和抽风机等设备条件一定的情况下，提高料层厚度，由于料层阻 力增加会导致垂直烧结速度降低，并影响到烧结矿产量。但另一方面，它又能提 高烧结矿成品率，所以，分析厚料层对烧结产量的影响，必须综合考虑二者的交 互作用。当烧结速度降低的负面影响等于或小于成品率提高的正面影响时，产量 不会降低，甚至可能提高，相反，那么产量会降低。厚料层对转鼓强度的影响厚料层烧结能提高烧结矿的转鼓强度，厚料层烧结之所以能改善烧结矿强 度，主要是随着料层提高，自动蓄热作用增强，料层内高温保持时间相对增加， 有利于各种

24、物理化学反响的充分进展，以及粘结相矿物的结晶和再结晶，晶粒发 育良好，使烧结矿的构造得到改善。另外，表层烧结矿比例减少也是强度提高的 原因之一。所以，整个烧结矿的强度得到提高。影响烧结矿强度的因素也是多方 面的，除了料层厚度以外，碱度也与之有密切关系。料层提高以后，烧结矿中的FeO含量降低，这也是众所周知的事实。为什 么提高料层后能降低烧结矿的FeO含量，其主要原因是由于厚料层烧结的“自动 蓄热“作用加强，能够减少固体嫉料配入量，使烧结过程增加氧化性气氛，同时 料层内最高温度有所下降，使低价铁的氧化增加，高价铁氧化物的分解减少，因 此使FeO含量减少。当然，影响烧结矿FeO含量的因素还很多，如

25、烧结矿碱度、 原料构造及操作制度等。同时，过去的高FeO与大水大碳、薄铺快转的操作方 法有关，而今FeO含量降低，也与低水低碳、厚铺慢转的操作方针有关。研究结果和生产实践说明，厚料层烧结能改善烧结矿的复原性。一般来说， FeO越低，复原性越好。厚料层烧结降低了烧结矿中FeO含量，所以其复原性 也得到改善。另外，复原性与烧结矿的构造有关。因为厚料层烧结时，料层内高 温保持时间相对增加，有利于粘结相矿物的结晶和再结晶，烧结矿中晶体发育完 全，多呈自形晶和半自形晶，气孔大小与分布趋于均匀，为复原过程创造了良好 的条件。厚料层与燃料消耗大量的生产统计数据说明，烧结料层厚度每提高l0mm，固体燃料消耗可

26、降 低lkg/t3kg/t，厚料层烧结能够降低固体燃耗，主要是由于烧结过程中自动蓄 热的结果.一般情况下，自动蓄热作用能提供燃烧层所需热量的40%左右（指离表 层100mm以下）。其次，采用低碳操作，料层内氧化性气氛较强，料层的最高温 度水平不会过高，可增加低价铁氧化物的氧化反响，又能减少高价铁氧化物的分 解热耗，有利于生成低熔点粘结相，这些都可以促使嫩料消耗的降低。总之，厚料层作业不使烧结减产的途径有:提高料层透气性；提高风机的抽 风负压能力及降低料层阻力，堵塞漏风;以上两者并举。但是，在实际生产过程中，各烧结厂的原料条件、生产条件和影响因素各不一样，得到的烧结矿质量差 异也很大，甚至有的达

27、不到高炉生产的需要，所以本试验重点是根据唐钢提供的 原料反复进展试验，得出适合唐钢烧结厂烧结的合理生产条件，提高该厂烧结矿 的质量和产量。1.4.2双层烧结为了克制烧结矿上下层质量不均匀和节约燃料，可以分层布料，使烧结混合 料层含碳量自上而下逐层减少。也可以将混合料先铺台车高度的50%70%，点火 烧结，当其进展到料层阻力下降时，再在其上铺其余的料，并进展第二次点火， 这样在同一横断面上有两个烧结层同时向下移动。分层布料和双层烧结工艺，在 进入一混中的料内参加的是满足下层烧结所需要的碳量。一混的混合料分两路进 入两个二混，其中一个起原来二混调整水分和造球的作用，另一个那么在调水制 粒的过程中再

28、添加局部碳以满足上层烧结的需要。在实际生产中，往烧结台车上 先布含碳低的混合料，再布含碳高的料，然后点火烧结。这样可以节约1/51/4 的固体燃料，而且烧结矿质量得到明显改善。1.4.3提高混合料预热温度生产实践和理论计算说明，导致混合料中水分冷凝的露点温度为50C。60C。，所以如果将料温维持在60C以上就可以防止大量水分冷凝。生产中应用 热返矿预热混合料，可使料温预热到40C。50C。，尽管达不到露点温度以上，但 对消除过湿现象起了一定的作用。利用蒸汽在二混机上预热混合料到60C以上 是较有效的措施。首钢采用此措施将混合料温由57.4C提高到87.7C,垂直烧结 速度由27.1mm/min提高到U 35.7mm/min,产量提高了 31.9%。国外还有的用燃 烧高炉煤气和天然气等方法预热混合料，也取得了较好的效果。如前所述，混合料预热是为了将混合料温度提高到（或接近）露点，使气流温 度保持在露点以上以防止气流中水分凝结恶化料层的透气性。生产中常常是