铁矿粉烧结的基本理论

1烧结系列讲座的主要内容铁矿粉烧结的基本理论烧结矿的矿物组成与结构及其对烧结矿质量的影响铁矿粉基础性能及其在烧结优化配矿中的应用单种炉料矿相和冶金性能研究预还原烧结矿新工艺世界铁矿粉的主要出口国家和地区除了上述国家之外，其他出口铁矿粉的国家还有智利、葡萄牙、伊朗等。铁矿粉主要出口国家和地区力拓淡水河谷必和必拓123世界铁矿石“三巨头”铁矿石“三巨头”之一：巴西的淡水河谷（ValeofBrazil）淡水河谷公司成立于1942年6月1日，铁矿资源集中在“铁四角”地区和巴西北部的巴拉州，保有铁矿储量约40亿吨，其主要矿产可维持开采近400年。主要铁矿挺博佩贝铁矿卡潘尼马铁矿卡拉加斯铁矿除经营铁矿砂外，巴西淡水河谷公司还经营锰矿砂、铝矿、金矿等矿产品及纸浆、港口、铁路和能源。

铁矿石“三巨头”之二：澳大利亚必和必拓（BHPBilliton

）必和必拓公司以经营石油和矿产为主的著名跨国公司。BHP于1885年在墨尔本成立。Billiton于1860年成立。2001年6月，两公司合并。除了经营铁矿石和石油之外，煤、铜、铝、镍、石油，液化天然气、镁、钻石等。必和必拓BHP公司的矿山位于澳大利亚西部皮尔巴拉，分别是纽曼、扬迪和戈德沃斯。这三个矿区的总探明储量约为29亿吨，目前铁矿石的年产量为1亿吨。在亚里南部，还有未开发的C采区，保有储量45亿吨。

铁矿石“三巨头”之三：澳大利亚力拓（RioTinto

）力拓集团RioTinto矿业公司成立于1873年的西班牙。并在2000年成功收购了澳大利亚北方矿业公司，成为在勘探、开采和加工矿产资源方面的全球佼佼者。该公司控股的哈默斯利铁矿有限公司是澳大利亚第二大铁矿石生产公司，在西澳皮尔巴拉地区有五座生产矿山(即汤姆普赖斯铁矿、帕拉布杜铁矿、恰那铁矿、马兰杜铁矿和布诺克曼第二矿区)，探明储量约为21亿吨，公司铁矿年生产能力为5500万吨。不仅向全球提供铁矿石，还提供包括铝、铜、钻石、能源产品、黄金、工业矿物等产品。铁矿粉的基本性能铁矿粉的基本性能粒度组成矿物组成爆裂性亲水性各种矿粉的粒度组成粒度，mm>55~33~22~11~0.35>0.35澳粉22.86.99.615.310.934.5巴西粉15.885.012.52314.728.9印粉18.83.77.321.715.433.1按照成球制粒的要求，大于3mm、小于0.35mm的粒级是容易成球的，而3~0.35之间的颗粒，既不能自身粘结成球，又难以粘附到其它大颗粒上，作为粉末，使料层透气性恶化。因此，澳粉的粒度分布最好，印度矿次之，巴西矿最差。另外，从筛分出的各种矿粉的颗粒形状上来看，巴西矿粉>5mm的颗粒多为片状，而澳粉较大的颗粒为圆形或方形，易于造球，而片状颗粒本身不易造球。矿粉巴西粗粉印度粉澳粉吸水量10.5914.1317.46矿粉原料吸水量原料的亲水性对烧结过程的影响为：烧结过程中，随着烧结的进行，水分受热而蒸发，抽风的作用下，被带到烧结料层下部的过湿层而冷凝。亲水性强的矿粉，在制粒过程中需要的水量也就多。这就必然导致过湿带变后，将使垂直烧结速度降低。块矿种类赤铁矿磁铁矿褐铁矿脉石孔洞印度矿70－753－5偶见20－255－10MBR块855－715－710－15哈矿91.40.31.641-3矿物组成，％印度矿主要以赤铁矿为主，磁铁矿较少，约有20—25%的脉石。巴西矿的赤铁矿含量高达85%，其它矿物较少，空洞较多。哈块的两种主要矿物为赤铁矿和褐铁矿，赤铁矿稍多。此外，哈块的孔洞也较多。几种常见澳粉的基本性能矿粉TFeSiO2CaOMgOAl2O3SP烧损哈粉61.363.90.180.352.350.020.1124.9纽粉62.444.70.10.062.260.0090.0893.19罗布河粉56.546.090.130.212.80.0220.0488.931.哈粉和纽粉的品位均在60%以上，罗布河粉的的品位较低只有56.54%，而且其属于高硅粉。2.三种铁矿粉的Al2O3含量都超过了2.2%，纽粉的硫含量较其他两种澳粉较低，只有0.009%；值得引人注意的是罗布河粉的烧损达到了8.93%。几种澳粉的化学成分，％几种常见澳粉的粒度组成矿粉>66~33~1.21.2~0.30.3~0.1250.125~0.074<0.074哈粉15.8528.8714.6719.77.84.659.02纽粉11.2525.713.2520.4411.184.9411.35罗粉16.7422.2021.322.547.142.886.7矿物名称哈粉纽粉罗粉赤铁矿89.087.08.3磁铁矿0.20.21.2褐铁矿3.44.581.2脉石7.48.39.31.磁铁矿致密坚硬，难于被还原；2.结构较软，还原性好；3.褐铁矿是由其它矿经风化后形成的，质地松软，密度小，含水量大，焙烧除水分气孔率增大，还原性好，品位亦提高；4.褐铁矿和赤铁矿比磁铁矿粉的制粒要容易些。矿粉名称加热前>5mm，％加热后>5mm，％差值％加热前<0.5mm，％加热后<0.5mm，％差值％哈粉19.518.1-1.434.536.31.8纽粉18.116.9-1.236.238.22罗粉15.29.9-5.326.232.36.1几种铁矿粉的爆裂性1.从表中可以看出：罗布河铁矿粉的爆裂性是最强的，实验后与实验强相比，大于5mm的矿粉比例减少5.3%，而小于0.5mm的矿粉比例增多了6.1%；哈粉和纽粉的爆裂性不太强，爆裂实验前后矿粉粒度变化不大。2.罗布河粉的强爆裂性是与其矿物组成、烧损等有关的。固定碳燃烧反应固定碳燃烧反应热力学埃林汉氧位图。稳定单质(M)与1摩尔氧结合成氧化物（MxOy）的反应的标准自由焓变量ΔG°(即氧势)与温度T的关系图。

3412反应1：C+O2=CO2△G=-94200-0.2T反应3：C+CO2

=2CO△G=--13500+11.5T反应4：2CO+O2=2CO2△G=--40800+41.7T反应2：2C+O2=2CO△G=-53400-41.9T固定碳燃烧反应动力学反应机理方程为：吸附：xC+y/2O2=CxOy断裂：由于温度的升高，产生热裂或由于新的氧分子的撞击而分解成CO2和CO；

CxOyCxOy+O2所产生的CO2和CO的比例，随温度不同而异：高温（大于1600℃）时：n/m=2低温（小于1300℃）时：n/m=1；中温（1300℃~1600℃）时：n/m=1~2；即高温时燃烧以CO为主，低温时CO2占优势。烧结过程中燃烧带温度一般介于1300~1500℃之间，因而固定碳燃烧的中间产物中CO2和CO的比例介于1~2之间。由反应的组成环节可知，燃烧反应的速度取决于扩散速度和界面化学反应速度。（1）气体通过边界层向焦炭颗粒表面的扩散速度V扩；=mCO2+nCOV扩=DC0-Cδ式中，C0、C分别为空气中及碳粒周围的表面氧浓度；δ为气相边界层厚度；D为扩散系数，与温度的1.5~2.5次方成正比可见，气体的扩散速度取决于边界层的厚度和浓度差；（2）化学反应速度V化

V化=KC式中；K为化学反应速度常数，当V化与V扩同步时，整个化学反应稳定进行，则V化=V扩KC=DδC0-CC01+DKδC=整个反应的总速度：V=KC=11KC0+δDC0式中，1/KC表示化学反应阻力，δ/DC0表示扩散阻力。因此，碳燃烧反应受两个阻力的控制，它们与温度有较大的关系。又因为K~e-E/RT低温时，K很小，D很大，上式分母中第二项趋近于零，所以V=KC0总的反应控制在化学反应的范围内高温时，K很大，D很小，上市中第一项分母趋近于0于是V=DC0δ总的反应控制在扩散速度范围内。前一种情况，可通过提高反应温度来提高燃烧反应速度；后一种情况，则可通过缩小燃料粒度或增大气流速度，增加氧浓度，以促进燃烧反应。烧结过程中固体碳燃烧的特点需要较大的空气过剩系数一般为1.4~1.5，保证碳粒的反应废气中，CO、CO2、O2同时存在

氧化区与还原区同时存在，总的气氛是氧化性的热力学条件和烧结过程中所发生反应共同决定的离碳粒远近不同的区域的气氛不同烧结过程中燃料的燃烧既不同于炉灶中呈层状的碳的燃烧，也不同于单颗粒碳的燃烧，它具有以下特点烧结料层中，固体碳的反应基本处于扩散速度范围内。根据烧结条件（碳粒直径3mm，Re=100）对碳燃烧速度的研究表明，当温度低于700℃时，C+O2的反应速度处于化学反应速度范围内；但温度高于1250℃时，该反应处于扩散速度范围内。而烧结燃烧层温度在（1300℃~1500℃），气流速度又不高（Re=50~150

），所以确认该反应为扩散反应控制。燃料燃烧对烧结过程的影响燃料的燃烧性

国丰烧结燃料的差热曲线

升温区间升温速率气氛0~1100°C15℃/min空气燃料反应开始温度，℃反应终止温度，℃反应速率最大温度，℃焦粉566739637烧结煤501682582实验升温参数表

燃料燃烧性的实验结果

燃料AVC固SH2O焦粉14.812.4680.160.372.05烧结煤9.949.0680.760.477.98烟煤11.6628.5359.370.654.72燃料的工业分析，％烧结燃料最好选择焦粉，若焦粉不足时，可选择挥发分较低的无烟煤作为燃料，绝对不可以用烟煤做烧结燃料。主要是因为无烟煤和烟煤的挥发分较高，会对烧结的除尘系统带来较坏的影响。烧结过程中的传热与蓄热烧结过程中抽入的空气使固体燃料产生高温和废气，这样在料层中就发生热交换，使得烧结得以正常进行，热能得到充分地利用。烧结料层中热交换的特点和温度分布规律1.燃烧层以上：烧结矿热量2.燃烧层：+1300~1500℃高温空气炙热的空气温度达到着火点的碳=3.在干燥层和预热层：烧结废气烧结料热交换气流速度高并含有水分，原料粒度细烧结料温度迅速升高，该处物料中的水分急剧蒸发而干燥预热层：1700~2000℃/min干燥层：500℃/min4.在过湿层：从预热层下来的废气与物料的温度相差不大，热交换进行的很慢。由于热交换的上述特点，因而沿料层高度的温度分布具有明显的规律性：温度曲线的基本特征不随料层高度、原料特性或其它因素而改变。距离烧结矿表层的距离烧结过程是一个非等温过程，一般所谓烧结温度是指烧结层中某一点所达到的最高温度，正常情况下，最高点温度随燃烧层的下移而不断提高，这对烧结矿质量是有影响的。自动蓄热作用1.空气经过烧结矿层时，被烧结矿预热。2.物理热被烧结废气带到燃烧层，燃烧时产生更高的温度。3.随着烧结矿层的增厚而燃烧层温度的升高，自动蓄热作用不断增强。自动蓄热作用的利与弊1.自动蓄热作用提高了烧结过程中热能的利用率，可以节省固体燃料消耗，由于自动蓄热作用使料层温度升高，烧结矿的强度亦得到改善，尤其是中下层烧结矿的强度提高的更为明显。2.增加料层厚度也带来不利的影响，它使上下层温差增大，烧结矿质量不均，需要采用特殊烧结工艺解决。高温区移动速度、温度水平和厚度对烧结过程的影响烧结过程中的高温区也就是燃烧层，是烧结矿最为重要的部分；高温区的移动速度指的是烧结矿最高点的移动速度。垂直烧结速度燃料燃烧速度传热速度燃烧速度的影响因素1324燃烧速度燃烧性好，燃烧速度快含氧量高，燃烧速度快粒度细，比表面积大，速度快风速快，燃烧速度快燃烧性粒度大小风速含氧量传热速度的影响因素49

气体中CO2和H2O的含量高，风速快，单位时间内可使气流中保持更多的热量；以及烧结料粒度大，吸热反应少，导热性差，单位时间从气流中吸收的热量少；料层粒度提高，均可提高传热速度。必须指出，烧结过程中有些因素的影响具有双重性，如提高烧结矿碱度时，溶剂的分解增大了烧结料的热容，但烧结速度反而加快，原因在于它还使料层的透气性改善，料层孔隙率增大，风速加快，而后一作用的影响较热熔增大的影响更大。面对同一条件的影响时，我们要具体问题具体分析。燃烧速度与传热速度关系由于氧的供应不充分，燃料达到着火点也不能燃烧氧供应充分，但可能因热量不足而无法燃烧MATCH烧结过程的总速度取决于燃烧速度和传热速度中最慢的一步，我们要提高高温区的移动速度，就要尽可能地让燃烧速度和传热速度同步。配碳量低时配碳量正常或稍高燃烧速度与传热速度的配合问题51高温区的温度水平与厚度高温区温度，通常指烧结温度；高温区厚度，及燃烧层的厚度。烧结的目的是要获得一定数量并且组成适宜的液相，是指在冷凝过程中将烧结料粘结起来，并具有良好的强度和还原性。在此前提下，还要加快烧结速度，保证产量。能够保证各种高温反应的进行容易产生料层过熔高温区温度较高，厚度较大高温区温度过高，厚度过大生成足够数量的液相，保证烧结矿的质量和产量恶化料层的透气性，降低烧结矿的还原性和强度高温区温度和厚度对烧结矿质量和产量的影响53

高温区温度的影响因素主要取决于高温区的热平衡，也与燃料性质及燃烧速度与传热速度的配合情况有关。热平衡关系式：Q+QT=Q1+Q2+Q3+Q4Q2=mCt高

t高=Q2/mC=(Q+QT)-(Q1+Q3+Q4)mC541.增加燃料用量，是高温区内部热源增加，是提高高温区温度水平的主要手段由于烧结料层热平衡关系的特殊性和自动蓄热作用的影响，燃料量变化对沿料层高度方向温度水平的影响变得较为复杂。随着烧结过程的进行：QT(包括燃料燃烧在内的各种放热和吸热反应的总热效应)增加，Q1也在增加，高温区的温度水平就取决于这两种因素的总和当燃料用量正常或稍高时，QT>Q1，自动蓄热作用，越向下温度越高当燃料稍低时，QT<Q1，越往下温度越低。55

2.采用热风烧结：是外部热源Q（包括点火热量和热风带入热量）增加，Q1也随之增加，QT相应减少（燃料比减小所致）。QQT提高上部温度提高下部温度这就使上下部热量趋于均衡从而既可以提高表层烧结矿的强度，又不致于引起下层烧结矿过熔，烧结矿质量得到改善563．返矿用量增加返矿用量时．由于减少吸热反应．有助于提高高温区的温度水平。4.石灰石用量增加石灰石用量时，由于分解吸热而使QT下降．使燃烧层温度降低。5．燃料粒度增大燃料粒度，可以降低燃烧速度和改善料层的透气性，一般使燃烧层变厚和高温区的温度降低．如图所示。合适的燃料粒度组成既要考虑燃烧速度又要考虑透气性。通常由实验确定，精矿粉烧结时，合适的焦粉粒度为0.5—3mm，小于0.5mm的焦粉，会降低料层的透气性，易被气流吹动而产生偏析。同时难以达到需要的高温和足够的高温保持时间，而大于3mm的焦粉，将使燃烧层变厚，并且布料时易产生偏析。57燃料粒度对料层中最高温度的影响燃烧速度同传热速度不同配合时高温区的厚度和温度6.燃料粒度：增大燃料粒度，可以降低燃烧速度和改善料层的透气性，一般使燃烧层变厚和高温区的温度降低．如图所示。合适的燃料粒度组成既要考虑燃烧速度又要考虑透气性。

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7．燃烧速度和传热速度是否同步燃烧速度和传热速度之间的关系对高温区的厚度以及温度水平影响也很大。如图所示，在传热速度大大慢于燃烧速度的情况下(区域Ⅲ)，上部的热量不能大量地用于提高下部燃料的燃烧温度，燃烧和传热不能“同步”进行。此