铁矿粉造块- 烧结理论与工艺（第一部分）

3.铁矿粉烧结工艺张宗旺2021年3月7日1本章介绍的内容3.1烧结过程物理化学现象3.2烧结过程传输现象3.3烧结固结机理及矿相分析3.4烧结工艺过程3.5烧结工艺新技术

2钢铁冶炼工艺流程3铁矿粉造块——人造富矿烧结矿球团矿4铁矿粉烧结工艺现代烧结生产是抽风烧结过程，是将铁矿粉、熔剂、燃料、代用品及返矿按一定比例配成烧结混合料，添加适量的水分，经过混合和制粒后铺到烧结机台车上，在一定负压下点火，在强制抽风的作用下，料层内的燃料自上至下燃烧，产生热量，混合料在高温作用下发生一系列的物理、化学变化，局部散料熔化生成液相，冷却后粘结周围物料，最终固结生成烧结矿。烧结是液相粘结的固结过程。5烧结工艺流程图6烧结料层剖面层状分布示意图7铁矿粉烧结研究内容烧结过程是一个复杂的过程，包括：物理化学、传质传热、矿物结晶及相变等多个方面的内容。运用物理化学〔热力学、动力学〕研究烧结过程中固体燃料的燃烧、结晶水及碳酸盐分解、铁矿物的氧化复原、水分的蒸发和冷凝等根本反响规律；运用传输原理〔流体力学、传热学〕研究烧结过程的气体运动规律、料层透气性和影响因素，分析料层的温度分布规律、蓄热现象等热量传输规律；运用结晶矿物学和物理化学研究烧结过程的固相反响、液相生成、冷凝固结的成矿过程规律。83.1烧结过程的物理化学现象

烧结过程发生着复杂的物理化学反响。包括：燃料的燃烧；分解反响；铁氧化物的氧化和复原；气化反响。水分的蒸发与冷凝；93.1.1固定碳的燃烧反响

烧结过程中发生着一系列复杂的物理化学变化，这些变化所需要的温度和热量是由混合料中碳的燃烧提供的。混合料中固定碳的燃烧所提供的热量占烧结所需热量的90%左右。101〕.固定碳燃烧反响热力学在温度到达700℃时，混合料中的碳即开始燃烧，其燃烧反响存在如下四种状态：①C+O2=CO2ΔH=-33500kJ/kgCΔG0=-395350-0.54T②2C+O2=2COΔH=-9800kJ/kgCΔG0=-228800-171.54T③CO+O2=2CO2ΔH=-23700kJ/kgCΔG0=-561900+170.46T④CO2+C=2COΔH=13800kJ/kgCΔG0=166550-171.0T11烧结过程固定碳燃烧主要产物分析：反响①随温度变化自由能变化不明显，且具有较大的负值，烧结过程易发生；反响②和④的自由能随温度升高负值增加，因而在高温区有利于反响的进行。但由于烧结料层中属于高温区域的燃烧带很窄，该两种反响受到抑止；但在固体燃料颗粒周围的局部，以及燃料配加量较高或燃料粒度偏细的条件下，也会有一定程度的开展。反响③在较低温度下具有较大的自由能负值，易于开展。由于烧结料层高温区域范围有限，固定碳燃烧的最终产物即烧结废气成分中的碳氧化物主要是由反响①和③决定的，即碳氧化物以CO2为主。12实际测定结果13燃烧比及其影响因素

生产和研究中，常用燃烧比来衡量烧结过程中的气氛和燃料的化学能利用。燃烧比定义：

显然：此值越小，烧结过程的氧化性气氛越强，化学能利用越好。影响这一比值的因素有：燃料粒度：粒度↗－－燃烧比↘燃料数量：燃料配加量↗－－燃烧比↗负压大小：抽风负压↗－－燃烧比↗料层厚度：料层增加，－－燃烧比↗↘返矿量等：混合料中返矿配加量增加，－－燃烧比↘

↗142〕.固定碳燃烧反响动力学烧结过程中燃料颗粒的燃烧属于气—固相反响，其反响步骤为：①.氧分子扩散到固体燃料外表；②.氧分子被吸附；③.被吸附氧分子与碳发生反响形成中间产物；④.中间产物断裂形成气相反响产物；⑤.反响产物脱附并向废气流扩散。大量动力学研究和对燃烧带厚度的探索性计算说明，烧结过程中燃料燃烧是受扩散控制的。烧结混合料中燃料燃烧速度及燃烧带的厚度与燃料颗粒的直径、燃料配加量、气流的流速及料层的透气性有关。15燃料粒度的影响：粒度愈大，燃烧时间愈长，燃烧带愈厚。假设粒度过粗，造成过厚的燃烧带，增加了料层的阻力。而且混合料在转运和布料时易产生偏析，造成局部过熔；假设粒度过细，那么降低料层的透气性，同时由于燃烧速度过快而使燃烧带过薄，来不及产生足够的液相，影响了烧结矿的强度。烧结过程要求燃料有适当的粒度：要求粒度0－3mm。0－3mm在80%以上，减少大颗粒。对于煤粉为防止过粉碎，可以适当放宽上限。3〕.燃料燃烧对烧结过程的影响主要表现为燃料粒度和混合料中燃料配加量对烧结过程的影响。16燃料配加量烧结温度气氛液相透气性烧结矿强度复原性脱硫率C高高复原多差高差低C低低氧化少好低好高173.1.2分解反响烧结过程中有三种分解反响发生结晶水分解；碳酸盐分解；高价氧化物〔Fe2O3，MnO2，Mn2O3〕分解。结晶水分解在烧结混合料中的矿石、脉石和添加剂中往往含有一定的化学结晶水，它们在烧结料层的预热枯燥带和燃烧带进行分解。一般分解温度为120－500℃，多数矿物在500－700℃下出现结晶水的剧烈分解。18烧结过程常见含结晶水矿物及其分解产物表19碳酸盐分解烧结混合料中常见碳酸盐有：菱铁矿：容易分解，分解温度在300～350℃白云石：较易分解，分解温度为700℃左右，900℃左右剧烈分解石灰石：较难分解，分解温度为700℃左右，900℃余剧烈分解需要注意的是石灰石的分解完成的程度对烧结矿质量的影响：作为熔剂添加的石灰石是为了调整烧结矿的碱度，希望在烧结过程中完成分解产物CaO与其他矿物的反响或进入液相。20碳酸盐在烧结条件下分解历时总共只有2分钟左右，而有效的分解时间还要短，因为随着烧结层的下移，废气中CO2含量下降，烧结层中残留的石灰石可在634℃结束分解，这种在燃烧带以后分解出的CaO对烧结矿的固结和强度都没有好处。因为以白点形式存在于烧结矿中的游离CaO会吸水消化，体积增大，严重影响烧结矿的强度。从化学反响动力学来看，碳酸盐的分解为多相反响，受相界面的化学反响和CO2在产物层中的扩散控制。影响烧结过程中石灰石完全分解并与矿物化合的因素主要是石灰石的粒度，烧结温度和烧结混合料中其它矿物的种类和粒度。在我国主要使用精矿粉生产熔剂性或高碱度烧结矿的条件下，起决定作用的是石灰石粒度。为了保证石灰石在烧结过程中完全分解，并被矿石所吸收，石灰石的粒度不应超过3mm。21不同温度下CaO矿化程度与粒度的关系22高价氧化物分解烧结料中含有高价铁、锰氧化物，在烧结的过程中将发生分解反响，分解成相对稳定的低价氧化物。

MnO2Mn2O3Fe2O3PO2=20.6kPa(0.21at)460℃927℃1383℃PO2=98.0kPa(1.00at)550℃1100℃1452℃23烧结过程是氧化性气氛，但由于烧结料中碳分布的偏析和气体组成分布的不均匀性，使得某些区域，特别是在燃料颗粒周围呈现复原性气氛，而该处的温度又较高，局部Fe3O4将可能被复原成FexO；复原性气氛很强的情况下，甚至可能被复原成Fe。由于烧结条件下的复原气氛有限，不可能使所有的Fe3O4复原，甚至不可能使所有的Fe2O3复原。在远离燃料颗粒的区域，(％CO2)／(％CO〕比值可能很大，相应氧含量可能很多，呈现氧化性气氛，Fe3O4和FexO就可能被氧化。3.1.3铁氧化物的氧化复原反响24实际的烧结氧化复原过程取决于烧结配料和工艺等条件，例如烧结配料中的配碳量、铁矿粉自身的复原性、铁矿粉与复原剂接触的外表积、时间和烧结温度等。赤铁矿烧结时，Fe2O3在燃烧带的下、中部被局部复原成Fe3O4，甚至FexO，而在燃烧带上部又被氧化成Fe2O3，正常配碳量下，能氧化到原有的水平。磁铁矿烧结时，氧化反响能得到明显的开展，在出现液相前即有相当的Fe2O3新相生成，为铁酸钙的形成创造了良好条件。配碳量的增加，烧结矿复原程度增加。使用石灰石做熔剂时，石灰石分解耗热，而且分解出的CaO与矿石形成易熔物降低燃烧带温度，可有效抑制复原过程，烧结矿中FexO下降。当烧结料中参加MgO后，易形成难熔化合物，燃烧层温度及烧结矿中FexO将上升。在已形成烧结矿结构的区域，还会出现氧化反响，称为二次氧化。25烧结过程中铁氧化物的氧化复原开展程度，对烧结矿中FeO含量有重要影响，并进而影响烧结矿的复原性能：26S、As的氧化反响：(1).铁矿石带入的硫化物和燃料带入的单质硫是氧化成气态SO2而排除的，带入的以硫酸盐形式存在的硫分解后脱除。脱硫效率为80－95%;混合料中大局部硫以如下反响被脱除：2FeS2+5O2=Fe2O3+4SO22FeS+3O2=Fe2O3+2SO2S+O2=SO2配加石灰石有利于创造氧化性气氛，但CaO也能强烈吸收SO2(2).As能被氧化成As2O3，该物质沸点低达460℃，易挥发脱除；如果过氧化成As2O5,那么不能被气化。CaO有吸收As2O3的倾向，所以As的脱除率一般为50％左右。3.1.4烧结过程的气化反响27Zn、K、Na等复原气化烧结过程中存在Zn、K、Na等易挥发元素的复原气化脱除现象。主要的困难是这些元素的氧化物在烧结料中形成盐类，甚难复原。在高配碳条件下可以脱除少量的Zn、K、Na。氯化反响应用氯化反响脱除某些元素的必要条件是：在烧结条件下能生成低沸点氯化物，不会与烧结气流中水蒸气发生如下式的水解作用而再度沉析：MeCl2+H2O＝MeO+2HCl符合这些条件的元素有As、Cu、Cd、Pb、K、Na等。28烧结料因造球常需要参加一定量的水(精矿粉加水约8％，富矿粉加水4％～6％)，水是烧结过程顺利进行的重要条件。烧结过程中水分具有改善混合料的制粒、导热改善热交换、润滑降低气流阻力和助燃的作用。在混合料预热开始阶段，水分开始蒸发废气经枯燥层后，温度由1100～1500℃降到100℃以下，这样废气的饱和水蒸汽压下降很多，含有很多蒸汽的废气进入下部混合料层，温度低于露点时就凝结成水，烧结料出现过湿。导致过湿层的出现，降低料层透气性。3.1.5水的蒸发及冷凝29为防止过湿现象，采用：适当控制混合料初始水分，加水造球以提高料层透气性为的是保证获得最高的生产率。生产经验证明，原始透气性最好的水分，并不能获得最高的生产率，即生产率最高的水分值比原始透气性最正确值的水分要小。通常此值约为1％。烧结混合料原始水分适当降低可能使烧结料成球性差一些，初始透气性有所降低，但水分减少，水分凝结少，枯燥时间缩短，整个烧结速度反而加快了，从而获得高的生产率。提高混合料的温度。加热返矿或通蒸汽预热，一般要高于60℃防止过湿层出现的措施303.2烧结过程的传输现象烧结料层是由具有一定粒度分布的混合料(矿石、熔剂和燃料等)的颗粒组成的，属于散料料层。烧结过程必须要向料层送风，燃料燃烧提供热量，才能保证烧结的顺利进行。烧结时，气体自料层通过，经类似平行但又互相联通的、形状曲折复杂的气体管道。经受料层的阻碍，存在压力的变化。即在料层与气体间有动量传输现象的发生，此即烧结过程的气体力学现象；而在气体的运动过程中，料层与气体间又存在着热量交换，即烧结过程的热量传输现象。31Q—通过料层的风量，m3／min；A—炉箅面积，m2；h—料层高度，m∆p—料层阻力，Pa；n,m—系数，通过试验确定，它与烧结料粒度大小及烧结过程有关，一般其平均值为。(1).料层透气性指数

为了表示烧结料层气体阻力与工艺参数间的关系伏依斯公式：透气性指数：单位压力梯度下单位面积通过的气体流量。烧结过程的气体力学32实际上，n与烧结料的粒度及烧结过程有密切关系。

粒度：10－6－3－

烧结过程：点火前点火瞬间烧结时烧结完成n=0.5533另外，只有在粒度较大、料层高度抽风负压较低时，m、n才比较接近。所以，m＝n＝0.6是有条件的。34沃依斯公式可以分析烧结生产过程，例如提高料层透气性以提高抽风量、提高负压等可以提高烧结矿产量；如果不改变料层透气性和负压，料层高度的增加将降低产量。沃依斯公式的优点是计算方便，易于分析各工艺参数的相互关系，但没有明确透气性指数P的内容，看不出其影响料层的物性因素。35D.W.密切尔从控制散料层气流的根本因素出发，考查了透气性与散料层物性参数间的关系。使用卡曼〔Carman〕阻力因素及雷诺数的经验公式。g－－重力加速度；ε－－料层空隙度；ρ－－气体密度；s－－料粒比外表积；sw－－器壁的外表积；η－－气体粘度系数；h－－料层高度；v－－气体流速。散料层气体阻力因素36紊流状态下，Re很大，可取：烧结过程中sw<<s，sw可忽略不计紊流时：而：所以紊流时：透气性指数37料层的透气性指数主要决定于料层孔隙度ε和混合料的比外表积。料层孔隙度和比外表积与混合料粒度的均匀性有很大关系。为使烧结作用充分发挥和提高料层的透气性，应强化制粒，加水造球的方法使它们成为3～8mm的小球。控制好返矿平衡和增加铺底料或在精矿粉烧结中配入局部天然矿都将改善料层的透气性指数，从而提高烧结的产质量。38(2)烧结料层各带的阻力损失式中v——气体进入料层的速度

η——气体粘度系数；ρ——气体密度；

K1——气体通过料层的阻力系数(层流)；K2——气体通过料层的阻力系数(紊流)；原苏联科学家柯洛吉契等提出如下公式计算料层的阻力：39料层各带阻力实测结果示意图阻损最大：燃烧带及预热枯燥带。阻损系数大过湿带降低碳量可调节403.2.2烧结过程的传热和蓄热(1).问题的提出在烧结过程中，各料层需要的温度和热量是由燃烧产生和废气传热提供的。沃依斯等人在烧结试验中发现，不管原料种类如何、配碳量多少，单位混合料产生的废气体积(废气率)几乎相同.废气是燃烧过程产生的，确呈现废气率几乎相同的现象。那么烧结废气率是有燃烧过程还是热传导过程决定的呢？为了答复这个问题，设计了一系列特定的比照试验41热传导和烧结试验结果：废气率非常接近。不同热容气体的传导试验结果：废气率与气体热容成反比，而废气率与热容乘积为常数。由此可见：传热过程决定了烧结废气率。为了进一步研究烧结过程的传热特性，沃依斯等又提出了“热波前锋〞及“火焰前锋〞两个概念。42(2).热波前锋及火焰前锋热波前锋是指料层中热波曲线的最低位置；热波曲线是无内部热源时的1000℃等温线。特点：热波曲线以最高温度为中心，呈对称形状；原因：成分没有变化。火焰前锋是指料层中火焰波(燃烧带)曲线的最低位置；火焰波曲线是燃烧带的600或1000℃等温线。特点：最高温度两边不对称。燃烧反响导致废气成分发生变化。试验研究发现：43热波曲线随热波下移，最高温度逐步下降，而曲线不断变宽；火焰曲线随火焰波(或燃烧带)下移，最高温度逐渐升高。热波移动速度：－－B.B.勃拉斯凯特hg－－单位体积气体热容；hs－－单位体积的固体物料热容；w－－每分钟通过单位面积上的气体流量；f－－单位体积料层的孔隙率。可见：热波速度与气体热容及气体流速成正比，与固体热容成反比，而孔隙率大热波速度就大。44物料粒度大，传热速度慢，传热效率低，气体中保持较大热量，相应的热波速度增大；提高气体中CO2、H2O这些热容大的物质比例，可以提高热波速度；如果气体流速增加很多，气固相间传热效率下降，废气量增加。分析公式，还可以看出：45热涉及火焰移动速度对烧结过程的影响烧结过程中，“热前锋〞和“火焰前锋〞的移动速度，一般情况下是不同的：A.配碳正常或偏高时：碳的燃烧速度决定了烧结过程的总速度，此种情况下，料层供氧缺乏，使得燃料已加热到燃点也不会燃烧，降低烧结效率。应采取富氧加速燃烧，或加压以提高火焰移动速度，从而加速烧结过程；B.配碳偏低时：剩余氧量很大，燃料颗粒加热到燃点后会剧烈燃烧，烧结过程总速度取决于〞热前锋〞的移动速度。会导致料层受热不充分。46(3).烧结过程的蓄热计算分析方法：将烧结料层沿高度由上到下微分成一系列的小单元，然后计算每个单元的热收入和热支出，即进行热平衡分析：第一单元(外表的单元)热收入项：点火供热Q1;混合料中燃料燃烧放热(Q2)Fe3O4氧化放热(Q3)；混合料物理热(Q4)；矿物生成热(Q5);热支出项：碳酸盐分解(q1)；料中水分升温及气化耗热(q2)；外部热损