鐵礦粉造塊——第三章 燒結理論與工藝（第一部分）

1、單擊此處編輯母版標題樣式單擊此處編輯母版文本樣式第二級第三級第四級第五級* 3. 鐵礦粉燒結工藝張宗旺2008年3月7日1本章介紹的內(nèi)容3.1 燒結過程物理化學現(xiàn)象3.2 燒結過程傳輸現(xiàn)象3.3 燒結固結機理及礦相分析3.4 燒結工藝過程3.5 燒結工藝新技術 2鋼鐵冶煉工藝流程3鐵礦粉造塊人造富礦燒結礦球團礦4鐵礦粉燒結工藝 現(xiàn)代燒結生產(chǎn)是抽風燒結過程，是將鐵礦粉、熔劑、燃料、代用品及返礦按一定比例配成燒結混合料，添加適量的水分，經(jīng)過混合和制粒后鋪到燒結機臺車上，在一定負壓下點火，在強制抽風的作用下，料層內(nèi)的燃料自上至下燃燒，產(chǎn)生熱量，混合料在高溫作用下發(fā)生一系列的物理、化學變化，部分散料熔

2、化生成液相，冷卻后粘結周圍物料，最終固結生成燒結礦。燒結是液相粘結的固結過程。 5燒結工藝流程圖6燒結料層剖面層狀分布示意圖7鐵礦粉燒結研究內(nèi)容 燒結過程是一個復雜的過程，包括：物理化學、傳質(zhì)傳熱、礦物結晶及相變等多個方面的內(nèi)容。運用物理化學（熱力學、動力學）研究燒結過程中固體燃料的燃燒、結晶水及碳酸鹽分解、鐵礦物的氧化還原、水分的蒸發(fā)和冷凝等基本反應規(guī)律；運用傳輸原理（流體力學、傳熱學）研究燒結過程的氣體運動規(guī)律、料層透氣性和影響因素，分析料層的溫度分布規(guī)律、蓄熱現(xiàn)象等熱量傳輸規(guī)律；運用結晶礦物學和物理化學研究燒結過程的固相反應、液相生成、冷凝固結的成礦過程規(guī)律。83.1 燒結過程的物理化學

3、現(xiàn)象 燒結過程發(fā)生著復雜的物理化學反應。包括：燃料的燃燒；分解反應；鐵氧化物的氧化和還原 ；氣化反應。水分的蒸發(fā)與冷凝；93.1.1 固定碳的燃燒反應 燒結過程中發(fā)生著一系列復雜的物理化學變化，這些變化所需要的溫度和熱量是由混合料中碳的燃燒提供的。 混合料中固定碳的燃燒所提供的熱量占燒結所需熱量的90%左右。 101）. 固定碳燃燒反應熱力學在溫度達到700時，混合料中的碳即開始燃燒，其燃燒反應存在如下四種狀態(tài)：C + O2 = CO2H = -33500 kJ/kgCG0 = -395350 - 0.54T2C + O2 = 2COH = -9800 kJ/kgCG0 = -228800 -

4、 171.54TCO + O2 = 2CO2H = -23700 kJ/kgCG0 = -561900 +170.46TCO2 + C = 2COH = 13800 kJ/kgCG0 = 166550 - 171.0T11燒結過程固定碳燃燒主要產(chǎn)物分析：反應隨溫度變化自由能變化不明顯，且具有較大的負值，燒結過程易發(fā)生 ；反應和的自由能隨溫度升高負值增加，因而在高溫區(qū)有利于反應的進行。但由于燒結料層中屬于高溫區(qū)域的燃燒帶很窄，該兩種反應受到抑止； 但在固體燃料顆粒周圍的局部，以及燃料配加量較高或燃料粒度偏細的條件下，也會有一定程度的發(fā)展。反應在較低溫度下具有較大的自由能負值，易于發(fā)展。 由于燒結

5、料層高溫區(qū)域范圍有限，固定碳燃燒的最終產(chǎn)物即燒結廢氣成分中的碳氧化物主要是由反應和決定的，即碳氧化物以CO2為主。12實際測定結果13燃燒比及其影響因素 生產(chǎn)和研究中，常用燃燒比來衡量燒結過程中的氣氛和燃料的化學能利用。燃燒比定義： 顯然：此值越小，燒結過程的氧化性氣氛越強，化學能利用越好。影響這一比值的因素有： 燃料粒度：粒度 燃燒比 燃料數(shù)量：燃料配加量 燃燒比 負壓大?。撼轱L負壓 燃燒比 料層厚度：料層增加，燃燒比 返礦量等：混合料中返礦配加量增加，燃燒比 142）. 固定碳燃燒反應動力學燒結過程中燃料顆粒的燃燒屬于氣固相反應，其反應步驟為： . 氧分子擴散到固體燃料表面； . 氧分子被

6、吸附； . 被吸附氧分子與碳發(fā)生反應形成中間產(chǎn)物； . 中間產(chǎn)物斷裂形成氣相反應產(chǎn)物； . 反應產(chǎn)物脫附并向廢氣流擴散。 大量動力學研究和對燃燒帶厚度的探索性計算表明，燒結過程中燃料燃燒是受擴散控制的。燒結混合料中燃料燃燒速度及燃燒帶的厚度與燃料顆粒的直徑、燃料配加量、氣流的流速及料層的透氣性有關。15燃料粒度的影響： 粒度愈大，燃燒時間愈長，燃燒帶愈厚。若粒度過粗，造成過厚的燃燒帶，增加了料層的阻力。而且混合料在轉運和布料時易產(chǎn)生偏析，造成局部過熔； 若粒度過細，則降低料層的透氣性，同時由于燃燒速度過快而使燃燒帶過薄，來不及產(chǎn)生足夠的液相，影響了燒結礦的強度。 燒結過程要求燃料有適當?shù)牧６龋?/p>

7、 要求粒度03mm。03mm在80%以上，減少大顆粒。 對于煤粉為避免過粉碎，可以適當放寬上限。3）. 燃料燃燒對燒結過程的影響 主要表現(xiàn)為燃料粒度和混合料中燃料配加量對燒結過程的影響。16燃料配加量 燒結溫度 氣氛 液相 透氣性 燒結礦強度 還原性 脫硫率C高 高 還原 多 差 高 差 低C低 低 氧化 少 好 低 好 高173.1.2 分解反應燒結過程中有三種分解反應發(fā)生 結晶水分解； 碳酸鹽分解； 高價氧化物（Fe2O3， MnO2，Mn2O3）分解。結晶水分解 在燒結混合料中的礦石、脈石和添加劑中往往含有一定的化學結晶水，它們在燒結料層的預熱干燥帶和燃燒帶進行分解。 一般分解溫度為12

8、0500，多數(shù)礦物在500700下出現(xiàn)結晶水的劇烈分解。18燒結過程常見含結晶水礦物及其分解產(chǎn)物表19碳酸鹽分解 燒結混合料中常見碳酸鹽有： 菱鐵礦：容易分解，分解溫度在300350 白云石：較易分解，分解溫度為700 左右，900 左右劇烈分解 石灰石：較難分解，分解溫度為700 左右，900 余劇烈分解 需要注意的是石灰石的分解完成的程度對燒結礦質(zhì)量的影響： 作為熔劑添加的石灰石是為了調(diào)整燒結礦的堿度，希望在燒結過程中完成分解產(chǎn)物CaO與其他礦物的反應或進入液相。20碳酸鹽在燒結條件下分解歷時總共只有2分鐘左右，而有效的分解時間還要短，因為隨著燒結層的下移，廢氣中CO2含量下降，燒結層中殘

9、留的石灰石可在634結束分解，這種在燃燒帶以后分解出的CaO對燒結礦的固結和強度都沒有好處。因為以白點形式存在于燒結礦中的游離CaO會吸水消化，體積增大，嚴重影響燒結礦的強度。從化學反應動力學來看，碳酸鹽的分解為多相反應，受相界面的化學反應和CO2在產(chǎn)物層中的擴散控制。影響燒結過程中石灰石完全分解并與礦物化合的因素主要是石灰石的粒度，燒結溫度和燒結混合料中其它礦物的種類和粒度。在我國主要使用精礦粉生產(chǎn)熔劑性或高堿度燒結礦的條件下，起決定作用的是石灰石粒度。為了保證石灰石在燒結過程中完全分解，并被礦石所吸收，石灰石的粒度不應超過3mm。21不同溫度下CaO礦化程度與粒度的關系22高價氧化物分解

10、燒結料中含有高價鐵、錳氧化物，在燒結的過程中將發(fā)生分解反應，分解成相對穩(wěn)定的低價氧化物。 MnO2 Mn2O3 Fe2O3 PO2 =20.6 kPa (0.21 at) 460 927 1383 PO2 =98.0 kPa (1.00 at) 550 1100 1452 23 燒結過程是氧化性氣氛，但由于燒結料中碳分布的偏析和氣體組成分布的不均勻性，使得某些區(qū)域，特別是在燃料顆粒周圍呈現(xiàn)還原性氣氛，而該處的溫度又較高，部分Fe3O4將可能被還原成FexO；還原性氣氛很強的情況下，甚至可能被還原成Fe。 由于燒結條件下的還原氣氛有限，不可能使所有的Fe3O4還原，甚至不可能使所有的Fe2O3還

11、原。 在遠離燃料顆粒的區(qū)域，(CO2)(CO）比值可能很大，相應氧含量可能很多，呈現(xiàn)氧化性氣氛，F(xiàn)e3O4和FexO就可能被氧化。3.1.3 鐵氧化物的氧化還原反應24 實際的燒結氧化還原過程取決于燒結配料和工藝等條件，例如燒結配料中的配碳量、鐵礦粉自身的還原性、鐵礦粉與還原劑接觸的表面積、時間和燒結溫度等。赤鐵礦燒結時，F(xiàn)e2O3在燃燒帶的下、中部被部分還原成Fe3O4，甚至FexO，而在燃燒帶上部又被氧化成Fe2O3，正常配碳量下，能氧化到原有的水平。磁鐵礦燒結時，氧化反應能得到明顯的發(fā)展，在出現(xiàn)液相前即有相當?shù)腇e2O3新相生成，為鐵酸鈣的形成創(chuàng)造了良好條件。配碳量的增加，燒結礦還原程度

12、增加。使用石灰石做熔劑時，石灰石分解耗熱，而且分解出的CaO與礦石形成易熔物降低燃燒帶溫度，可有效抑制還原過程，燒結礦中FexO下降。當燒結料中加入MgO后，易形成難熔化合物，燃燒層溫度及燒結礦中FexO將上升。 在已形成燒結礦結構的區(qū)域，還會出現(xiàn)氧化反應，稱為二次氧化。25 燒結過程中鐵氧化物的氧化還原發(fā)展程度，對燒結礦中FeO含量有重要影響，并進而影響燒結礦的還原性能：26S、As的氧化反應： (1). 鐵礦石帶入的硫化物和燃料帶入的單質(zhì)硫是氧化成氣態(tài)SO2而排除的，帶入的以硫酸鹽形式存在的硫分解后脫除。 脫硫效率為8095%; 混合料中大部分硫以如下反應被脫除： 2FeS2+5O2=Fe

13、2O3+4SO2 2FeS +3O2=Fe2O3+2SO2 S + O2 = SO2 配加石灰石有利于創(chuàng)造氧化性氣氛，但CaO也能強烈吸收SO2 (2). As能被氧化成As2O3，該物質(zhì)沸點低達460，易揮發(fā)脫除； 如果過氧化成As2O5 ,則不能被氣化。 CaO有吸收As2O3的傾向，所以As的脫除率一般為50左右。 3.1.4 燒結過程的氣化反應27Zn、K、Na等還原氣化 燒結過程中存在Zn、K、Na等易揮發(fā)元素的還原氣化脫除現(xiàn)象。 主要的困難是這些元素的氧化物在燒結料中形成鹽類，甚難還原。在高配碳條件下可以脫除少量的Zn、K、Na。氯化反應 應用氯化反應脫除某些元素的必要條件是：在燒

14、結條件下能生成低沸點氯化物，不會與燒結氣流中水蒸氣發(fā)生如下式的水解作用而再度沉析： MeCl2+H2O MeO+2HCl 符合這些條件的元素有As、Cu、Cd、Pb、K、Na等。28燒結料因造球常需要加入一定量的水 (精礦粉加水約8，富礦粉加水46)，水是燒結過程順利進行的重要條件。燒結過程中水分具有改善混合料的制粒、導熱改善熱交換、潤滑降低氣流阻力和助燃的作用。在混合料預熱開始階段，水分開始蒸發(fā)廢氣經(jīng)干燥層后，溫度由11001500降到100以下，這樣廢氣的飽和水蒸汽壓下降很多，含有很多蒸汽的廢氣進入下部混合料層，溫度低于露點時就凝結成水，燒結料出現(xiàn)過濕。導致過濕層的出現(xiàn)，降低料層透氣性。3

15、.1.5 水的蒸發(fā)及冷凝29 為防止過濕現(xiàn)象，采用：適當控制混合料初始水分，加水造球以提高料層透氣性為的是保證獲得最高的生產(chǎn)率。生產(chǎn)經(jīng)驗證明，原始透氣性最好的水分，并不能獲得最高的生產(chǎn)率，即生產(chǎn)率最高的水分值比原始透氣性最佳值的水分要小。通常此值約為1。燒結混合料原始水分適當降低可能使燒結料成球性差一些，初始透氣性有所降低，但水分減少，水分凝結少，干燥時間縮短，整個燒結速度反而加快了，從而獲得高的生產(chǎn)率。提高混合料的溫度。加熱返礦或通蒸汽預熱，一般要高于60 防止過濕層出現(xiàn)的措施303.2 燒結過程的傳輸現(xiàn)象 燒結料層是由具有一定粒度分布的混合料(礦石、熔劑和燃料等)的顆粒組成的，屬于散料料層

16、。燒結過程必須要向料層送風，燃料燃燒提供熱量，才能保證燒結的順利進行。 燒結時，氣體自料層通過，經(jīng)類似平行但又互相聯(lián)通的、形狀曲折復雜的氣體管道。經(jīng)受料層的阻礙，存在壓力的變化。即在料層與氣體間有動量傳輸現(xiàn)象的發(fā)生，此即燒結過程的氣體力學現(xiàn)象； 而在氣體的運動過程中，料層與氣體間又存在著熱量交換，即燒結過程的熱量傳輸現(xiàn)象。 31Q 通過料層的風量，m3min；A 爐箅面積，m2 ； h 料層高度，mp料層阻力，Pa；n,m 系數(shù)，通過試驗確定，它與燒結料粒度大小及燒結過程有關，一般其平均值為。(1). 料層透氣性指數(shù) 為了表示燒結料層氣體阻力與工藝參數(shù)間的關系伏依斯公式：透氣性指數(shù)：單位壓力梯

17、度下單位面積通過的氣體流量。燒結過程的氣體力學32實際上，n與燒結料的粒度及燒結過程有密切關系。 粒度： 10 6 3 燒結過程： 點火前 點火瞬間 燒結時 燒結完成 n = 0.55 33另外，只有在粒度較大、料層高度抽風負壓較低時，m、n才比較接近。所以， m n 0.6 是有條件的。34沃依斯公式可以分析燒結生產(chǎn)過程，例如提高料層透氣性以提高抽風量、提高負壓等可以提高燒結礦產(chǎn)量；如果不改變料層透氣性和負壓，料層高度的增加將降低產(chǎn)量。沃依斯公式的優(yōu)點是計算方便，易于分析各工藝參數(shù)的相互關系，但沒有明確透氣性指數(shù)P的內(nèi)容，看不出其影響料層的物性因素。35 D.W. 密切爾從控制散料層氣流的基

18、本因素出發(fā)，考查了透氣性與散料層物性參數(shù)間的關系。使用卡曼（Carman）阻力因素及雷諾數(shù)的經(jīng)驗公式。g 重力加速度； 料層空隙度； 氣體密度； s 料粒比表面積； sw 器壁的表面積； 氣體粘度系數(shù)；h 料層高度； v 氣體流速。散料層氣體阻力因素36紊流狀態(tài)下，Re很大，可取：燒結過程中sw s，sw可忽略不計紊流時：而：所以紊流時：透氣性指數(shù)37 料層的透氣性指數(shù)主要決定于料層孔隙度和混合料的比表面積。 料層孔隙度和比表面積與混合料粒度的均勻性有很大關系。 為使燒結作用充分發(fā)揮和提高料層的透氣性，應強化制粒，加水造球的辦法使它們成為38mm的小球?？刂坪梅档V平衡和增加鋪底料或在精礦粉燒結

19、中配入部分天然礦都將改善料層的透氣性指數(shù)，從而提高燒結的產(chǎn)質(zhì)量。38(2) 燒結料層各帶的阻力損失式中 v氣體進入料層的速度 氣體粘度系數(shù)； 氣體密度； K1氣體通過料層的阻力系數(shù)(層流)； K2氣體通過料層的阻力系數(shù)(紊流)； 原蘇聯(lián)科學家柯洛吉契等提出如下公式計算料層的阻力：39料層各帶阻力實測結果示意圖阻損最大： 燃燒帶及預熱干燥帶。阻損系數(shù)大 過濕帶降低碳量可調(diào)節(jié)403.2.2 燒結過程的傳熱和蓄熱(1). 問題的提出 在燒結過程中，各料層需要的溫度和熱量是由燃燒產(chǎn)生和廢氣傳熱提供的。 沃依斯等人在燒結試驗中發(fā)現(xiàn)，不論原料種類如何、配碳量多少，單位混合料產(chǎn)生的廢氣體積 (廢氣率)幾乎相

20、同. 廢氣是燃燒過程產(chǎn)生的，確呈現(xiàn)廢氣率幾乎相同的現(xiàn)象。 那么燒結廢氣率是有燃燒過程還是熱傳導過程決定的呢？ 為了回答這個問題，設計了一系列特定的對比試驗41熱傳導和燒結試驗 結果：廢氣率非常接近。不同熱容氣體的傳導試驗 結果：廢氣率與氣體熱容成反比，而廢氣率與熱 容乘積為常數(shù)。由此可見：傳熱過程決定了燒結廢氣率。 為了進一步研究燒結過程的傳熱特性，沃依斯等又提出了“熱波前鋒”及“火焰前鋒”兩個概念。42(2).熱波前鋒及火焰前鋒 熱波前鋒是指料層中熱波曲線的最低位置；熱波曲線是無內(nèi)部熱源時的1000等溫線。 特點：熱波曲線以最高溫度為中心，呈對稱形狀； 原因：成分沒有變化。 火焰前鋒是指料層

21、中火焰波(燃燒帶)曲線的最低位置；火焰波曲線是燃燒帶的600或1000等溫線。 特點：最高溫度兩邊不對稱。 燃燒反應導致廢氣成分發(fā)生變化。試驗研究發(fā)現(xiàn)：43熱波曲線隨熱波下移，最高溫度逐步下降，而曲線不斷變寬；火焰曲線隨火焰波(或燃燒帶)下移，最高溫度逐漸升高。熱波移動速度：B.B.勃拉斯凱特 hg單位體積氣體熱容； hs單位體積的固體物料熱容； w每分鐘通過單位面積上的氣體流量； f單位體積料層的孔隙率。 可見：熱波速度與氣體熱容及氣體流速成正比，與固體熱容成反比，而孔隙率大熱波速度就大。44物料粒度大，傳熱速度慢，傳熱效率低，氣體中保持較大熱量，相應的熱波速度增大； 提高氣體中CO2、H2

22、O這些熱容大的物質(zhì)比例，可以提高熱波速度； 如果氣體流速增加很多，氣固相間傳熱效率下降，廢氣量增加。分析公式，還可以看出：45熱波及火焰移動速度對燒結過程的影響燒結過程中，“熱前鋒”和“火焰前鋒”的移動速度，一般情況下是不同的：A. 配碳正?；蚱邥r： 碳的燃燒速度決定了燒結過程的總速度，此種情況下，料層供氧不足，使得燃料已加熱到燃點也不會燃燒，降低燒結效率。 應采取富氧加速燃燒，或加壓以提高火焰移動速度，從而加速燒結過程；B. 配碳偏低時： 剩余氧量很大，燃料顆粒加熱到燃點后會劇烈燃燒，燒結過程總速度取決于”熱前鋒”的移動速度。會導致料層受熱不充分。46(3).燒結過程的蓄熱計算分析方法： 將燒結料層沿高度由上到下微分成一系列的小單元，