球團理論與工藝-5球團礦的還原性狀

1、5 球團礦的還原性狀*高爐(gol)冶煉過程概述 即焦炭(jiotn)做燃料和還原劑，在高溫下將鐵礦石或含鐵原料的鐵，從氧化物或礦物狀態(tài)（如Fe2O3、Fe3O4、Fe2SiO4、Fe3O4TiO2等）還原為液態(tài)生鐵。 高爐煉鐵的本質是鐵氧化物的還原過程共三十三頁5 球團礦的還原性狀 *高爐冶煉過程(guchng)概述（1）塊狀帶 爐料中水分(shufn)蒸發(fā)及受熱分解，鐵礦石還原，爐料與煤氣熱交換；焦炭與礦石層狀交替分布，呈固體狀態(tài)；以氣固相反應為主。 礦焦保持裝料時的分層狀態(tài)，與布料形式及粒度有關，占BF總體積60%主要反應： 水分蒸發(fā)；結晶水分解 除CaCO3外的其它MCO3分解 間接還

2、原 碳素沉積反應（2CO=C+CO2）共三十三頁5 球團礦的還原性狀 *高爐冶煉過程(guchng)概述（2）軟熔帶 爐料在該區(qū)域軟化，在下部(xi b)邊界開始熔融滴落；主要進行直接還原反應，初渣形成。 礦石層開始熔化與焦炭層交互排列，形狀受煤氣流分布與布料影響，可分為正V型，倒V型，W型 主要反應： Fe的直接還原；Fe的滲C； CaCO3分解 C+CO2=2CO共三十三頁5 球團礦的還原性狀 *高爐冶煉過程(guchng)概述（3）滴落帶 滴落的液態(tài)渣鐵與煤氣及固體炭之間進行多種復雜的化學反應。 主要由焦炭床組成，熔融狀態(tài)的渣鐵穿越(chun yu)焦炭床 主要反應： Fe、Mn、Si、

3、P、Cr的直接還原 Fe的滲C共三十三頁5 球團礦的還原性狀 *高爐冶煉(ylin)過程概述（4）回旋區(qū) 噴入的燃料與熱風發(fā)生燃燒反應(fnyng)，產生高熱煤氣，是爐內溫度最高的區(qū)域。 C在鼓風作用下一面做回旋運動一面燃燒，是高爐熱量發(fā)源地（C的不完全燃燒），高爐唯一的氧化區(qū)域。 主要反應： C+O2=CO2 CO2+C=2CO共三十三頁5 球團礦的還原性狀 *高爐冶煉過程(guchng)概述（5）渣鐵聚集區(qū) 在渣鐵層間的交界面及鐵滴穿過渣層時發(fā)生渣金反應。 渣鐵分層存在，焦炭浸泡其中。 主要反應： 渣鐵間脫S， Si、Mn等元素(yun s)還原 還原反應是高爐內的最基本反應。爐料從高爐頂

4、部裝入后就開始還原，直到下部爐缸，除風口回旋區(qū)外，幾乎貫穿整個高爐冶煉的始終。共三十三頁5 球團礦的還原性狀 高爐冶煉要求爐料在各還原(hun yun)階段應具有足夠的穩(wěn)定性和透氣性，即球團礦應具有良好的還原(hun yun)性狀。 球團礦的還原性狀是指： （1）球團礦在高爐中還原時的體積膨脹； （2）球團礦還原后的強度。 一般以膨脹率和高溫(gown)還原粉化率來表示。 膨脹率指球團礦膨脹之后的體積與正常情況下（沒有膨脹時）的體積之比。 共三十三頁5 球團礦的還原性狀“膨脹(png zhng)現(xiàn)象”正常(zhngchng)膨脹 膨脹值40%球團礦在爐內還原的要求：爐內球團礦的還原度達60%

5、還原后球團礦殘余冷抗壓強度要求單球不小于250N 高爐爐況惡化，如爐內透氣性變壞，爐塵明顯增多 爐內透氣性變壞與爐塵明顯增多，甚至出現(xiàn)懸料、崩料，導致高爐生產失常、生產率下降、焦比提高 共三十三頁5 球團礦的還原性狀5.1 球團礦還原(hun yun)機理 多孔赤鐵礦球團在以氫為還原劑時的多段反應(fnyng)帶狀模型共三十三頁5 球團礦的還原性狀5.1 球團礦還原(hun yun)機理 5.1.3 球團斷面的還原(hun yun)行為球團中心至r1區(qū)域：h+mr1至r2區(qū)域：m+Wr2至r3區(qū)域：W+Fer3至rp區(qū)域：Fe共三十三頁5 球團礦的還原性狀5.1 球團礦還原(hun yun)機

6、理 5.1.3 球團斷面的還原(hun yun)行為球團中心至r1區(qū)域：赤鐵礦與磁鐵礦共存r1至r2區(qū)域：磁鐵礦與浮士體共存r3至rp區(qū)域：單一的金屬鐵層共三十三頁5 球團礦的還原性狀5.1 球團礦還原(hun yun)機理 5.1.3 球團斷面的還原(hun yun)行為r2至r3區(qū)域：浮士體與金屬鐵的共存層浮士體粒子包圍鐵核鐵殼包圍浮士體粒子共三十三頁5 球團礦的還原性狀5.1 球團礦還原(hun yun)機理 5.1.4 球團還原反應(fnyng)機理 球團還原反應的實質是在固相反應劑相界上及其內部，由于金屬鐵向較高含氧區(qū)域擴散而產生的固相反應。球團礦還原過程按下列方程進行： FenOm

7、+mCO(mH2)nFe+mCO2 (mH2O) 就反應動力學觀點此過程的可分為三個單獨反應環(huán)節(jié) 共三十三頁5 球團礦的還原性狀5.1 球團礦還原(hun yun)機理 5.1.4 球團還原(hun yun)反應機理 反應式為： FeO + H2 (CO) Fe + H2O (CO2) Fe2O3或Fe3O4還原時，表面的氧直接被吸附的H2 (或CO)奪去，電子空位(Fe3+)吸附H2，H2被吸附后形成H吸+，放出電子使Fe3+變?yōu)镕e2+，形成浮士體。 浮士體與H2作用。在H2/FeO相界面的O2-被吸附的H吸+除去，F(xiàn)e2+2e不斷填充FeO內的空位，形成金屬鐵。 （1）鐵氧化物粒子表面脫

8、氧，直到浮士體還原為金屬鐵共三十三頁5 球團礦的還原性狀5.1 球團礦還原(hun yun)機理 5.1.4 球團還原反應(fnyng)機理 （2）金屬鐵向需要還原的鐵氧化物內擴散。 反應式為： Fe3O4+Fe4FeO Fe3+變成Fe2+，F(xiàn)e2+ 在Fe2O3層內擴散形成飽和狀態(tài)，轉變?yōu)镕eO，為外層提供浮士體。 共三十三頁5 球團礦的還原性狀5.1 球團礦還原(hun yun)機理 5.1.4 球團還原反應(fnyng)機理 （3） 較高級氧化鐵在其晶界面上轉變?yōu)檩^低級鐵氧化物 反應式為： 4Fe2O3+Fe3Fe3O4 金屬鐵向更內層擴散，供給Fe3+電子使其變?yōu)镕e2+，F(xiàn)e2O3

9、晶格出現(xiàn)畸形，經(jīng)過晶格重建后轉變?yōu)镕e3O4。共三十三頁5 球團礦的還原性狀5.1 球團礦還原(hun yun)機理 5.1.4 球團還原反應(fnyng)機理以上連續(xù)步驟構成了球團逐段呈帶狀的還原全過程即： Fe2O3 Fe3O4 FexO Fe 赤鐵礦 磁鐵礦 浮士體 金屬鐵 共三十三頁5 球團礦的還原性狀5.2 還原過程(guchng)中球團礦結構的變化 赤鐵礦球團在還原過程中，任何情況下體積都會膨脹(png zhng) 磁鐵礦球團在還原過程中不產生體積膨脹體積膨脹會造成什么后果？（1）還原過程中球團礦體積的變化共三十三頁5 球團礦的還原性狀5.2 還原過程中球團礦結構(jigu)的變化

10、 球團礦還原(hun yun)過程中的體積膨脹同抗壓強度的下降按相反方向發(fā)展。 即球團礦體積的變化必然引起機械強度的變化，低機械強度與高膨脹率是相關聯(lián)的。（2）體積膨脹與球團強度的關系共三十三頁5 球團礦的還原性狀5.2 還原(hun yun)過程中球團礦結構的變化（3）球團礦還原體積膨脹(png zhng)理論 1）球團內氣體壓力增大引起異常膨脹。在較高的還原速度下，球團內部CO2、H2O氣體生成速度大于其通過氣孔向外擴散的速度時。 2）碳沉積膨脹理論。由于碳在鐵和浮士體相界上的沉積引起異常膨脹。 3）纖維狀金屬鐵膨脹理論。在浮士體界面各適宜點析出纖維狀金屬鐵，鐵晶須破壞球團結構產生體積膨脹

11、。 4）堿金屬離子惡化膨脹。有K、Na等堿金屬離子存在時，金屬鐵析出增強，導致膨脹加劇，即災難性膨脹。共三十三頁5 球團礦的還原性狀5.2 還原過程中球團礦結構(jigu)的變化 不論礦石種類和添加劑種類，凡焙燒不足，初始機械強度(qingd)低的球團礦，在還原過程中均產生體積膨脹和粉化。（3）球團礦還原體積膨脹理論共三十三頁5 球團礦的還原性狀5.2 還原(hun yun)過程中球團礦結構的變化 5.2.1 晶格(jn )變化引起的球團礦體積變化 赤鐵礦還原成磁鐵礦過程中的體積膨脹，使磁鐵礦層厚度增大，超過原來赤鐵礦層厚度。體積膨脹約11% （1）赤鐵礦還原過程中體積變化的原因共三十三頁5

12、球團礦的還原性狀 5.2.1 晶格(jn )變化引起的球團礦體積變化 同一赤鐵礦晶體的還原速度呈各向異性，除了體積增大外，還生成(shn chn)不同厚度的磁鐵礦層。 在各晶界面上形成壓力，使晶體結構破裂。 （1）赤鐵礦還原過程中體積變化的原因共三十三頁5 球團礦的還原性狀 5.2.1 晶格變化引起(ynq)的球團礦體積變化 相鄰的赤鐵礦晶體還原(hun yun)速度的各向異性造成球團結構破裂。 （1）赤鐵礦還原過程中體積變化的原因還原過程中體積增大，球團內壓力增大，從而引起球團結構的破壞。如何控制？共三十三頁5 球團礦的還原性狀 5.2.1 晶格變化引起(ynq)的球團礦體積變化 （2）抑制

13、壓力增大的因素(yn s)和作用 球團焙燒過程中，不生成赤鐵礦晶體，只生成其他鐵礦物； 脈石成分的連接力很強，足以經(jīng)受住壓力增大； 脈石在化學成分上以及數(shù)量上均發(fā)生變化，通過脈石成分相互之間以及脈石與鐵氧化物的反應而獲得足夠強的反應力。共三十三頁5 球團礦的還原性狀 5.2.2 脈石成分(chng fn)對結構變化的影響 （1）高爐冶煉表明(biomng)，含大量酸性脈石的球團礦具有較低的膨脹性。 （3） 鉀和鈉等堿金屬化合物是產生異常膨脹的主要原因之一。 鉀和鈉離子在高溫下以置換或填隙的形式滲入鐵氧化物晶格中而引起晶格畸變。 （2）MgO和CaO的加入可促進焙燒過程中形成穩(wěn)定的鐵酸鎂/鐵酸鈣

14、。共三十三頁5 球團礦的還原性狀 5.2.3 堿度變化引起(ynq)球團礦結構變化（1）高堿度時，脈石含量(hnling)越大，容許膨脹范圍越寬。（2）堿度對球團礦膨脹性的影響隨著脈石含量的增大而減小，當脈石含量超過10%后，影響便失去作用。共三十三頁5 球團礦的還原性狀 5.2.3 堿度變化(binhu)引起球團礦結構變化(binhu) 在堿度低于0.1的酸性球團礦情況(qngkung)下，脈石主要以SiO2形態(tài)存在。 球團礦的強度依靠多晶體結構的赤鐵礦鍵獲得，具有很多氣孔。（1） 堿度低于0.1的酸性球團礦特性 還原過程低溫下就可發(fā)生，使整個球團體積開始產生結構變化。 鐵橄欖石可減輕球團礦

15、的進一步膨脹和粉化，可作為高酸性球團礦還原過程中的穩(wěn)定劑。 需要：脈石含量應大于5%，較低的還原溫度下。共三十三頁5 球團礦的還原性狀 5.2.3 堿度變化(binhu)引起球團礦結構變化(binhu) 生成多種玻璃質渣相，在還原過程(guchng)中生成鈣橄欖石，再與鐵橄欖石生成低熔點的混合晶體（1117），相應的堿度約0.35，渣相的機械強度處于最小值。（2） 堿度為0.1-0.6的球團礦特性 在堿度為0.1-0.6范圍內，生成的低熔點橄欖石晶體不能抑制球團還原過程中的膨脹，反而會在一定條件下加重膨脹。 但大約10%以上的脈石含量能減輕球團礦結構的破壞，因為脈石能作為骨架保持球團礦結構。共

16、三十三頁5 球團礦的還原性狀 5.2.3 堿度變化引起(ynq)球團礦結構變化 CaO含量較多，同時生成玻璃質相和鐵酸鈣。 還原(hun yun)過程中生成金屬鐵皮，不生成鐵晶須，這種金屬鐵在鐵酸鹽顆粒周圍形成同心層，抑制球團礦的進一步膨脹。（3） 堿度大于0.6的球團礦特性 堿度大于0.6的球團礦，在焙燒之后及在還原之后，具有較高的機械強度。共三十三頁5 球團礦的還原性狀5.3 含磁鐵礦和浮士體的焙燒(bi sho)球團礦的還原性狀 磁鐵礦還原過程中無晶形轉變和其晶體無各向異性( xin y xn)，還原時晶體不產生破壞。 生產只含有磁鐵礦而無赤鐵礦的球團礦，則還原過程中球團礦結構破壞可以避免。生產磁鐵礦球團的方法： 磁鐵礦在中性氣氛下焙燒； 赤鐵礦先轉變?yōu)榇盆F礦，再在中性氣氛下焙燒； 赤鐵礦與細磨海綿鐵粉混合焙燒。共三十三頁5 球團礦的還原性狀思考題：球團異常(ychng)還原膨脹的原因有哪些？ 抑制球團礦異常還原膨脹(png zhng)的途徑？ 共三十三頁內容摘要5 球團礦的還原性狀。高爐煉鐵的本質是鐵氧化物的還原過程。滴落的液態(tài)渣鐵與煤氣及固體炭之間進行多種復雜的化學反應