钢铁冶金课件PPT资料

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,11/7/2009,#,钢铁(gngti)冶金课件,第一页，共68页。,第四章 铁矿(ti kun)粉烧结理论,第二页，共68页。,铁矿粉烧结过程：将细粒含铁物料与熔剂、燃料按一定比例混合，再加水润湿 、混匀、制粒成为烧结料，铺于烧结机台车上，通过点火、抽风，借助燃料燃烧产生的高温和一系列物理化学变化，生成部分低熔点物质，并软化熔融产生一定数量的液相，将铁矿物颗粒粘结起来，冷却后即成为具有(jyu)一定强度的多孔块状烧结矿。,烧结的目的：,1. 合理地利用矿石资源，满足钢铁工业发展的需要；,2. 通过烧结可为高炉提供化学成分稳定、粒度均匀、还原性好、冶金性能优良的优质原料，为高炉优质、高产、低耗、长寿创造良好条件。,3. 烧结可有效地回收利用冶金、化工等生产的含铁废料，既充分利用了国家资源，又减轻了环境污染，还可降低生产成本。,第三页，共68页。, 烧结矿带：烧结矿的冷却(lngqu)与再氧化过程；, 靠近燃烧带的烧结矿带：熔体结晶；, 干燥预热带、燃烧带与靠近燃烧带的烧结矿带：固相反应，氧化还原，原铁的氧化物、碳酸盐、硫化物的分解；, 燃烧带：燃料燃烧，液相熔体生成，高温分解；, 干燥预热带：挥发，分解，氧化还原，水分蒸发；, 水分冷凝带：水汽冷凝。,4.1 烧结过程(guchng)及主要变化,对烧结过程的台车进行解剖，根据温度的高低和其中的物理化学变化，自上而下可以将正在烧结的料层分为(fn wi)烧结矿带、燃烧带、干燥预热带、过湿带和原始料带五个带。,图41 烧结过程的解剖,1烧结盘；2炉篦；3废气出口；,4煤气点火器；5铺底料,第四页，共68页。,带式烧结(shoji)机抽风烧结(shoji)过程的分层性,烧结(shoji)矿层,燃烧(rnsho)层,预热层,干燥层,湿料层,铺底料层,10001100,冷却、再氧化,冷却、再结晶（塑性烧结矿,）,固体碳燃烧和液相形成,固相反应、氧化、还原、分解,去水,水分凝结,温度,700800,300400,120,60,负压10001600mmH,2,O,点火,表面赤热部分,过湿层,脆性烧结矿,收缩,强度好的烧结矿,预,强,干,燥,塑,性,结,烧,矿,第五页，共68页。,1.烧结矿带。即成矿带，主要反应是液相凝结，矿物析晶，预热空气，此带表层强度较差，其原因是：,1)烧结温度低。,2)受空气剧冷作用，表层矿物来不及析晶，玻璃质较多，内应力很大，所以性脆，在烧结机卸矿端被击碎而进入返矿。表层厚度一般为4050，只有在烧结机点火器采取保温措施才能改善其表层强度。近年来由于烧结采用高料层作业，表层所占比例相对减少，它对烧结矿强度总体影响较少，为了节约(jiyu)煤气，已不用保温了。,2.燃烧带。即烧结带，该带是燃料燃烧带，温度可达11001500。此处混合料软化、熔融及液相形成。该层厚度为1550。此带对烧结过程产量及质量影响很大。该带过宽会影响料层透气性，导致产量低；过窄烧结温度低，液相量不足，烧结矿粘结不好，强度低。该层的宽窄受燃料粒度、抽风量的影响。,第六页，共68页。,3.预热干燥带。主要过程是干燥与预热。该带特点是热交换迅速，由于热交换剧烈，废气温度很快从1500下降到6070。此带主要反应是水分蒸发，结晶水及石灰石分解，矿石的氧化还原以及固相反应等，该带宽度一般在2040。,4.水分冷凝带。即过湿带，因为上层高温废气中带入较多的水气，进入下层冷料时水分析出而形成水分冷凝带。该带影响烧结透气性，破坏已造好的混合料小球，解决的办法是预热混合料。,5.原始烧结料带：处于料层最下部(xi b)。此层中的物理、化学性质基本不变。,第七页，共68页。,4.2 烧结(shoji)料层燃料燃烧基本原理,烧结料层中固体燃料放出大量的热产生(chnshng)高温并造成一定的气氛，为其它物理化学变化提供了必要条件。烧结过程中，混合料中固体燃料燃烧所提供的热量占烧结总需热量的90左右。,4.2.1 固体燃料燃烧热力学,烧结料中燃料所含的固体炭在温度达700以上即着火燃烧，发生如下反应：,2CO22CO,CO2CO2,2COO22CO2,CO2C2CO,第八页，共68页。,4.2.2 固体燃料( t rn lio)燃烧动力学,在烧结过程中，固体燃料( t rn lio)呈分散状分布在料层中，其燃烧规律性质介于单体焦炭颗粒与焦粒层燃烧之间，固体碳的燃烧属非均相反应。反应过程由五个环节组成。,（1）氧通过边界层扩散到固体碳的表面；,（2）氧在碳粒表面吸附；,（3）吸附的氧与碳发生化学反应；,（4）反应产物的解吸；,（5）反应产物由碳粒表面的边界层向气相中扩散。,为了建立碳粒燃烧速率方程，假设上述五个步骤中氧向碳粒表面的扩散和氧与碳的化学反应两步的速率最小，这样整个反应就被（1）、（3）两个步骤控制。,第九页，共68页。,a.氧气(yngq)向固体碳表面扩散迁移的速率：,式中： 气流中氧的浓度；,碳粒表面氧的浓度；,界面层内传质系数。,b.相界面上的化学反应速率：,式中： 化学反应速率常数；,n 反应级数，设n = 1。,当扩散速率与化学反应同步，即 = 时，整个反应稳定进行，则碳粒燃烧的总速度为：,第十页，共68页。,在低温下， ， ，此时，过程的总速度(sd)取决于化学反应速度(sd)，称燃烧处于“动力学燃烧区”。,在高温下， ， ，此时，过程的总速度(sd)取决于氧的扩散速度(sd)，称燃烧处于“扩散燃烧区”。,当燃烧处于动力燃烧区时，燃烧速度(sd)受温度影响较大，随温度升高而增加，而不受气流速度(sd)、压力和固体燃料粒度的影响。当燃烧处于扩散燃烧区时，燃烧速度(sd)取决于气体的扩散速度(sd)，而温度的改变影响不大。,烧结过程在点火后不到一分钟，料层温度升高到12001350，故其燃烧反应基本上是在扩散区内进行，因此，一切能够增加扩散速度(sd)的因素，如减小燃料粒度、增加气流速度(sd)（改善料层透气性、增加风机风量）和气流中的氧含量，都能提高燃烧反应速度(sd)，强化烧结过程。,第十一页，共68页。,4.2.3 烧结料层的废气组成及影响因素,烧结料层是典型的固定床，但与一般固定床燃料燃烧相比又有很大的不同。,(1)烧结料层中碳含量少、粒度细而且分散，按重量计燃料只占总料重的35%，按体积计不到总料体积的10；,(2)烧结料层中的热交换十分有利，固体碳颗粒燃烧迅速，且在一个厚度不大(一般为3040mm)的高温区内进行。高温废气降低很快，二次燃烧反应不会有明显的发展(fzhn)；,(3)烧结料层中一般空气过剩系数较高(常为1.41.5)，故废气中均含一定数量的氧。,一般来说，碳的燃烧在较低温度和氧含量较高的条件下，以生成CO2为主；在较高温度和氧含量较低的条件下，以生成CO为主。烧结废气中，碳的氧化物是以CO2为主，只含少量的CO。,第十二页，共68页。,图42 在烧结试验(shyn)过程测得废气中的,氧气、二氧化碳和一氧化碳的变化,(试验(shyn)所用燃料量为7),第十三页，共68页。,通常用燃烧比(CO/CO+CO2)来衡量烧结过程中碳的化学能利用程度，用废气成分来衡量烧结过程的气氛。燃烧比大则碳的利用差，还原(hun yun)性气氛较强，反之碳的利用好，氧化气氛较强。还原(hun yun)性气氛较强时，CO可以将Fe2O3还原(hun yun)为Fe3O4，因此，烧结混合料中配碳量越过，烧结矿亚铁含量越高。,影响燃烧比的因素有：,a.燃料粒度 (图4-3),b.混合料中燃料含量 (图4-4),c.烧结负压 (图4-5),d.料层高度 (图4-6),e.返矿量 (图4-7),图4-3 废气燃烧(rnsho)比与,燃料粒度的关系,第十四页，共68页。,图4-4 废气燃烧比与,混合料中燃料(rnlio)量的关系,图4-5 废气燃烧(rnsho)比与,负压间的关系,图4-6 废气(fiq)燃烧比与,料层厚度的关系,图4-7 废气燃烧比与,返矿量的关系,第十五页，共68页。,4.2.4 固体燃料特性及用量对烧结过程的影响,烧结所用固体燃料的粒度，与混合料中各组分的特性有关。一般可由实验决定。,粒度-0.5mm的燃料颗粒燃烧时，难以在自身周围建立起成块的烧结矿。,根据试验资料，在烧结原料粒度为-8mm的铁矿粉时，粒度为12mm的焦粉是最适宜的，这样的粒度有能力在周围建立1820mm烧结矿块。,在烧结精矿(jn kun)时(-lmm，其中-0.074mm占30)，试验表明焦粉粒度0.53mm最好；,第十六页，共68页。,试验和生产实践证明，焦粉中-0.5和+3mm粒级的存在是不利的。,太细的焦粉在气流作用(zuyng)下，会从上层吹到下层，从而损害了烧结矿的强度。,粒度过大时，燃料分布不均匀，这是因为同样用量时，料层中碳的分布点少；另一方面，布料时粒度易于偏析集中在料层下部，燃料粗，燃烧带变厚，料层透气性变差，也会导致产质量下降。,图48 燃料粒度(l d)对,各项烧结指标的影响,第十七页，共68页。,无烟煤与焦粉相比孔隙率小得多，因此同样的重量时，在混合料中的体积就较小，降低了烧结料层的透气性。同时无烟煤反应性较差，因而导致垂直烧结速度下降。在同样用量和同样粒度时，无烟煤的总颗粒数小于焦粉，在料层中无烟煤颗粒之间距离增大，也使烧结矿质量恶化。,要保证烧结矿的产量和质量，使用无烟煤代替焦粉时，必须适当增加固体燃料的用量和适当降低其平均粒度，与此同时还应设法改善料层透气性。,若采用挥发分较高的煤(1040)，因为挥发物在150700温度下的预热带就从煤中分解出来，不可能燃烧(rnsho)而进入废气，与废气一起进入抽风除尘系统，而在管道壁、排灰阀、除尘器，以及抽风机的内壁和转子的叶片上沉积下来，危及和妨害整个抽风系统的正常工作。,因此焦粉和无烟煤中的挥发分含量，不应超过5。,第十八页，共68页。,图49 焦、煤对比(dub)(韶钢试验),第十九页，共68页。,在烧结过程中，氧化物的再结晶，高价氧化物的还原和分解，低价氧化物的氧化物的氧化,液相生成数量，烧结矿的矿物组成及烧结矿的宏观和微观结构等，在很大程度上取决于燃料的用量，对不同种类(zhngli)的矿石，烧结最适宜的燃料用量亦不同；,燃料用量增加，烧结矿FeO的含量也增加，烧结矿的还原性下降（图410）。,图410 FeO对RI（JIS还原(hun yun)性）,RDI（JIS还原(hun yun)粉化）的影响,第二十页，共68页。,燃料用量对烧结矿结构的影响：含碳量少时，烧结矿微观结构发达，随着含碳量的增加，烧结矿逐渐发展成为薄壁结构；而且沿料层高度也有变化，上部微孔多，而下部多为大孔薄壁结构。,最适宜的燃料用量应保证所获得的烧结矿具有足够的强度和良好的还原性。通常在磁铁矿烧结过程中，由于Fe3O4氧化放热，需求的燃料用量小些，赤铁矿则缺乏氧化时的热收入，故燃料用量要高些，对于菱铁矿和褐铁矿则因为碳酸盐和氢氧化物(qn yn hu w)的分解需要消耗热量，一般则要求更高的燃料用量。对于具体的矿石原料最适宜的燃料用量需由试验确定。,第二十一页，共68页。,图411 焦粉用量影响（韶钢试验(shyn)，低硅烧结）,第二十二页，共68页。,燃料分加能减小制粒混合(hnh)料中的焦粉含量，有利于混合(hnh)料制粒小球的形成与长大，减少焦粉被混合(hnh)料包裹，提高焦粉的燃烧效率，从而改善烧结混合(hnh)料的透气性和烧结过程透气性，改善烧结料层的气体动力学特征，提高烧结速度。,图412 燃料(rnlio)分加(韶钢试验),第二十三页，共68页。,4.2.5 烧结层的温度分布,4.2.5.1 料层温度的变化,（1）当热风达到某一料层时，假定料层为室温的含水料层，这时，料温逐渐上升至露点温度，水分蒸发，温度不变；,（2）水分蒸发完后，料温继续上升，由于烧结料的热容量较小，温度上升很快，到700左右，燃料着火，料温迅速升高。,（3）由于料温与热风温度差的减少，渣化反应、熔化的吸热，温度上升速度(sd)降低，料温缓慢升高达到最高温度。,（4）燃烧结束，料层温度开始降低，冷却之初，温差较大，降温较快，随着温差的减小，降温速度(sd)慢慢降低。,第二十四页，共68页。,4.2.5.2 沿料层高度的温度分布,烧结料层中温度分布的特点为：,（1）由低温到高温，然后又从高温迅速下降到低温的典型温度分布曲线，在燃烧带有最高点；,（2）燃烧带下部的热交换是在一个很窄的干燥、预热带完成的，它的高度一般(ybn)小于50mm；,（3）燃烧带下移时，最高温度升高，高温保持时间延长。,图413 沿料层高度的温度分布,a刚点火毕；b点火终了后12分钟；c开始烧结(shoji)后8l0分钟；d烧结(shoji)终了前；,1燃烧带；2 预热、干燥带；3水分冷凝带；4铺底料；5烧结(shoji)矿带,第二十五页，共68页。,图414 实验室烧结过程废气温度(wnd)的变化,第二十六页，共68页。,4.2.5.3 影响料层温度的因素,“料层自动蓄热”，是由于上层物料对下层物料的加热(传导、辐射)和上层物料对通过下层物料的气流(qli)预热，使下层物料获得更多的热量，越是接近料层底部，料层积蓄的热量越多，料层的最高温度越高。,图415 燃料用量对各料层,最高温度(wnd)的影响,图416 沿料层高度自上而下,蓄热量(rling)的增加,第二十七页，共68页。,图417 烧结料粒度对料层各水平面,最高温度(wnd)的影响,烧结料粒度：曲线1，2，3分别为,图418 燃料(rnlio)粒度对料层中,最高温度的影响,燃料(rnlio)粒度：曲线101mm；,曲线236mm,第二十八页，共68页。,4.2.6 烧结过程传热规律及应用,垂直烧结速度：般指燃烧带中温度最高点移动速度。,燃烧速度：单位时间内碳与氧反应所消耗碳的重量。,传热速度：指气固相间的热交换速度。,前沿(qinyn)速度：各带的推进速度，Ew沃依斯(Voice)定名为前沿(qinyn)速度。,燃烧速度与传热速度的关系：,在烧结过程中，当传热速度相对慢于燃烧速度时，料层上部的大量热量不能完全用於下部燃料的燃烧，也不能有效地传给下部的混合料，因此高温带温度降低。这时高温区的移动速度决定於传热速度。,当传热速度相对地快于燃烧速度时，高温带的最高温度也不够高，高温带的移动速度则决定于燃烧速度。,因此，在烧结过程中要求这两种速度能够很好配合，即能“同步”进行”。,第二十九页，共68页。,主要影响因素：,（1）燃料用量与燃料粒度：用量少，粒度细，燃烧性好，燃烧速度快。,（2）料层气流速度的影响。,传热速度与气流速度的0.81.0次方成正比；,燃烧速度与气流速度的0.5次方成正比。,当通过料层的气流速度增加到极限时，就可能出现燃烧速度落后于传热速度的现象，即火焰前沿的移动速度落后于热波前沿移动速度的现象。,烧结过程不仅要求燃烧速度和传热速度同步(tngb)，而且烧结料层各带的推进速度也要求协调一致，同步(tngb)前进。如果某一反应层的推进受到阻碍，烧结过程就可能遭到破坏。,第三十页，共68页。,传热前沿速度受下列因素影响：,气体(qt)速度较大，传热前沿速度较大；,气体(qt)密度较大，传热前沿速度较大；,气体(qt)比热较大，传热前沿速度较大；,固体料堆密度大、比热容较大，则传热前沿速度较小；,固体料层水分较多、碳酸盐较多、料层孔隙率较小，则传热前沿速度较小。,燃烧前沿速度主要受下列因素所制约(zhyu)：,空气中含氧量越大，燃烧前沿速度越大；,固体燃料的可燃性越好、粒度越小，燃烧前沿速度越大；,固体燃料用量与燃烧前沿速度间的关系有极大值；,增加风量会使燃烧前沿速度加快。,第三十一页，共68页。,在一般情况下传热前沿速度和燃烧前沿速度在数量上是不相同的。在配碳正常或稍高的情况下，碳的燃烧速度决定了烧结过程的总速度。“燃烧前沿”的移动速度往往落后于“传热前沿”的移动速度，这种烧结制度由于氧供应不足，即使焦粒已经加热到燃点也不会燃烧。应采用富氧加速燃烧，或用压力烧结促使燃烧前沿速度加快，从而使整个烧结过程加快。倘若配碳较低，剩余氧很大，在此情况下加热到燃点的焦粉剧烈燃烧，燃烧前沿移动速度大。因此烧结过程的总速度决定于传热前沿速度。例如烧结含硫矿石时，传热前沿移动速度慢于燃烧前沿速度，因此可提高气体热容量，改善透气性，增加气流速度，从而加速烧结过程。,使用焦粉或无烟煤作燃料，并且使用空气进行烧结生产时，料层中的传热和燃烧前沿速度大体上是协调的。但对不同的原料和操作条件还需要作具体的研究.并通过(tnggu)调整，使两种速度尽可能同步，从而得到最优操作参数。,第三十二页，共68页。,4.3 水分在烧结(shoji)过程中的作用与行为,4.3.1 烧结料中的水分的来源,a.物料原始含水;,b.制粒添加的水;,c.空气中带入的水;,d.褐铁矿等的化合水;,e.燃料中氢燃烧时生成的水。,4.3.2 水分在烧结过程中的作用,（1）制粒作用,烧结混合料加入适当的水分，由于水在混合料粒子(lz)间产生毛细力，在混合料的滚动过程中互相接触而靠紧，制成小球粒，以改善料层的透气性。,第三十三页，共68页。,（2）导热作用,由于烧结料中有水分存在，改善了烧结料的导热性(水的导热系数为130400kJ/hh)，料层中的热交换条件十分良好，这就有利于使燃烧带限制在较窄的范围内，减少了烧结过程中料层的阻力，同时保证(bozhng)了在燃料消耗较少的情况下获得必要的高温。,（3）润滑作用,水分子覆盖在矿粉颗粒表面，起类似润滑剂的作用，降低表面粗糙度，减少气流阻力。,（4）助燃作用,固体燃料在完全干燥的混合料中燃烧缓慢，因为根据CO和C的链式燃烧机理，要求火焰中有一定含量的H和OH，所以混合料中适当加湿，在一切情况下都是必要的。（水煤气反应：CH2O=H2+CO）,第三十四页，共68页。,4.3.3 水分的蒸发与冷凝,4.3.3.1 水分的蒸发,水分在烧结过程中的蒸发可以分为以下几个阶段：,(1)预热阶段 当热气体与湿料接触时，在一段很短时间内，蒸发过程进行得较为缓慢，物料含水量没有(mi yu)多大变化，但物料温度却有了明显的升高，在这段期间内，热量主要消耗于预热混合料，直至传给物料的热量与用于汽化的热量之间达到平衡为止，这段时期通常称为“预热阶段”。,(2)等速干燥阶段 物料达到蒸发平衡的温度时，物料中的水分直线规律发生变化，水分以等速进行蒸发，这段时期通常称为“等速干燥阶段”，其特征在于物料表面上的蒸汽压可以认为等于纯液面上的蒸汽压，而与物料的湿度无关。这个阶段持续到物料达到所谓“临界湿度”为止。,第三十五页，共68页。,(3)降速干燥阶段 在达到临界湿度以后就进入“降速干燥阶段”，干燥速度逐渐变小，而物料逐渐被加热，气体(qt)与物料温度差较小。当达到所谓“平衡湿度”时，即气体(qt)中蒸汽分压与物料表面水的饱和蒸汽压达到平衡时，干燥速度等于零。,图419 在稳定条件(tiojin)下,干燥特性曲线,图420 在稳定(wndng)条件下,混合料含水率和温度的变化,第三十六页，共68页。,4.3.3.2 水汽的冷凝,从干燥带带下来的废气，其中含有较多的水汽，由于废气温度进一步降低，致使其水蒸气分压(Pc)大于物料表面上的饱和蒸汽压(Ps)；废气中的水汽再次返回到物料中，即在物料表面冷凝下来，导致烧结料层中部分物料超过原始水分，而形成所谓(suwi)“过湿带”。,湿空气中的水汽开始在料面冷凝的温度称为“露点”，即水汽分压（Pc）的湿空气在露点温度下达到饱和状态(Ps)。烧结废气的露点约为60左右。,第三十七页，共68页。,图421 烧结(shoji)废气曲线,图422 料层中最初(zuch)2min,温度变化曲线,第三十八页，共68页。,（1）提高烧结混合料的原始温度(wnd)；,预热混合料的方法有：,a.热返矿预热混合料;,b.蒸汽预热混合料;,（2）提高烧结混合料的湿容量；,（3）降低废气中的含水量。,第三十九页，共68页。,4.4 固体物料(w lio)的分解,固体物料的分解反应，可以(ky)以下式表示：,AB固=A固+B气,其分解的难易程度，用反应的分解压表示，分解压越高，则固体物料越容易分解。分解反应是吸热反应，因此，温度越高，固体物料的分解压越高，固体物料越容易分解。,当固体物料的分解压等于环境中对应气体的分压时，固体物料开始分解，其对应温度称为“开始分解温度”；,当固体物料的分解压等于环境中对应气体的总压时，固体物料开始剧烈分解，其对应温度称为“沸腾分解温度”。,第四十页，共68页。,表41 结晶水开始分解(fnji)的温度及分解(fnji)后的固体产物,原 始 相,分解产物,开始分解温度,原 始 相,分解产物,开始分解温度,水赤铁矿,2Fe,2,O,3,H,2,O,赤铁矿Fe,2,O,3,150-200,高岭土,A1,2,O,3,2SiO,2,2H,2,O,偏高岭土Al,2,O,3,2SiO,2,2H,2,O,400-500,褐铁矿,2Fe,2,O,3,3H,2,O,(H,2,O在-FeO,OH的固溶体),针铁矿 Fe,2,O,3,H,2,O,(-FeO,OH),120140,拜 来 石,(Fe，A1),2,O,3,3SiO,2,2H,2,O,550-575,针铁矿 Fe,2,O,3,H,2,O,(-FeO,OH),赤铁矿Fe,2,O,3,190328,皂 土,( Mg，Ca)O,2,.A1,2,O,3,4SiO,2,nH,2,O,5080,50,针铁矿 Fe,2,O,3,H,2,O,(-FeO,OH),磁性赤铁矿,-Fe,2,O,3,260328,石 膏,CaSO,4,2H,2,O,半水硫酸钙,CaSO,4,0.5H,2,O,120,水锰矿 MnO,2,Mn(OH),2,(MnO.OH),褐锰矿Mn,3,O,3,300360,半水硫酸钙,CaSO,4,0.5H,2,O,硬石膏 CaSO,4,170,水铝矿 A1(OH),3,单水铝矿,A1O(OH),390340,臭 葱 石,FeAsO,4,3H,2,O,100250,单水铝矿 -AlO(OH),刚玉(立方) A1,2,O,3,490550,鳞绿泥石,8FeO,4(AI，Fe),z,O,3,6SiO,2,9H,2,O,410,硬水铝矿 -A1O(OH),刚玉(三斜) -A1,2,O,3,450500,缅绿泥石,15(Fe，Mg)O,5Al,2,O,3,16H,2,O,390,4.4.1 结晶水的分解(fnji),第四十一页，共68页。,4.4.2 碳酸盐的分解,碳酸盐分解反应的通式可写为：,MeCO3 MeO CO2 ,不同碳酸盐的稳定性顺序为：ZnCO3MnCO3PbCO3FeCO3MgCO3CaCO3BaCO3Na2CO3；,当在大气中焙烧碳酸盐时，烧结(shoji)中常见碳酸盐的开始分解温度和沸腾分解温度如下：,CaCO3：开始分解温度为530，沸腾分解温度910；,MgCO3：开始分解温度为320，沸腾分解温度680；,FeCO3：开始分解温度为230，沸腾分解温度400。,因此，这些矿物在烧结(shoji)料层内部都不难分解，一般在烧结(shoji)预热带即可完成，石灰石的分解，主要在燃烧带进行。,第四十二页，共68页。,在烧结过程中CaCO3分解为CaO后，必须(bx)与SiO2、Fe2O3等进行化合反应，称为CaO的矿化。如果烧结矿中有游离的CaO存在，则遇水消化，体积增大一倍，烧结矿会因内应力而粉碎。,氧化钙的矿化度用下式表示：,KH=( CaO总- CaO游- CaO残)/ CaO总100%,式中:,CaO总混合料或烧结矿中以不同形式存在的CaO总含量，%;,CaO游烧结矿中游离CaO含量，%；,CaO残烧结矿中以CaCO3形式残存的CaO总含量，%；,KHCaO的矿化度，%。,降低石灰石粒度、提高烧结温度或降低烧结矿碱度均可提高CaO的矿化度。,第四十三页，共68页。,4.4.3 氧化物的分解,氧化物如MO2的分解可表示为：,MO2(s)=M(s)+O2,金属氧化物能否分解和分解的难易程度，取决于它们的分解压与环境中氧的分解压的关系(gun x)。,当某一温度下氧化物的分解压PO2大于环境中的分解压PO2时该氧化物就发生分解；反之，若该氧化物的分解压PO2小于环境中氧的分解压PO2时，则被环境中的氧所氧化。,氧化物的分解压随温度升高而升高。但绝大多数金属氧化物的分解压在一般冶炼温度(14001700)下都是比较小的，远小于大气的氧分压，所以仅用热分解的方法是难以得到金属的。,同一金属中高价氧化物的分解压高，低价氧化物的分解压低。,第四十四页，共68页。,图423 氧化物的分解(fnji)压与温度的关系,第四十五页，共68页。,铁有几种氧化物，它们的分解是逐级进行的，但是，FeO仅在570以上才能在热力学上稳定存在，570以下要转变成Fe3O4，所以(suy)氧化铁的分解以570为界，在570以上，分为三步进行：,6Fe2O34Fe3O4+O2,2Fe3O46FeO+O2,2FeO2Fe+O2,在570以下分二步进行：,6Fe2O34Fe3O4+O2,1/2Fe3O43/2Fe+O2,图4-24 氧化铁分解(fnji)压与温度的关系,类似(li s)的，锰氧化合物的逐级分解过程为： MnO2Mn2O3Mn3O4MnOMn,第四十六页，共68页。,4.5 铁氧化物的还原(hun yun)与氧化,4.5.1 铁氧化物的还原,在烧结过程(guchng)中，铁氧化物可能为CO所还原，铁的还原反应是逐级进行的：,570时 Fe2O3Fe3O4FeOFe,570时 Fe2O3Fe3O4Fe,其还原反应为：,Fe2O3的还原 用CO还原Fe2O3的反应为：,3Fe2O3+CO2Fe3O4+CO2,Fe3O4的还原 Fe3O4还原在高温与低温有不同的反应。,当温度高于570时，反应为：Fe3O4+CO3FeO+CO2,当温度低于570时，反应为：1/4Fe3O4+CO3/4Fe+CO2,FeO的还原反应为：FeO+COFe+CO2,第四十七页，共68页。,图425 CO还原铁氧化物的平衡气相组成(z chn)与温度的关系,第四十八页，共68页。,4.5.2 铁氧化物的氧化,氧化度:矿石或烧结矿中与铁结合的实际氧量与假定全部铁(TFe)为三价铁时结合的氧量之比。其计算式为：,1w(FeFeO)/3w(TFe) 100,式中： 烧结矿的氧化度，；,w(FeFeO)烧结矿中以FeO形态(xngti)存在的铁量，；,w(TFe)烧结矿中的全部铁量， ；,影响烧结矿氧化度的主要因素：,（1）燃料用量；,（2）烧结矿碱度；,（3）燃料及矿粉粒度。,第四十九页，共68页。,4.6 有害杂质(zzh)的去除,4.6.1 烧结过程脱硫,铁矿石中的硫化物和硫酸盐，及焦粉中的单质硫。,硫化物：氧化、分解(fnji)；,硫酸盐：分解(fnji)；,单质硫：氧化。,（1）矿粉粒度及性质；,（2）烧结矿碱度和添加物的性质；,（3）燃料用量和性质；,（4）返矿的数量。,第五十页，共68页。,4.7 烧结(shoji)料层中的气流运动,4.7.1 烧结抽风量与烧结生产率的关系,烧结生产率：q60Fk,式中：q烧结机的生产率，t/（台时）；,k烧结矿的成品率，；,烧结矿的堆密度，t/m3;,垂直烧结速度，/min;,F烧结机的有效抽风面积，。,在抽风能力一定的情况(qngkung)下，改善烧结料层的透气性，能提高烧结生产率。,第五十一页，共68页。,4.7.2 料层透气性及其影响因素,透气性：指固体散料层允许(ynx)气体通过的难易程度，即料层对气体通过的阻力的大小。,表示方法有两种：,(1)在一定的压差(真空度)条件下，透气性用单位时间内通过单位面积和一定料层高度的气体量来表示，即：,GQ/(tF),式中：G透气性，m3/m2min；,Q气体流量，m3；,t时间，min；,F抽风面积，m2。,显然，当抽风面积和料层高度一定时，单位时间内通过料层的空气量愈大，则表明料层对气体通过的阻力小，烧结料层的透气性愈好。,第五十二页，共68页。,(2)在一定料层高度，且抽风量不变的情况下，料层透气性可以用气体通过(tnggu)料层时压头损失p表示。压头损失愈高，则料层透气性愈差，反之亦然。,透气性指数(zhsh)（Voice）：,式中：P料层的透气性指数；,Q通过料层的风量，m3/min；,F抽风面积，m2；,h料层高度，m；,p负压，Pa。,料层的透气性指数是指在单位压力梯度下单位面积上通过的气体流量，因而它是表示料层透气性的一种指标，其计量单位采用米制单位时叫JPU。透气性越好，即JPU指数高，气流越容易通过料层。,公式中的值，由于流动(lidng)状态不同，其值是变化的。对于烧结工艺一般取n0.6。,第五十三页，共68页。,改善烧结料层透气性的途径(tjng)：,（1）加强烧结原料准备,加强烧结原料准备的目的在于改进混合料粒度和粒度组成，可通过向混合料中配加富矿粉或添加适量的、具有一定粒度组成的返矿。,（2）强化制粒,a.控制混合制粒水分；,b.添加粘结剂或添加剂；,c.完善制粒工艺及设备参数。,（3）强化烧结操作,a.提高抽风机的能力，减少烧结机漏风率;,b.预热烧结混合料，控制燃烧带的厚度。,第五十四页，共68页。,4.8 烧结(shoji)过程的成矿机理,4.8.1 固相反应,固相反应是指物料在没有熔化之前，两种固体在它们的接触界面上发生的化学反应，反应产物也是固体。,固相反应特点：,（1）开始进行固相反应的温度远低于反应物的熔点或它们的低共熔点；,（2）固相反应只能是放热的化学反应；,（3）两种物质间反应的最初产物，只能是一种结晶构造最简单的化合物；,（4）固相反应速度取决于温度：其速度随着温度的提高而加速；,（5）固相反应速度与反应物颗粒大小成反比；,（6）固相反应速度较慢，只局限于颗粒间的接触面发生位移(wiy)，其传递过程的速度小于溶液内化学反应速度。,第五十五页，共68页。,固相反应在烧结过程中的作用,在烧结过程中固体燃料产生的废气加热了烧结料，为固相反应创造(chungzo)了有利条件。在烧结料部分或全部熔化以前，料中每一颗粒相互位置是不变的，因此，每个颗粒仅仅与它直接接触的颗粒发生反应。,图426 烧结(shoji)混合料中各组分相互作用示意图,第五十六页，共68页。,(3)烧结料层中一般空气过剩系数较高(常为1.,因此，在烧结过程中要求这两种速度能够很好配合，即能“同步”进行”。,表层厚度一般为4050，只有在烧结机点火器采取保温措施才能改善其表层强度。,2CO22CO,燃料中氢燃烧时生成的水。,2中间区，由5090%磁铁矿、1015%钙铁橄榄石和玻璃质组成；,第二十五页，共68页。,图414 实验室烧结过程废气温度(wnd)的变化,图423 氧化物的分解(fnji)压与温度的关系,图428 单元烧结体形成示意图,氧气(yngq)向固体碳表面扩散迁移的速率：,k烧结矿的成品率，；,该带影响烧结透气性，破坏已造好的混合料小球，解决的办法是预热混合料。,倘若配碳较低，剩余氧很大，在此情况下加热到燃点的焦粉剧烈燃烧，燃烧前沿移动速度大。,第四十二页，共68页。,即过湿带，因为上层高温废气中带入较多的水气，进入下层冷料时水分析出而形成水分冷凝带。,4.8.2 液相的形成(xngchng),表42 烧结(shoji)料形成的易熔化合物及共熔混合物,系 统,液相特性,熔化温度,SiO,2,FeO,2FeO,SiO,2,1205,SiO,2,FeO,2 FeO,SiO,2, SiO,2,共晶混合物,1178,SiO,2,FeO,2 FeO,SiO,2,FeO共晶混合物,1177,Fe,3,O,4,2FeO,SiO,2,2 FeO,SiO,2,Fe,3,O,4,共晶混合物,1142,MnO,SiO,2,2MnO,SiO,2,异分熔化点,1323,MnOMn,2,O,3,SiO,2,MnOMn,2,O,3,2 FeO,SiO,2,共晶混合物,1303,2 FeO,SiO,2,2CaO,SiO,2,钙铁橄榄石CaO,x,FeO,2x,SiO,2,x0.19,1150,CaO,Fe,2,O,3,CaO,Fe,2,O,3,液相2 CaO,Fe,2,O,3,(异分熔化点),1126,CaO,Fe,2,O,3,CaO,Fe,2,O,3,CaO,2 Fe,2,O,3,共晶混合物,1200,2 CaO,SiO,2,FeO,2 CaO,SiO,2,FeO共晶混合物,1280,FeOFe,2,O,3,CaO,(18% CaO+82% FeO)2 CaO,Fe,2,O,3,固熔体共晶混合物,1140,Fe,3,O,4,Fe,2,O,3,CaO,Fe,2,O,3,Fe,3,O,4,CaO,Fe,2,O,3,；Fe,3,O,4,2CaO,Fe,2,O,3,1180,Fe,2,O,3,CaO,SiO,2,2 CaO,SiO,2,CaO,Fe,2,O,3,CaO,2 Fe,2,O,3,(共晶混合物),1192,第五十七页，共68页。,由于烧结原料粒度较粗，微观结构不均匀，而且反应时间短，从500加热到1500通常不大于3min。因此，反应体系为不均匀体系，液相反应达不到平衡状态，液相形成过程如下：,(1)初生液相：在固相反应所生成的原先不存在的新生的低熔点化合物处，随着温度升高而首先出现初期液相。,(2)低熔点化合物加速形成：这是由于温度升高和初期液相的促进作用，在熔化时部分分解成简单化合物，部分熔化成液相。,(3)液相扩展：使烧结料中高熔点矿物熔点降低，大颗粒矿粉周边被熔融，形成低共熔混合物液相。,(4)液相反应：液相中的成分在高温下进行置换、氧化还原反应，液相产生气泡，推动碳粒到气流中燃烧。,(5)液相同化(tnghu)：通过液相的粘性和塑性流动传热，使烧结过程温度和成分均匀化，趋近于相图上稳定的成分位置。,第五十八页，共68页。,液相形成在烧结过程中的作用：,(1)液相是烧结矿的粘结相，将未熔的固体颗粒粘结成块，保证烧结矿具有一定的强度；,(2)液相具有一定的流动性，可进行粘性或塑性流动传热，使高温熔融带的温度和成分均匀，液相反应后的烧结矿化学成分均匀化；,(3)液相保证固体燃料完全燃烧，大部分固体燃料是在液相形成后燃烧完毕的，液相的数量和粘度应能保证燃料不断地显露到氧位较高的气流孔道附近，在较短时间内燃烧完毕；,(4)液相能润湿未熔的矿粒表面(biomin)，产生一定的表面(biomin)张力将矿粒拉紧，使其冷凝后具有强度；,(5)从液相中形成并析出烧结料中所没有的新生矿物，这种新生矿物有利于改善烧结矿的强度和还原性。,液相生成量多少为佳的定量结论，有待进一步研究，一般应有5070%的固体颗粒不熔，以保证高温带的透气性。而且要求液相粘度低和具有良好的润湿性。,第五十九页，共68页。,4.8.3 液相的冷凝与结晶,烧结料中的液相，在抽风过程中冷凝，从液相中先后析出晶质和非晶质，最后使物料固结，而形成烧结矿。,高熔点的铁氧化物(Fe3O4、Fe2O3)在冷却时首先析出；其次，它们周围是低熔点化合物和共晶混合物析出，质点从液态的无序排列过渡到固态的有序排列，体系(tx)自由能降低到趋于稳定状态。由于冷却速度快，结晶能力差的矿物就以非晶质(亦称玻璃相)存在。,2.冷凝过程,在结晶过程的同时，液相逐渐消失，形成疏松多孔、略有塑性的烧结矿层，由于抽风使烧结矿以不同的冷却速度(或冷却强度)降温，一般上层120130min，下层为4050min，差别甚大，不仅有物理化学反应，而且还有内应力的产生。,第六十页，共68页。,4.9 烧结矿的矿物组成、结构(jigu)及性质对其质量的影响,4.9.1 烧结矿中矿物组成和结构(jigu)及其性质,1.烧结矿的矿物组成,烧结矿是一种多种矿物组成的复合物，它是由含铁矿物和脉石矿物及由它们形成的液相粘结而成，矿物组成随原料及烧结工艺条件不同而异。一般说来，铁矿石烧结矿的矿物组成为：,(1)含铁矿物 磁铁矿(Fe3O4)、赤铁矿(Fe2O3)、浮氏体(FexO),(2)粘结相矿物 一般有以下几种：铁橄榄石(2FeOSiO2)，钙铁橄榄石CaOxFeO2xSiO2 (x0.251.5)，铁酸钙(CaO Fe2O3、2CaO Fe2O3、CaO2Fe2O3)。,(3)其它硅酸盐 正硅酸钙(2CaOSiO2碱度1.0)、硅灰石(CaO SiO2碱度1.01.2)、硅酸三钙(3CaO SiO2高碱度生成)。,第六十一页，共68页。,2.烧结矿的矿物(kungw)结构,图427 碱度为1.1的现场烧结矿的结构(八个单元(dnyun)烧结体),1边缘区，由9695%磁铁矿和510%钙铁橄榄石和玻璃质组成；,2中间区，由5090%磁铁矿、1015%钙铁橄榄石和玻璃质组成；,3中心区，由3050%磁铁矿、5070%钙铁橄榄石和玻璃质组成的硅酸盐“湖”；,4原生赤铁矿；,5大气孔,(1)宏观(hnggun)结构,第六十二页，共68页。,图428 单元烧结体形成示意图,(a)在烧结料中的燃料颗粒；,(b)燃烧开始；,(c)、(d)燃烧体周围生成液滴和产生(chnshng)收缩；,(e)燃烧体边缘开始结晶；,(f)中心区结晶后的烧结体。,第六十三页，共68页。,用肉眼来判断烧结矿孔隙的大小，孔隙分布及孔壁的厚薄。可分为(fn wi)：,粗孔蜂窝状结构。有熔融的光滑表面，由于燃料用量大，液相生成量多；燃料用量更高时，则成为气孔度很小的石头状体。,微孔海绵状结构。燃料用量适量，液相量为30%左右，液相粘度较大，这种结构强度高，还原性好。若粘度小时则易形成强度低的粗孔结构。,松散状结构。燃料用量低、液相数量少，烧结料颗粒仅点接触粘结，故烧结矿强度低。,第六十四页，共68页。,(2)微观结构,粒状结构。烧结矿中含铁矿物晶粒与粘结相矿物晶粒互相结合成粒状结构，分布均匀，强度较好。,斑状结构。烧结矿中含铁矿物呈斑晶状与细粒的粘结相矿物或玻璃相相互结合成斑状结构，强度也较好。,骸晶结构。早期结晶(jijng)的含铁矿物晶粒发育不完善，只形成骨架，其内部常为硅酸盐粘结相充填于其中，可以看到含铁矿物结晶(jijng)外形和边缘呈骸晶结构。,丹点状的共晶结构。含铁矿物呈圆点状分布于粘结相矿物中，例如Fe3O4CFS共晶部分形成的结构。,熔融结构。含铁矿物被粘结相所熔融。成它形晶。例如高碱度烧结矿中的Fe2O3被CF熔融，含铁矿物与粘结相接触密切，强度很好。,交织结构。含铁矿物与粘结相矿物彼此发展或者交织构成，此种结构的烧结矿强度最好。,第六十五页，共68页。,4.9.2 烧结矿的矿物组成和结构对其质量的影响,1. 对机械强度的影响,影响机械强度的因素有：,(1)各种矿物成分(chng fn)自身的强度 ；,(2)烧结矿冷凝结晶的内应力 ；,(3)烧结矿中气孔的大小和分布 ；,(4)烧结矿中组分多少和组织的均匀度。,2. 对还原性的影响,影响还原性能的因素为：,(1)各组成矿物的自身还原性 ；,(2)气孔率、气孔大小与性质 ；,(3)矿物晶粒的大小和晶格能的高低 。,第六十六页，共68页。,4.9.3 影响烧结矿矿物组成和结构的因素(yn s),(1)铁矿中SiO2的含量,(2)MgO的影响,(3)A12O3的影响,(4)配加少量的含磷矿物,(5)不同Fe2O3种类的影响,第六十七页，共68页。,本 章 结 束 ！,第六十八页，共68页。,