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1、第五章 烧结过程物理化学原理 5.1 水分在烧结过程中的行为与作用 5.2 烧结过程中固体物料的分解 5.3 烧结过程中氧化物的还原及氧化 5.4 烧结过程中杂质元素的脱除 5.1 水分在烧结过程中的行为与作用 主要是矿石、熔剂、燃料在转运和处理过程中渗入 的吸湿水; 混合料混匀制粒时加入的水; 燃料中炭氢化合物燃烧产物中的水汽; 以及空气中带入的水蒸气; 此外还有混合料矿物中分解的化合水 （一）烧结料层中水分的来源 5.1 水分在烧结过程中的行为与作用 制粒作用 以改善料层的透气性。 导热作用 改善了烧结料的导热性(水的导热系 数为130400KJm2.h.，而矿石 的导热系数为0.60kJ
2、m2.h.)。 润滑作用 降低表明粗糙度，减少气流阻力。 助燃作用 C和CO的链式燃烧要求火焰中有一 定含量的H和OH根 （二）烧结料层中水分的作用 5.1 水分在烧结过程中的行为与作用 磁铁矿为主：69%。 富矿粉（赤铁矿）为主：910% 褐铁矿为主：1214%，有的高达20%左右。 （三）烧结料层中适宜的水分用量 适宜水分用量混合料成球率最高透气性最好 由实验或经验来确定 一般大部分在：69.5%之间 化学结合水化学结合水 水分与物料的离子型结合和结晶型分子结合（结水分与物料的离子型结合和结晶型分子结合（结 晶水），结晶水的脱除必将引起晶体的崩溃；晶水），结晶水的脱除必将引起晶体的崩溃；
3、物理结合水物理结合水 包括吸附、渗透和结构水分，包括吸附、渗透和结构水分， 机械结合水机械结合水 毛细管水、湿润水分、孔隙水份毛细管水、湿润水分、孔隙水份 5.1 水分在烧结过程中的行为与作用 结合水（包括化学水以及毛细管水）较难以除去；结合水（包括化学水以及毛细管水）较难以除去； 而非结合水（物料表面的湿润水分和孔隙水份）较而非结合水（物料表面的湿润水分和孔隙水份）较 容易除去容易除去 5.1 水分在烧结过程中的行为与作用 平衡水分：平衡水分： 当一种物料与一定温度及湿度的空气接触时，物料势必会放当一种物料与一定温度及湿度的空气接触时，物料势必会放 出或吸收一定量的水分，物料的含水量会趋于一
4、定值。此时出或吸收一定量的水分，物料的含水量会趋于一定值。此时 ，物料的含水量称为该空气状态下的平衡水分。，物料的含水量称为该空气状态下的平衡水分。 平衡水分代表物料在一定空气状态下的干燥极限，即用热空平衡水分代表物料在一定空气状态下的干燥极限，即用热空 气干燥法，平衡水分是不能去除的气干燥法，平衡水分是不能去除的 5.1 水分在烧结过程中的行为与作用 （四）烧结料层中水分的蒸发 干燥介质具有恒定的温度和相对湿度时，物料干燥 速度、蒸发水分量、及表面温度随时间变化关系 加热 阶段 等速干 燥阶段 降速干 燥阶段 平衡 阶段 5.1 水分在烧结过程中的行为与作用 （四）烧结料层中水分的蒸发 在曲
5、线左边不 能进行干燥反 而吸湿。 （五）水分的冷凝 烧结过程水汽的冷凝现象 5.1 水分在烧结过程中的行为与作用 由于废气一步降低，致使其水蒸气分压(Pg)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“过湿带”。 烧结废气的露点约60左右。 废气冷 凝放热 （六）消除烧结料过湿带的主要措施 （1）提高烧结混合料的原始温度 （2）提高烧结混合料的湿容量，即减少过湿带的有害影响 （3）降低废气中的含水量 5.1 水分在烧结过程中的行为与作用 （1）返矿预热混合料 （2）蒸汽预热混合料 （3）生石灰预热混合料
6、 大于露点温度 5.2 烧结过程中固体物料的分解 （一）化合水的分解 化合水的存在形态 （1）以结晶水形式存在，水分的结构以OH形式 存在，与矿物形成氢键，脱除温度较高，如针铁矿 （Fe2O3.H2O）。 （2）以固溶体形式存在，以中性分子存在，在 100200可以脱除（如褐铁矿）。 分解温度见表5-1 5.2 烧结过程中固体物料的分解 （二）碳酸盐的分解 CaCO3 MgCO3 FeCO3 MnCO3 化学沸腾 分解温度 生成 区 分解 区 平 衡 线 分 解 热 力 学 5.2 烧结过程中固体物料的分解 （二）碳酸盐的分解 分 解 动 力 学 界面结晶化学反应控制 扩散反应控制 碳酸盐分解
7、的限制环节是和其所在的条件（温度 、气流速度、孔隙度和粒度）有关 5.2 烧结过程中固体物料的分解 （二）碳酸盐的分解 分 解 产 物 的 矿 化 与烧结温度，石灰石和矿石粒度，碱 度或矿石与熔剂的比例等有关 5.2 烧结过程中固体物料的分解 （三）氧化物的分解 当Po2Po2 G0，氧化物分解； 当Po2Po2 G0，氧化物生成； 当Po2=Po2 G=0， 体系趋于平衡； 5.2 烧结过程中固体物料的分解 （三）氧化物的分解 （1）铁氧化物 （2）锰氧化物 570以下时，Fe-O体系的转变为： Fe Fe3O4Fe2O3 ； 570以上时，Fe-O体系的转变为： Fe FeO Fe3O4F
8、e2O3 MnO2 Mn2O3 Mn3O4 MnO Mn 5.3 烧结过程中氧化物的还原及氧化 （一）铁氧化物的还原 （1）标准状态下还原反应的热力学条件 MO+N=M+NO 利用氧势图进行分析，凡位于下图 下面的元素，都能够还原在它上面 的一些元素的氧化物。 在氧势图上CO的生成自由能曲线与众不同的走向 ，使C成为“可能”的还原剂。即只要有足够高的温 度，任何氧化物都可被C还原。 5.3 烧结过程中氧化物的还原及氧化 （一）铁氧化物的还原 （2） CO对铁氧化物的还原-间接还原 CO还原氧化铁的平衡图 Fe2O3还原反应（1）的平衡成分%CO值很低，并 随温度升高略有升高，为放热反应；Fe3
9、O4还原反应 （2）在570以上曲线向下走，为吸热反应；Fe3O4 在570以下还原反应（4）和FeO还原为Fe(3)皆为 放热反应，温度升高、平衡%CO加大。 3Fe2O3 +CO=2Fe3O4 +CO2 (1) Fe3O4 +CO=3FeO+ CO2 (2) FeO+CO=Fe+ CO2 (3) 1/4 Fe3O4 +CO=3/4Fe+ CO2 (4) 5.3 烧结过程中氧化物的还原及氧化 （一）铁氧化物的还原 （2） C对铁氧化物的还原-直接还原 FeO+CO=Fe+CO2 H0=-13183J + CO2+C=2CO H0=169691J FeO+C=Fe+CO H0=156502J
10、氧化铁直接还原的平衡图 在烧结过程中，极微量的CO就足以使Fe2O3完 全被还原成为Fe3O4。还原反应可以在预热带 进行，特别是在燃料燃烧带进行。 在900以上的高温下，Fe3O4被还原是可能的。 在一般烧结条件下，FeO被还原成Fe是困难的。 5.3 烧结过程中氧化物的还原及氧化 （二）烧结过程中低价铁氧化物的再氧化 氧化度 气相与凝聚相中有氧元素参加的化学反应， 其氧的化学位即为氧位 氧位 气相氧分压或气相成分比值 CO2/CO 5.3 烧结过程中氧化物的还原及氧化 （三）氧化-还原规律在烧结生产中的应用 （1）生产高氧化度烧结矿 适当降低燃料用量； 强化外部供热； 厚料层烧结 采用低温
11、烧结； 生产高碱度烧结矿 （2）生产金属化烧结矿 5.4 烧结过程中杂质元素的脱除 含硫熔体在凝固过程中，逐渐浓聚，最后以Fe-FeS共晶形式凝 固在先结晶边界上，这样就破坏了金属结构的完整性，大大降 低了钢的塑性。在热加工过程中晶粒边界先熔化，出现金属热 脆现象。此外，硫对铸造生铁同样有害，它降低生铁的流动性 及阻止炭化铁的分解，使铸件容易产生气孔和难于切削。 （1）硫对钢质量的危害 要求铁矿石或人造富矿中的含硫量不超过0.070.08，有的甚 至要求不超过0.040.06。 在烧结过程中脱除矿石中极大部分的硫是比较经济的，而且 也是可能的，这就为以后的冶炼过程的高主、优质、低耗创 造有利条件。 （2）硫存在形式 5.4 烧结过程中杂质元素的脱除 以硫化物的形式存在的矿物有：FeS2、CuFeS2、CuS、ZnS和PbS等； 以硫酸盐的形式存在的有BaSO4、CaSO4和MgSO4等。 单质硫：主要是煤带入。 （3）脱除原理 氧化反应 分解反应 3 FeS2+8O2=Fe2O3+6SO2 MeSO4=MeO+SO2+1/2O2 （4）影响因素 5.4 烧结过程中杂质元素的脱除 矿石的物理化学性质。 烧结矿和熔剂添加物的性质 燃料用量和性质 返矿的数量
