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1、烧结物理化学过程烧结过程是许多物理化学变化的综合过程。这个过程不仅错综复杂，而且瞬息万变，在几分钟甚至几秒钟内，烧结料就因强烈的热交换而从70以下被加热到12001400，与此同时， 它还要从固相中产生液相，然后液相又被迅速冷却而凝固。这些物理化学变化包括：1、燃料的燃烧和热交换；2、水分的蒸发及冷凝；3、碳酸盐的分解，燃料中挥发分的挥发；4、铁矿物的氧化、还原与分解；5、硫化物的氧化和去除；6、固相间的反应与液相生成；7、液相的冷却凝结和烧结矿的再氧化等。第一节燃料的燃烧和热交换一、烧结矿生产使用的燃料烧结生产使用的燃料分为点火燃料和烧结燃料两种。1、点火燃料现在烧结使用的点火燃料有气体燃料
2、（高炉煤气、焦炉煤气、发生炉煤气和天然气等）和液体燃料（重油）两种，发生炉煤气在这里不再介绍，因固体燃料已经不再使用，在这里也不做介绍。、气体燃料：、高炉煤气高炉煤气是高炉冶炼时的一种副产品。高炉每炼一吨生铁可以获得35004000 米 3 的高炉煤气。 其成分随冶炼时所采用的燃料种类及高炉操作条件而不同。一般含有大量氮、二氧化碳等气体（约占6370%） 。因此，它的发热量不高，约为8501100千卡 /标米 3（其成分见表 2-1） ， 若不经过预热， 高炉煤气燃烧温度达不到1250， 高炉煤气中一般含尘量为5080 毫克 /米 3，所以必须除尘后才能应用。做为烧结点火用的煤气含尘量不应大于
3、30 毫克 /米 3，经过除尘后高炉煤气含尘量可以降至5 20 毫克 /米 3，煤气温度在40以下。 输送到烧结厂的煤气压力一般为300 毫米水柱左右。表 21 高炉煤气成分成分CO2CO CH4H2N2发热量千卡 / 米3范围% 9.015.5 2531 0.30.5 2.03.0 5558 8501100 、焦炉煤气焦炉煤气是炼焦过程产生的副产品。平均每吨干煤炼焦时可产生320 米 3 的焦炉煤气，约占全部产品的17.6%，经过洗涤后的煤气含焦油量为0.000.02 克/标米 3，用于烧结的焦炉煤气的发热量为4000 千卡 /标米 3 左右（其成分见表2-2） 。表 22 焦炉煤气成分成分
4、H2COCH4CO2N2O2发热量 千卡 /米3范围%54595.57.023281.52.5350.31.731604580、天然气天然气是由地下开采出来的可燃性气体，它的发热量很高可达80009000 千卡 /标米 3，主要可燃物质是甲烷（CH4） （其成分见表2-3） 。表 23 天然气气成分成分H2CO CH4H2S H2N2O2发热量 千卡 / 米 3范围% 0.40.80.10.385950.90.40.81.55.00.20.380009000、液体燃料：石油是天然的液体燃料，也称为原油。它基本上由炭、氢、氮、氧、硫五种元素组成。将石油加热分馏后， 比重最大的残留物就是重油。重油
5、具有发热值高 （大于 9000 千卡 /公斤）、粘性大等特点。呈黑褐色或绿褐色的粘稠液状，比重约为0.90.96 公斤 /立升。重油的灰分含量非常低，一般不超过0.3%。重油按粘度不同，可分为20 号、 60 号、200 号几种，重油粘度越大， 含氢量越少， 重油含的杂质主要是少量的硫化物、氧化物、 水分以及混入的机械杂质。我国重油的含硫量都在1%以下，重油的着火点约为500600。2、烧结燃料烧结燃料主要指在料层内燃烧的固体燃料，最常用的是碎焦粉粉末和无烟煤等。、碎焦粉末焦碳是炼焦煤在隔绝空气高温加热后的固体产物。碎焦粉末是高炉用的焦碳的筛下物， 粒度一般小于25 毫米。焦碳的质量的好坏，主
6、要从它的化学成分、物理机械性能、 物理化学性质几方面来衡量。焦碳的化学成分通常以工业分析测得。主要有固定炭、灰分、挥发分和含硫量。焦碳的物理机械性能主要指机械强度（如耐磨性和抗冲击强度、抗压强度）及筛分粒度组成。焦碳的物理化学性质是指其燃烧性和反应性。燃烧性是指焦碳与氧在一定温度下的反应速度。反应速度越快，燃烧反应性越高，一般反应性好的焦碳燃烧性也好。、无烟煤随着煤炭化的程度不同，煤中的挥发物含量的差别是很大的。炭化程度越高，它的挥发分含量也就越少。 无烟煤是各种煤中炭化最好的烧结燃料，在生产上要求无烟煤的发热量大于 6000 千卡 /公斤，挥发分小于10%，灰分小于15%，硫小于 2.5%，
7、进厂的粒度小于40 毫米。挥发分高的煤不宜做烧结燃料，因为煤在烧结中的挥发物会被抽入抽风机和抽风系统，冷凝后使除尘器、抽风机等挂泥结垢。3、烧结生产对燃料物理化学性能的要求烧结过程必须在一定的高温下才能进行，而高温是由燃料的燃烧产生的。温度的高低，燃烧速度的快慢， 燃烧带的宽窄， 以及烧结料中的气氛等都将影响烧结过程的进行和烧结矿的产、质量。而这些因素又都与燃料的物化性能、用量有关。因此，燃料的物化性能是影响烧结过程的重要因素。、对燃料质量的要求烧结要求燃料的灰分尽可能低些，因为燃料中灰分含量增多必然引起烧结料含铁量降低和酸性氧化物增多（灰分中SiO2 的数量高达50%以上） ，因而必然相应需
8、要增加溶剂的消耗量。使用无烟煤做烧结燃料时，要求它挥发分的含量不能太高，以免燃料中的挥发物质在温度较低的地方凝结下来恶化料层透气性和粘结在集气管及抽风机的叶片上，影响烧结过程的正常进行。此外，燃料中的挥发分在着火前即已挥发出去，不能在烧结过程中被利用。所以，烧结生产使用的燃料最好选用固定碳高、灰分低、挥发分低及含硫量低的优质燃料。、对燃料粒度的要求燃料的粒度过大时，会带来一系列的不良影响：a.燃烧带变宽，从而使烧结料层透气性变坏。 b.燃料在料层中分布不均匀，以至在大颗粒燃料的周围熔化得很厉害，而离燃料颗粒较远的地方的物料则不能很好地烧结。c.粗粒燃料周围，还原性气氛较强，而没有燃料地方空气得
9、不到利用。d.在向烧结机布料时，易产生燃料偏析现象，大颗粒燃料集中在料层的下部，再加上烧结料层下部的蓄热作用，使烧结料层的温度差异更大，以至造成上层烧结矿的强度差，下层过熔FeO 含量偏高。燃料粒度过小，烧结速度快，燃烧所产生的热量难以使烧结料达到所需的高温，从而使 烧结矿的强度下降。同时，小的燃料颗粒（小于0.5 毫米）使烧结料层的透气性变坏，并有可能被气流带走。研究表明， 燃料最适宜的粒度为0.53 毫米，而日本规定燃料粒度下限为0.25 毫米， 但在我国实际生产条件下，仅仅能保证粒度上限，难以保证粒度下限。因为在生产过程中要避免 0.50 毫米粒级是难以达到的。所以，一般烧结厂只要求控制
10、其燃料粒度在30 毫米范围内。对于各种粒度的烧结料，燃料粒度的影响也不同，铁精矿由于粒度细，当燃料粒度减少时对烧结过程影响不大，而当其粒度稍有增大时，却使成品烧结矿的产率和强度显著下降。相反，当烧结80 毫米粉矿时，燃料粒度稍大时对烧结过程影响不大，而当减少燃料粒度时，烧结质量则明显地下降。二、固体燃料燃烧的一般原理在冶金物理化学中对碳的燃烧早已有所研究，虽然有些问题尚未完全搞清楚，但是对其中某些问题已经取得一致看法。固体燃料在空气中燃烧是属于多相反应，其型式为：固体 +气体（） =气体（）燃烧的结果导致固相消失，而形成新的气体产生，这种类型的反应可以概括地分为五个步骤：1、气体（）分子扩散到
11、固体炭的表面；2、气体（）分子被固体炭表面所吸附；3、被吸附的气体（）和炭发生化学反应，形成中间产物；4、中间产物断裂，形成反应产物气体（），并被吸附在炭的表面；5、反应产物气体（）脱附，并向气相扩散跑掉。多相反应时的燃烧过程是在可燃物表面进行，其反应速度主要取决于两个因素：化学反应速度和扩散速度。过程反应的总速度取决于这两个速度中最慢的一个。所谓化学反应速度是指固体燃料与体（）之间的反应速度。所谓扩散速度是指体（）向固体燃料扩散的速度。当过程的速度受扩散速度影响时，称为“扩散燃烧区” 。如果过程的速度受化学速度影响时，则称为“动力学燃烧区”，所以，燃烧处于“动力学区域”时，一切影响化学反应速
12、度的因素（如温度）将影响燃烧速度的快慢。当燃烧处于“扩散燃烧区”时，一切影响气体扩散的条件（如固体燃料的粒度、气流速度和压力等）都将影响燃烧的速度，而温度的改变并不引起多大的影响。对于 3 毫米的碳粒，在雷诺规范数（Re）为 100 的条件下，在温度700时， C+O2 反应速度处于“动力学区”；而温度高于1250时，反应速度处于扩散区；7001250处于中间速度区。烧结料层中的温度在1300 1500范围内，所以，固体燃烧基本上是在扩散区域内进行的。 因此，一切能够影响扩散速度的因素如减少燃料粒度，增加气流速度（增大风量、 改善料层透气性）和气流中的含氧量都能增加燃烧反应的速度，从而能够强化
13、烧结过程。三、烧结料层中燃料燃烧的基本特点燃料在烧结料层中的燃烧不同于一般固体燃料燃烧，而具有其自身的特点。第一、 烧结料层中固定炭含量低，按重量计算只占总料量的35%，而且分布的很分散。第二、固定炭的燃烧从料层上部向下部转移，料层中的热交换条件十分有利，固定炭燃烧十分迅速，而且集中在厚度3040 毫米宽的高温区。第三、烧结料层氧化带较宽而还原带很窄。第四、铁的氧化物参与了氧化还原反应。第五、离开料层的废气中存在着剩余的氧等。这是因为在这样情况下CO2 不能顺利地被碳还原成CO，而且部分CO 却有可能被所遇到的空气和铁氧化物中的氧进一步氧化。由于料层下部温度低，CO 仍不能全部都氧化成CO2，
14、所以在烧结的废气中含有CO2、CO 和剩余的氧。四、燃烧层温度及其厚度对烧结过程的影响烧结过程不是一个等温过程。所谓温度是指烧结料层中某一点所达到的最高温度，也就是燃料燃烧层的温度。这一层的温度水平与厚度对烧结过程的进行和产、质量的优劣有着重大的影响。若燃烧层的温度愈高，产生的液相必然增多，燃烧层厚度增大，虽然对烧结矿的强度有利，但是由于温度过高物料过熔，使得烧结料层阻力加大，不仅延长了烧结过程的时间，而且还会使烧结矿产量下降，还原性变坏。然而，燃烧层过窄也是不利于烧结过程，虽然透气性变好，但是不能保证各种物料高温反应正常进行，所以需要燃烧层的厚度根据不同原料有一个适宜值。通常烧结料层的燃烧层
15、的温度水平和厚度要取决于高温区的热平衡和固定碳的燃烧速度以及传热速度。五、烧结过程的热交换1、烧结料层的蓄热作用抽入烧结料层的空气经过热烧结矿层被预热到很高的温度后参加燃烧带的燃烧，燃烧后的废气又将下层的烧结混合料预热，因而料层越是向下热量积蓄的越多，以至于达到很高的温度。这种积蓄热量的过程好象热风炉的蓄热石的格子砖蓄热一样，所以被称为自动蓄热作用。料层的自动蓄热作用对于提高燃烧层温度具有很大的意义，这可以通过简单计算的方法加以了解。据实验确定，当燃烧层上部的烧结矿层达180220 毫米厚度时，上层烧结矿的自动蓄热可以提供燃烧层总热量的3545%。但是，当上层烧结矿层厚度超过200 毫米以后，
16、换热的增长速度逐渐变慢。这是因为从上部抽入的空气带进燃烧带的热量已接近达到最高水平的恒定值。从烧结的经济性和能源节约的观点来看，应该尽可能提高料层高度，这对烧结的热利用是有利的，对产品的质量也有好处。2、烧结料层中温度分布和热交换的特点烧结料层中热交换可以分成两个区域。在燃料着火温度以上（即燃烧层和烧结矿层）烧结矿层的温度高于气体温度，烧结矿将热量传给抽入的空气，使其温度很快升高。在燃烧层以下， 是热废气将热量传给烧结混合料使其温度很快上升，而气体自身温度迅速下降。由于烧结混合料比表面积大和水分的导热系数比干矿粉高2060 倍，所以，传热速度是非常快的，据测量预热层升温速度高达17002000/分，低的也有450550/分，在干燥层可达 500 /分。由于染来哦集中燃烧和烧结矿层的自动蓄热作用，越往下温度越高、热量越多、高温带 越宽。 因此，在研究料层中温度分布对烧结过程影响时，高温区的运动速度，高温区的温度水平与厚度受到很
