钢铁冶金课件(2)

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1、炼 铁 原 料主讲：代林晴冶金与能源工程学院 冶金系第四章 铁矿粉烧结理论铁矿粉烧结过程：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

2、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。 烧结矿带：烧结矿的冷却与再氧 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

3、废气出口；4煤气点火器；5铺底料 带式烧结机抽风烧结过程的分层性烧结矿层燃烧层预热层 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700800300400120 60负压10001600mmH2O最高温度点在燃烧层中部，高温持续时间11.5min 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

4、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。 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

5、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。此层中的物理、化 学性质基本不变。4.2 烧结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

6、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 CO2C2CO4.2.2 固体燃料燃烧动力学在烧结过程中，固体燃料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

7、（1）、（3）两个步骤控制。a.氧气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：在低温下， ， ，此时，过程的总速度取决 于化学反应速度，称燃烧处于“动力学燃烧区”。在高温下， ， ，此时，过程的总速度取决 于氧的扩散速度，称燃烧处于“扩散燃烧区”。当燃烧处于动力燃烧区时，燃烧速度受温度影响较大，随 温度升高而增加，而不受气流速度、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

8、速度取决于气体的扩散速 度，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1200 1350，故其燃烧反应基本上是在扩散区内进行，因此，一切 能够增加扩散速度的因素，如减小燃料粒度、增加气流速度（ 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，强化烧结过程。 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30

9、40mm)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；(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。 图42 在烧结试验过程测得废气中的 氧气、二氧化碳和一氧化碳的变化(试验所用燃料量为7) 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，还原性气氛较强，反之碳的利用好，氧化气氛较强

10、。 还原性气氛较强时，CO可以将Fe2O3还原为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 废气燃烧比与 燃料粒度的关系 图4-4 废气燃烧比与 混合料中燃料量的关系 图4-5 废气燃烧比与 负压间的关系 图4-6 废气燃烧比与 料层厚度的关系 图4-7 废气燃烧比与 返矿量的关系 4.2.4 固体燃料特性及用量对烧结过程的影响4.2.4.1.固体燃料的粒度烧结所用固体燃料的粒度，与混合料中各组分的特性有 关

11、。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。在烧结精矿时(-lmm，其中-0.074mm占30)，试验表明 焦粉粒度0.53mm最好；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 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

12、气 性变差，也会导致产质量下 降。图48 燃料粒度对 各项烧结指标的影响4.2.4.2.固体燃料的种类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150 700温度下的预热带就从煤中分解出来，不可能燃烧而进入废

13、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。 图49 焦、煤对比(韶钢试验)4.2.4.3.固体燃料的用量在烧结过程中，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还原性）, RDI

14、（JIS还原粉化）的影响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。图411 焦粉用量影响（韶钢试验，低硅烧结）4.2.4.4.燃料分加燃料分加能减

15、小制 粒混合料中的焦粉含量 ，有利于混合料制粒小 球的形成与长大，减少 焦粉被混合料包裹，提 高焦粉的燃烧效率，从 而改善烧结混合料的透 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 燃料分加(韶钢试验)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，温度上升速度降低，料温

16、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，降温速度慢慢降低。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开始烧结后8l0分钟；d烧结终了 前； 1燃烧带；2 预热、干燥带；3水 分冷凝带；4铺底料；5烧结矿带 图414 实验室烧结过程废气温度的变化 4.2.5.3 影响料层温度的因素1.燃料用量对料层温度分布规律的影响“料层自动蓄热”，是由于上层物料对