鐵礦石燒結(jié)燃燒和傳熱

固體碳的燃燒可以提供燒結(jié)過程熱收入中80%以上的熱量和1250～1500℃的高溫(在燃燒層)，保證了燒結(jié)過程中脫水、石灰石分解、鐵氧化物的分解和還原、去硫、液相生成和固結(jié)等物理和化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。燃燒反應(yīng)對燒結(jié)機(jī)產(chǎn)量也有影響。

燒結(jié)料層中碳的燃燒反應(yīng)較復(fù)雜，一般可表示為：C O₂=CO₂；2C O₂=2CO；CO₂ C=2CO；2CO O₂=2CO₂ 。在碳集中的區(qū)域，氣相中CO濃度高，CO₂濃度低，氣氛呈還原性；在少碳和無碳的區(qū)域，CO濃度低，CO₂濃度高，氣氛呈氧化性。料層中碳燃燒應(yīng)具備兩個最重要的條件是燃料顆粒表面加熱到著火溫度和灼熱的燃料表面需接觸有足夠氧濃度的氣流。提高氣流中氧的濃度、氣流溫度、氣流速度和增加燃料的反應(yīng)表面積等均有助于提高燃燒反應(yīng)速度。燒結(jié)常用的燃料是焦粉和無煙煤；高揮發(fā)分的煤種，因大量揮發(fā)分在著火前揮發(fā)，容易堵塞管道，故不宜用于燒結(jié)。

燒結(jié)過程中傳熱速度很快。燒結(jié)料都是小顆粒物料，傳熱效率很高，而且還存在水分蒸發(fā)、分解等吸熱過程，所以熱傳導(dǎo)在燒結(jié)料中進(jìn)行得很快。燒結(jié)過程中熱量利用好，主要表現(xiàn)在廢氣溫度低和燒結(jié)過程的“自動蓄熱作用”。后者是指被抽空氣通過灼熱的燒結(jié)礦層(相當(dāng)“蓄熱室”作用)時被預(yù)熱到1000℃以上，增加了燃燒層中的熱收入量(約占燃燒層總熱收入的40%至60%)，提高了燃燒層的溫度，隨燒結(jié)礦層的增厚，這部分熱收入增多；燃燒層溫度升高，燒結(jié)液相增多，燒結(jié)礦強(qiáng)度提高，但燒結(jié)速度降低。燃燒層溫度受燃料配加量和自動蓄熱作用，以及燃燒層中各種化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)等因素所影響。增加配碳量、增加放熱反應(yīng)和減少吸熱反應(yīng)有利于提高燃燒層溫度，提高料層也有同樣的作用。

燒結(jié)料層中的氣流運(yùn)動 燒結(jié)過程中的一切反應(yīng)和變化都是在氣流不斷通過料層的條件下進(jìn)行的。氣流運(yùn)動對燒結(jié)礦的產(chǎn)量和質(zhì)量有很大影響。垂直燒結(jié)速度與通過料層的氣流量成正比。而氣流量又與抽風(fēng)負(fù)壓、燃燒層溫度和料層透氣性有關(guān)。由于燒結(jié)過程中各層在不斷變化，因此料層透氣性和氣流量也在變化。燒結(jié)礦層氣孔較多，透氣性好；燃燒層溫度高，有液相，透氣性差。成球性好的濕料層透氣性好，但有時因水汽冷凝使料層過濕，破壞料球，對氣流產(chǎn)生較大阻力。若料球干燥后碎裂，則干燥層和預(yù)熱層也會產(chǎn)生較大阻力。

燒結(jié)料層的透氣性同礦粉粒度、返礦數(shù)量和質(zhì)量、混料加水量、礦粉成球性、黏結(jié)劑的使用、燒結(jié)料預(yù)熱和燒結(jié)溫度等有關(guān)。氣流沿料面分布得是否均勻會影響燒結(jié)過程的均勻性，特別是對于大型燒結(jié)機(jī)。不均勻的氣流分布導(dǎo)致不均勻的燒結(jié)，從而成品率下降，返礦多而質(zhì)量差，使燒結(jié)礦產(chǎn)質(zhì)量下降。布料均勻，燒結(jié)臺車結(jié)構(gòu)合理而完好，有利于氣流的分布均勻。

水分的蒸發(fā)和凝結(jié) 燒結(jié)料中加入一定量的水是粉料制粒的需要。當(dāng)燒結(jié)料溫度達(dá)到100℃或更高時，水分劇烈蒸發(fā)，燒結(jié)廢氣濕度增加。當(dāng)廢氣離開干燥層進(jìn)入濕料層后，由于冷卻使溫度降低到露點(diǎn)以下，廢氣中的水汽冷凝在濕料層中，使?jié)窳蠈拥臐穸瘸^原始濕度，這就是“過濕現(xiàn)象”。過濕現(xiàn)象會破壞料球和降低料層透氣性。采用預(yù)熱燒結(jié)料可以減少或消除過濕現(xiàn)象。細(xì)精礦燒結(jié)時的過濕現(xiàn)象比富礦粉燒結(jié)時更嚴(yán)重。以結(jié)晶水形態(tài)存在的水分是一種化學(xué)結(jié)合水，需在較高溫度下才能分解脫除 。

礦粉燒結(jié)包括許多物理和化學(xué)反應(yīng)過程。無論采用何種燒結(jié)方法，燒結(jié)過程基本上可以分為：干燥去水、燒結(jié)料預(yù)熱、燃料燃燒、高溫固結(jié)和冷卻等階段。這些過程是在燒結(jié)料中分層依次進(jìn)行的。圖1示出抽風(fēng)條件下燒結(jié)過程各層的反應(yīng)。抽入的空氣通過已燒結(jié)好的熱燒結(jié)礦層被預(yù)熱，在燃燒層中使固體燃料燃燒，放出熱量，獲得高溫(1250～1500℃)。從燃燒層抽出的高溫廢氣將燒結(jié)料預(yù)熱和脫水干燥。根據(jù)溫度和氣氛條件，在各層進(jìn)行著不同的物理和化學(xué)反應(yīng)：游離水和結(jié)晶水的蒸發(fā)和分解，碳酸鹽的分解，鐵氧化物鐵tie的分解、還原和氧化，硫、砷等雜質(zhì)的去除，一些氧化物(CaO、SiO₂,FeO, Fe₂O₃, MgO)的固相和液相反應(yīng)；液相的冷卻結(jié)晶和固結(jié)等 。

1887年英國人亨廷頓(T.Huntin gton)和赫伯萊茵(F.Heberlein)首次申請了硫化礦鼓風(fēng)燒結(jié)法和用于此法的燒結(jié)盤設(shè)備的專利。1906年美國人德懷特(A.Dwight)和勞埃德(R.Lloyd)在美國取得抽風(fēng)帶式燒結(jié)機(jī)的專利。1911年第一臺有效面積為8m²的連續(xù)帶式抽風(fēng)燒結(jié)機(jī)(亦稱DL型燒結(jié)機(jī))在美國賓夕法尼亞州的布羅肯鋼鐵公司建成投產(chǎn)。這種設(shè)備一出現(xiàn)就很快取代了壓團(tuán)機(jī)和燒結(jié)盤等造塊設(shè)備。隨著鋼鐵工業(yè)的發(fā)展，燒結(jié)礦的產(chǎn)量也迅速增加，到80年代全世界燒結(jié)礦的產(chǎn)量達(dá)到5億多噸。中國最早的帶式抽風(fēng)燒結(jié)機(jī)于1926年在鞍山建成投產(chǎn)，燒結(jié)機(jī)有效面積為21.81m²。1935～1937年又有4臺50m²燒結(jié)機(jī)相繼投產(chǎn)，1943年燒結(jié)礦最高年產(chǎn)量達(dá)24.7萬t。中華人民共和國成立后，鋼鐵工業(yè)迅速發(fā)展，燒結(jié)能力和產(chǎn)量均有很大提高。到1991年末，全國燒結(jié)機(jī)總有效面積達(dá)到9064m²，燒結(jié)礦年產(chǎn)量達(dá)到9654萬t，重點(diǎn)企業(yè)高爐熟料率達(dá)90%。

帶式抽風(fēng)燒結(jié)法出現(xiàn)后，不僅燒結(jié)礦的生產(chǎn)規(guī)模和產(chǎn)量有了很大提高，而且生產(chǎn)技術(shù)有了很大進(jìn)步：

(1)加強(qiáng)了燒結(jié)原料的加工處理，如礦粉混勻，燃料和熔劑的破碎、混合料的準(zhǔn)確配料、制粒和預(yù)熱等；

(2)開發(fā)了各種增產(chǎn)、節(jié)能和改善質(zhì)量的新工藝，如厚料層燒結(jié)、低溫?zé)Y(jié)、小球燒結(jié)、雙球燒結(jié)、細(xì)精礦燒結(jié)、雙層燒結(jié)、熱風(fēng)燒結(jié)、新點(diǎn)火工藝、燒結(jié)礦整粒等；

(3)燒結(jié)設(shè)備大型化、機(jī)械化和自動化，計算機(jī)用于生產(chǎn)管理和操作控制；

(4)應(yīng)用了除塵、脫硫和去除氮的氧化物等環(huán)保技術(shù) 。

鐵礦石燒結(jié)是鐵礦石造塊的主要方法之一。將貧鐵礦經(jīng)過選礦得到的鐵精礦，富鐵礦在破碎和篩分過程中產(chǎn)生的粉礦，生產(chǎn)中回收的含鐵粉料(高爐和轉(zhuǎn)爐爐塵，連鑄軋鋼鐵皮等)、熔劑(石灰石、生石灰、消石灰、白云石和菱鎂石等)和燃料(焦粉和無煙煤)等，按要求比例配合，加水混合制成顆粒狀燒結(jié)混合料，平鋪在燒結(jié)臺車上，經(jīng)點(diǎn)火抽風(fēng)燒結(jié)成塊 。

燒結(jié)過程中的主要分解反應(yīng)是碳酸鹽(CaCO₃、MgCO₃和FeCO₃等)和一些氧化物的分解。碳酸鹽的分解壓為101.325kPa時，其溫度為：CaCO₃ 910℃，MgCO₃ 630℃，F(xiàn)eCO₃ 400℃。因此，在燒結(jié)過程中它們是完全可以分解的。如果石灰石粒度較粗，則不但分解時間延長，且不能完全分解并與其他氧化物充分進(jìn)行礦化，燒結(jié)礦中殘留的自由CaO，會導(dǎo)致燒結(jié)礦的粉化。因此，石灰石粒度要求小于3mm。碳酸鹽分解為吸熱反應(yīng)，增加石灰石用量一般要相應(yīng)地增加配碳量。

鐵氧化物在燒結(jié)過程中，可根據(jù)其形態(tài)、溫度和氣相成分，而進(jìn)行分解、還原或氧化反應(yīng)。Fe₂O₃的分解壓在1383℃時為20.6kPa(0.21大氣壓)，燒結(jié)過程中氧的分壓較低(6.8～18.6kPa)，故在1300～1350℃(燃燒層)即可發(fā)生熱分解(6Fe₂O₃=4Fe₃O₄ O₂)。Fe₃O₄和FeO的分解壓很小，在燒結(jié)過程中不可能產(chǎn)生熱分解。Fe₂O₃分解壓高，燒結(jié)廢氣中常含少量CO，可在300～400℃開始還原，所以Fe₂O₃在預(yù)熱層和燃燒層中即被還原；Fe₃O₄的分解壓低，只有在CO濃度高的氣氛下才能被還原，所以還原僅在燃燒層中燃料顆粒附近的溫度和CO濃度都較高的區(qū)域進(jìn)行。FeO只有在燃料配比很高(>10%)的條件下才能被還原成部分金屬鐵。在燃料配比低的條件下，F(xiàn)e₂O₃熱分解和還原反應(yīng)相對較少。在燒結(jié)礦層中，由于無碳存在，F(xiàn)e₃O₄和FeO可部分地被氧化成Fe₂O₃。

非鐵元素在燒結(jié)過程中的行為 MnO₂和Mn₂O₃的分解壓很高(分解壓為20.6kPa時的溫度分別為460℃和927℃)，因此它們在預(yù)熱層中，就可分解和被還原，生成的Mn₃O₄與SiO₂形成低熔點(diǎn)的Mn₂SiO₄。FeS₂在565℃時開始熱分解(2FeS₂ = 2FeS S₂)，但在分解前即可進(jìn)行氧化(4FeS₂ 11O₂ = 2Fe₂O₃ 8SO₂)，在565～1383℃，氧化和熱分解同時進(jìn)行，溫度更高時氧化產(chǎn)物是Fe₃O₄；FeS₂(FeS)也可被Fe₂O₃氧化，生成的SO₃ 可以被CaO吸收生成CaSO₄?？s小礦粉粒度，配合合適的燃料量以保持充分的氧化氣氛和較高的溫度，有利去脫；提高堿度降低去硫率，一般燒結(jié)過程可除去90%以上的硫。硫酸鹽(BaSO₄等)的分解溫度較高，去硫率在80%～85%。As₂O₃易揮發(fā)去除，但As₂O₅卻很穩(wěn)定。PbS和ZnS可被氧化生成PbO和ZnO，熔解在硅酸鹽渣相中。故As、Pb、Zn在燒結(jié)過程中較難去除，在高燃料配比的條件下，可去除一部分。加少量氯化物(CaCl₂等)可生成易揮發(fā)的AsCl₃、PbCl₂和ZnCl₂，可除去60%的As，90%的Pb和60%的Zn。K₂O、Na₂O和P₂O₅在燒結(jié)過程中較難去除。

礦粉的熔融和凝固礦粉熔融前存在固相反應(yīng)。它是在礦粉被加熱到其熔點(diǎn)以下的一定溫度時，顆粒表面離子動能增加而引起的遷移、擴(kuò)散和相互結(jié)合成新化合物的反應(yīng)。固相反應(yīng)產(chǎn)物2CaO·SiO₂出現(xiàn)的溫度為500～690℃；CaO·Fe₂O₃出現(xiàn)的溫度為400～600℃；2CaO·Fe₂O₃為400℃；2FeO·SiO₂為970℃。這些反應(yīng)在預(yù)熱層和燃燒層可以進(jìn)行，但由于時間短，不會有很大發(fā)展。2CaO·SiO₂在高溫熔體中可以全部保存，2FeO·SiO₂則部分分解，而CaO·Fe₂O₃和2CaO·Fe₂O₃則全部分解。固相反應(yīng)都是放熱反應(yīng)，其反應(yīng)程度除受溫度影響外，還受相互間的接觸條件和化學(xué)親和力的影響。在還原、氧化和固相反應(yīng)的過程中，燒結(jié)料中會出現(xiàn)一些低熔點(diǎn)的物質(zhì)，如2FeO·SiO₂(熔點(diǎn)為1205℃)及其共晶混合物(1177～1178℃)，CaO·Fe₂O₃(1216℃)，F(xiàn)eO-2CaO·SiO₂系共晶混合物(1280℃)，CaO·Fe₂O₃-CaO·2Fe₂O₃系共晶混合物(1200℃)和CaO·Fe₂O₃- 2CaO·Fe₂O₃-Fe₃O₄系共晶混合物(1180℃)。這些物質(zhì)首先熔化，并不斷熔解其余的物料，改變自身的成分，形成新的熔體。熔體的成分受燒結(jié)料組成和還原氧化反應(yīng)程度等因素的影響，但熔體基本上可以分成硅酸鹽體系和鐵酸鹽體系兩大類。燒結(jié)礦品位高(即含SiO₂低)、堿度高和氧化程度高，有助于鐵酸鹽熔體的生成；反之，則有助于硅酸鹽熔體的形成。熔體冷卻凝固后，形成不同結(jié)構(gòu)的燒結(jié)礦。在冷卻凝固過程中，根據(jù)熔體成分的不同，可以結(jié)晶出赤鐵礦(Fe₂O₃)、磁鐵礦(Fe₃O₄)、鐵酸鈣(CaO·Fe₂O₃和2CaO·Fe₂O₃)、硅酸鈣(2CaO·SiO₂和3CaO·SiO₂等)和鈣鐵橄欖石(CaO·FeO·SiO₂ )等礦物。在含TiO₂和CaF₂的燒結(jié)礦中，則可形成鈣鈦礦(CaO·TiO₂) 和槍晶石(3CaO·2SiO₂·CaF₂)。最后凝固的是低熔點(diǎn)的玻璃體，其組成主要是成分復(fù)雜的硅酸鹽。不同的礦物組成對燒結(jié)礦的性能有很大影響。例如，鐵酸鈣的還原性比鈣鐵橄欖石好，比鐵橄欖石(2FeO·SiO₂)更好；2CaO·SiO₂在冷卻過程中產(chǎn)生晶變(β2CaO·SiO₂→γ2CaO·SiO₂)，發(fā)生約10%的體積膨脹，引起燒結(jié)礦粉化；非晶態(tài)的玻璃體強(qiáng)度較晶態(tài)礦物差。凝固過程中，由于體積收縮而產(chǎn)生大小和數(shù)量不同的氣孔，小而多的氣孔有利于提高強(qiáng)度和還原性，大氣孔結(jié)構(gòu)不利于改善強(qiáng)度和還原性 。

燒結(jié)方法按氣體在料層中的流向分為抽風(fēng)燒結(jié)法和吹風(fēng)燒結(jié)法兩種。吹風(fēng)燒結(jié)法雖然具有松動料層和提高料層透氣性的透氣的作用，但是此法有嚴(yán)重污染環(huán)境和礦粉吹損高等重大缺點(diǎn)。因之吹風(fēng)燒結(jié)法已完全被抽風(fēng)燒結(jié)法所取代。燒結(jié)設(shè)備有帶式燒結(jié)機(jī)和間歇盤式燒結(jié)機(jī)。帶式燒結(jié)機(jī)由于單機(jī)產(chǎn)量高和機(jī)械化、自動化程度高，已取代了間歇盤式燒結(jié)機(jī)。在世界上燒結(jié)礦的總產(chǎn)量中，99%以上是用帶式抽風(fēng)燒結(jié)機(jī)所生產(chǎn)。中國一些鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)還使用土法燒結(jié) 。

將鐵礦石(精礦、富礦粉)燒結(jié)成燒結(jié)礦的加工過程?，F(xiàn)代燒結(jié)工藝包括三部分：原料準(zhǔn)備、燒結(jié)、燒結(jié)礦處理。每部分由若干工序所組成。原料準(zhǔn)備部分包括原料的貯存混勻(見礦石混勻)、熔劑和燃料的加工、配料、混合和制粒以及布料等工序。燒結(jié)部分包括點(diǎn)火及抽風(fēng)燒結(jié)等工序。燒結(jié)礦處理部分包括冷卻和破碎篩分整粒等工序 。

燒結(jié)主要熔劑是石灰和白云石，它們是碳酸鹽。在燒結(jié)過程中，不僅應(yīng)完全分解，而且分解后的CaO和MgO應(yīng)能與其他氧化物充分化合生成新礦物；否則，燒結(jié)礦中會含有游離CaO，引起粉化，不利于貯存。因此，熔劑粒度應(yīng)小于3mm；但石灰石和白云石的入廠粒度一般為40～0mm或更粗，故必須進(jìn)行破碎。熔劑的破碎流程基本是一段閉路破碎、破碎作業(yè)大多采用錘式破碎機(jī)或反擊式破碎機(jī)；篩分作業(yè)采用自定中心振動篩。生石灰和消石灰一般入廠粒度較細(xì)，不必再破碎，但生石灰對人體皮膚有燒灼，宜用氣體輸送并加強(qiáng)作業(yè)區(qū)的密閉 。2100433B

燒結(jié)盤燒結(jié)是一種簡單的鐵礦石燒結(jié)工藝，所使用的燒結(jié)盤有固定式及移動式兩種。均由裝料小車、點(diǎn)火小車、燒結(jié)盤、抽風(fēng)系統(tǒng)所組成 。

帶式燒結(jié)機(jī)燒結(jié)(Belt sintering machine)是指一種應(yīng)用最廣的鐵礦石燒結(jié)方法。帶式燒結(jié)機(jī)是鋼鐵工業(yè)的上要燒結(jié)設(shè)備，它的產(chǎn)量占世界燒結(jié)礦的99% 。

煉鐵原料與工藝研究

燒結(jié)過程中鐵礦粉熔融性的研究(戴宇明 吳勝利 裴元東 等)

不同因素對含鈦鐵礦石燒結(jié)過程中鐵酸鈣生成的影響研究(張增召 趙金龍郭興敏)

杭鋼燒結(jié)原料優(yōu)化配礦的基礎(chǔ)研究及應(yīng)用(林劍平 吳勝利 韓宏亮 等)

燒結(jié)燃料優(yōu)化配置對提高厚料層燒結(jié)利用系數(shù)的作用研究(趙成顯 吳勝利 陳東峰等)

減荷燒結(jié)中支撐板的數(shù)值模擬與應(yīng)用分析(劉文文左海濱 張建良)

金屬化球團(tuán)荷重軟化性能的研究(丁銀貴 薛慶國 余雪峰等)

以含鋅粉塵為原料的含碳球團(tuán)的還原實(shí)驗(yàn)研究(楊慧賢 薛慶國 余雪峰等)

高風(fēng)溫?zé)犸L(fēng)爐技術(shù)(李搏吳鏗楊森等)

天鋼2000m3高爐長壽實(shí)踐(蘇慶杰 吳鏗李康等)

堿度對高爐渣黏度的影響研究(焦晉沙丁汝才 楊學(xué)民等)

南(昌)鋼高爐渣熔化性能優(yōu)化試驗(yàn)研究(楊世山 蔣 薛金吉男 等)

南(昌)鋼高爐渣流動性能優(yōu)化試驗(yàn)研究(李志強(qiáng)楊世山顧琰等)

杭鋼高爐渣流動性能試驗(yàn)研究(胡澤方 陳志明 楊世山 等)

杭鋼高爐渣脫硫性能試驗(yàn)研究(陳志明 胡澤方楊世山 等)

M9Cao復(fù)合鐵水脫硫的動力學(xué)研究(葉小葉李 闖 郭漢杰)

鐵水預(yù)處理終點(diǎn)磷預(yù)報模型(張慧寧盧永明 徐安軍等)

高爐爐內(nèi)監(jiān)測與仿真新技術(shù)(高征鎧)

煉鋼與連鑄工藝研究

應(yīng)用CFX軟件實(shí)現(xiàn)集束氧槍的優(yōu)化設(shè)計(林致明 林滔 王振宙等)

LF渣面加鋁對超低硫管線鋼深脫硫的影響(區(qū)洪輝王建李 強(qiáng) 等)

鐵水脫磷工藝的發(fā)展(陳 潔 田乃媛)

專用轉(zhuǎn)爐脫磷預(yù)處理的實(shí)驗(yàn)研究(陳 潔 田乃媛徐安軍)

LF精煉管線鋼深脫硫工藝優(yōu)化(陳君儲瑩郭漢杰)

RH精煉浸漬管鎂鉻磚侵蝕機(jī)理的研究(李一丁 郭漢杰楊學(xué)民等)

六流連鑄中問包結(jié)構(gòu)優(yōu)化的數(shù)值模擬(韓麗輝王靜松宋波)

三流中間包內(nèi)控流裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化水模型研究(黃書友張輝王靜松等)

T形中間包注流區(qū)高擋墻導(dǎo)流孔對鋼水流動狀態(tài)的影響(孟娜 張家泉劉 平等)

連鑄管式結(jié)晶器的優(yōu)化設(shè)計、制造與使用(王鑫榮 劉春巖 馬 龍等)

連鑄保護(hù)渣物理性質(zhì)研究(王紹峰張慶斌郭漢杰)

GCrl5軸承鋼連鑄保護(hù)渣的物性研究(龐煒光成國光于春梅)

石鋼3號連鑄機(jī)大方坯坯殼厚度研究(李大鵬李宏丁秀青等)

基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的大方坯內(nèi)部質(zhì)量預(yù)報系統(tǒng)研究(劉 樂 張家泉何慶文等)

大方坯連鑄機(jī)輥列計算機(jī)輔助設(shè)計(陳馳王鑫榮劉春巖等)

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電冶金與有色金屬冶金研究

冶金流程與生態(tài)研究

北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院部分科研工作簡介 2100433B