3-铁矿粉烧结工艺(3-5)PDF

13.3烧结矿的固结机理及矿相分析3.3.1铁矿粉烧结成矿机理3.3.2烧结矿的矿相分析3.3.3烧结矿的固结理论3.3.1铁矿粉烧结成矿机理(过程)烧结的根本目的是使铁矿粉成形而重新造块，以适应高炉冶炼的需要。粉料何以能够固结成形？3举例：磁铁矿生产“熔剂性”烧结矿的成矿过程解析示意图4铁矿粉烧结成矿过程分三个阶段固相反应液相生成冷凝结晶固结53.3.1.1固相反应在未生成液相的低温条件下（500—700℃），烧结料中的一些组分就可能在固态下进行反应，生成新的化合物。——固相反应1).固相反应：是在一定的温度下、物料没有熔化之前，两种或多种相接触的固体中的离子克服晶格中的结合力，在晶格内部进行位置交换，并扩散到与之相接触的邻近的其他晶格内进行的反应。63.3.1.1固相反应发生的条件：温度；晶体基元的内外扩散需要一定的能量－活化能(燃料的燃烧产生高温废气加热了烧结料)反应类型：(只能是)放热的化学反应；还原反应、置换反应、生成化合物或共熔体属于扩散类型反应：反应速度较慢，产物数量有限。（固体间质点扩散）82).烧结过程可能发生的固相反应93).固相反应的特点反应温度较低：远低于反应物的熔点或它们的低共熔点。固相反应开始温度与反应物熔点间有大致一定规律：金属：（0.3－0.4)T熔；盐类：0.57T熔；硅酸盐及有机物：（0.8－0.9)T熔；两种物质间反应的最初产物只能形成一种化合物。固相反应速度与反应物颗粒的大小成反比。103).固相反应的特点有些物质间是不能发生固相反应的。如：Fe2O3只能溶入SiO2，而不能与SiO2发生相互作用；而Fe3O4则不能与CaO反应。固相反应产生新生盐类并再结晶，可以在颗粒之间搭桥而产生一定的固结作用，但不足以形成有效的固相联结。烧结过程进行较快，固相反应由固相扩散控制，反应速度较慢固相反应不直接影响烧结矿的结构。114).提高固相反应速度的措施尽管固相反应不能形成颗粒间有效联接，并且与烧结矿结构和矿物成分之间也没有直接联系。但固相反应能形成原始混合料所没有的低熔点的新物质，在较低的温度下就可生成低熔点的矿物。当温度继续升高时，这些新生成的低熔点矿物就成为了形成液相的引发剂和参与者，使液相生成的温度大大降低。因此，固相反应的类型与最初形成的固相反应产物对烧结过程具有重要作用。而如何提高固相反应速度就成为烧结生成中不能忽略的问题。12原始物料的细化提高其分散度，增加颗粒之间的接触面积，同时活化表面晶格，加快固相反应；采用适宜的混合制粒等级，改善料粒与废气间的传热效果，快速有效提高料粒内外温度。促使固相物质内能增加，晶格质点振动加强，体系趋于不稳定，扩散加速；添加混磨的细铁酸盐等活性物质，促进固相反应；烧结混合料颗粒密实，改善物料颗粒之间的接触，也能有效的促进固相反应。提高固相反应速度的措施133.3.1.2液相生成烧结过程中生成液相，是烧结固结成型的基础。液态物质的数量和性质在很大程度上，决定了烧结矿的强度和还原性。因此，研究液相生成的条件及其性质有重要的指导意义。143.3.1.2液相生成在烧结物料中，主要矿物都是高熔点的，在烧结温度下大多不能熔化。但由于烧结混合料的组成成分很多，颗粒很细又相互接触较紧密。当物料加热到一定温度时，各组分之间有了固相反应，生成新的化合物。各新生化合物之间，原烧结料各组分之间，以及新生化合物与原组分之间存在低共熔点，使得它们在较低的温度下生成液相，开始熔融。15烧结混合物的易熔化合物及共熔混合物系统液相特性融化温度/℃SiO2-FeO2FeOSiO212052FeOSiO2-SiO2共晶混合物11782FeOSiO2-FeO共晶混合物1177Fe2O3-2FeOSiO22FeOSiO2-Fe2O3共晶混合物1142MnO-SiO22MnOSiO2异分熔化点1323MnO-Mn2O3-SiO2MnO-Mn3O42MnOSiO2共晶混合物13032FeOSiO2-2CaOSiO2钙铁橄榄石CaOxFeO2-xSiO2,x=0.1911502CaOSiO2-FeO2CaOSiO2-FeO共晶混合物1280CaOFe2O3CaOFe2O3液相+2CaOFe2O3（异分熔化点）11261200CaOFe2O3CaO2Fe2O3（共晶混合物）Fe-Fe2O3-CaO(18%CaO+82%FeO)-2CaOFe2O3固熔体共晶混合物1140Fe3O4-Fe2O3-CaOFe2O3Fe3O4-CaOFe2O31180Fe3O4-2CaOFe2O3Fe2O3-CaOSiO22CaOSiO2-CaOFe2O3-CaO2Fe2O3共晶混合物11921713136916(1)液相生成过程初生液相:原有低熔点物质及由固相反应所生成的新的低熔点化合物，随着温度的升高而出现初期液相。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。在熔化时一部分分解成简单化合物，一部分熔化成液相。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。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。液相同化:通过液相的粘性和塑性流动传热，使烧结过程的液相温度和成分趋于均匀化。如：CaOFe2O3+SiO22CaOSiO2+Fe2O32FeOSiO2+CaOCaOxFeO2-xSiO217(2).液相生成过程的作用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；液相具有一定的流动性，可进行粘性或塑性流动传热、传质，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得到一定程度的均匀化；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通道附近，在较短时间内燃烧完毕；18液相能润湿未熔的矿粒表面，产生一定的表面张力将矿粒拉紧，使冷凝后的烧结矿具有强度；从液相中形成并析出烧结料中所没有的新生矿物，这些新生矿物中有些对改善烧结矿的强度和还原性有利。19为满足铁矿粉烧结固结需求的液相量，现在只有一个笼统的提法，即：烧结液相量为总质量的25%以上。实际上，最佳的液相生成量与烧结所用原料有关，其原则是：A.保证高温带具有良好的透气性；B.烧结矿具有良好的强度；C.保证烧结矿有适当的还原性。因此，要从质和量方面恰当地调整烧结液相。20(3).影响液相生成因素烧结温度：包括最高温度、高温带厚度、温度分布等。由配碳量，点火温度、时间，料层高度与抽风负压等来决定。不同SiO2含量的条件下，烧结料液相量随温度升高而增加。烧结矿碱度：在SiO2一定的情况下，烧结矿的液相量随着碱度的增加而增加。碱度是影响液相量和液相类型的主要因素。烧结温度与液相量的关系(用相图计算结果绘制)21烧结气氛：烧结气氛关系到烧结过程铁氧化物的氧化与还原。还原性气氛下，FeO多，熔点降低，液相量增加。Fe2O3熔点：1565℃Fe3O4熔点：1594.5℃FeO熔点：1370℃烧结混合料的化学成分：SiO2量，关系到高硅酸盐液相的数量，一般希望不低于5%。Al2O3量，有使熔点降低的趋势。MgO量，有使熔点增加的趋势，能改善烧结矿低温还原粉化现象。223.3.1.3冷凝结晶固结过程燃烧层移动后，被熔化的物质温度下降，液相放出能量而结晶或变成玻璃体。如果在冷凝过程中放出了几乎所有多余能量，则液相全部转变为结晶体析出。而在实际烧结过程中，冷却速度很快，有相当的潜能来不及释放而蕴藏在里面，从而使不少硅酸盐以玻璃体形态存在于烧结矿中，其数量的多少取决于冷却速度的快慢程度。在烧结过程中并非全部烧结料都熔化为液相，有些原料，特别是粒度大的，往往来不及熔化，它们也被周围的液相粘结起来。经过冷凝结晶后，烧结混合料即变成多孔的烧结矿。23冷凝结晶过程中，高熔点物质首先析出，如铁氧化物(Fe304、Fe2O3等)，残余液相填充周围空间；随温度的进一步降低，低熔点化合物和共晶混合物析出。由此，质点从液态的无序排列过渡到固态的有序排列，体系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。24(1).冷凝结晶形式①.结晶:液相冷却降温至某一矿物的熔点时，某种成分达到过饱和，质点相互靠近吸引形成线晶、线晶相互靠近而成为面晶，面晶重叠成为晶芽，以晶芽为基础，该矿物的质点呈有序排列，晶体逐渐长大形成。这是液相结晶析出过程。②.再结晶:在原有矿物晶体的基础上，细小晶粒聚合成粗大晶粒。这是固相晶粒的聚合长大过程。③.重结晶:随着温度和液相浓度的变化，会出现已结晶的固相物质部分再溶入液相中的现象。并在该区域液相结晶的进程中，再重新结晶析出新的固相物质。这是旧固相通过固－液转变后形成新固相的过程。25(2).影响冷凝结晶的因素①温度：同种物质的晶体在不同温度下生长，所表现的形态是有差别的。原因是：结晶速度不同。②矿物的结晶能力及开始析出温度：由于结晶开始温度和结晶能力、生长速度的不同，后析出的晶体形状受先析出晶体和杂质的干扰。因此，烧结矿的晶体外形可分为：自形晶：结晶时自范性得到满足，以自身固有的晶形和晶格常数析出长大。半自形晶：结晶能力尚可，自范性部分得到满足，部分晶面完好。他形晶：温度低而结晶能力差的晶体析出时，自范性得不到满足，受先析出晶体和杂质的阻碍而表现形状不规整，无良好晶面。晶体在适当条件下可以自发形成几何多面体的性质26③.结晶速度：结晶速度大，则结晶晶芽增多，初生的晶体较细小，很快生长成针状、棒状、树枝状的自形晶。反之，晶体多数成为粗大的粒状半自形晶或他形晶。当结晶速度极小时，因冷却速度大而来不及结晶，易凝结成玻璃相。④.液相粘度：粘度很大时，质点扩散的速度很慢，晶面生长所需的质点供应不足，因而晶体生长很慢，甚至停止生长。但是晶体的棱和角，则可以接受多方面的扩散物质而生长较快，造成晶体棱角突出、中心凹陷的所谓“骸状晶”。273.3.2烧结矿的矿相分析1).铁矿粉烧结矿常见的矿物组成烧结矿是一个由多种矿物组成的复合体。是由含铁矿物及脉石矿物构成的液相粘结而成的。根据原料条件及烧结工艺条件的不同，其矿物组成差别很大。烧结矿的质量主要表现在它的机械强度和还原性能，这些性能与烧结矿的矿物组成及结构密切相关。矿相分析主要是研究烧结矿的矿物组成及显微结构。3.3.2.1烧结矿的矿物组成28铁矿粉烧结矿常见矿物表类别矿物名称分子式备注含铁矿物赤铁矿Fe2O3磁铁矿Fe3O4浮士体FexO粘结相铁橄榄石2FeO·SiO2钙铁橄榄石(CaO)x·(FeO)2-x·SiO2X=0.25－1.5钙铁辉石CaO·FeO·2SiO2碱度1.0时出现硅酸钙类(CaO)x·SiO2X=1，2，3铁酸钙类(CaO)x·Fe2O3X=0.5，1，2铝黄长石2CaO·Al2O3·SiO2铁矿脉石中Al2O3含量较高铁黄长石2CaO·Fe2O3·SiO2钙铁榴石3CaO·Fe2O3·3SiO2铁铝酸四钙4CaO·Al2O3·Fe2O3钙镁橄榄石CaO·MgO·SiO2铁矿脉石中MgO含量较高镁黄长石2CaO·MgO·2SiO2镁蔷薇辉石3CaO·MgO·2SiO2枪晶石3CaO·2SiO2·CaF2脉石中有CaF2钙钛矿CaO·TiO2使用钛铁矿时除此之外，还有少量反应不完全的游离石英及游离石灰等。292).矿物组成对烧结矿强度及还原性的影响类别名称分子式还原性%抗压强度(KPa)铁矿物赤铁矿Fe2O349.92617磁铁矿Fe3O426.73616粘结相铁橄榄石2FeO·SiO21.01989铁橄榄石与磁铁矿共晶---2617钙铁橄榄石(CaO)x·(FeO)2-x·SiO22.1－6.6451－5547x=0.25(CaO)0.25·(FeO)1.75·SiO22.12597x=0.5(CaO)0.5·(FeO)1.5·SiO22.