钢铁冶金学(炼铁)课件第2章

本科生主干课《钢铁冶金学－炼铁部分》授课资料北京科技大学冶金学院吴胜利杨世山19第二章铁矿粉造块(AgglomerationofFineIronOres)2.1铁矿粉造块的意义和作用铁矿石造块的必要性现代高炉(Blastfurnace)生产对原料(Rawmaterials)提出更加严格的要求(精料方针)；天然富矿(Naturalrichore)少，富矿粉(Orefines)和贫矿(Leanore)选矿(Ore-dressing或Beneficiation)后的精矿粉(Concentrates)粒度(Size)细，不适合在填充床(Packedbed)中的冶炼；通过造块工艺，可改善铁矿石(Ironores)的冶金性能(Metallurgicalproperties)；通过造块过程，可脱除某些杂质，如：S、P、K、Na等；造块过程可综合利用冶金企业产生的大量粉尘(FinesorDusts)和烟尘(Fluedust)。我国烧结矿(Sinter)生产的发展我国第一台55M2烧结机(Sinteringmachine)建于20年代的鞍钢我国第一台450M2烧结机建于80年代的上海宝钢我国烧结矿生产的发展1387481618561863749654128312176732850420000500010000150002000025000300003500040000450001952195719621975198419911997200220042005年份烧结矿产量（万吨）本科生主干课《钢铁冶金学－炼铁部分》授课资料北京科技大学冶金学院吴胜利杨世山19本科生主干课《钢铁冶金学－炼铁部分》授课资料北京科技大学冶金学院吴胜利杨世山20铁矿石烧结的发展简史1897年硫化铅矿烧结工艺专利1902年侧翻式烧结锅(Sinteringpan)专利1921年21M2烧结机投入运行1911年基于带式(Pallet-type/Strand)烧结机的铁矿石烧结工艺专利1911年第一台铁矿石烧结的DL(Dwight−Lloyd)烧结机在德国的布鲁克钢铁公司诞生（6M2）1970年600M2烧结机在日本诞生1952年烧结单机面积增至90M21956年120M2烧结机投入运行1909年铁矿石烧结锅专利1936年75M2烧结机投入运行本科生主干课《钢铁冶金学－炼铁部分》授课资料北京科技大学冶金学院吴胜利杨世山20本科生主干课《钢铁冶金学－炼铁部分》授课资料北京科技大学冶金学院吴胜利杨世山212.2造块的基础理论散料造块的基础理论引力液相作用力固相联结力分子引力过剩电荷力磁性引力水桥表面张力(毛细力)粘性液体桥固相扩散联结熔化物联结粘结物固化晶桥键联结散粒物料聚结现象是颗粒间相互联结力与相互排斥力作用的结果结合力＝联结力－排斥力(重力)太小，无实际意义球团矿焙烧固结生料成球球团矿的冷态固结烧结矿的液相固结本科生主干课《钢铁冶金学－炼铁部分》授课资料北京科技大学冶金学院吴胜利杨世山21本科生主干课《钢铁冶金学－炼铁部分》授课资料北京科技大学冶金学院吴胜利杨世山222.3烧结过程(SinteringProcess)2.3.1烧结工艺流程现代烧结生产是一种抽风烧结(Wind-drawingsintering)过程；料层厚度(Sintermix/blendbedheight)为350～700mm；点火温度(Ignitiontemperature)为950～1200℃；抽风负压(Wind-drawingnegativepressure)为1000～1600mmH2O柱；烧结温度(Sinteringtemperature)为1260～1500℃。本科生主干课《钢铁冶金学－炼铁部分》授课资料北京科技大学冶金学院吴胜利杨世山22本科生主干课《钢铁冶金学－炼铁部分》授课资料北京科技大学冶金学院吴胜利杨世山23烧结过程沿料层高度的变化状况1.烧结矿层(Sinterorelayer)——上冷下热，约40～50mm为脆性层(T低、急冷)；2.燃烧层(Combustionlayer)——即烧结层(Sinteringlayer)，厚度约为15～50mm，温度为1100～1400℃，主要反应为燃烧反应；3.预热层(Preheatinglayer)——厚度为20～40mm，特点是热交换剧烈，温度快速下降，主要反应为水分蒸发、结晶水及石灰石分解、矿石氧化还原及固相反应；4.冷料层(Mix/Blendlayer)——即过湿层(Wettinglayer)，上层带入的水分由于温度低而凝结，¯过多的重力水使混合料小球被破坏¯影响料层透气性(Permeability)；5.垫底料层(Hearthlayer)——为保护烧结机炉篦子不因燃烧带下移而烧坏。烧结机台车(Pallet)纵向剖面示意图烧结矿层燃烧层预热层冷料层垫底料层台车行进方向点火炉本科生主干课《钢铁冶金学－炼铁部分》授课资料北京科技大学冶金学院吴胜利杨世山23本科生主干课《钢铁冶金学－炼铁部分》授课资料北京科技大学冶金学院吴胜利杨世山242.3.2烧结过程的主要反应(CombustionDecompositionGasification)燃烧反应分解反应水分蒸发与还原与再氧化反应气化反应冷凝反应(Evaporation&condensationReduction&reoxidation)SSSSS结晶水分解需要耗热。S碳酸盐中石灰石分解相对需要更高的温度。S烧结过程中石灰石的有效分解时间不足2分钟。SFe2O3在燃烧带可以分解成Fe3O4。S制粒需加水进行。精矿粉8%富矿粉5%S烧结过程水分蒸发快，故干燥带很薄。S废气中的水蒸气在温度下降后，冷凝析出水分，造成烧结料层下部的过湿现象。S烧结过程既有还原反应，又有氧化反应。S烧结过程的目的不在于还原铁氧化物，相反还要限制还原反应的进行。S2FeO•SiO2、CaO•FeO•SiO2的再还原性差，高炉不欢迎。SS的氧化气化为烧结过程提供热量和温度。C的完全燃烧占主导地位。局部区域可有还原性气氛。燃烧反应速度决定燃烧带厚度。燃料粒度是决定烧结质量的重要因素。可使烧结过程脱硫率达到85%以上。SK、Na、Zn的还原气化，在烧结过程只占少量。S用CaCl2进行氯化气化，可脱除原料中的有害元素，但有设备腐蚀问题。C+O2=CO2（易）2C+O2=2COC+CO2=2CO2CO+O2=2CO2（易）碳酸盐分解：CaCO3=CaO+CO2MgCO3=MgO+CO22FeCO3+1/2O2=Fe2O3+CO2高价氧化物分解：6Fe2O3=4Fe3O4+O2氧化气化：例如，S+O2=SO2还原气化：例如，2K2O+C=4K+CO2卤化气化：例如，CaCl2+MeO=MeCl2+CaO本科生主干课《钢铁冶金学－炼铁部分》授课资料北京科技大学冶金学院吴胜利杨世山24本科生主干课《钢铁冶金学－炼铁部分》授课资料北京科技大学冶金学院吴胜利杨世山252.3.3烧结过程的固结(烧结矿的成矿机理)(Binding)(Mineralsformationmechanism)固相反应生成低熔点物质金属：(0.3～0.4)T熔盐类：0.57T熔硅酸盐：(0.8～0.9)T熔为液相生成创造条件液相生成(Acid/SiliceoussinterSelf-fluxedsinterHighbasicitysinteredore)(Super-fluxedsinter)(超高碱度烧结矿)FeO-SiO2系液相CaO-SiO2-FeO系液相CaO-SiO2系液相CaO-Fe2O3系液相1175～1205℃1073～1217℃1450～1540℃1205～1449℃非自熔性烧结矿的主要粘结相液相生成量是烧结料固结的基础冷凝固结液相放出能量冷却速度慢冷却速度快结晶体析出玻璃体析出熔化物的冷凝成为未熔物之间的粘结剂，把烧结料粘结成多孔状的烧结体自熔性烧结矿的主要粘结相高碱度烧结矿的粘结相高碱度烧结矿的主要粘结相完成烧结过程本科生主干课《钢铁冶金学－炼铁部分》授课资料北京科技大学冶金学院吴胜利杨世山25本科生主干课《钢铁冶金学－炼铁部分》授课资料北京科技大学冶金学院吴胜利杨世山26固相反应(Solid-phasereaction)定义——在一定温度下，某些离子克服晶格结合力，进行位置交换，并扩散到与之相邻的其它晶格内的过程，称为固相反应。特点——…反应温度远低于固相反应物的熔点或它们的低共熔点；†温度高有利于固相反应的进行；‡固相反应受化学组成的影响，例如：Fe3O4不与CaO发生固相反应，Fe2O3不与SiO2发生固相反应，CaO—SiO2的反应开始温度为600℃，Fe3O4—SiO2的反应开始温度为950℃；ˆ虽不能形成有效的固相连接，但为液相的生成提供了前提条件(低熔点的固相反应产物)CaO-Fe2O3系液相(Liquidphase)高碱度烧结矿的主要粘结相(Bindingphase)铁酸半钙——CaO•2Fe2O3在1155～1225℃稳定；铁酸一钙——CaO•Fe2O3异分熔点1215℃；铁酸二钙——2CaO•Fe2O3熔点1449℃；CaO•Fe2O3-CaO•2Fe2O3形成该系熔点昀低的共晶混合物(1205℃)该体系的特点无需高温，燃料消耗少；矿物强度及还原性均好。SFCAtheory(Lowtemperaturesinteringtheory)铁酸钙理论(低温烧结理论)本科生主干课《钢铁冶金学－炼铁部分》授课资料北京科技大学冶金学院吴胜利杨世山26本科生主干课《钢铁冶金学－炼铁部分》授课资料北京科技大学冶金学院吴胜利杨世山27烧结矿的矿相(Mineralogical)组成与结构对其质量的影响粘结相矿物：铁橄榄石、钙铁橄榄石、硅灰石、钙铁灰石、铁酸钙、正硅酸钙、硅钙石、游离石英、游离氧化钙。含铁矿物：赤铁矿(Hematite)、磁铁矿(Magnetite)、方铁矿。烧结矿是多种矿物(minerals)组成的复合体烧结矿中主要矿物的机械强度(Strength)与还原性(Reducibility)球磨机实验后的筛级，%荷重条件下未裂前的印痕数，%矿物名称瞬时抗压强度，kg/mm2＞5mm＜1mm20kg50kg还原度，%赤铁矿26.7————————49.9磁铁矿36.9————————26.7铁橄榄石与磁铁矿共晶26.7————————13.2钙铁橄榄石(CaO)x(FeO)2-xSiO2X=020.368101301.0X=0.2526.5————————2.1X=0.556.67745002.7X=1.023.355141806.6X=1.0(玻璃)4.6————803.1X=1.510.2————804.2铁酸一钙37.0814413340.1铁酸二钙14.2452218828.5(1)磁铁矿、赤铁矿、铁酸一钙、铁橄榄石有较高强度，其次为钙铁橄榄石及铁酸二钙，昀差的是玻璃相。(2)赤铁矿、磁铁矿和铁酸一钙容易还原，铁酸二钙还原性较差，玻璃体、钙铁橄榄石、钙铁辉石，特别是铁橄榄石难以还原。(3)烧结矿中以强度好的组分为主要粘结相，烧结矿的强度就好。以还原性好的组分为主要粘结相，且气孔率高、晶粒嵌布松弛、裂纹多的烧结矿易还原。本科生主干课《钢铁冶金学－炼铁部分》授课资料北京科技大学冶金学院吴胜利杨世山27本科生主干课《钢铁冶金学－炼铁部分》授课资料北京科技大学冶金学院吴胜利杨世山28影响烧结矿矿相组成与结构的因素影响因素SiO2Al2O3含量MgO含量矿粉的种类、粒度组成、矿物组成等点火温度、料层厚度、布料方式、冷却速度等碱度烧结混合料的配碳量原料自身的特性及配矿方案烧结生产的工艺、技术参数烧结矿质量及产量本科生主干课《钢铁冶金学－炼铁部分》授课资料北京科技大学冶金学院吴胜利杨世山28本科生主干课《钢铁冶金学－炼铁部分》授课资料北京科技大学冶金学院吴胜利杨世山292.3.4烧结过程的传输现象(Transferphenomenon)(Aerodynamicphenomenon)烧结过程的气体力学现象Voice公式描述Ergun公式描述n