第二章铁矿粉造块

炼铁学——概论第二章铁矿粉造块2.1粉矿造块的意义和作用2.2造块的基础理论2.3烧结过程2.4球团过程2.5烧结矿和球团矿的质量检验2.6高炉炉料结构炼铁学——概论2.1粉矿造块的意义和作用铁矿粉造块的必要性：•现代大型高炉生产对原料的精料要求。•􀁺天然富矿少，造块后粒度细，不适合在填充床中的冶炼。•􀁺通过造块工艺，可改善铁矿石的冶金性能。•􀁺通过造块过程，可脱除某些杂质，如：S、P、K、Na。•􀁺造块过程可综合利用冶金企业产生的大量粉尘和烟尘。铁矿粉造块的目的：①将粉状料制成具有高温强度的块状料以适应高炉冶炼、直接还原等在流体力学方面的要求；②通过造块改善铁矿石的冶金性能，使高炉指标得到改善；③通过造块去除某些有害杂质，回收有益元素，达到综合利用资源和扩大铁矿石原料资源的目的。炼铁学——概论2.2造块的基础理论散状物料聚结现象是颗粒间相互联结力与相互排斥力作用的最后结果：颗粒间固结力=联结力—排斥力颗粒间的相互联结力：①引力：分子吸引力（范德华力），静电接触电位，磁力，过剩电菏引力②液相作用力：水桥，表面张力（毛细力），高粘度液体粘合③固体联结力：盐类晶桥，熔化物固结—液相烧结，粘结剂硬化联结，固相烧结，化学反应联结等④其他：氢键联结，形状因素——钩联或镶联炼铁学——概论结合力＝联结力－排斥力液相作用力固相联结力引力分子引力过剩电荷力磁性引力水桥表面张力粘性液体桥固相扩散联结晶桥键联结粘结物固化熔化物联结作用力太小生料成球球团矿焙烧固结球团矿的冷态固结烧结矿的液相固结炼铁学——概论2.3烧结过程2.3.1一般工艺过程烧结生产是一种抽风烧结过程，即将铁矿粉、熔剂、燃料、代用品及返矿按一定比例混合，配加适量水分，经混合造球后，铺于烧结机台车上，在一定负压下点火，自上而下进行。炼铁学——概论炼铁学——概论炼铁学——概论1897年硫化铅矿烧结工艺专利1902年侧翻式烧结锅专利1902年侧翻式烧结锅专利1911年基于带式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在德国的布鲁克钢铁公司诞生（6M2）1921年21M2烧结机投入运行1936年75M2烧结机投入运行1952年烧结单机面积增至90M21956年120M2烧结机投入运行1970年600M2烧结机在日本诞生铁矿石烧结发展历史炼铁学——概论在某一烧结时刻，烧结料分为五层：⑴烧结矿层（成矿层）主要反应：液相凝固、矿物析晶，预热空气，约40－50mm⑵燃烧层主要反应：燃料燃烧，温度可达1100~1500℃，20－40mm⑶预热层主要过程：混合料被燃烧层下来的热废气干燥和预热，特点是热交换进行得迅速剧烈。⑷冷料层（过湿层）主要过程：上层废气中的水分在本层降温到露点而冷凝析出。炼铁学——概论2.3.2烧结过程的主要反应2.3.2.1燃烧反应C+O2=CO2ΔH=－33500KJ/KGΔGθ=－395350－0.54T⑴2C+O2=2COΔH=－9800KJ/KGΔGθ=－228800－171.54T⑵2CO+O2=2CO2ΔH=－23700KJ/KGΔGθ=－561900＋170.46T⑶CO2+C=2COΔH=13800KJ/KGΔGθ=166550－171.0T⑷烧结过程中反应⑴易发生，在高温区有利于⑵和⑷进行，但由于燃烧层薄，废气经过预热层温度很快下降，反应受到限制，但在混合料中燃料粒度过细，配碳过多而且偏析较大时，此反应仍有一定程度发展。反应⑶易于在低温区进行。烧结废气中一CO2为主，有少量CO、自由氧和氮。炼铁学——概论生产和研究中，常用来衡量烧结过程中的气氛和燃料的化学能利用。影响这一比值的因素有燃料粒度、燃料数量、负压大小等。烧结过程中燃料燃烧是受扩散控制的，因此，烧结混合料中燃料燃烧速度及燃烧层的厚度与燃料颗粒的直径，气流的流速及料层的透气性有关部门。在其他条件一定时，粒度的大小成为烧结过程质量的决定性因素：粒度越大，燃烧时间越长，燃烧层越厚。若粒度过粗，造成过厚的燃烧层，增加了料层的阻力，同时降低燃烧温度，且在转运和布料时易产生偏析，造成局部过熔；若粒度过细，则降低料层的透气性，同时由于燃烧速度过快而使燃烧层过薄，来不及产生足够的液相，影响了烧结矿的强度。2.3.2.2分解反应烧结过程中有三种分解反应发生：结晶水分解、碳酸盐分解、高价氧化物（Fe2O3、MnO2、Mn2O3）分解。2COCOCO炼铁学——概论⑴结晶水分解分解反应为吸热反应，因而用褐铁矿或强磁选和浮选的褐铁精矿粉烧结时，需要更多的燃料，配量一般高达9%~11%。⑵碳酸盐分解在烧结过程中不仅要求CaCO3完全分解，而且要求分解出来的CaO完全为液相完全吸收与其他矿物结合，而不希望有游离的CaO存在。影响烧结过程中石灰石完全分解并与矿石化合的因素主要是石灰石的粒度，烧结温度和烧结混合料中矿石的种类和粒度。为保证石灰石完全分解，并被矿石所吸收，粒度不应超过3mm。炼铁学——概论⑶高价氧化物分解铁合锰的高价氧化物的分解压较高，其在大气中开始分解和沸腾分解温度如下：MnO2Mn2O3Fe2O3pO2=20.6kPa(0.21atm)460℃927℃1383℃pO2=98.0kPa(1.0atm)550℃1100℃1452℃在烧结过程中，气氛中的氧分压为11.76~18.6kPa(0.18~0.19atm)，而在预热层中废气含氧8%~10%，氧的分压仅为7.1~8.8kPa（0.072~0.09atm），MnO2，Mn2O3在预热层开始分解，在燃烧层达到沸腾分解，同时Fe2O3也在燃烧层分解，有时甚至是剧烈分解。Fe3O4和FexO因其分解压很小，在烧结条件下不可能分解。炼铁学——概论2.3.2.3还原与再氧化反应烧结过程中由于原料中碳分布的偏析和气体组成成分分布的不均匀性，使得某些地区，特别是再燃料颗粒周围的（CO2）/（CO）比值很小，而该处温度较高，部分Fe2O3可还原为FexO，甚至可能被还原为Fe。再离燃料颗粒较远的地区该比值可能很大，相应氧含量较多，Fe3O4和FexO可能被氧化。烧结过程中的实际还原过程取决于烧结配料和工艺等条件，例如烧结配料中的配碳量，矿粉本身的还原性，矿粉与还原剂接触的表面积和时间，烧结温度等。炼铁学——概论2.3.2.4气化反应烧结过程中的气化反应能脱出某些有害杂质，气化反应有三种类型：（1）、氧化烧结原料中的硫大部分以上述反应形势脱除。再条件控制适当时，烧结过程可脱硫85％～95％。配碳过高不利于脱硫，脱硫属放热反应，可适当降低配碳量。加入石灰石虽有利于形成氧化性气氛，但CaO能强烈吸收SO2，对脱硫不利。砷的脱除也需要适当的氧化气氛，As氧化为As2O3，其沸点为460℃，且易挥发，但过分氧化生成的As2O5不能气化，但氧化为As2O3后2322242152SOOFeOFeS232222132SOOFeOFeS炼铁学——概论易被碱性物质如CaO等吸收。因此，一般烧结过程中As的脱除率不超过50％。当有S存在时能够生成易挥发的As2S3（沸点565℃），有利于As的脱除。（2）、还原某些易挥发的元素如能再烧结过程中被还原也可以气化脱除，这些元素包括Zn、K、Na等。困难的是这些元素的氧化物再烧结料中形成盐类，难以还原。（3）、氯化氯化烧结易腐蚀设备，污染环境及降低烧结矿强度。因此，再生产中为予以应用。2.3.2.5水分蒸发和凝结烧结料为造球需加入一定量的水分（精矿粉8％，富矿粉4～5％）。炼铁学——概论在混合料预热阶段，水分即开始蒸发。混合料的干燥经历了恒温干燥和升温干燥两个阶段。废气经干燥层后，温度有1100～1500℃降到100℃以下，使得废气的饱和蒸汽压急速下降，含有较多蒸汽的废气在下部混合料层重新凝结成水，烧结料出现过湿现象。生产中过湿现象的防止（1）、适当控制混合料初始水分水分减少，水分凝结少，干燥时间缩短，烧结速度加快，生产效率提高。（2）、提高混合料的温度炼铁学——概论炼铁学——概论2.3.3烧结过程中的主要反应固结反应烧结料的固结经历了固相反应、液相生成和冷凝固结。2.3.3.1固相反应颗粒之间的固相反应是在一定温度条件下这种或那种离子克服晶格中的结合力，在晶格内部进行位置交换，并扩散刀与之相接触的邻近的其他晶格内进行的反应。固相反应能够进行的重要因素是温度。2.3.3.2液相生成烧结过程中一些低熔点物质在高温作用下，熔化成液态物质，在冷却过程中，液体物质凝固而成为那些尚未熔化和溶入液相的颗粒的坚固连接桥。液相生成是烧结成型的基础，液态物质的数量和性质是影响烧结固结好坏，乃至冶金性能的重要因素。炼铁学——概论四种主要低熔点物系：（1）FeO-SiO2系铁橄榄石，熔点1205℃，石非溶剂性烧结矿的主要固结相。（2）CaO-SiO2系硅灰石，熔点1540℃，熔化温度高，不可能成为烧结矿的主要固结相。（3）CaO-Fe2O3系2CaO.Fe2O3,熔点1449℃，溶剂性烧结矿主要固结相。（4）FeO-SiO2-FeO系铁钙橄榄石，熔点1093℃；铁钙方柱石，熔点1200℃；铁钙辉石，熔点1217℃。炼铁学——概论2.3.3.3冷凝固结烧结层移动后，被熔化的物质温度下降，液相释放出能量而结晶变成玻璃体。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。A非自熔性烧结矿的冷凝固结B溶剂性烧结矿的冷凝固结2.3.3.4烧结矿的矿物组成及结构烧结矿是一种由多种矿物组成的复合体。由于烧结条件和工艺条件不同，其矿物组成不尽相同。常见烧结矿的显微结构如下：（1）粒状结构炼铁学——概论由烧结矿中先结晶出的自形晶、半自形晶或他形晶的磁铁矿与粘结相矿物晶粒相互作用组成。（2）斑状结构由磁铁矿斑状结晶与较细粒的粘结相矿物相互结合而成。（3）骸状结构烧结矿中早期结晶磁铁矿晶体中，由粘结物充填与其内，而仍大致保持磁铁矿原来的结晶外形和边缘部分的骸晶状结构。（4）丹点状的共晶结构烧结光中磁铁矿呈圆点状存在与橄榄石晶体中和赤铁矿圆点状晶体分布在硅酸盐晶体中的结构。（5）熔蚀结构炼铁学——概论在高碱度烧结矿中出现，磁铁矿被铁酸钙熔蚀，是晶粒小、浑圆形状的铁矿，他形晶或半自行晶，与铁酸钙紧紧相连而形成熔蚀结构。两者之间有较大的接触面和摩擦力，因此镶嵌牢固，烧结矿有较好的强度，他是高碱度烧结矿的主要矿物结构。烧结矿矿物组成及结构是影响烧结矿质量的重要因素。对强度的影响表现在：（1）烧结料的矿化和粘结相的发展程度。（2）烧结矿矿物组成中矿物或玻璃相的自身强度。（3）矿物组成和结构形成过程中伴随产生的内应力。对还原性的影响表现在：（1）矿物组成自身的还原性。（2）矿物结构。炼铁学——概论烧结工艺流程2.3.5烧结工艺炼铁学——概论2.3.5.1烧结作业烧结工艺的基本参数•􀁺料层高度为350－700mm；•􀁺点火温度为950－1200℃；•􀁺抽风负压为1000－1600mmH2O柱；•􀁺烧结温度为1260－1500℃。A原料准备与配料烧结原料包括铁矿粉（原矿及精矿粉）、熔剂（石灰石、白云石或生石灰）、燃料（焦粉或无烟煤）、附加物（硫酸渣、轧钢皮、钢铁厂回收粉尘、铁屑）及返矿。B混合布料配好的原料必须进行混匀，以保证获得质量比较均匀一致的烧结矿。在混合过程中必须加入适量水分润湿，便于烧结料中细粉造球以提高烧结料的透气性。炼铁学——概论我国绝大部分使用精矿粉烧结的情况下，普遍采用二次混合工艺。一次混合时主要是混匀并加适量水分润湿；二次混合时补足刀适宜水分使混合料中细粉造成小球。布料目的是使混合料在粒度、化学成分方面沿台车宽度上分布均匀，以保证透气性一致，同时料面平整，并有一定的松散性。C点火控制传统点火工艺中，点火不仅起着将混合料中燃料点燃的作用，而且还起着给表层混合料补足热量的作用，以使表层能产生一定的液相而熔结。*点火器改进D抽风负压控制高负压大风量：随着料层提高进一步强化烧结，是发展方向。炼铁学——概论低负压大风量：我国大多数厂家采用，随着料层的提高，采取蒸汽预热混合预热料，改善布料，增设松料器等措施提高料层透气