高炉炼铁原料.ppt

1 2 高炉炼铁原料2 1铁矿石和燃料2 2铁矿粉烧结2 3铁矿粉团球 2 炼铁所需的原燃料有 铁矿石 天然富块矿 人造块矿 熔剂 石灰石 白云石 焦炭 煤粉 高温热风 在风口前氧化燃料中的碳 产生热量和还原性气体 冶炼1吨生铁 约需铁矿石1 6 2 0 消耗量与那些因素有关 需要1200M3的空气 2 1铁矿石和燃料 3 2 1 1铁矿石2 1 1 1铁矿石的分类及特性1 铁矿石和脉石的概念 铁矿石是在目前技术条件下能经济合理地提取其中有用矿物的岩石 铁矿石中的矿物可分为有用矿物和脉石两类 脉石矿物是在目前还不能利用的矿物 并且总是与有用矿物伴生 4 2 铁矿石分类及其特征铁矿石以主要含铁矿物化学组成来命名 1 赤铁矿又称红矿 它是无水氧化铁矿石 其化学式为Fe2O3 理论含铁量为70 5 6 特点 1 自然界储量最多 含铁量一般为50 60 2 S P低 质软 易碎 易还原 3 赤铁矿具有半金属光泽 仅有弱磁性 脉石多为硅酸盐 2 磁铁矿主要含铁矿物 其化学式Fe3O4 理论含铁量72 4 7 2 磁铁矿具有强磁性 晶体通常成八面体 铁黑色 有金属光泽 脉石主要为硅酸盐 3 坚硬致密还原性差 特点 1 由于地表氧化作用使部分磁铁矿氧化成半假象赤铁矿和假象赤铁矿 但仍保留原磁铁矿结晶结构 一般以Fe全 FeO 矿石中FeO含量 的比值来分类 比值2 33为纯磁铁矿矿石 7为假象赤铁矿矿石 8 3 褐铁矿由其它矿石风化后生成的 自然界中分布很广 其化学式为 nFe2O3mH2O n 1 3 m 1 4 大部分以2Fe2O33H2O形式存在 9 10 特点 1 含铁量为37 55 吸水性很强 2 焙烧可去除结晶水 矿石气孔率和含铁量增加 矿石还原性好 3 呈浅褐色 深褐色或黑色 脉石常为砂质粘土 11 4 菱铁矿为碳酸盐铁矿石 化学式为FeCO3 理论含铁量48 2 特点 1 含铁量不高 焙烧分解CO2后 含铁量提高 还原性好 2 S P低 3 呈灰色 浅黄色及褐色 风化后变为深褐色 具有玻璃光泽 脉石常含碱性氧化物 12 13 2 1 1 2铁矿石的质量评价1 化学成分 1 矿石品位矿石品位即矿石含铁量 目前矿石品位的工业开采不低于25 品位高并可直接入炉冶炼的铁矿石称为富矿 品位低于理论品位70 为贫矿 贫矿需经磨矿 选矿 造块等加工处理才能入炉 矿石品位每提高1 可降低焦比2 提高产量3 14 2 脉石铁矿石中除铁氧化物外 其余成分称为脉石 主要包括 酸性氧化物SiO2 碱性氧化物CaO及MgO 中性氧化物Al2O3 TiO2 铁矿石中主要含酸性和中性氧化物 冶炼中为了改善炉渣冶金性能 常要消耗相当数量的石灰石 CaCO3 等碱性氧化物 所有含有碱性脉石的矿物相对价值要高 15 3 有益元素 指对钢材质量有改善或可提取的元素 如Mn Cr Co Ni V Ti等 这些元素可部分被还原进入生铁 并能改善钢铁材料的性能 当这些有益元素达到一定含量时 如W Mn 5 W Cr 0 6 W Co 0 03 W Ni 0 2 W V 0 1 即可视为复合矿石 其经济价值很大 是宝贵的矿石资源 16 4 有害元素的含量矿石中主要有害元素有 S P Cu As 另外还有 K Na Pb Zn 1 S硫使钢材产生热脆性 在高炉炼铁过程中 S可去除90 以上 但脱S消耗焦炭 降低产量 对于高S矿石可以通过选矿 焙烧等方法处理 降低原料含S量 17 2 P磷使钢材具有冷脆性 但含磷铁水流动性 充填性好 对制造复杂铸件或改善导电性能有利 铝电解用于制作阳极 在选矿和铁矿粉烧结过程中不易除去 在炼铁过程中P全部还原进入生铁 控制生铁含P量的唯一途径是控制原料的含磷量 18 3 PbPb易还原 不溶于铁水 密度大 11 34g cm3 熔点327 沸点1520 要求铁矿石中含Pb不超过0 1 4 ZnZn易还原 还原后易挥发 且不溶于生铁 要求铁矿石含Zn不应超过0 2 Pb Zn在高炉内对炉料 炉衬起破坏作用 19 20 5 钾和钠 以碳酸盐及硅酸盐形态存在 在高炉中下部被还原成钾 钠氧化物或单质 对炉衬构成侵蚀性破坏 并且恶化原燃料质量 一般要求矿石中W K2O Na2O 0 1 0 6 碱负荷低于3 5kg t铁为宜 21 其危害表现在 a 与炉衬作用生成钾霞石 K2O Al2O3 2SiO2 等 体积膨胀40 从而破坏炉衬 缩短高炉寿命 b 与炉衬作用生成低熔点化合物 使炉料粘结在炉墙上 导致炉瘤的形成 c 与焦炭中的石墨反应 生成插入式化合物CK8 CNa8 体积膨胀很大 破坏焦炭的高温温度 使高炉下部料柱透气性变坏 d 能增大焦炭的反应性 扩大直接还原区 e 使烧结矿和球团矿的软化温度降低 低温还原粉化率升高 并导致球团矿的恶性膨胀 22 2 矿石粒度和气孔率矿石粒度 料柱透气性 传热和传质条件 高炉顺行和还原过程粒度过大 与煤气接触面积小 扩散半径大 块矿中心部分不易加热和还原 煤气利用变差 焦比升高 粒度过小 特别是粉末较多时 会使煤气流上升的阻力增大 有碍高炉顺行 使产量降低 23 确定矿石粒度 必须兼顾高炉气体力学 传热传质两方面的因素 力求粒度均匀 尽量减少粉末含量 适宜的矿石粒度与矿石的还原性 机械强度及高炉大小等因素有关 表2 1中国高炉入炉矿石粒度 24 矿石气孔率 矿石中孔隙所占体积与它的总体积的百分比 气孔率越高 透气性越好 与煤气接触的表面积越大 越有利于还原 开口气孔对还原有利 25 3 冶金性能 1 矿石的还原性还原性是指铁矿石被气体还原剂CO或H2还原的难易程度 矿石的还原性与其矿物结构 特别是开口的微气孔率及气孔的分布状态有关 铁矿石的还原难易程度 磁铁矿 赤铁矿 褐铁矿 菱铁矿 高碱度烧结矿 球团矿 26 2 矿石的软熔性矿石软熔性能 包括矿石的软化性能和熔滴性能 软化性 包括软化温度和软化温度区间 软化温度 矿石在一定的荷重下加热开始变软的温度 软化温度区间 矿石从开始软化到软化终了的温度区间 熔滴性 矿石开始熔化到开始滴落的温度及温度区间 27 2 1 1 3铁矿石的准备处理1 富铁矿 1 粒度 8mm的富矿粉 送往烧结厂烧结造块 粒度 8mm的块矿可以直接入炉冶炼 2 含S高的矿石破碎到 8mm 送往烧结厂烧结脱S 造块 28 2 贫铁矿贫铁矿需破碎到0 074mm 200目 以下 以破坏铁矿物与脉石之间的连结 经选矿使不同矿物得到分离 通过选矿获得的有用富集矿物称为铁精矿粉 其余部分称为尾矿 主要由脉石组成 富选得到的精矿粉 包括天然富矿粉采用球团或烧结等方法 人工造块 29 图2 1铁矿石处理流程 30 3 铁矿粉混匀钢铁企业采购的矿粉来自不同产地 不同时间 成分波动相当大 铁矿粉混匀的目的是均匀同一种铁矿粉或不同种类铁矿粉之间的化学成分和粒度组成得到混匀矿 铁矿粉混匀设施主要有 一次料场 预混料槽 二次料场等 31 中国某钢铁公司一次原料场 32 炼铁原料场取料机在作业 33 34 35 36 二次料场堆料作业 37 二次料场堆料作业 38 二次料场取料作业 39 2 1 2熔剂1 熔剂的作用 1 与矿石中的脉石 焦炭灰分作用生成低熔点化合物 改善炉渣的冶金性能 2 碱性熔剂可以去除硫 改善生铁质量 2 熔剂的种类常用的有石灰石 CaCO3 白云石 CaCO3MgCO3 40 3 对熔剂 石灰石 要求 1 碱性氧化物 CaO MgO 含量要高 一般要求石灰石中CaO不低于50 SiO2 Al2O3的含量不超过3 5 有效熔剂性能 41 2 有害杂质S P少 3 粒度均匀 粒度范围为20 50mm 入炉前应筛除粉末及泥土杂质 目前碱性熔剂主要在铁矿粉烧结工序中加入 42 2 1 3高炉燃料2 1 3 4焦炭1 焦炭在高炉冶炼中的作用 1 提供冶炼所需热量 2 是高炉内主要的还原剂 3 支撑料柱 起骨架作用 4 铁水渗碳 冶炼1吨生铁约需250 600Kg焦炭 43 2 理化性质 1 化学成分主要有 固定碳 灰分 挥发分 硫 水分 2 化学性质焦炭反应性 CRI 指焦炭与CO2 H2O等进行化学反应的能力 焦炭抗碱性 指抵抗碱金属及其盐类作用的能力 44 3 焦炭转鼓强度测试方法GB T1996 2003 转鼓为直径及长度皆为1m的密闭容器 鼓内平行于轴线方向 每隔90度在内壁上焊1条长约1000mm 截面为100 50 10mm的角钢挡板 在鼓内装入 60mm的焦炭50kg 以25r min 旋转4min 停转后将鼓内全部试样 以 40mm及 10mm的圆孔筛对试样进行处理 大于40mm的焦炭质量分数 记为M40 为抗冲击指标 而小于10mm 记为M10 为耐磨性能指标 45 MK 8型米库姆转鼓机 46 4 反应后强度 CSR 焦炭反应性及反应后强度的测定 按国标 GB T4000 l996 进行 按要求取焦炭试样 置于反应器中 在1000土5 时与二氧化碳反应2h后 以焦炭质量损失的百分数表示焦碳反应性 CRI 反应后焦炭 经I型转鼓试验后 用大于10mm粒级焦炭占反应后焦炭的质量百分数 表示反应后强度 CSR 47 48 3 冶炼对焦炭要求 1 应具有较高的强度 类焦M40 80 0M10 8 0 2 固定碳含量要高 灰分含量低 一般干焦含 质量分数 85 左右的固定碳 13 左右的灰分 其余为挥发分及硫 实践证明 焦炭灰分增加1 焦比升高2 产量下降3 尤其对于1000M3以上的高炉 更应注重焦炭质量 49 3 良好的高温性能具有较低的反应性 反应性不高于30 反应后强度大于60 4 含硫低 含水率低且稳定 50 2 1 3 2喷吹燃料1 高炉喷吹煤粉意义 1 代替部分昂贵焦炭 2 充分利用资源 保护环境 3 改善冶炼经济技术指标 世界先进高炉喷煤量已达250Kg t 中国宝钢最高超过260Kg t 目前实际生产中为 200 230Kg t 2009年全国高炉平均喷煤达到145Kg t 从2006年起 我国已成为炼焦煤的进口国 51 2 对煤粉的质量要求 1 灰分含量低 固定碳量高 灰分不大于15 2 含硫量低 要求小于0 7 3 可磨性好 52 3 喷吹废弃塑料从高炉风口喷入废弃塑料 保护环境 节约能源 图2 2 53 2 2烧结矿2 2 1烧结意义以及烧结矿质量指标 54 2 2 1 1铁矿粉烧结意义 作为充填床式反应器的高炉 要求入炉矿石的粒度大于5mm 除了天然块矿外 一般铁矿粉的粒度小于5mm 铁矿粉造块工艺 烧结矿 球团矿 55 在烧结矿生产中 加入CaO MgO 可以改善烧结矿的冶金性能 在球团矿生产中 加入MgO 可以改善球团矿的软熔性能 在烧结 球团的造块过程 可脱除矿石中的有害杂质 如 S K Na 造块过程可以消化冶金企业产生的大量粉尘和烟尘 起到综合利用和保护环境的作用 56 表2 2高炉除尘灰 瓦斯灰 化学成分 30kg t 57 表2 3轧钢皮化学成分 占钢材总量的2 3 58 2 2 1 2人造富矿的质量检验人造富矿的质量检验内容 物理性能粒度和粒度组成及筛分指数采用ISO4701标准转鼓强度及抗磨强度采用GB8209 87标准球团矿抗压强度采用GB T14201 93标准 化学成分分析TFe FeO CaO SiO2 MgO Al2O3 S P等GB6703 86标准 冶金性能900 还原性采用GB T13241 91标准500 低温还原粉化性能采用GB T13242 91标准球团矿还原膨胀性采用GB T13240 91标准荷重软化性能 无标准 荷重熔滴性能 无标准 59 1 转鼓强度转鼓强度是评价烧结矿抗冲击和耐磨性能的一项重要指标 目前世界各国的测定方法尚不统一 中国标准GB3209 87方法为 测定容器 1000 500mm 内侧有两块成180 的提升板 装料15kg 转速25 r min 转200转 鼓后采用机械摇动筛 筛孔为6 3 6 3mm 往复30次 以 6 3mm的粒级表示转鼓强度 60 图2 3转鼓试验机基本尺寸示意图1 计数器 2 卸料口盖板 3 提升板 61 2 还原性烧结矿还原性模拟炉料在高炉上部的条件 中国国家标准GBl3241 91 1 试验条件反应罐 内75mm试样 粒度10 0 12 5mm 500g 还原气体 CO N2 30 70 还原温度 900 10 气体流量 15Nl min 还原时间 180min 62 图2 4还原管和还原炉的示意图1 还原炉 2 还原管 3 电热元件 4 多孔板 5试祥 6 高A12O3球 7 煤气孔入口 8 煤气出口 9 热电偶 63 3 低温还原粉化性铁矿石进入高炉炉身上部大约在500 600 的低温区时 由于热冲击及铁矿石中Fe2O3还原 Fe2O3 Fe3O4 FeO 发生晶形转变等因素 导致块状含铁物料的粉化 低温还原粉化性的测定 就是模拟高炉上部条件进行的 低温还原粉化性能测定依据GBl3242 91 为铁矿石静态还原后使用冷转鼓的低温粉化试验方法 还原粉化性用RDI表示 还原强度指数 RDI 6 3还原粉化指数 RDI 3 15 64 试验条件还原试验 反应罐 75mm试样 粒度10 0 12 5mm 500g 还原气体 CO CO2 N2 20 20 60 气体流量 15Nl min 还原温度 500 10 还原时间 60min 转鼓试验 转鼓 130 200mm 转速 30r min 时间 10min 65 产品烧结矿 按碱度可分为三类 酸性烧结矿 1 40 高碱度烧结矿R 1 80 2 4 可以提供富余的CaO 66 烧结矿的质量标准 目前烧结矿质量已超过上述标准 如转鼓指数平均在75以上 级别 67 2 2 2烧结过程及主要反应2 2 2 1烧结工艺流程将矿粉 燃料 熔剂按一定的比例组成混合料 配以适量水分 经混合 造球 3 8mm 后 铺于烧结机台车上 在一定负压下点火 经高温将矿粉烧结成块 经破碎 筛分后 粒度合适的成品送往高炉 筛下物返回工序 68 69 70 71 1 配料的要求与方法 1 目的 矿粉 燃料 熔剂严格按一定的重量比例 组成混合料 使烧结矿的物理性能和化学成分稳定 符合冶炼要求 同时使烧结料具有良好透气性以获得较高的烧结生产率 2 对烧结混合料的要求 我国 TFe 0 5 0 1 CaO SiO2 0 05 0 10 日本 TFe 0 3 0 4 CaO SiO2 0 03 72 2 混合的目的和要求目的 一是混合料中的各组分混匀 二是加水润湿和制粒 造球粒度在3 8mm间占80 以上 小于3mm或大于8mm不超过20 一次混合的主要任务是加水润湿和混匀 使混合料中的水分 粒度及物料中各组分均匀分布 二次混合除有继续混匀的作用外 主要任务是制粒 同时还可通入蒸汽预热混合料 提高料温 少数企业采用三次混合 主要是进行外裹煤粉 为强化制粒 两次混匀制粒时间不少于6分钟 73 74 3 布料要求与方法 1 铺底料在烧结台车的篦条上铺10 25mm的烧结矿 然后再在其上布烧结混合料 为什么要铺底料 主要作用是什么 75 铺底料的主要作用 可防止烧结时燃烧带的高温与篦条直接接触 保护篦条延长使用寿命 而且还可以防止烧结矿粘篦条 过滤层作用 减少烟气中的灰尘含量 延长风机转子使用寿命 保持有效抽风面积 使气流分布均匀 76 77 78 2 烧结料布料要求 1 粒度 化学成分及水分等沿台车横向分布均匀 2 粒度 燃料沿纵向合理偏析 从上到下平均粒度逐渐增大 燃料含量逐渐减小 3 料层有一定松散性 表面应平整 图2 5烧结布料装置 79 透气棒或松料器 80 4 点火操作 1 目的 使固体燃料着火燃烧 同时使表层混合料烧结 2 要求 1 有足够高的点火温度 1050 左右 2 有一定的点火时间 3 适宜的点火负压 点火抽风负压为烧结负压的50 60 即6000 8000Pa 点火负压太低 不易点火 将燃烧层往下引 负压过高 会破坏料层的原始透气性 4 点火烟气中氧含量充足 5 沿台车宽度方向点火要均匀 81 82 83 5 烧结过程的判断 1 点火温度点火温度是否适宜 可从点火料面状况判断 1 点火温度过高 或点火时间过长 料层表面过熔 呈现气泡 2 点火温度过低 或点火时间过短 料层表面呈棕褐色或有花痕 出现浮灰 点火温度正常的特征 料层表面呈亮黑色 表面已熔结成坚实的烧结矿 84 85 2 混合料水分在烧结过程中 混合料水分发生变化 将影响料层透气性 1 负压突增 透气性变差 造成点火器火焰不往下抽 而向四周喷射 2 料表面出现未烧结的粉末 机尾烧结矿层有夹生料 3 废气温度降低 4 机尾烧结矿断面出现 花脸 86 3 混和料含碳量燃料过多 台车移出点火器后 烧结矿表面保持红色 最后风箱和主管温度高出正常水平 垂直烧结速度降低 燃烧层达不到铺底料层 机尾卸矿时矿层断面冒火苗 断面熔化厉害 烧结矿有大孔 燃料过少 点火器处料面发暗 很快变黑 机尾红层薄且发暗 断面疏松 烧结矿灰尘大 返矿多 废气温度下降 负压变化不大 87 4 烧结终点烧结终点 就是烧结过程全部完成时台车所处的位置 烧结机的终点一般控制在倒数第二个风箱 1 根据机尾末端三个风箱及总管的废气温度 负压水平来判断 通常第二个风箱较前后风箱高20 40 总管负压持续下降 最后一个风箱负压与倒数第二个接近 如 135m2烧结机14号风箱温度为260 较13号及15号风箱高20 40 则14号风箱位置为烧结终点 2 机尾矿层断面 3 成品和返矿的残碳 88 89 5 烧结工艺的基本参数点火温度控制在950 1150 一般30 60秒 料层高度为600 750mm 抽风负压为10000 16000Pa 烧结温度为1150 1350 机速1 5 2 5m min 垂直烧结速度一般为15 25mm min 90 13 6 烧结过程取一台车剖面分析 抽风烧结过程大致可分为五层 即 1 烧结矿层 上冷下热 约40 50mm为脆性层 T低 急冷 主要反应是液相凝固 矿物结晶 随着烧结过程的进行 该层逐渐增厚 抽入空气通过烧结矿层被预热 而烧结矿层则被冷却 2 燃烧层 即烧结层 厚度约为15 50mm 温度为1150 1350 主要反应为碳的燃烧反应和液相形成 91 13 3 预热 干燥层 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 即过湿层 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 5 辅底料层 为保护烧结机炉蓖子不因燃烧带下移而烧坏 92 93 烧结机台车纵向剖面示意图 94 7 烧结矿的冷却将炽热的烧结矿 700 800 冷却至l00 150 意义 1 便于整粒 2 冷矿可用胶带机运输 3 适应提高炉顶压力 延长烧结矿仓和高炉炉顶设备的寿命 4 有利于冷却废气的余热利用 5 有利于改善烧结厂和冶炼厂的厂区环境 烧结矿的冷却方式主要有鼓风冷却 抽风冷却和机上冷却几种 95 8 筛分和整粒烧成的烧结矿 经冷却 破碎 筛分整粒后送往高炉 筛下物称为返矿 返矿配入混合料重新烧结 96 烧结过程主要反应有 燃料的燃烧 固体物料的分解 水分的蒸发与冷凝 铁氧化物的还原与氧化 有害杂质的去除 固相反应 液相的形成和冷凝结晶 97 2 2 2 2燃料的燃烧 烧结料层中固体燃料在燃烧层中燃烧 放出大量的热产生高温并形成一定的还原 或氧化 气氛 为其它物理化学反应提供了必要条件 烧结过程中 固体燃料燃烧所提供的热量占烧结总需热量的80 90 蒸汽 氧化还原反应 然而 燃料在烧结混合料中所占的比例很小 按重量计仅为3 5 体积在10 左右 要使燃料迅速燃烧 需供给过量的空气 空气过剩系数达1 4 1 5 98 燃料的燃烧并不是烧结过程的主要热源 相当部分的热量 约占全部热量的40 是靠上部灼热的烧结矿层将抽入的空气预热提供的 热烧结矿相当于 蓄热室 随着烧结矿层的增厚 烧结自动蓄热量增加 燃烧层温度逐渐升高 由于混合料上下层所获得的热量不同 燃烧层温度不同 导致烧结矿质量不均 布料时混合料中含碳沿料层高度应逐渐减少 自蓄热作用 是厚料层烧结技术的理论基础 99 1 固体燃料燃烧热力学烧结料中燃料所含的固体碳在温度达700 以上即着火燃烧 反应 2C O2 2CO 1 C O2 CO2 2 2CO O2 2CO2 3 CO2 C 2CO 4 在烧结过程中 反应 2 3 易于发生 在高温区 碳的周围 有利于反应 1 4 的进行 因此 烧结废气中含有CO2 CO以及因空气过量残留的O2 不参与反应的N2 100 2 固体燃料燃烧动力学燃料燃烧速度主要取决于燃料的反应性 粒度 气体氧含量和流速 料层透气性 以及温度等因素 在烧结过程中 固体燃料呈分散状分布在料层中 固体碳的燃烧属非均相反应 反应过程由产物 反应物的扩散和碳氧化学反应等五个环节组成 反应速度受制于最慢的环节 101 烧结过程中 由于混合料中碳量低 氧量充足 燃料着火点低 燃烧速度较快 在点火后不到一分钟 燃烧层温度就升高到1200 1350 故燃烧反应速度受反应物和产物的扩散速度所控制 而温度影响不大 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 102 3 固体燃料特性及用量对烧结过程的影响 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 一般 燃料粒度小于0 5mm时 难以在自身周围建立起成块的烧结矿 并且在气流作用下 易从上层吹到下层 粒度太大 燃烧带变厚 混合料受热不均匀 生产实践证明 1 3mm间的燃料粒度是最适宜的 超过3mm或小于lmm的比例不应大于20 103 2 固体燃料的种类无烟煤与焦粉相比孔隙率小得多 相同重量在混合料中的体积就较小 无烟煤颗粒之间距离增大 使烧结矿质量恶化 同时无烟煤反应性较差 因而导致垂直烧结速度下降 要保证烧结矿的产质量 使用无烟煤代替焦粉时 要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 104 若采用挥发分较高的煤 10 40 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气 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5 105 3 固体燃料的用量适宜的燃料用量应保证烧结矿具有足够的强度和良好的还原性 对于磁铁矿烧结 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 菱铁矿和褐铁矿则因碳酸盐和结晶水的分解需要消耗热量 则要求更高的燃料用量 具体的矿石原料适宜的燃料用量需由试验确定 106 2 2 2 3水分的蒸发与冷凝 1 烧结料中的水分主要来源a 物料原始含水 b 制粒添加的水 c 褐铁矿等的化合水 2 水分在烧结过程中的作用 1 制粒作用由于水在混合料粒子间产生毛细力 在混合料的滚动过程中互相接触而靠紧 加速制成小球粒 107 2 导热作用由于烧结料中有水分存在 改善了烧结混合料的导热性 有利于减小燃烧带厚度 3 润滑作用水分子覆盖在矿粉颗粒表面 起类似润滑剂的作用 降低表面粗糙度 减少气流阻力 108 3 水分的蒸发 1 水分蒸发的条件气相中水蒸汽的实际分压P实小于该条件下的饱和蒸汽压P0 由于吸附水具有较大的分子结合力 所以干燥层终了温度在150 左右 混合料中结晶水去除温度大于250 结晶水分解要吸热 因此在使用含结晶水的铁矿粉烧结时 要考虑适当增加燃料用量 109 4 水汽的冷凝水分蒸发并转移到废气中 使废气的水汽分压P实不断升高 废气在穿过下层冷料时由于热交换的结果温度不断降低 P实 P0时 水分停止蒸发 P实 P0时 废气中的水汽开始在冷料表面上冷凝 导致烧结料层中部分物料超过原始水分 而形成所谓 过湿带 湿空气中的水汽开始在料面冷凝的温度称为 露点 一般烧结废气的露点约为60 左右 110 5 水汽冷凝对烧结过程的影响 1 冷凝下来的水分充塞在混合料颗粒之间 使气流通过的阻力增加 2 过湿现象使料层下部已造好的小球遭受破坏 阻碍气体通过 111 防止烧结料层过湿的主要措施 1 提高烧结混合料的原始温度 a 热返矿预热混合料 b 蒸汽预热混合料 c 生石灰预热混合料 2 提高烧结混合料的湿容量 3 降低废气中的含水量 112 2 2 2 4固体物料的分解1 碳酸盐的分解碳酸盐分解反应的通式可写为 MeCO3 MeO CO2 不同碳酸盐的稳定性顺序为 ZnCO3 MnCO3 PbCO3 FeCO3 MgCO3 CaCO3 Na2CO3 烧结中常见碳酸盐的开始分解和沸腾分解温度如下 CaCO3 开始分解温度为530 沸腾分解温度910 MgCO3 开始分解温度为320 沸腾分解温度680 FeCO3 开始分解温度为230 沸腾分解温度400 一般在烧结预热带即可完成 石灰石的分解 主要在燃烧带进行 113 在烧结过程中CaCO3分解为CaO后 必须与SiO2 Fe2O3等进行化合反应 称为CaO的矿化 如果烧结矿中有游离的CaO存在 俗称白点 则遇水消化 体积增大一倍 烧结矿会因内应力而粉碎 氧化钙的矿化度用下式表示 KH CaO总 CaO游 CaO残 CaO总 100 降低石灰石粒度 严格控制在3mm以内 提高烧结温度或降低烧结矿碱度均可提高CaO的矿化度 114 铁氧化物的分解是逐级进行的 在570 以上 6Fe2O3 4Fe3O4 O22Fe3O4 6FeO O22FeO 2Fe O2在570 以下 6Fe2O3 4Fe3O4 O21 2Fe3O4 3 2Fe O2 2 铁氧化物的分解 FeO和Fe3O4在烧结温度下分解压非常小 在烧结条件下不可能分解 115 Fe2O3在大气中开始分解温度为1383 在烧结过程中 负压在10kPa以上 气体总压力不到90kPa 并且燃烧废气中氧分压较小 Fe2O3在低于1383 分解是可能的 反应 3Fe2O3 2Fe3O4 1 2O2由于在低于1300 时 Fe2O3已被还原或矿化 所以Fe2O3实际分解率很小 116 2 2 2 5铁氧化物的还原与氧化烧结过程总体而言是氧化性气氛 但由于烧结料中碳分布的偏析和气体组成分布的不均匀性 存在局部还原性气氛 1 Fe2O3的还原在550 600 时 进行反应 3Fe2O3 CO 2Fe3O4 CO2当有CaO存在时 在500 600 温度下 CaO与Fe2O3反应生成铁酸一钙CaOFe2O3 它比自由的Fe2O3还原困难 117 2 Fe3O4的还原在900 以上 可进行反应 Fe3O4 CO 3FeO CO2有SiO2存在时 生成铁橄榄石 有利于反应 2Fe3O4 3SiO2 2CO 3 2FeOSiO2 2CO2的进行 有CaO存在时 则阻止2FeOSiO2 或Fe2SiO4 的生成 3 FeO的还原在烧结气氛条件下 FeO被CO还原的可能性很小 118 4 铁氧化物的氧化烧结过程氧化和还原反应进行的程度 可根据烧结前后物料的氧化度来分析 氧化度 烧结矿中与铁结合的实际氧量与全部铁以Fe2O3形态结合时的氧量之比 其计算式为 1 w FeFeO 3w TFe 100 式中 w FeFeO 烧结矿中以FeO形态存在的铁量 w TFe 烧结矿中的全部铁量 119 由上式可见 在烧结矿品位相同的情况下 烧结矿中FeO含量越低 其氧化度越高 还原性越好 影响烧结矿氧化度的主要因素 1 燃料用量 2 烧结矿碱度 3 燃料及矿粉粒度 120 2 2 2 6有害杂质的去除 烧结过程可部分去除矿石中硫 铅 锌 砷等 1 烧结过程脱硫铁矿石中的S以硫化物和硫酸盐形式存在 焦粉中S以单质形式存在 烧结过程可以去除90 左右的硫 硫均被氧化成二氧化硫随烟气排出 影响烧结脱硫的因素有 1 矿粉粒度及性质 2 烧结矿碱度和添加物的性质 3 燃料用量和性质 121 2 铅 锌 碱金属等杂质的去除铁矿石中含有的铅 锌矿物为方铅矿 PbS 和闪锌矿 ZnS 只有当ZnO还原成金属锌以后 才能挥发 而烧结料中的低碳含量是难以满足还原条件 因此烧结过程去锌不易 铅的去除 一般是不可能的 对一些含碱金属 铅 锌 铜较高的原料 可配入CaCl2 可提高有害元素的挥发率 但应注意设备的腐蚀和环境污染问题 砷的脱除需要适当的氧化气氛 砷被氧化成As2O3才能去除 脱砷率不超过50 122 2 2 3烧结矿固结机理2 2 3 1固相反应固相反应是指烧结混合料矿物成分之间在液相生成之前以固体状态进行的反应 固相反应形成低熔点化合物 为烧结过程产生液相创造了条件 因此 固相反应的进行直接影响烧结矿的质量 123 在高温下一些离子获得了进行位移所需要的能量 活化能 它们向附近的固体表面扩散 这种固体间的离子扩散过程就导致了固相间反应的发生 1 反应条件 1 固相比表面积大 晶格不完整 2 超过离子脱离离子键束缚的临界温度 临界温度是固相反应开始的温度 各种盐类的临界温度为其熔化温度 绝对温度 的0 57倍 金属为0 3 0 4倍 硅酸盐为0 8 0 9倍 124 2 固相反应特点 1 反应温度远低于固相反应物的熔点或它们的低共熔点 但只局限于颗粒间接触区域 为放热反应 如 CaO SiO2的反应开始温度为600 Fe3O4 SiO2的反应开始温度为950 2 温度高有利于固相反应的进行 3 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 固相反应虽不能形成有效的固相连接 但为液相的生成打下了基础 125 如 CaO与SiO2的混合物在1000 以下发生固相反应 无论哪种化合物过剩 在相接触的界面反应结果最初产物均为 最初产物 总是2CaOSiO2 正硅酸钙 中间产物 2CaOSiO2与CaO的接触处形成3CaOSiO2 硅酸三钙 2CaOSiO2与SiO2的接触处形成3CaO2SiO2 硅钙石 和CaOSiO2 硅灰石 若CaO与SiO2比例相同则最终产物为 CaOSiO2 硅灰石 126 2 2 3 2基本液相体系与液相形成1 硅酸铁体系 FeO SiO2 FeO SiO2体系液相是低碱度 R 1 25 烧结矿的主要粘结相 从相图可知 1 SiO2与FeO生成铁橄榄石 2FeOSiO2 熔点1205 2 铁橄榄石又可与FeO和SiO2分别组成两个共晶体 2FeOSiO2 SiO2 62 FeO 38 SiO2 熔点1178 2FeOSiO2 FeO 76 FeO 24 SiO2 熔点1177 3 铁橄榄石还可以与Fe3O4组成共晶体 共晶成分为17 Fe3O4 83 FeOSiO2 熔点1142 12学时结束点 127 图2 6 128 形成的共晶体比铁橄榄石熔点还低 因而它在烧结过程中首先形成液相 随物料中Fe3O4逐渐溶入液相 液相的熔点升高 当液相达到影线部分时 大部分Fe3O4 70 左右 熔入液相中 当高温的液相冷却时 首先析出磁铁矿晶体 随着温度下降 液相中铁橄榄石成分不断增加 以铁橄榄石占主要成分的液相最后凝固在磁铁矿晶体周围 形成粒状结构 这个体系是生产低碱度烧结矿的主要粘结相 其生成条件是必须有足够数量的FeO和SiO2 要求较高的配碳量 129 图2 7 130 2 CaO Fe2O3体系液相高碱度烧结矿的主要粘结相 铁酸半钙 CaO 2Fe2O3铁酸一钙 CaO Fe2O3铁酸二钙 2CaO Fe2O3 在1155 1226 稳定 异分熔点1215 熔点1449 CaO Fe2O3与CaO 2Fe2O3形成该系熔点最低的共晶混合物 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 铁酸钙理论 低温烧结理论 131 图2 8 132 3 硅酸钙体系C2S CaO SiO2 生产熔剂性烧结矿时产生CaO SiO2体系的化合物 主要有 1 硅灰石 CaOSiO2 熔点1544 2 硅钙石 3CaO2SiO2 熔点1464 3 正硅酸钙 2CaOSiO2 熔点2130 4 硅酸三钙 3CaOSiO2 熔点2070 133 共晶体有 SiO2 CaOSiO2熔点1436 CaOSiO2 3CaO2SiO2熔点1460 2CaOSiO2 CaO熔点2050 这个体系的熔化温度都很高 不可能成为主要粘结相 但2CaOSiO2能与2FeOSiO2形成低熔点固溶体 钙铁橄榄石 熔点在1170 1206 之间 因而在烧结温度下能形成液相 冷却时2CaOSiO2从共晶混合物中析出 若正硅酸钙在液相结晶时单独析出 或被其它粘结相包裹 将对烧结矿产生十分有害的影响 134 图2 9 135 表2 5烧结料固相反应形成的低熔点化合物及共晶混合物 136 由于烧结原料粒度较粗 微观结构不均匀 而且反应时间短 从500 加热到1350 通常不大于3min 因此 反应体系为不均匀体系 液相反应达不到平衡状态 液相形成过程如下 1 初生液相 固相反应所生成的的低熔点化合物处 随着温度升高出现初期液相 2 低熔点化合物加速形成 由于温度升高和初期液相的促进作用 烧结料中高熔点矿物溶入液相 加速低熔点化合物的形成 4 液相的形成 137 3 液相反应 液相中的成分在高温下进行氧化还原反应 液相产生气泡 推动碳粒到气流中燃烧 提高液相温度 4 液相同化 通过液相的流动 传热 使烧结过程温度和成分均匀化 138 5 液相形成在烧结过程中的作用 1 液相是烧结矿的粘结相 将未熔的固体颗粒粘结成块 使其冷凝后具有强度 2 液相具有一定的流动性 可进行流动传热 使高温熔融带的温度和成分均匀 3 液相保证固体燃料完全燃烧 139 4 从液相中形成并析出烧结料中所没有的新生矿物 有利于改善烧结矿的强度和还原性 液相生成量应适当 一般30 50 保留部分固体颗粒 以保证高温燃烧带的透气性 要求形成的液相粘度低和具有良好的润湿性 140 2 2 3 3液相的冷凝与结晶液相冷却实际上是一个再结晶过程 所形成的矿物组成及其结构对烧结矿质量有重要影响 在液相冷却时 高熔点的铁氧化物 Fe3O4 Fe2O3 2CaO SiO2首先析出 其次 它们周围是低熔点化合物和共晶混合物析出 由于冷却速度快 一般上层120 130 min 下层为40 50 min 结晶能力差的矿物以非晶质 玻璃相 存在 在矿物组成和结构形成过程中伴随着内应力的产生 最终形成疏松多孔 略有塑性的烧结矿层 141 液相生成量是烧结料固结的基础冷凝固结液相放出能量 冷却速度快玻璃体析出 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完成烧结过程 冷却速度慢结晶体析出 142 正硅酸钙 C2S 造成烧结矿粉化的原因正硅酸钙 C2S 造成烧结矿粉化的原因在烧结矿冷却过程中 C2S C2S 体积膨胀约12 C2S C2S 体积膨胀约10 晶形稳定区及密度 g cm3 C2S2130 1438 3 07 C2S1438 705 3 31 C2S705 505 3 28 C2S505 以下2 97 143 硅酸钙存在的四种微观结构 144 抑制C2S相变应力产生的对策抑制C2S相应力产生的对策 抑制C2S生成 抑制C2S的相变 降低原料中SiO2含量促进铁酸钙矿物的生成 添加少量分子半径小于Si的元素 如硼等取代Si进入 C2S晶格中以形成固溶体的形式 稳定 C2S的相变 提高原料中MgO含量形成钙镁橄榄石等 减少SiO2与CaO反应的活度MgO固溶于C2S中 稳定 C2S 145 2 2 3 4烧结矿的矿物组成及结构 1 矿物组成烧结矿是多种矿物组成的混合物 矿物组成随原料及烧结工艺条件不同而异 一般矿物组成为 1 含铁矿物 磁铁矿 Fe3O4 赤铁矿 Fe2O3 浮氏体 FexO 2 粘结相矿物 一般有以下几种 铁橄榄石 2FeO SiO2 钙铁橄榄石 CaOx FeO2 x SiO2 x 0 25 1 5 铁酸钙 CaO Fe2O3 2CaO Fe2O3 CaO 2Fe2O3 3 其它硅酸盐