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贵州大学硕士学位论文研究生：董相华导师：赵跃萍教授 烧结矿组成和结构对烧结矿质量影响的相关研究 摘要 本文应用微型烧结法，借助光学显微镜、抗压测定仪等分析测试手段，研究了 各铁矿石单矿及混合的烧结特性。通过烧结杯实验，选取微型烧结选用的矿种作 为烧结杯实验主要研究矿种，应用转鼓强度常规检测和正交试验极差分析法研究 了铁料搭配、碱度、燃耗和水分对烧结矿技术指标的影响；并借助光学显微镜分 析测试手段，研究了不同因素水平下烧结矿矿物组成、结构对其质量的影响。 通过研究发现，在同碱度条件下单矿种软化温度巴西粉最高，八街粉最低； 巴西粉与国产精矿按l ：1 混合后，巴西粉与阳春粉混矿的软化温度最低。烧结杯 实验中铁料配比为巴西粉配入量较少的情况下其试样的转鼓强度较好，说明在烧 结杯烧结过程中巴西粉配入量对烧结矿的液相量生成有一定的影响。阳春粉以磁 铁矿为主，其体积膨胀较大，与巴西粉按l ：l 混合后有利于降低阳春粉体积收缩 率；在烧结杯实验中，随阳春粉在铁料配比中逐步增加的情况下烧结杯试样强度 呈先上升后下降的趋势，说明阳春粉配比加大、膨胀率增加进而影响烧结矿的强 度。巴西粉依次与印度6 0 矿、八街粉和阳春粉按l ：l 混合烧结条件下显微结构 比巴西粉单矿的显微结构在同碱度条件下生成更多的铁酸钙；在烧结杯实验中与 国产矿搭配使用情况观察，有利于提高烧结矿的强度和品位。巴西粉分别与印度 6 0 矿、八街粉和阳春粉按l ：1 混合烧结条件下的混矿的抗压强度相比较，巴西粉 的抗压强度最低，巴西粉与印度6 0 混矿次之，抗压强度最高的是巴西粉与八街粉 混矿。 关键词：微型烧结，抗压强度，体积收缩率 贵州大学硕士学位论文 研究生：董相华导师：赵跃萍教授 r e s e a r c ho ni n f l u e n c eo fc o m p o s i t i o na n d c o n s t r u c t i o no fs i n t e ro nq u a l i t y a bs t r a c t i nt h i sp a p e r ，a p p l y i n go p t i c a lm i c r o - s c o p ea n dc o m p r e s s i v et e s t i n gm a c h i n et os t u d ys i n t e r i n g c h a r a c t e ro f e a c hi r o no r ea n dm i x t u r eo r e s ，a n dc a r r y i n go u tt h es i n t e r i n g - c u pt e s tw i t hm a t e r i a l s w h i c hw e r eu s e di nt h em i n i - s i n t e r i n g , t h er o t o rd r u ms t r e n g t hc o n v e n t i o n a le x a m i n a t i o na n dt h e o r t h o g o n a le x p e r i m e n tr a n g ea n a l y t i cm e t h o dt os t u d yt h ei n f l u e n c eo ft h ei r o nm a t e r i a lm a t c h e s ， t h eb a s i e i t y ，t h ef u e lc o n s u m p t i o na n dt h em o i s t u r ec o n t e n to i lt h es i n t e rt e c h n o l o g yt a r g e t s w i t h t h eh e l po f o p f i c a lm i c r o s c o p e ，r e s e a r c h e st h ee f f e c to f t h es i n t e rm i n e r a lc o m p o s i t i o na n ds t r u c t u r e t o i t s q u a l i t y f r o mt h er e s e a r c h , w ef i n dt h a tu n d e rt h ec o n d i t i o no ft h es a m eb a s i e i t y , t h es o f t e n i n g t e m p e r a t u r eo fb r a z i li r o no 他i sm a x i m u m , a n dt h es o f t e n i n gt e m p e r a t u r eo fb a j i eo r ei sm i n i m u m w h e nb r a z i li r o no r em i x e dw i t ht h ed o m e s t i cf i n eo r eb y1 ：1 ，t h es 懈：1t e m p e r a t u r eo ft h e 、 m i x t u r eo fb r a z i li r o no r ea n dy a n g c h u ni r o ni sm i n i m u m a c c o r d i n gt o 斌s i n t e r i n g - c u p e x p e r i m e n t , w ek n o wt h a tu n d e rt h ec o n d i t i o no f r a f i oo fi r o ni sl e s s ，e s p e c i a l l yf o r t h eb r a z i li r o n o r e ，t h es a m p l eh a sb e t t e rr o t o rd r u ms t r e n g t h i tr e f l e c t st h a tt h er a t i oo fb r a z i li r o ni l l f h l c n c e 8t h e g e n e r a t i o no fl i q u i dp h a s e sp r o c e s sd u r i n gt h es i n t e r i n gc u pp r o c e s s m a g n e t i t ei sm a i n l yi n y a n g c h u no r e ，s w e l l i n gi t sl a r g es i z e w h e ni tm i x e dw i t hb r a z i lo r eb y1 ：1 ，i tc a nr e d u c et h es i z eo f y a n g c h u no r es h r i n k a g e i nt h es i n t e r i n g - c u pe x p e r i m e n t , w i t ht h ey a n g c h u ni r o ni nag r a d 砌 i n c r e a s i n g ，t h es a m p l es t r e n g t hw a si n c r e a s e da f t e rf r o s td o w n w a r dt r e n d i tr e f l e c t st h a tt h er a t i oo f y a n g c h u no r ei n c r e a s e da n ds w e l l i n gi n c r e a s e dc a l la f f e c tt h es t r e n g t ho ft h es i n t e r t h a tb r a z i li r o n o r em i x e d 耐mi n d i a n - 6 0o r e ，b a j i eo r ea n dy a n g c h u no r ee a c ho t h e rb yl ：lc 龃g e n e r a t em o r e c a l c i u mf e r r i t et h a nt h eb r a z i lo r ei nt h em i c r o s r u c t u r eu n d e rt h es a m eb a s i c i t yc o n d i t i o n n e o b s e r v a t i o no ft h es i n t e r i n g - c u pe x p e r i m e n tw i t hd o m e s t i cm i n ew i l lh e l pi m p r o v et h es t r e n g t ha n d s i n t e rg r a d e b r a z i li r o no r em i x e d 谢li n d i a n - 6 0o r e ，b a j i eo r ea n dy a n g c h u no r ee a c ho t h e rb yl ：l c a r r yo u ts i n t e r i n g ，t oc o m p a r ew i t ht h ec o m p r e s s i v es t r e n g t h ，t h es i n t e ro fb a r z i lo r ei sm i n i m u m ， a n dm i x e do r e sw i t hb r a z i lo r ea n di n d i a n - 6 0o r ef o l l o w e d , t h em i x t u r ew i t hb r a z i lo r ea n db a j i eo r e i sm a x i m u m k e y w o r d s ： m i n i s i n t e r i n g ：c o m p r e s s i o ns t r e n g t h ； v o l u m es h r i n k a g e - - 贵州大学硕士学位论文研究生：董相华导师：赵跃萍教授 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师指导下，独立进行的 研究研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外和致谢的地方 外，本论文不包含任何其他人或集体已经发表或撰写的研究成果。对 本文的研究在做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确的说明 并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：三醴 日期：2 q q 垦旦 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解贵州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人 授权贵州大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 论文作者签名：邋，导师签名：，日期：2 q q 睦旦 贵州大学硕士学位论文研究生：董相华导师：赵跃萍教授 己i吉 ji 口 烧结矿作为我国当前高炉炼铁生产的主要原料之一，其一般占入炉原料的 8 5 以上，其质量的好坏起着至关重要的作用。并且随着高炉精料技术的发展，高 炉对烧结矿质量的要求越来越高，改善烧结矿质量是炉前“精料”的主要内容。强度 和粒度是烧结矿的主要质量指标。使用强度好的烧结矿可以使高炉的冶炼过程大 大得到改善。当前对烧结矿强度的评价标准主要是对烧结矿的转鼓指数，低温还 原粉化率和化学成分等进行测定，并以此作为烧结矿质量是否合格的衡量标准。 但依据现有方式测定的烧结矿质量与高炉对烧结矿的真实要求之间还有很多不确 定因素。因此盲目追求现有的烧结矿指标不一定能够提高效益。此外，因烧结矿 强度的影响因素十分复杂，要找到其规律必须得到大量的不同参数的试验样品以 获得大量的实验数据。 目前，实验室所普遍采用的烧结设备主要有烧结杯和微型烧结，以此来预测 新原料及新工艺条件对烧结矿产品质量的影响。微型烧结法是采用微型烧结试验 设备，研究铁矿石在高温条件下的行为及微观结构变化的试验方法，此法可快速 测出铁矿石的几种基础特性，以此反映铁矿石的烧结性斛。烧结杯实验更适合 于模拟生产实际和为生产提供工艺参数，但在进行机理方面的研究工作时受到限 制2 1 。利用微型烧结法测定铁矿石的烧结特性，再利用烧结杯实验法对微型烧结法 测得的实验数据进行验证，两种实验方法想到验证，使得实验结果更具可信度。 本课题根据水城钢铁( 集团) 有限责任公司( 简称水钢) 现行的原料状况， 对其几种常用的铁矿石利用微型烧结法测定其烧结特性，根据实验结果再进行烧 结杯实验，确定合理的配矿方案和烧结工艺，从而提高烧结矿质量，降低返矿率， 生产出高质量、低成本的优质烧结矿。 贵州大学硕士学位论文研究生：董相华导师：赵跃萍教授 第一章绪论 1 1 烧结成矿机理及矿相组成 1 1 1 烧结意义 烧结是将各种粉状含铁原料，配入适宜的燃料和熔剂，均匀混合，然后放在 烧结设备上点火烧结。在燃烧产生高热和一系列物理化学变化的作用下，部分混 合料颗粒表面发生软化和熔化，产生一定数量的液相，并润湿其他未熔化的矿石 颗粒，当冷却后，液相将矿粉颗粒粘结成块，这个过程称为烧结，而所得的矿块 叫烧结矿。根据烧结矿碱度高低，可分为普通烧结矿( 烧结时不添加熔剂) 、自熔 性烧结矿( 烧结时添加一定量的熔剂) 和熔剂性烧结矿( 烧结是加入过多熔剂) 。 烧结生产具有很多的优点： 1 ) 钢铁工业的迅速发展，使富矿的开采和供应远远不能满足生产要求。而开 采及加工过程中产生的富矿粉，以及贫矿精选所得的精矿粉都须造块才能加入高 炉使用，所以烧结矿的生产成为充分利用自然资源，扩大铁矿石来源，加速发展 钢铁工业的重要措施。 2 ) 铁矿石烧结生产可以利用冶金和化学工业的一些废料：如高炉炉尘、转炉 钢渣、轧钢皮、机械加工的铁屑及硫酸渣等，充分利用资源，降低成本，化害为 利。铁矿石烧结生产，可以获得大块、多孔、表面大、还原性好及成分稳定的烧 结矿；可以去除烧结原料中8 0 - - 9 0 的硫及其他有害杂质，如氟、砷等；更重要 的是可以生产自熔性或熔剂性烧结矿，使高炉冶炼不加或少加石灰石。从而改善 炉高炉冶炼过程和技术经济指标【“丌。 1 1 2 烧结过程及主要反应 1 ) 烧结过程 带式抽风烧结是目前生产烧结矿的主要方法。抽风烧结过程是将铁矿粉、熔 剂和燃料经适当处理，按一定比例加水混合，铺在烧结机上，然后从上部点火， 下部抽风，自上而下进行烧结，得到烧结矿。取一台车剖面分析，抽风烧结过程 大致可分为五层，即烧结矿层、燃烧层、预热层、干燥层和过湿层。从点火烧结 开始，这五层依次出现，一定时间后，又依次消失，最终剩下烧结矿层【8 q 1 1 。 ( 1 ) 烧结矿层 贵州大学硕士学位论文 研究生：董相华导师：赵跃萍教授 主要反应是液相凝固，矿物析晶。随着烧结过程的进行，该层逐渐增厚，抽 入的空气通过烧结矿层被预热，而烧结矿则被冷却。在与燃烧层接近处，液相冷 却结晶( 1 0 0 0 1 1 0 0 ) 并固结形成多孔的烧结矿。 ( 2 ) 燃烧层 主要反应是燃料燃烧，温度可达1 1 0 0 。c - - - , 1 5 0 0 ，混合料在固相反应下软化 并进一步发展产生液相。从燃料着火开始到燃烧完毕，需要一定时间。故燃烧层 有一定厚度，约1 5 m m , - - - , 5 0 m m 。燃烧层过厚导致料层透气性差，烧结产量降低。 过薄则烧结温度低，液相不足，烧结矿固结不好。燃烧层沿着高度下移的速度称 为垂直烧结速度，一般1 0 m m m i n - - - 4 0 m m m i n 。这一速度决定着烧结的生产率。 ( 3 ) 预热层 混合料被燃烧层的高温气体迅速加热到燃料的着火点( 一般7 0 0 左右，但在 烧结层中实际为1 0 5 0 ( 2 , - - , 1 1 5 0 ) ，并进行氧化、还原、分解和固相反应，出现少 量液相。 ( 4 ) 干燥层 同预热层交界处温度约为1 2 0 - 1 5 0 ，烧结料中的游离水大量蒸发，使粉 料干燥。同时料中热稳定性差的一些球形颗粒可能破裂，使料层透气性变坏。 ( 5 ) 过湿层( 即原始的烧结混合料层) 由于上层来的废气中含有大量的水蒸气，被湿料层冷却到露点温度以下时水 气变重新凝结，造成过湿现象，使料层透气性恶化。为避免过湿，应确保湿料层 温度在露点以上。 烧结过程是许多物理和化学变化过程的综合。其中有燃烧和传热，蒸发和冷 凝，氧化和还原，分解和吸附，融化和结晶，矿( 渣) 化和气体动力学等过程。 2 ) 燃料燃烧 烧结料中固体碳的燃烧为形成黏结所必须的液相和进行各种反应提供了必要 的条件( 温度、气氛) 。烧结过程所需热量的8 0 - - 9 0 为燃料燃烧供给。然而燃 料在烧结混合料中所占比例很小，按重量计仅3 - - - 5 。要使燃料迅速而充分地燃 烧，必须供给过量的空气，空气过剩系数达1 4 - 1 5 或更高【8 】。混合料中的碳在 温度达到7 0 0 以上即着火燃烧，发生以下反应： c + 0 2 - 一c 0 2 ( 1 1 ) 2 c + ( ) 2 一- - - 2 c 0 ( 1 2 ) 2 c 0 + 0 2 u 一- 2 c 0 2( 1 3 ) c 0 2 + c - - - 一2 c 0( 1 _ 4 ) 在烧结过程中，反应( 1 1 ) 易于发生，在高温区有利于反应( 1 2 ) 和反应( 1 4 ) 进行。燃料燃烧虽然是烧结过程的主要热源，但仅靠它并不能把燃烧层温度提高 到1 3 0 0 1 5 0 0 的水平。相当部分的热量是靠上部灼烧的燃烧矿层将抽入的空 贵州大学硕士学位论文研究生：董相华导师：赵跃萍教授 气预热提供的。热烧结矿层相当于一个“蓄热室”，热平衡分析表明，蓄热作用提供 的热量约占供热总量的4 0 。随着烧结料层的增厚，烧结自动蓄热量增加，有利 于降低燃料消耗。但进一步增厚料层，烧结矿层形成稳定的蓄热层后，则蓄热量 将不再增加，燃耗也不再降低。料层高度的增加受透气性的限制。 随着烧结过程的进行，燃烧层向下移动，烧结矿层增厚，自动蓄热作用愈显 著，越到下层燃烧温度越高。由于上层温度不足( 一般1 15 0 左右) ，液相不多， 强度较低；而下部温度过高，液相多，强度高但还原性差，导致烧结矿质量不均。 烧结过程的总速度取决于燃料燃烧速度和传热速度两者之间的最慢者。在低 燃料条件下，氧量充足，燃料着火点低，燃烧速度较快，烧结速度取决于传热速 度。在燃料量正常或较高条件下，则烧结速度取决于燃烧速度。烧结过程主要是 对流传热。 传热速度主要取决于气流速度、气体和物料的热容量。根据热平衡推导可得 传热速度( w ) 如下： 形：鱼兰兰( 1 5 ) c 科( 卜口) 式中： 、分别为气体和物料的体积热容，j m ? k 1 ； w 0 气体的假定流速，w 0 = o w , m 3 s ； 秒料层空隙度； w 气流在空隙中的速度，m 3 s ； 由式( 1 5 ) 可见，增加气流速度，改善料层透气性，可使传热速度增加，高 温区下移加速，产量增加。、同料的特性有关。 燃料燃烧速度主要取决于燃料的反应性、粒度、气体含氧量和流速( 料层透 气性) 以及温度等因素。粒度小，使透气性变坏，不利于燃烧和传热。一般认用 的燃料粒度以l m m n 3 m m 为最佳。在实际生产中，燃料经破碎必然产生小于l m m 的粒级，一般3 m m 粒级的占7 0 0 0 , - , 8 5 。 3 ) 水分的蒸发和凝结 烧结为了混料造球，常外加一定量的水( 精矿粉加水约7 8 ，富矿粉加水 约4 0 o - - , 5 ) 。这种水称为游离水或吸附水，在1 0 0 。c 温度作用下即可蒸发除去。如 用褐铁矿烧结，则还含有较多结晶水( 化合水) 。需要在2 0 0 3 0 0 才开始分解 放出，脉石中含有粘土质高岭土矿物( a 1 2 0 3 2 s i 0 2 h 2 0 ) 需要4 0 0 。c , - 6 0 0 才能分 解、甚至9 0 0 ( 2 1 0 0 0 ( 2 才能去尽。因此，用褐铁矿烧结时需要更多的燃料，配量 一般8 田。此外，分解出来的水会与碳发生如下反应，使得烧结过程或高炉冶 炼过程的燃耗增加【8 枷】： 5 0 0 1 0 0 0 2 h 2 0 + c c 0 2 + 2 h 2 胡= 9 9 6 0 0 j m o l ( 1 6 ) 4 贵州大学硕士学位论文研究生：董相华导师：赵跃萍教授 1 0 0 0 以上时h 2 0 + c - - c o + h 2 胡= 1 3 3 l o o j t o o l ( 1 7 ) 4 ) 碳酸盐分解 在使用菱铁矿和菱锰矿烧结时，烧结料中含f e c 0 3 和m n c 0 3 。菱铁矿在烧结过程 中比较容易分解。生产熔剂性或高碱度烧结矿时，需配入一定量的石灰石或白云 石。c a c 0 3 的分解温度( 7 2 0 开始，8 8 0 时剧烈) 较其他碳酸盐高。其分解速 度同温度、粒度、外界气流速度和气相中c 0 2 浓度等相关，温度升高，粒度减小， 气流速度加快，气相中c 0 2 浓度降低，则分解加速。在使用精矿粉生产熔剂性或 高碱度烧结矿条件下，起决定作用的是石灰石粒度。若粒度大，则一是来不及分 解，二是分解出的c a o 不能充分进行矿化作用而以大量自由c a o 残存于烧结矿中 ( 俗称白点) ，当其吸收大气水分便发生消化反应：c a o + h 2 0 = c a ( o h ) 2 ，结果使体 积膨胀，造成烧结矿粉化。为保证石灰石在烧结过程中完全分解，必须严格控制 其粒度小于3 m m 6 - - 8 1 。 5 ) 铁氧化物的分解还原和氧化 总体而言，烧结过程是氧化性气氛，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，使得在燃烧颗粒表面附近或燃料集中处，c o 浓度较高，存在 局部还原性气氛。从微观来看，在料层中既有氧化区也有还原区，因此对铁矿物 同时存在着氧化、还原、分解等反应阻1 。 在同一温度下，分解压愈大的物质愈易分解，并易为还原剂所还原。赤铁矿 ( f e 2 0 3 ) 具有较大的分解压。在1 3 0 0 1 3 5 0 以上的实际料层，完全可进行热 分解： 1 3 f e 2 0 3 = 2 f e 3 0 4 + 0 2 ( 1 - 8 ) z 在有c o 存在的区域，只要3 0 0 左右，f e 2 0 3 就很容易被还原： 3 f e 2 0 3 + c 0 = 2 f e 3 0 4 + c 0 2 ( 1 - 9 ) 此反应所需的c o 平衡浓度很低，所以一般f e 3 0 4 很少。在有固相反应生成 c a o f e 2 0 3 的条件下，f e 2 0 3 就较难还原。 磁铁矿( f e 3 0 4 ) 分解压很小，较难分解。但有s i 0 2 存在时，f e 3 0 4 的分解压 接近f e 2 0 3 分解压，故在1 3 0 0 - - - 1 3 5 0 以上亦可进行热分解： 2 f e 3 0 4 + 3 s i 0 2 = 3 ( 2 f e o s i 0 2 ) + 0 2 ( 1 1 0 ) 在9 0 0 以上，f e 3 0 4 可被c o 还原： f e 3 0 4 + c o = 3 f e o + c 0 2 ( 1 1 1 ) s i 0 2 存在时，促进了这一还原： 2 f e 3 0 4 + 3 s 1 0 2 + 2 c 0 - - 3 ( 2 f e 0 s i 0 2 ) + 2 c 0 2 ( 1 - 1 2 ) c a o 存在时，不利于2 f e o s i 0 2 的生成，故不利于上述反应的进行。因此，烧 结矿碱度提高后，f e o 会有所降低。 贵州大学硕士学位论文研究生：董相华导师：赵跃萍教授 f e o 分解压力很小，在一般f e o 很难被c o 还原成f e 。即使还原得到少量金 属铁，也很容易被抽入的空气氧化。烧结矿中金属铁量甚微，一般0 5 以下。燃 烧层中距碳粒较远的区域，氧化性气氛较强。又可以使f e 3 0 4 和f e o 氧化： 2 f e 3 0 4 + 0 2 - 3 f e 2 0 3 ( 1 - 1 3 ) 3 f e o + 主0 2 = 3 f e 2 0 3 ( 1 - 1 4 ) 烧结过程同时存在氧化、还原反应，可根据烧结前后含铁原料的氧化度的变化来 分析两种反应进行的程度。氧化度( q ) 是烧结矿或铁矿粉中与铁结合的实际氧 量同全部铁以f e 2 0 3 形态结合时的氧量之比： q ：【l 一w ( f e r t o ) l 1 0 0 ( 1 1 5 ) 。 3 w ( f 如) 。 式中： 以凡锄) 烧结矿或铁矿粉中以f e o 形态存在的铁量，； h ) 烧结矿或铁矿粉中全铁量，。 可将烧结用铁矿粉的氧化度( q 重) 和烧结矿的氧化度( q 麓) 按上式分别计算并 比较，若q 蜃 q 烧，表明烧结过程还原反应占主导地位；若q j ：f 2 崔，表明氧化反 应占主导地位。 由( 1 1 5 ) 式可见，在烧结矿品位相同情况下，烧结矿中f e o 愈低，其氧化 度愈高，还原性就愈好。燃料用量的多少是影响烧结过程氧势的主要因素。因此， 燃料用量是降低烧结矿中减少f e o 量、保证强度的主要条件。 6 ) 有害杂质的去除 烧结过程可部分去除矿石中硫、铅、锌、砷、氟、钾、钠等对高炉有害的物 质，从而改善烧结矿的质量，有利于高炉冶炼的顺行 9 1 。 1 1 3 烧结成矿机理 烧结成矿机理包括烧结过程的固相反应、液相生成和冷凝结晶三个过程。这 三个过程不仅对烧结矿的矿物组成及显微结构起着决定性的影响，而且和烧结矿 的质量有着密切的联系【1 0 1 。 1 ) 烧结过程中的固相反应 颗粒之间的固相反应是在未生成液相的低温条件下( 5 0 0 * ( 2 - 7 0 0 。c ) ，烧结料 中的组分在固态下进行反应并生成新的化合物。固态反应的机理是离子扩散。烧 结料中各种矿物颗粒紧密接触，在晶格中各结点上的离子可以围绕它们的平衡位 置振动。温度升高，振动加剧，当温度升高到使质点获得的能量( 活化能) 足以 克服其周围质点对它的作用能时，便失去平衡而产生位移( 即扩散) 。这种位移可 贵州大学硕士学位论文研究生：董相华导师：赵跃萍教授 在晶格内进行，也可扩散到表面并进而扩散到相邻接的其他晶体的晶格内进行化 学反应。相邻颗粒表面电荷相反的离子相互吸引，进行扩散，就形成新的化合物， 使之连接成一整体。 固相反应的特点是： ( 1 ) 固相之间可以进行直接反应，而反应温度远低于反应物的熔点。 ( 2 ) 固相反应开始的温度与其熔点之间存在大致一定的规律性。 固相反应过程的机理可表示如下【1 2 】。 a 固一a 气a 气+ b 固一a b 固 或a 固+ x 固一( a x ) 液( 啪液+ b 固_ a b 固+ x 固 固相反应产物往往是低熔点化合物。它们开始发生固相反应的温度如表1 1 所示【9 , 1 0 。 表1 - i 烧结过程中可能产生的固相反应及开始反应温度f 9 ，1 0 】 反应物质反应的固相产物出现反应产物的开始温度( ) s i 0 2 + f e 2 0 3f e 2 0 3 在s i 0 2 中的圃熔体 5 7 5 c a o + s i 0 2 2 c a o s i 0 2 5 0 0 6 9 0 m g o + s i 0 22 m g o - s i 0 2 6 8 0 m g o + f e 2 0 3m g o f e 2 0 3 6 0 0 c a o + f e 建c a o f e a 0 3 5 0 0 6 7 5 c a o + f e 2 0 32 c a o f e 礁0 3 4 0 0 c a c 0 3 + f e 2 0 3c a o - f e 2 5 9 0 m g c 喇2 0 3m g ( ) a 1 2 0 3 9 2 0 - 1 0 0 0 m g o + f e o 镁浮氏体7 0 0 ( m g o ，c a o ，m n o , n i o ) + f e 2 0 3 磁铁矿固熔体800 f e o + a 1 2 0 3f e o a 1 2 0 3 l 1 0 0 m n o + a 1 2 0 3m n o - a 1 2 0 3 l0 0 0 m n o + f e 2 m n o f e 礁0 3 9 0 0 c a o + m g c 0 3c a c 0 3 + m g o 5 2 5 c a o + m g s i 0 3c a s i 0 3 + m g o 5 6 0 c a o + m n s i 0 3 c a s i 0 3 + m n o5 6 5 c a o + a 1 2 0 3 s i 0 2c a s i 0 3 + a 1 2 0 3 5 3 0 ( f e 3 0 4 ，f e p 卜s l o e ( 石英)2 f e o s i 0 2 ( 微粒的硅石) 8 0 0 , - - , 9 5 0 f e 3 0 4 + s i 0 2 ( 石英)2 f e o s i 0 2 9 9 0 f e 3 0 4 + s i 0 2 ( 石英)2 f e 0 s i 0 2 l1 0 0 贵州大学硕士学位论文研究生：董相华导师：赵跃萍教授 在铁矿粉烧结料中添加石灰时，主要矿物成分为f e 2 0 3 、f e 3 0 4 、c a o 、s i 0 2 等。这些矿物颗粒间互相接触，在加热过程中发生固相化学反应，如图1 1 所示。 c a o f c 2 0 ， 2 ( s 她 图1 1 烧结固相反应示意图 2 ) 烧结过程中的液相生成 烧结料的组成成分较多，粒度较细，颗粒之间紧密接触，在一定温度范围内 可以发生多种固相反应。在烧结物料中，主要矿物都是高熔点的，在烧结温度下 多不能熔化。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 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 低共熔点，使得他们在较低的温度下生成液相，开始熔融。液滴浸润并溶解周围 矿物颗粒而将他们黏结在一起；相邻液滴可能聚合，冷却时产生收缩；往下抽入 空气和反应的气体产物可能穿透熔化物而流过，冷却后便形成多孔、坚硬的烧结 矿。可见烧结过程中产生的液相及其数量，直接影响着烧结矿的质量和产量【1 2 1 4 】。 液相生成的条件主要有三个：烧结料的成分、料层的气氛性质和烧结温度， 前者是液相生成的物质基础，后二者是环境状况。烧结操作管理的目的，就是创 造物质和环境的条件，生成适量的、质量好的液相，从而生产出强度高、还原性 好的烧结矿。在烧结料中，主要矿物都是高熔点的，在烧结温度下大多不能熔化。 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， 使得他们在较低的温度下生成液相，开始熔融。表1 2 列出了烧结原料的化合物及 混合物的熔化温度。 由表l 一2 可知，在熔剂性或非熔剂性烧结料中都可以形成低熔点化合物及共熔 混合物，它们在烧结所能达到的温度范围内都能形成液相。 贵州大学硕士学位论文研究生：董相华导师：赵跃萍教授 3 ) 烧结过程中的冷凝固结 燃烧带向下移动后，其上方的物料温度下降，熔体冷凝结晶。由于烧结过程 中的冷却速度很快，熔体不会全部转变成晶体，特别是结晶能力较差的硅酸盐熔 体，来不及结晶的就形成玻璃质。形成的晶体结晶程度越完善，含有的能量越少 越稳定。在玻璃质中，质点排列混乱，相互之间的作用力极不平衡，含有的能量 较多。质点有向其应有的位置迁移的趋势，以降低体系内的能量，但冷却后质点 不能移动，在烧结矿内形成内应力，使烧结矿的强度降低。这就是玻璃质含量多 时，烧结矿强度低的原斟1 0 1 3 1 。 表i - 2 烧结原料特有的化合物和混合物熔化温度【4 7 l 体系液相特征 熔化温度 2 f e o 。s i 0 2 1 2 0 5 f e 3 0 f e o - s i 0 2 m n o s i 0 2 m n o m n 2 0 广s i 0 2 2 f e o s i o r 2 c a o s i 0 2 2 c a o s i o 广 e o c a o - - - f e 2 0 3 2 f e o s i o 广s i 0 2 共熔混合物 2 f e o s i 0 2 删共熔混合物 2 f e o s i o r f e 3 0 4 共熔混合物 2 m n o s i 0 2 异分熔化 m n o - - m n 3 0 广- 2 m n o s i 0 2 共熔混合物 ( c a o ) x - ( f e o ) 2 x s i 0 2 ( x = 0 19 ) 2 c a o s i 0 2 划共熔混合物 c a o - f e 2 0 3 专液相+ 2 c a o f e 2 0 ，异分熔化 c a o f e 2 0 广a o - 2 f e 2 0 3 共熔混合物 ( 1 8 c “卜8 2 f e o 卜- 2 c a o f e 2 0 3 固熔体的共熔 混合物 f e 3 0 r c a o f e 2 0 3 f e 3 0 广- f 乜o 广a o 。f e 2 0 3f e 3 0 广- 2 c a o 。f e 2 0 3 118 0 共熔混合物 f e 2 0 3 c a 0 l s i 0 22 c a o s i o 广a o f e 2 0 3 c a o 2 f e 2 0 3 共熔混合物 11 9 2 1 1 4 烧结矿矿相组成及其性质 烧结矿的矿物组成及其结构，因烧结原料的矿物成分和操作条件不同而异。 表1 3 列出了烧结矿中主要矿物的主要特征【3 1 。磁铁矿和浮氏体是各种烧结矿的主 要矿物。磁铁矿从熔融体中最早结晶出，形成完好的自形晶。浮氏体的含量随烧 铊 如 舳 m n n n b b n 坦 眨 坦 贵州大学硕士学位论文研究生：董相华导师：赵跃萍教授 结料中的含碳量增加而增加。烧结矿冷却时，浮氏体局部氧化为磁铁矿，或分解 为磁铁矿与金属铁，烧结矿中非铁矿物以硅酸盐类矿物_ 主1 3 5 j 。 烧结矿为多种矿物相组成的复合体，它的机械强度和还原性与其中的主要矿 和粘结相的机械强度和还原性有直接的关系，现将有关这些主要矿物和粘结相的 实验结果列于表1 - 4 g a o 。 从表4 中可以看出赤铁矿、磁铁矿：铁酸一钙、铁橄榄石等均具有较好的强 度；而钙铁橄榄石当x = o 2 5 1 0 时，其强度也好；铁酸二钙的强度差，玻璃质强 表1 - 3 烧结矿矿物特征【9 l o 】 烧结矿为多种矿物相组成的复合体，它的机械强度和还原性与其中的主要矿 和粘结相的机械强度和还原性有直接的关系，现将有关这些主要矿物和粘结相的 实验结果列于表1 - 4 1 9 t 0 1 。 从表4 中可以看出赤铁矿、磁铁矿、铁酸一钙、铁橄榄石等均具有较好的强 度；而钙铁橄榄石当x = o 2 5 1 0 时，其强度也好：铁酸二钙的强度差，玻璃质强 贵州大学硕士学位论文 研究生：董相华导师：赵跃萍教授 度最差。要得到强度较好的熔剂性烧结矿，就要使烧结矿的粘结相矿物中最大的 形成低氧化钙的钙铁橄榄石( x = 0 5 ) 和铁酸一钙【l 6 。 各种矿物的机械强度和还原性并不完全一致的。铁橄榄石和某些钙铁橄榄石 虽有较好的强度，但一般都是还原性较差【1 7 】。只有铁酸一钙机械强度和还原性都 好，而玻璃质都差。赤铁矿和磁铁矿是容易还原的矿物，其还原性不仅与自身晶 粒大小和存在的状态有关，还与粘结相的种类和数量有关。晶粒细小密集而粘结 相少的磁8 0 0 就容易还原，然而大块磁铁矿( 如富矿粉) 或者被硅酸盐包裹时均 表1 _ 4 烧结矿中主要矿物及粘结相的强度和还原性p l 叫 主要矿物及粘结相 抗压强度m p a 还原率慌 赤铁矿( f e 2 0 3 ) 2 6 7 0 4 9 9 磁铁矿 r e 3 0 4 ) 3 6 9 02 6 7 铁橄榄石( 2 f e o s i 0 2 ) 2 0 0 0 - - 2 6 0 01 肚1 3 2 钙铁橄榄石【( c a o ) i ( f e o ) 2 - x 、s i 0 2 】 当x = o2 0 0 01 0 当x = o 2 52 6 5 02 5 当x - - - 0 55 6 6 0 2 7 当x = 1 02 3 3 06 6 当x = 1 0 ( 玻璃质) 4 6 0 3 1 当x = 1 51 0 2 04 2 铁酸一钙( c a o f e a o s ) 3 7 0 04 0 1 铁酸二钙( 2 c a o f e 2 0 3 ) 1 4 2 0 2 8 5 还原率为l g 试样在7 0 0 c 时，用1 8 d m 3 发生炉煤气还原1 5 m i n 难还原，或者只是表面还原。气孔率高，晶体嵌布松弛和裂纹多的、组织易于破 坏的容易还原，但强度差【l 8 1 。 据北京科技大学试验结果，从烧结矿的矿物组成来看，原生赤铁矿一般 2 5 - 3 0 左右，这些未矿化的赤铁矿在粘结相中将起到核心和骨架作用。铁酸钙 占3 0 0 , - - 4 0 ，作为主要粘结相，针状铁酸钙s f c a 无论从强度和还原性来看，都 是优良的粘结相，因此获得的高品位烧结矿具有良好的强度，同样也将具有良好 的还原性。从烧结矿的矿物结构来看，这些高品位烧结矿所具有的共同特点都是 以铁酸钙为主要粘结相，铁酸钙大多为针状，部分为片状和柱状。矿物结构多为 熔蚀交织结构，部分熔蚀或交织构。这些特点对改善高品位烧结矿强度是至关重 要和所必须具备的【1 9 捌。 贵州大学硕士学位论文研究生：董相华导师：赵跃萍教授 1 2 烧结矿性能指标及检测 炼铁界有句俗语，就是炼铁是七分原料，三分操作。可见原料在炼铁中的重 要作用。 高炉对炉料质量的基本【9 】：强度好、粒度均匀和粉末少；低温粉化少；冶金性 能好；品位高、碱度合适和有害成分少；成分稳定。高炉冶炼的全过程是在炉料 自上而下、煤气自下而上的相互紧密接触过程中完成的。低温的矿石在下降的过 程中被煤气由外向内逐渐夺去氧而还原，同时又自高温煤气得到热量。矿石升到 一定的温度界限时先软化后熔融滴落，实现渣铁分离。已熔化的渣铁之间及与固 态焦炭接触过程中，发生诸多反应，最后调整铁液的成分和温度达到终点【3 3 1 。故 保证炉料均匀稳定的下降，保持良好的炉料透气性是高质量完成冶炼过程的关键。 高炉的正常运行要求烧结矿主要有以下性能指标： 1 2 1 冷态机械强度 炉料需要承受运输和倒翻过程中的破坏作用，并且在进入冶炼过程时仍要求 保持一定的粒度和强度，所以强度是炉料质量的重要指标。使用强度好的炉料可 以大大改善高炉冶炼的技术经济指标，因为强度好的炉料粉末少，可以改善炉料 柱的透气性，有利于炉况顺行和煤气流的合理分布，从而导致焦比的降低和产量 的提高。鞍钢生产统计表明，烧结矿中小于5 r n m 的粉末减少1 0 ，可以提高高炉 产量6 - - 8 ，降低焦比1 0 ；首钢实际生产表明，当烧结矿中含粉率降低1 0 ， 高炉产量提高1 0 ，焦比降低5 t 2 0 1 。 炉料冷态( 常温) 物理强度指标有【3 3 ，1 0 j 3 】： 1 ) 转鼓指数和抗磨强度 它们是衡量炉料在常温下抗冲击和耐磨性能的重要指标，我国根据i s o 标准， g b 3 2 0 9 - - - 8 7 标准：采用转鼓为p 1 0 0 0 m m 5 0 0 m m ，内侧有两块成1 8 0 0 的高5 0 m m 的提升板，装料15 k g ，转速2 5 r m i n ，入炉粒度粒级为10 m m - - 4 0 m m ，转2 0 0 r 后 采用筛孔为6 3 m m 6 3 m m 的机械摇动筛，往复3 0 次，以大于6 3 m m 的粒级的表 示转鼓强度，以小于o 5 r n m 的粒级表示抗磨强度。 ， 转鼓强度s t = 竺盟x 1 0 0 ( 1 1 6 ) 一 1 5 抗磨强度邑一1 5 - ( m 6 。3 ，+ m o5 ) 1 0 0 ( 1 1 7 ) 1 ) 式中： 肘。3 转鼓后大于6 3 r a m 粒度等级质量，k g 。 贵州大学硕士学位论文 研究生：董相华导师：赵跃萍教授 ，转鼓后0 5 r a m - - 6 3 m m 粒度等级的质量，k g 。 2 ) 筛分指数： 目前我国对高炉炉料的粒度组成检测尚未标准化，推荐测定方法是：筛子 8 0 0 m m x 5 0 0 m m x l o o m m ，筛孔5 m m x 5 m m ，取l o o k g 试样，等分为5 份，每份2 0 k g 放入筛上，往复摇动1 0 次，以筛下0 m m - - s m m 部分与原试样质量( 1 0 0 k g ) 之比为 筛分指数： 筛分指瓤= 訾x l o o ( 1 - 1 8 ) 式中： m s o 筛分后大于5 0 m m 部分的质量是，k g 。 1 2 2 还原性能 还原性是指用还原气体从铁矿石中排除与铁相结合的氧的难易程度的一种度 量，是重要的高温冶金性能指标。炉料的还原性好表明通过间