（矿物加工工程专业论文）磁铁精矿球团氧化动力学及竖炉热工制度的研究.pdf

摘要 摘要 本论文针对国内目前竖炉球团的生产实际，即竖炉球团生 产形辨蕉蒸【i _ = j 上，但存在不少亟待解决的技术问题，试验采 用临汾两种磁铁精矿为原料，以球团氧化动力学研究为基础， 主要解决竖炉球团氧化放热分布问题，以便在竖炉工艺中更 、合理地利用这部分热量柬焙烧强度符合要求的球团矿。 下临汾磁铁精矿球团焙烧特性较差。常规试验条件f ，得到 的球嘲矿抗压强度普遍低于l5 0 0 n 个。其主要原因是临汾磁 铁精矿粒度较粗。 m g o 含量，特别是塔儿山铁精矿的m g o 禽精赢。经过精矿配比的调整和精矿纬 磨，球团抗压强度问 题l u 。以得到解决( 抗压强度人t ：2 0 0 0 n 个) 。歹 研究表明，当焙烧温度较低时，球团在较低温度下预热较 短州i 铡，焙烧得到的球团矿抗压强度相对较高。即在焙烧温 度小商时，球团在预热阶段应有一个合适的氧化程度。为此， 对磁铁矿球团氧化动力学进行了系统研究。 球团氧化动力学研究采用“单界面未反应核”模型，沧文 划横弘进行了弹细推导，通过球团在静念条件下，氧化温度、 瓴化时削对球团氧化度影u 向的研究，确定了模型参数。试验 确定了氧化反应的活化能： 扩散活化能e = 6 6 12 k ji t i o l 一。 化学反应辑化能e = 8 2l lk j i 1 3 o i “ 研究表明， 晒钢球例的氧化的艰制雠环节，氧化仞期受化 学反应控制中期属于混合控制，在反应后期受扩散控制： 但就完全氧化而者过程主要还是受扩散控制。氧化速率受 预热温度、球团粒径、氧化气氛等因素影响程度大。球团在 预热段氧化度为4 0 一5 0 ( 最佳点4 4l ) 时，埘球团矿强 度域有利。 沦文对烃炉球团生产的燃料燃烧、热平衡进行详细分析。 中南工业大学硕士论文 摘要 结果表明，要同时保证燃烧产物高的温度和高的含氧量是不 可能的，在折衷的条件下，取过剩空气系数为1 5 时，燃烧产 物的含氧量为5 0 4 ，温度为10 8 7 。c ；磁铁矿的氧化放热， 当球团f e o 含量为l 85 ，其放热量为总的热收入33 0 0 ， 完全氧化能使球团绝热升温5 0 8 。c 。 论文提出了一种确定竖炉喷火口位置的新方法。这种方法 充分根据实验室进行的球团氧化动力学和球团焙烧工艺的研 究结果，全面考虑了竖炉球团工艺的特点。与传统的经验设 计相比，该方法可以解决磁铁矿氧化放热在竖炉内的合理分 布问题，为竖炉热工制度的合理选择和确定提供了可靠依据， 是一一种具有创新性的计算方法，可以用于今后竖炉的改造与 蛏炉设计。采用上述方法计算，弦烧临钢磁铁精矿球团竖炉 喷火1 ：3 至干燥床距离为17 9 t l l 。， 关键词：磁铁矿球团氧化动力学竖炉操作参数 n ab s t r a c t i nt h i sp a p e r ，t h es t u d i e s0 1 1t h eo x i d a t i o nk i n e t i c so fm a g n e t i t e p e l l e t w a se x p e r i m e n t e dt os o l v et h ep r o b l e mo ft h e u n r e a s o n a b l e d i s t r i b u t i o no f1 m a tw h i c hc a m ef r o mt i l es h a f t - k i l np e l l e to x i d a t i o n ， t h es h a f t k i l n o p e r a t i n gp a t a m e t e r w a sd i c i d e dt h r o u g ht i l er e l e v e n t c a c u l a t i o na n da n a l y s i s t i l et r i a lw a sm a d er b i t h ec l l a l a c t e r i s t i c so f p e l l e th a r d e n i n gf i r s t b u tt h ec o l dc o m p r e s s i o ns t r e n g t ho fp r o d u c tp e l l e tw a sl e s st h a n i5 0 0 n e v e r yp e l l e tn n i v e r s a l l y b e c a u s eo ft h ee x t r e m es i z eo f c o n c e n t r a t e sa n dt i l e h i g hm g o o fc o n c e n t r a t e sa f t e rt h em i l l i n ga n d p r o p o r t i o n o fr a wm a t e r i a lt r i a ，t h ec o l d c o m p r e s s i o ns t r e n g t h o f p r o d u c tp e l l e t sw o u l d b em o t 。et h a n2 0 0 0 n e v e r yp e l l e t t h r o u g h t h es t u d i e so nt h eo x i d a t i o nk i n e t i c so f m a g n e t i t ep e l l e t ， t h el i m i t e dl i n k so fo x i d a t i o nw a sr e s e a r c h e dt h el i m i t e dl i n k e do f o x i d a t i o ni nv a r i o u s s t a g e s w e r e g a i n e d ：w h e no x i d i z i n g i ni n i t i a l s t a g e ，t h e l i m i t e dl i n kw a st i l ec h e m i c a lr e a c t i o n c o n t r o l ：s t e pb y s t e p ，i tb e c a m et h e c o n l l + o lo fo x i d i z i n g g a sd i f f u s i o n t h r o u g h t i l e i n t e ti o ro fp e l l e t ；a n da tm i d t m m s t a g e i tb e l o n g e dt o t h ec h e m i c a l i e a c t i o n c o n t r o la n dg a sd i f f l i s i o nc 0 1 l t r o lt h eo x i d a t i o no f m a g n e t i t e p e l l e ti sa f f e c t e db ym a n y 亿c t o r s ，m l dt h e s ef a c t o r s s u c ha sp r e h e a t t e m p e r a t u r e ，p e r c e n to x y g e no fg a sa n ds oo n ，w e r em o r er e m a r k a b l e t op e l l e to x i d a t i o nt h a no t h e rf a c t o r s t h ec o l dc o m p r e s s i o ns t r e n g t h o fp r o d u c tp e l l e t sw e r eo p t i m u mw h e nt h e o x i d a t i o nd e g r e eo ft h e p e l f e tw a s 4 41 i i qp r e h e a ts e c t i o n i nt h i sp a p e r ，an e w w a y w a sg a i n e dt oc a c u l a t et h eh e i g h tf r o m d r y i n gb e dt ot h es p o u to ff l a m f i r s t ，f r o mt h er e s u l t so fe x p e r i m e n t ， i t p o i n t e do u ti fa l lh e a tf r o mo x i d a t i o nw e r eo f f e r e dt oi n c t ，e a s ed e l l e t t e m p e r a t u r e ，t h ee x t e n to fo x i d a t i o na d d e de v e r y1o t h et e m p e r a t m e i i i o fd e l l e tw o u l di n c r e a s e 5 08 。cs e c o n d ，h e a t b a l a n c ee q u a t i o n t o r s h a 请。k i l nw a sc a c u l a t e d t h e nt h et h r e ek i n d so fq u a n t i t yo fg a sa r e ： c o o l i n 窭a i r5 17 7 3 m 3 t ，a u x i l i a r ya i r2 9 3 0 9m 3t - 1 ，c o a lg a s 14 6 2 5 i n 3t t h i r d t h ee x h a u s t g a st e m p e r a t u r ei nt h ec o m b u s t i o n 。c h a m b e r o fs h a f t k i l nw a sc a c u l a t e d i tw a s1 0 8 7 0 c 。p e r c e n to x y g e no ft h e e x l n a n s t g a sw a s50 4 e x c e s sa i rc o e f f i c i e n tw a s1 5 t h eq u a n t i t yo f c o m p l e m e n t a r ya i r w h i c h w a sp r e h e a t e d ，w a s7 211 m 。t a tl e a s t f i n a l l y w h e n s h a f t k i l n b e i n gd e s i g n e d ，t h e a n n u a ip r o d u c t i o n ，t h e e f f e c t i v eh a r d e n i n ga r e a ，t h ep r o d u c t i n ge f f i c i e n c ys h o u l db eg i v e n s o w i t ht h o s ec o n d i t i o n s ，t h eh e i g h tf r o md r y i n gb e dt ot h es p o u to f f l a m e c o u l db ec a c u l a t e d i nt h i sp a p e r 、i tw a si ，7 9 m k e yw o r d s ：m a g n e t i t ep e l l e t ；o x i d a t i o nk i n e t i c s ；s h a f t - l d l n ； o p e r a t in gp a r a m e t e r ! _ 翌! ：些叁兰塑i ：丝兰 一一堕 前言 制铁工业作为国家基础产业部门，在国民经济发展 过程i 幽家经济建没中占有极其重要的地位。我国钢 产量已居世界前列，但人均钢产量却远远落后在发达 圉家后面，并且钢的质量和品种仍满足不了各项建设 的需要，每年要进 j 大量的特种优质钢。因此，在总 撼j ：我铡列谓钢铁大嗣。但还没有成为钢铁强国。钏 铁工、| k 在我幽还有很大发艘潜力。 日前国内外在高炉炼铁生产过程中，比较台理的高 炉炉料结构为高碱度烧结矿配加酸性球团矿，我国入 炉科中球团矿仅占10 左右，远低于世界35 的水平， 并阻球团矿普遍强度偏低、粉末率高，因此在我国大 力发展和调整球团矿的生产很具有现实意义。 国内球团矿大约60 是竖炉球团( 1998 年数据) ，由 j “怪炉较其它两种焙烧方式( 带式焙烧机、键蓖机回 转窑) 具有几大优点如投资省、设备简单、对材质无 特殊要求、操作维护方便、热效率高等等，刚此其在 煳内的发展符合国情。我陶钢铁厂分布广、教，规模 普遍小，资会剧转慢阻量小。 为了充分利用经选矿， 甚至深度选矿的精矿，大力发展竖炉球团工艺是条行 之有效的路。但是分析国内各竖炉。还存在不少问题， 如能耗过高；热工制度不尽合理：工艺研究深度、广 度还不够；球团矿质量较差； 普遍产量达不到设计要 求等。为了促进冶金工业在我国更合理、更快地发展， 这螳都是崾待解决的问题。本论文旨在研究球团氧化 动力学的基础上，针对竖炉热工制度进行一些探讨， 为全面、深入研究竖炉球团工艺提供有效参考。 ! ! ! 些苎兰竺! 堡苎望立l 二型! ! ! ! 堡 1文献综述 1 1 铁矿球团法发展进程概述 ，f 1 i ! = 纪以前，高炉炉料选用的是在矿l b 或钢铁厂经过破碎和 筛分处理的块矿，剩下的粉矿便越来越多：在许多国家，如中国，其 矿石含铁品位普遍偏低需经过选矿后爿。能使用，这就产生了大量精 矿；另外，从高炉和炼钢炉中也吹出一部分粉尘，作为炉尘回收，这 螳炉尘含铁较高，也同样米被利用l 面堆积起米。这不仅浪赞资源，同 叫乜造成卅：境污染。因此，本世纪初，各工业发达国家都在不同程度 l 探讨了处理粉矿、精矿和粉尘的有效方法。球团法便从其中脱颖而 出。 1 1 1 国内外铁矿球团法发展状况 瑞典的a g a n d e r s o n 于l9 12 年发明了球团法，1 9 l3 年德国的 c a b r a c k e l s b e r g 亦得到同样发明，但均未获得工业生产应用。二战 期闻，美国人针对梅萨比矿区贫矿，经深度细选后的铁隧岩精矿制作 球酬矿进行了详细研究，使球团技术获得重大突破。在2 0 吐纪5 0 年 代，美国的a s h l a n d 钢铁厂、r e s e r v e 矿业公司和e r i e 啜炉球团厂相 继存竖炉、带式焙烧机、链篦机一回转窑等工艺设备，l 进行了球团生 产工业试验，成功地将它们分别应用于球圳：业生产1 2 1 “。 由于球团矿质量好，在高炉冶炼过程中，与烧结矿相比，有其独 特的优势，并且，随着现代高炉炼铁向着高产、低耗、长寿目标发展 和钢铁冶炼新流程的兴起，球团矿的使用将会越来越显得追切和重 要。因此，铁矿球团法必将获得更长足的发展，使得铁矿球团法工艺 和理论研究不断地发展、完善。 从圈内来看，球团法的试验研究与生产应用并不比国外晚，19 5 8 年啐l 南r 业大学( 原中南矿冶学院) 就着手此丌发工作，于1 9 5 9 年 在鞍钢隧道窑进行了球团i ：业性试验，仅与美国相差4 5 年。1 9 6 8 ! 生! ：些叁兰竺! 堡兰苎重兰垦! 堑鎏 年以后，济钢、杭钢等8 家钢铁厂陆续建成十几座8 m 2 、1 0 m 2 竖炉 进行球例矿生产。7 0 年代，包钢从闩本引进一台1 6 2 m 2 带式焙烧机： 阿后，南京钢铁厂又引进- 套处f g i 硫酸渣的链篦机一回辖窑球团焙烧 设备，承德、成都、沈阳等地的锄铁企业也自行设计和安装了类似设 备投产。到8 0 年代以后，本钢兴建了一座1 6 m 2 大型竖炉，鞍钢引进 了一套3 2 0 m 2 带式焙烧机”】。 从i i 产：实践上看在三大球垃j 矿焙烧设备当中，国外更侧重于带 式焙烧机和链篦机一回转窑两手巾方式的发展。由于各个国家的实际情 况和竖炉本身的局限一性，如单好t ! i 产能力低、加热不均匀、球团矿质 最不稳定等因素，国外竖炉球团矿在生产中所占比例逐年下降。i 9 6 0 年蛏炉、带式焙烧机和链篦机一网转窑三种球团法生产能力的比例分 别为6 2 、3 4 3 和3 7 ；到1 9 7 5 年已变为13 8 、5 0 和3 5 2 ， 并n 仍有下降趋势。而在我削，由于大多数钢铁企业的高炉均为中小 型，加j 二嘹炉具有投资省、设备简单、对材质无特殊要求、操作维护 乃+ 便、热效率高等优点，特别是二f 燥床和导飙墙在我国竖炉中的成功 应用，使我国竖炉球团法较其它两种焙烧方式发展更快，所占比例最 高。l9 9 7 年全国共生产球团矿】0 3 4 ，7 2 力吨，l8 家竖炉球团厂生产 球幽矿6 2 3 1 9 万吨，占6 0 2 3 ，而带式焙烧机和链篦机一回转窑所 生产球团仪占3 9 7 7 。这无疑说明竖炉球团生产在我国仍具有很大 发展潜力，值得广大冶会工业科技工作者进行广泛而深入的研究与实 践。 1 1 2 铁矿球团法发展的新趋势 目前球团矿生产已开始从追求球团矿产量转向重视提高球团矿 质鼙、降低生产成本和改善工艺条件等方向发展。其措旌大致从以下 儿力4 f f i ：着手。 ( 1 ) 研究新的球团粘结剂皓于提高球团矿含铁品位，降低入炉 球团矿的碱金属和其它有害杂质含量。目前在球团粘结荆研制方面主 要工作是：以有机粘结剂或复合粘结剂替代膨润土等单一性的无机粘 结剂，如荷兰恩卡公司研制出的佩利多1 6 ，我国广州花都南国化工有 限公司研制生产的l k p 系列粘结剂17 1 等。从国内实际情况来分析， 一! 塑! ：些叁堂塑! ：丝兰 塑! 至兰堂! i 查 这方面工作基本上还处于试验研究阶段，有待进一步生产实践。 f 2 ) 改善球团矿质量为改善球团矿的冶金性能，日本首先从生 产酸性球团矿转向生产自熔性球团矿以提高产品还原性能| 8 】：瑞典 研究认为添加白云石或橄榄石的球团矿，可以提高其还原及软熔性 能，达到防止异常膨胀的效果0 1 1 “1 1 ” ，经高炉冶炼证明：这类含镁 质球团矿与普通酸性球翻矿相比，生产吨铁的焦比降低4 0 5 0 k g ，效 果明显。中南工业大学矿物工程系9 6 级硕士研究生姜昌伟在其硕士 论文研究：e 作过程中，进行了凹磁铁精矿球团添加m g o 和白云石氧 化焙烧试验，结果发现：添加m g o 和白云石可使球团低温氧化活化 能降低，易于氧化：能有效改善球团矿冶会性能【”。 ( 3 ) 降低球团矿生产成本主要通过降低动力和燃料的单位消耗 来实现。目前国内外新建球团厂都没有余热回收系统以充分回收利用 余热，使成本大为降低；在叫热罩内采用喷煤粉以提高圈流气体温度， 降低燃油用量，也使成本下降：焙烧球团矿的热源，用喷煤粉燃烧方 式代替液体或气体燃料以降低成本，这在美国和日本已取得成功。 ( 4 ) 改善工艺条件研究实践球团数学模型。在信息及知识经济 时代计算机技术、自动控制技术等已被广泛地应用于工业生产的各 个力帕f 。例样，将它们应用于球刚矿生产工艺卜是一种必然趋势，这 样就要求球引数学模型的研究先行一步。19 6 2 年l e b e l l e 等人f - 4 1 f 2 0 - 先后发表了模拟带式焙烧机工艺过程的研究结果。但这些模型由于其 准确性差、速度慢、可靠性小等原因而未实现工业化。 从查阅的文献来看，在北美和欧洲较广泛应用一个模型，由c r o s s m 等人强l l ”2 】研究开发并编入i n d s y s 中。i n d s y s 是一个通用的稳 态模型程序包，它能模拟球团水分干燥、磁铁矿氧化。这个模型系统 应用于明尼苏达洲基伟廷的困家铡铁公司球团厂的链篦机回转窑模 拟试验，取得良好效果1 2 3 1 。前苏联的r m ，man 且enp 和澳大 利旺的琵尔比j a 1 分别对带式焙烧机和链篦机一回转窑的生产操作 进行了模拟，确定了合理的焙烧制度。山_ f 国外大部分使用带式焙烧 机和链篦机一回转窑生产球副矿所以有关竖炉数学模型的研究较 少，温内斯基等人”6 1 借助于气体方程式来建立了竖炉生产的数学模 犁。 中南工业大学硕士论文 第1 章文献综述 在理论和实验研究的基础上，现已有部分球团数学模型投入工业 生产。j i mrp o s t t 2 7 1 根据气流平衡模型和球团固结模型的结合，实现 了h o o g o v e r ni j m u i d e n 链篦机一回转窑球团厂球团料层温度精确的 在线计算，模型结果直接输入球团厂中央控制室，并应用于持续的过 程控制，为球团厂的自动控制提供了一个成功的范例。丹皮尔焙烧罐 的整个数学模型i 巾0 1 己被广泛应用于工业生产过程的最优化研究 上，它能获得生产率，生球水分干燥、焙烧温度分布曲线等，对指导 工业生产大有好处。 国内对球团数学模型的研究报道很少见。东北大学( 原东北工学 院) 粱儒全p 1 1 1 3 2 在研究竖炉的运动行为中，通过可视化模型实验观 察了球团在炉内的下降特性，然后利用炉顶布料模型研究了球团的运 动规律及沿炉宽的粒径分布；他在实验研究球团竖炉过程数学模型 中，运用反应工程的原理和方法，进行炉内传质、传热和反应的综合 解析，建立全过程数学模型，通过数值计算得到压力、温度、反应率 等过程变量在炉内的分布；探讨了各种操作条件变化对炉内变量场的 影响，可为操作和设计提供理论依据。此外未见更多的文献报道。可 见，相比之下，球团数学模型研究程度远落后于烧结数学模型的研究。 基于人工智能、专家系统等的烧结数学模型已广泛应用于烧结过程控 制及质量预报。而球团工艺比烧结工艺更简单，理应较易实现过程的 自动控制。因此应加强球团数学模型研究，改善生产工艺，降低生产 成本，生产出高产优质的球团矿。 1 2 我国竖炉球团的实验研究与生产实践 我国对铁矿球团法的研究始于本世纪5 0 年代。在6 0 年代，已 开始进行竖炉球团的工艺研究和工业应用。1 9 6 8 年以后，济钢等几 家钢铁厂陆续建成十几座8 m 2 、1 0 m 2 竖炉进行球团矿生产。19 8 7 年 9 月本钢建成1 6 m 2 竖炉，这是目前世界最大的竖炉，这也标志我国 竖炉球团工艺走在世界前列。经过几十年的研究与发展，目前国内己 建成1 9 个竖炉球团厂1 3 3 1 ，2 5 座竖炉投入生产，年产球团矿6 2 0 多万 吨( 1 9 9 7 年数据) ，占球团矿总产量的6 0 左右。随着高炉不断对其炉 ! l 塑! ：些叁堂竺! 二婆兰 篓! 三苎堕! ! ! 堕 料结构的优化，球团矿这种不可缺少的优质冶金炉料必将得到更长足 的发腱。 1 2 1 竖炉工艺的试验研究 球团对原料的要求较为严格。一般要求0 0 7 4 m m 的物料粒度要 达到8 5 以上，而且竖炉球团生产要求原料种类稳定，原料品种尽 量少，这样彦能避免频繁改变竖炉热工操作制度，维持生产的稳定。 而我国日前大多数球团j 一原料的实际情况是：( 1 ) 铁精矿品种多而杂； ( 2 ) 粒度0 0 7 4 m m 的大多数属5 0 左右；( 3 ) 精矿水分普遍偏高。针 对这情况，中南工业大学的唐贤容等人p 4 】早在1 9 8 2 年就竖炉用铁 精矿的粒度和粒度组成对焙烧球团质量影响进行了试验研究，其研究 结果表明：( 1 ) 用于造球的铁精矿的粒度及其组成对成品球和生球的 产、质量都有较大影响；( 2 ) 造球原料有一个较适宜的粒度组成范围， 料粒级( + o 2 5 r a m ) 在球团中跫“球核”和“骨架”作用，j 含量不大 j 二15 h , j ，能有效提高生球质量，微细颗粒( 0 0 1 m m ) 属于粘结性粒 子，能较好的提高生球强度：( 3 ) 相对较粗的精矿所造球团其爆裂温 度要高些。 针对竖炉球团工艺，科技工作者研究得更多的是竖炉本身的气 流分布规律及其影响因素、炉内气氛与温度测定、炉型与热工制度、 料柱空隙度的研究、内部球层阻力损失求算和球团在炉内的运动行为 等等方西。 鞍l l i 钢铁学院用济民等人【”研究了竖炉球团料柱空隙度问题。 竖炉内料柱空隙度是影响料柱透气性的重要因索，直接关系到焙烧球 团的产、质量。嗣济民等人根据厄贡公式，利用竖炉模型，分别测定 了州定料层和吹风移动料层时，料柱空隙度的变化，移动料柱中球团 矿的空隙度是固定料层的1 18 倍在右，分别为o 4 5 和o 3 8 o 4 2 。进 + 步研究表明：竖炉内导堪墙侧和冷却带炉膛中央处的料柱空隙度高 于同一平面其它部位；在整个竖炉料撞中冷却带上部炉膛中央处的空 隙度最大：冷却带炉墙侧的料柱空隙度最小。同时他们还测定了混合 球吲矿中小粒级( - 5 m m ) 含景由零增加到4 0 时，空隙度呈直线降低， 。隙度的最小值存小粒级占4 0 一v 6 0 的范围内，小粒级同大粒级的 ! 塑三些查兰堡圭堡壅j 整l 量兰! ! ! ! 查 粒经比愈小，料层的空隙度愈低。这一研究成果对指导生产很有意义。 首先要求生球质量好，爆裂温度高，干球粉末低，球团粒度组成适当， 这是保证竖炉生产优质高产球团矿的重要条件。 探讨和推算竖炉内料层阻力损失对于正确确定竖炉的操作工艺参 数有指导意义，如风速、风压的确定等。目前被用来计算竖炉内料层 阻力损失的公式不少，归纳起来主要有三种： f 1 ) 气体通过稳定均匀散料层阻力计算公式【3 6 1 ； ( 2 ) 厄贡公式”1 ； f 3 ) 下降移动的球团料层空气阻力计算公式口”。 长沙冶金设计院的江兴平等人n 9 1 选择杭州钢铁厂竖炉的工艺参 数，对上述3 个公式进行了对比。验证结果表明：三大公式中，以厄 贡公式计算得出的从喷火口至烘干床下沿的料层压力分布曲线与实测 值较为接近，若引入修正系数眵= t 疃t 供，结果更为理想：从喷火口 至导风墙下沿这一段，宜采用公式( 3 ) 计算。 在竖炉球团焙烧过程中，气氛与温度对能源消耗和球团矿产、 质量影响很大。为了给炉体和操作的改进及大型竖炉炉型设计提供相 关的参考资料，有计划对竖炉内气氛和温度进行测定是很有必要的。 关于国内球团竖炉生产是否有冷却风通过焙烧带这一问题存在两种观 点，即通过与不通过。李兴凯 3 7 1 认为有大约1 7 的冷却风通过焙 烧带。而杭钢分别于1 9 8 1 年、1 9 8 4 年及1 9 8 6 年三次对竖炉内气氛、 温度与压力分布进行测试工作 4 0 1 4 ”，测试结果认为冷却风没有通过 冷却带以上料层的可能。因为其竖炉内均热带含氧量低于l ，不可 能有冷却风通过这一区域。鞍山冶金设计院蔡波光【43 】分别计算了导 风墙和料层对冷却风的阻力，结果：导风墙对冷却风的阻力为3 95 r a m 水柱远小于料层对冷却风的阻力为1 9 8 6 m m 水柱，即说明冷却风不 可能通过焙烧带等料层。东北大学( 原东北工学院) 的杨兆祥等人1 4 2 1 利 用蛏炉模型对球团竖炉中压力场分布进行了模拟研究，认为中心导风 墙在其它条件不变的情况下，位置越低料层对气流运动的阻力愈小； 在导风墙两侧的均热带出现压力梯度很小的“压力稳定区”，与此相 对应存在一个“温度稳定区”，这对发挥均热带在球团固结方面的作 用是有利的。 7 中阿州k 人学坝卜论史 鹅l 章文献综述 4 i 问的球团竖炉炉型必定有不同的热工制度相对应。鞍山冶金 设计院檗波光根据杭钢和萍钢现场测定数据 43 1 ，分冷却风通过与不 通过焙烧带等料层两种情况进行热工计算( 冷却风通过焙烧是针对国 外无导风墙的情况) ，热工计算结果同国外竖炉发表的资料以及杭钢 l 照炉生产的资料相对照，是比较接近的。这一计算方法值得借鉴和推 j “。对计算结果进行分析认为，若有冷却风通过焙烧时会使炉温下 降，这时蛏炉使用的磁铁精矿品位高，国外都不低于6 5 ，以增加 磁铁精矿氧化放热的数量，保证炉内有足够高的温度，焙烧出质量良 好的球团矿。中南工业大学的黄天正、傅菊英老师e 4 4 对竖炉球团物 料平衡和热平衡进行了计算，所有数据均为现场采集，在相关研究当 t j 有很高的参考价值。 i 2 2 竖炉球团的生产实践 我国的竖炉球团科技工作者在长期实践过程中，积累了丰富的经 验，进行了大量现场技术改造、科技攻关工作。 从查阅的文献来看，竖炉球团厂的技改工作总是在生产实践当 中不断进行的。通过生产技术改造，一方面使竖炉工艺更适合设计要 求：另一方面可使生产实际更符合本厂、本地区的要求和条件。作为 我圈唯一“用褐铁精矿粉生产竖炉球团矿的萍钢球团车间1 自投产以 来，经过不断总结经验，进行技术改造和完善工艺，生产有了较大的 发展。全国最大的本钢1 6 m 2 怪炉从8 7 年投产以来，多处设备运转不 正常，其生产过程是伴随改造过程进行的。南京钢厂 47 19 9 5 年试生 产后对球团竖炉诸如焙烧球的冷却、竖炉导风墙的寿命、烟气除尘及 环保等不足之处进行了一些改造，在重新投产不到一年的时问里，球 团矿产量即超设计水平，而且质量稳定。 当然，我国竖炉球团工艺仍然还有许多尚需进一步改进的地方， 如： ( 1 ) 从原料上分析，铁精矿水分过大，部分粒度过粗且种类繁多， 品种杂，品位低，这直接给造球和竖炉焙烧带来不利。 ( 2 ) 膨润土配入量过大，降低了球团矿铁品位，生产成本增加； 这种球团矿入炉冶炼会使高炉渣量增大，焦比偏高，利用系数f 降。 ! 塑! 些叁堂堡! ：笙墨 兰! 童登燃 ( 3 ) 设备装备普遍落后，自动化程度发展不够，设备故障率较高， 再加j ：人为因素，致使球闭矿产质量，特别是质量受到较大影响t 质 暾波动f 旧度犬。 ( 4 ) 制定的各种规章制度执行不f “，工人素质有待提高，领导层 在管理水平上也有较大的缺陷。 可见，我国竖炉球团生产及其工艺无论从技术上，还是从管理上 都还很有潜力可挖。 1 3 磁铁糟矿球团氧化机理研究 据文献报道，对磁铁精矿球团氧化机理的研究始于本世纪初， 其发展进程大致可分为三个阶段。 ( 1 ) 本世纪6 0 年代以前圈外研究者如c o o k s k 等人【4 小【5 1 1 在 二二、三十年代就已对磁铁精矿氧化进行有研究。到了5 0 年代，他们 便从矿物学的角度出发，详细说明磁铁精矿氧化成赤铁矿后产生f e ，o 、 再结晶使球团矿强度提高，以及氧化程度对球团矿强度的影响；而后 又借助于差热分析法和x 衍射分析法，指出磁铁精矿球团氧化首先 在颗粒表面发生并形成赤铁矿层，这种具有多孔结构的赤铁矿层在高 温下再结晶，能使氧顺利扩散到颗粒核心而使核心f e ，o 。最终氧化完 全1 5 ”。 ( 2 ) 6 0 年代至7 0 年代研究者在这期阳j 提出了两步氧化机理 m 5 “。认为磁铁精矿先在较低温度时氧化成中间产物y f e ，o ，然后 在高温下转变为o c f e ：o ，。同时，在不同的氧化温度下，具有相同的 氧化速度周期，即开始氧化速度快，随着氧化时间的延长，氧化速度 降低 | 5 “。 ( 3 ) 7 0 年代以来在磁铁精矿球团氧化方面的研究则进入弓生产 过程控制有关的氧化动力学上。主要原则是在等温条件下，把“单界 面未反应核”模型引用到研究当中，从定量角度指出影响磁铁精矿球 团氧化速度的各种因素以及氧化条件对成品球团矿强度的影响 【s 7 】 5 9 1 。 庄剑鸣等老师| 6 0 1 6 1 附 运用“单界面未反应核”模型通过试验研究 ! 查! 些叁兰堡! ：笙兰 登上塞兰! ! ! i 查 了磁铁精矿球团氧化动力学的限制性环节。结果认为磁铁矿的氧化过 程是一个由化学反应控制过渡到已反应层的扩散控制的过程，从完全 氧化的角度来看，则以内扩散为主要限制性环节ad p a p a n a s t a s s i o u ”“ 从理沦二建立了球豳氧化反应的数学模型( 修正未反应核模型 m u c s ) ，并通过实验说明了球团焙烧反应的机理和特性。东北大学 ( 原东北工学院) 的梁儒全 6 4 1 应用这一修正未反应核模型m u c s 研 究了磁铁精矿球团氧化动力学，简化了反应模型，并对磁铁精矿球团 氧化反应进行了解析，认为氧的分压对磁铁精矿球团氧化速度影响显 著。但当氧的浓度高于是15 以上时，提高氧的浓度对加快氧化反 应的作用越来越小。 1 4 磁铁精矿球团固结机理研究 很长一段时间以来，对球团焙烧固结机理有两种看法：一种认 为，晶相和非晶相固结起主要作用，这是本世纪5 0 年代初期， m t i g e r s c h i o d 和s r b c o o k e 等首先提出来的1 6 6 1 1 ”】i “1 ：另种认为， 铁矿球团固结过程是生球中微粒“烧结”的结果，即成型体在低于熔 点温度卜的固相烧结 6 9 1 u f7 0 | ；其r _ = ，球团的物理结构、颗粒的接触条 件( 接触点数目和孑l 隙率等) 对球团固结起主要作用。归纳以上两点， 迄今为止关于球团固结的原因和形式的研究可分为二大类：一是从矿 物岩相学的角度进行研究，称为矿物学强度机理；另一是从物理一力 学的角度进行研究，称为物理强度机理。从目前为止的研究成果来看 ”“，要较为完整地解释磁铁精矿球团焙烧固结机理，必要将以上两 点有机结合起来才行。因为两者偏重点不同1 72 l ，简单地既，矿物学 强度机理把主要注意力集中到原料的物相组成在焙烧过程中的变化以 及它f f 对球团强度的影响，而物理强度机理，则是把注意力集中到矿 石颥粒的“烧结”现象和“烧结”机理。 一般认为，球团矿固结机理闶烧结矿不一样，其主要靠围结粘 结，通过质点扩散反应形成连接桥把颗粒粘结起来，它的液相量比例 很少t 一般不超过5 7 。球团被加热到某一温度时，矿粒晶格内 的原子获得足够的能量，克服周围键力的束缚进行扩散，并随温度升 ! ! ：! ! ! ：些叁兰塑! 堕兰 蔓上空三垒堕壁 高，这种扩散加强，最后发展到颗粒互相接触点或接触面上扩散，使 颗粒之间产生粘结。在晶粒接触处通过顶点扩散而形成连接桥a 在桥 的凹曲面上，由于表面张力产生垂直于曲颈向外的张应力，使曲颈表 面下的平衡空位浓度高于颗粒的其它部位这种过剩空位浓度梯度将 引起颈表面下的空位向邻近的球表面发生体积扩散，即物质沿相反途 径柚颈迁移，使其体积长大。这就是铁矿球团中以f e ：0 ，或f e ，0 。再 结晶固结的形式。球团矿焙烧过程中液相的来源主要是固相扩散反应 过程中形成的一些低熔点化合物和共熔物，其次是球团原料中带入的 低熔点矿物，如铡长石，在l l0 0 。c 左右便可熔化；膨润士的熔化温 度也较低；近年来为降低球团矿焙烧温度，有些球团厂在混合料中加 入硼泥，含硼m g o 等，硼泥中的b ：o 、在6 0 0 。c 时就开始熔融。这 些少量的液相起着润湿颗粒表丽，促使固体颗粒粘结和重结晶及促 进晶体长大等重要作用。 1 5 选题的目的及意义 西方发达国家国内钢材的供需已趋于平衡，其废钢铁，如报废 汽车、轮船、机器等等皤收来直接重炼钢的产量己占其总产量的相当 大一部分，因此传统的钢铁生产流程由于其能耗大、成本高、环境污 染严蘑便从2 0 世纪7 0 年代以来受到限制。这样烧结球团工艺在国外， 如美因、只本等自然也就受到不同程度限产，再加上竖炉本身固有的 缺陷，竖炉球团的生产及竖炉工艺没有发展的原因就显而易见了。而 国内，从总体上看，钢铁工业比发达国家落后得多。目前我国的人均 钢产量仅9 0 k g 左右，而美国约4 0 0 k g ，月本约9 0 0 k g ，况且钢的质量、 品种均不及国外先进国家，生产成本也远高于钢铁发达国家。因此我 国的钢铁工业，无论是在产量还是在质量方面，特别是在钢的质量和 品种上还存在很大的发展潜力。从高炉冶炼来看，根据国内外实践的 经验，比较推崇的高炉炉料结构是高碱度的烧结矿配以酸性球团矿， 认为这种熟料组合是较理想的。但目静国内球团矿的产量还不足烧结 矿的1 0 ，两国外球团矿平均占高炉入炉炉料的3 0 ，美图则高达 7 6 。因此国内在烧结工艺工发展的同时，球团工艺更要优先发展， 中南f 一业人学硕 ：论史 第i 章文献综述 根捌我吲的国情，冶金企业比较分散，规模不大，资金不足，在发展 球圳矿e 产时，比较三大焙烧方式，选择竖炉工艺是适宜的。因为竖 灯，具有投资省、设备简单、对材质无特殊要求、操作维护方便、热效 率高等优点。不过，目前国内竖炉球团生产，还存在以下几方面问题： ( 1 ) 球团矿质量差别大，如1 9 9 8 年度球团矿的抗压强度从萍钢 16 2 0 n 个到宣钢的3 l 2 0 n 个不等，筛分指数( 一5 m m ) 从八一钢厂o 5 6 到峨口93 4 不等，并且普遍在5 以上，总体质量不好： ( 2 ) 能耗高( 国外一般为6 3 61 m j t 球团矿m 1 ) ，按这一标准算， 幽内多数竖炉都超标，如凌钢1 9 9 8 年度的能耗为l1 2 4 m j t 球团矿； ( 3 ) 原料条件差，膨润土用量过大。 因此针对竖炉球团进行相关的理论与工艺研究是很有意义的， 只有进行深入、广泛的研究，以卜诸多问题彳能得到根本解决。为此， 本论文选定这一题目，以临钢两种铁精矿为原料，以研究磁铁精矿球 【= i 1 氧化动力学为依据，确定磁铁矿氧化放热在蛏炉内的合理分布，为 现有竖炉的改造和新建竖炉的设计提出有效参考。 中南工业大学硕士论文第2 章原料性能及研究方法 2 原料性能及研究方法 本试验研究采用的两种磁铁精矿为临汾地区的塔儿山精矿和二峰 山精矿，粘结剂选用的是新河皂土。 2 1 原料特性 2 1 1 原料的化学组成 磁铁精矿和皂土的化学成分及相关特性分别见表2 1 和表2 2 。 表2 - 1 磁铁精矿化学组成 塔几山精矿6 2 1 92 25 11 4 8 3 5 843 8o 0 9 o0 5 二热蠛e 熙2 j兰! ：熙 ! ：! ! ：i ! ：热 ! ：! i! ：! ! ； 表2 - 2 新河皂土化学成分及其它性质 m # 目m _ m 一 t f ec a o m g oa 1 2 0 3s i 0 2蒙脱石胶质价 膨胀倍数o0 7 4 堕当l 羔坠一 堑垒墨! 墅 翌坐 上出上兰l 上：三! ! ：i ! ! i ：! ! ! !i ! ! ! ! 从表2 - 1 中可见，两种磁铁精矿含铁品位均不太高( 6 2 6 3 ) ， f e o 含量较高，这对球团氧化焙烧是有利的。两者化学成份相似，只 有m g o 含量差别较大，塔儿山精矿含量为35 8 ，二峰山精矿含量 为16 6 。 2 1 2 原料粒度组成 塔儿山和二峰山磁铁精矿及混合矿粒度组成见表2 - 3 。采用水析 法进行测定。 * 混合矿配比：塔儿山二峰山= 5 0 5 0 ，润磨l o m i n 。 从上表可以得出，这两种磁铁精矿都较粗。o 0 7 4 m m 的粒级仅 分别占4 1 9 4 和5 9 5 6 ，0 0 4 4 m m 的粒级为2 5 1 7 和2 7 4 4 。混 合料经润磨1 0 m i n 后，o 0 7 4 m m 占5 9 8 8 。 2 1 3 原料其它特性 对两种磁铁精矿和混合矿的毛细水、最大分子水进行了测定，并 汁算出成球性指数、吸水速率等参数。结果见表2 5 。 表2 5 原料其它特性 焦堑垂魍。查丝垦丛熊王。型丝一堕趟擐塑里! 噬童生熙咀! 二 塔儿山精矿 i33 44 2 0 o 4 36 7 0 ：峰山精矿l3 7 439 0 04 6 7 0 0 塑盒楚g ： ! j ：j ! ：j ! ! ：! i! ：! ! + 混合精矿配比：塔儿山，二二峰山= 5 0 5 0 ，润磨l o m i n 从上表列出的结果可见，原矿的成球性较差。 2 1 4 试验用球团性质 混合料按塔儿山矿、二二峰山矿各占5 0 ，外加新河皂土2 5 进 行配料造球，造球时间定为7 m i n ，造球水份预没为9 。造球试验结 果见表2 7 。 中南f 业人学颀 论文 第2 章原料性能教研究方法 表2 7 造球试验结果 根据造球试验结果，生球除爆裂温度稍低外，其它指标都良好。 塔l 幽正= ：蝗出筻 堑逦皇 立jl 古山 畦j 一一 山 j 润磨| 龇 i 坠塑j 到幽 0 进踅捡捌 f 于燥l j ， 预热l 山 化蛩垩毯盒量 晤烧1 0 盛昌醚国芷 上 山 匦夏因匦匿蓟 图2 - 1 试验原则流程图 中南工业大学硕士论文 第2 章原料性能及研究方法 2 2 试验研究方法 2 2 1 试验原则流程 试验按图2 1 流程进行。每次取混合料5 k g ( 干基) ，外配一定比 例的膨润土，预加部分水，人工混合均匀，经润磨后造球。圆盘造球 机相关参数：边高2 0 0 m m 、直径1 0 0 0 m m 、倾角4 5 。、转速2 1 转分： 造球时间7 m i n ，批量造球，经过筛分，取0 1 0 1 2 m m 的合格生球进 行生球落下、抗压、生球水份、爆裂温度测定、氧化试验及焙烧试验。 2 2 2 铁矿球团氧化动力学研究方法 论文采用了两种方法进行球团氧化动力学的研究：一种是化学分 析法( 静态法) ，另一种是热重法( 动态法) 。 ( 1 ) 化学分析法 这种试验方法属于静态法。取一定数量干燥球( 生球置于1 0 5 + 5 0 c 恒温干燥箱干燥2 小时以上) 于