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1.62.0(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=13,m=14）大部分以2Fe2O33H2O形式存在。,9,10,特点：1）含铁量为3755%，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（K2ONa2O）0.1%0.6%。碱负荷低于35kg/t铁为宜。,21,其危害表现在：a.与炉衬作用生成钾霞石（K2OAl2O32SiO2）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6.3mm的粒级表示转鼓强度。,60,图23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GBl324191：(1)试验条件反应罐：内75mm试样：粒度10.012.5mm，500g;还原气体：CO/N230/70；还原温度：90010；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500600的低温区时，由于热冲击及铁矿石中Fe2O3还原(Fe2O3Fe3O4FeO)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GBl324291，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10.012.5mm，500g；还原气体：CO：CO2：N220：20：60；气体流量：15Nl/min；还原温度：50010；还原时间：60min；转鼓试验：转鼓：130200mm；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=1.802.4),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（38mm）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：TFe0.50.1，CaO/SiO20.050.10；日本：TFe0.30.4，CaO/SiO20.03,72,2、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38mm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1025mm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25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5060%，即60008000Pa，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2040;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2040，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9501150，一般3060秒；料层高度为600750mm；抽风负压为1000016000Pa；烧结温度为11501350；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4050mm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1550mm，温度为11501350，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2040mm，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(700800)冷却至l00150，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8090（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35%，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1.41.5。,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：2CO22CO（1）CO2CO2（2）2COO22CO2（3）CO2C2CO（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12001350，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，13mm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(1040)，因为挥发物在150700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：MeCO3MeOCO2不同碳酸盐的稳定性顺序为：ZnCO3MnCO3PbCO3FeCO3MgCO3CaCO3Na2CO3；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：6Fe2O34Fe3O4+O22Fe3O46FeO+O22FeO2Fe+O2在570以下：6Fe2O34Fe3O4+O21/2Fe3O43/2Fe+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：3Fe2O3CO=2Fe3O4CO2当有CaO存在时，在500600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：Fe3O4CO=3FeO+CO2有SiO2存在时，生成铁橄榄石，有利于反应：2Fe3O4+3SiO22CO=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：1w(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:CaOSiO2的反应开始温度为600，Fe3O4SiO2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（FeOSiO2）FeOSiO2体系液相是低碱度（R1.0)、硅灰石(CaOSiO2碱度1.01.2)、硅酸三钙(3CaOSiO2高碱度生成)。,146,2.矿物结构（1）宏观结构粗孔蜂窝状结构。有熔融的光滑表面，由于燃料用量大，液相生成量多。微孔海绵状结构。燃料用量适量，液相量为40%左右，这种结构强度高，还原性好。松散状结构。燃料用量低、液相数量少，烧结料颗粒仅点接触粘结，故烧结矿强度低。,147,（2）微观结构粒状结构。烧结矿中含铁矿物晶粒与粘结相矿物晶粒互相结合成粒状结构，分布均匀。斑状结构。烧结矿中含铁矿物呈斑晶状与细粒的粘结相矿物或玻璃相相互结合成斑状结构。骸晶结构。早期结晶的含铁矿物晶粒发育不完善，只形成骸晶骨架，其内部常为硅酸盐粘结相。,148,丹点状的共晶结构。含铁矿物呈圆点状分布于粘结相矿物中，例如Fe3O4CFS共晶部分形成的结构。熔融结构。含铁矿物被粘结相所熔融。成它形晶。例如高碱度烧结矿中的Fe2O3被CF熔融，含铁矿物与粘结相接触密切，强度较好。交织结构。含铁矿物与粘结相矿物彼此发展或者交织构成，此种结构的烧结矿强度最好。,149,3、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,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,物组成等烧结矿质量及产量,150,4、烧结矿的矿物组成和结构对其质量的影响1）对机械强度的影响各种矿物成分自身的强度（具有加和性）；烧结矿冷凝结晶的内应力；烧结矿中气孔的大小和分布；烧结矿组织的均匀度。2）对还原性的影响各组成矿物的自身还原性；气孔率、气孔大小与性质；矿物晶粒的大小和晶格能的高低。,151,表2-6烧结矿中主要矿物的机械强度与还原性,152,由上表可看出：（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，最差的是玻璃相。（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，特别是铁橄钙铁橄榄石难以还原。（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。,153,烧结过程主要反应,燃烧反应,分解反应,水分蒸发与冷,凝反应,还原与再氧,化反应,气化反应,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为还原性气氛。燃烧反应速度由扩散所决定,并决定燃烧带厚度。燃料粒度和量是决定烧结质量的重要因素,结晶水分解需要耗热碳酸盐中石灰石分解相对需要更高的温度。烧结过程中石灰石的有效分解时间不足2分钟少量Fe2O3在燃烧带可以分解成Fe3O4,制粒需加水进行。精矿粉8富矿粉5烧结过程水分蒸发快，故干燥带很薄。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,烧结过程既有还原反应，又有氧化反应。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。2FeOSiO2、CaOFeOSiO2的再还原性差，高炉不欢迎。,S的氧化性气化可使烧结过程脱硫率达到80以上。K、Na、Zn的还原气化，在烧结过程只占少量。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,154,固相反应生成低熔点物质的临界温度金属：(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,FeO-SiO2系液相11751205非自熔性烧结矿的主要粘结相,CaO-SiO2-FeO系液相10731217自熔性烧结矿的主要粘结相,CaO-SiO2系液相14501540低碳、高碱度烧结矿的形成的物相,CaO-Fe2O3系液相12051449高碱度烧结矿的主要粘结相,条件：比表面积大，晶格不完整；超过离子脱离离子键束缚的临界温度。,155,（1）烧结机利用系数t/(m2h)：式中：P-烧结机台时产量，A=B*L,带式烧结机抽风面积，m2,用来表示烧结机大小，式中L为烧结机有效抽风长度，B为烧结机台车宽度；d-垂直烧结速度，m/min；r-烧结料的堆积密度，t/m3；K-烧结机的成品率，%。在原料、设备条件一定，利用系数与d成正比，而d主要取决于料层透气性。,2.2.4强化烧结过程（提高产量）分析2.2.4.1烧结生产指标,156,（2）能耗（kg标煤/吨）是指一段时间内，烧结生产系统，辅助生产系统，为烧结生产服务的附属系统，所消耗的各种能源的实物消耗量，扣除回收利用能源，并折算成标煤（29330kJ/t）与该段时间内烧结产量之比值。,157,表2-7中国重点企业烧结工艺主要技术指标,158,烧结过程的气体力学现象,Voice公式描述P透气性指数Q抽风量A抽风面积h料层高度p料层压差n系数,Ergun公式描述P透气性指数形状系数d颗粒直径料层孔隙率气体密度Q/A,分析h、p不变Q/A与P成一次方关系，即：欲提高单位面积风量，即提高产量，需改善料层透气性。P、h不变Q/A与（p）成正比关系，即：欲提高产量，可提高抽风负压。P、p不变Q/A与料层高度h成反比，即：透气性和负压不变时，增加料层厚度会导致产量下降。透气性指数P与烧结料粒径d成正比，与料层孔隙率成正比。,2.2.4.2烧结过程气体力学和传热现象1、烧结料层透气性,159,（1）烧结料层中各层阻力损失的变化a烧结矿层；b燃烧层；c预热、干燥层；d湿料层）,160,t（）,p（mmH2O）,（2）烧结过程中不同料层厚度负压的变化情况,0,6003001800,0,5,10,15,20,25,30,（min）,0,600300,1200900,1500,z3,z2,p,z1,图中:料层Z1Z2Z3,随着过湿层的消失和烧结矿层的增厚,负压逐渐降低.,161,（3）二元粒度混合时的孔隙度变化,dk细粒级直径,dg粗粒级直径,Vk细粒级量V总量,162,（4）改善烧结料层透气性的对策改善烧结料层透气性的对策,提高料层孔隙度强化制粒配天然矿合适的粒度分布合适的布料方式,合适的原料粒度d有利于Pd不利于烧结反应的进行控制粒度差,控制燃烧带宽度配C量要合适燃料粒度要合适提高燃料燃烧性,消除湿料层严格控制烧结原料的水分提高烧结料的料温（蒸气预热等）,冷态,热态,163,2、烧结过程的传热现象（1）烧结过程的传热特点烧结过程的总速度取决于燃烧速度（指单位时间内碳与氧反应所消耗碳的重量）和传热速度（指气固相间的热交换速度）两者之间的最慢者。在低燃料量条件下，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，在燃料量较高条件下，则烧结速度取决于燃烧速度。,164,由上式可见,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。在烧结过程中最终两种速度“同步”进行”。且烧结料层各层的推进速度会受最慢者限制而最终协调一致。,由于烧结过程配C量不高，按重量计在35%间。烧结过程取决于传热速度，而传热以对流传热为主，所以传热速度主要取决于：气流速度、气体和物料的热容量,根据热平衡推导传热速度W为:。,165,（2）同一料层温度的变化：1）当热风达到某一料层时，假定料层为室温的含水料层，这时，料温逐渐上升至露点温度，水分蒸发，温度不变；2）水分蒸发完后，料温继续上升，由于烧结料的热容量较小，温度上升很快，到700左右，燃料着火，料温迅速升高。3）由于料温与热风温差的降低，矿化反应、物料部分熔化吸热，温度上升速度降低，料温缓慢升高达到最高温度。4）燃烧结束，料层温度开始降低，冷却之初，温差较大，降温较快，随着温差的减小，降温速度变缓。,166,2.2.4.3强化烧结措施1、混合料预热目的：防止水分的冷凝，改善实际料层的热态透气性。手段：加（热）返矿，加生石灰，加热水，通热蒸气。通热蒸气地点：圆筒混料制粒机、布料前的混合料槽。,167,2、以生石灰代替部分石灰石作用：a.生石灰消化成极细的Ca(OH)2胶凝体改善混合料制粒性；b.在干燥后仍能保持混合料小球的强度改善烧结料透气性；c.在过湿层可吸收水分改善过湿层的透气性；d.生石灰与水反应可生成热量提高料温抑制烧结料层的过湿现象。效果：1生石灰产量6%；,168,3、热风烧结热风烧结是在烧结机点火器后面，装上热风罩，往料层表面供给热废气或热空气来进行烧结的一种新工艺。（1）热风来源1）煤气燃烧的热废气；2）烧结机尾部风箱或冷却机的热废气；3）热风炉预热空气。,169,（2）效果：增加料层上部供热量；减慢烧结矿表层的冷却强度；提高硅酸盐结晶度；减少固体燃料用量，降低FeO量。,170,4、强化混合料制粒.延长混合造球的时间（一混2分钟，二混制粒不少于4分钟）；.改进混料筒的结构，提高制粒效果；.使用有机添加剂，改善制粒效率；.自动控制混料的加水量；.园盘造球机预制粒（粒度上限为68mm），（HPS法、即小球烧结法，2.91t/m2.h，一般烧结法1.3-1.5t/m2.h）,171,5、改进烧结机布料系统目的：保证合理的料层分布，改善料层透气性。手段：a.计算机动态控制给料，保持混合料槽有稳定的料位；b.保持混合料槽与圆辊给料机的相对位置，防止混合料自然落料；c.实现实际烧结料层厚度的自动控制；d.设置偏析布料装置，主要有：反射板、多辊布料器、条筛溜槽布料、反吹风偏析布料等。,172,6、小球烧结法（1）概念将烧结混合料用圆盘造球机预先制成一定粒度的小球（粒度上限为68mm），然后使小球外裹部分燃料，最后铺在烧结台车上进行烧结的造块新工艺。小球烧结法的主要效果是提高产量，能耗指标和产品质量也有改善。小球烧结的产品仍属于烧结矿。,173,（2）小球烧结法效果由日本钢管公司（NKK）开发，于1988年在日本福山550M2烧结机上投产，年产600万吨小球烧结矿。利用系数大幅度提高，达2.91t/m2.h；成品率由80上升至85以上；FeO4，还原度由65提高到80；烧结燃耗下降20，电耗下降30；,174,（3）小球烧结法工艺流程,175,2.2.5烧结新工艺新技术2.2.5.1提高烧结矿还原性烧结矿的还原性,烧结矿含铁品位,烧结矿的组成矿物,烧结矿的显微结构,硅酸盐脉石少，还原性,赤铁矿铁酸钙磁铁矿钙铁橄榄石铁橄榄石,还原性提高,气孔率大、晶粒小、晶粒间的硅酸盐包裹体时，还原性,主攻目标,提高烧结矿碱度R1.82.2,低温烧结技术,受资源影响受原料条件、烧结,矿强度条件制约,176,主攻目标改善烧结矿物组成,赤铁矿Fe2O3,磁铁矿Fe3O4,氧化性气氛保持Fe2O3高碱度下铁酸钙生成,氧化性气氛Fe2O3生成高碱度下铁酸钙生成,还原性气氛强FeO生成钙铁橄榄石铁橄榄石还原性还原性,177,冷态强度,热态强度,转鼓强度,抗磨指数,筛分指数,粘结相数量,残余CaO,内应力,矿物自身强度,结晶程度,热应力,相应力,表面与中心的温差引起矿物的不同热膨胀引起,正硅酸钙(2CaOSiO2)的多晶转变引起,还原条件下，400600铁氧化物因还原发生晶格转变造成烧结矿粉化,在炉内高于8001000后，矿石出现软化熔融，使烧结矿失去强度,低温还原粉化性能,软化性能,烧结矿强度,2.2.5.2提高烧结矿强度,178,降低热应力烧结矿的热处理烧结矿的热处理对已烧完并部分冷却的烧结矿，用1000左右的热风施行再加热处理（12min）,减小烧结矿中的热应力,改善结晶程度，减少玻璃体,烧结矿软化温度得以提高,孔隙率增大，还原性,179,2.2.5.3高铁低硅烧结低硅烧结矿，一般指烧结矿中SiO2含量小于5%，优点：a.提高品位，减少冶炼渣量；b.改善烧结矿冶金性能，尤其是软化温度升高，软熔区间变窄。,技术措施：a.由于SiO2降低，粘接相减少，要相应提高碱度，增加铁酸钙粘接相；b.强化制粒，提高生石灰配比，有利于铁酸钙矿物的形成；c.提高原料品位，减少SiO2带入量。,180,2.2.5.4降低烧结过程能耗1、厚料层烧结（1）厚料层烧结的理论基础烧结过程有自动蓄热作用料层高度为80220mm时，自动蓄热率为3545；料层高度为400mm时，自动蓄热率为65。烧结自动蓄热作用，为降低固体燃料提供了可能，也为低温烧结技术创造了有利条件。,181,（2）厚料层烧结的效果1）改善烧结矿强度，提高成品率。强度低的表层烧结矿相对减少。高温保持时间长，矿物结晶充分，结构改善。2）节省固体燃耗，降低总热耗（自动蓄热作用所致）低配碳使氧化性气氛加强，降低FeO含量，改善烧结矿还原性。低配碳使料层最高温度下降,抑制过烧现象，烧结矿结构改善。,182,（3）提高烧结料层厚度的技术措施提高烧结料层厚度的技术措施,改善料层透气性,提高烧结负压,增加富矿粉用量,采用新技术新工艺,强化混合料制粒,提高混合料温度,控制燃料粒度,减少烧结漏风率,提高风机风量,合理搭配矿粉种类和粗细比例,添加粘结剂改善成球性能,改进制粒设备结构和优化工艺参数,偏析布料技术燃料分加技术双层布料技术小球烧结工艺低温烧结工艺,183,图2-10分层烧结图,184,2、低温烧结（1）理论依据高碱度下生成的钙的铁酸盐铁酸钙，不仅还原性好，而且强度也高。铁酸钙主要是由Fe2O3和CaO组成。烧结温度超过1300后，Fe2O3易发生热分解，形成Fe3O4和FeO，而Fe3O4是不能与CaO结合的。相反，FeO的出现会导致2FeOSiO2，CaOFeOSiO2的生成，从而恶化还原性。不同形态的铁酸钙组成的烧结矿，其质量是不同的；而烧结温度对铁酸钙的形态影响显著：,185,11001200，1020针状铁酸钙生成，但晶粒间尚未连结，故强度较差；12001250，2030的针状铁酸钙生成，晶桥连接，且有交织结构出现，强度较好；12501280，呈交织结构的铁酸钙生成，强度最好；12801300，铁酸钙量下降至1030，结构由针状变为柱状，强度上升，但还原性变坏。所以为了生成优质的铁酸钙矿物以改善烧结矿的还原性和强度，就要实现低温烧结。,186,（2）SFCA的概念实际烧结矿中的铁酸钙，无论是针状还是片状，都不是由单纯的CaO和Fe2O3构成，铁酸钙中均含有一定量的Al2O3、SiO2等，