（冶金工程专业论文）原料组成和烧结工艺参数对烧结矿相结构及强度的影响研究.pdf

贵州大学工程硕士学位论文 摘要 本文应用正交试验法、转鼓等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、x 射线衍 射等分析测试手段，深入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，得出了普遍的变化规律，给出最佳方案进行工业试验，并分析影响工业 试验时烧结矿矿物组成、结构的因素及提出改进措施，以提高烧结矿质量，降低 返矿率。 通过研究发现，在原料种类和工艺不变的情况下，适当调整印度矿和阳春矿 的配比，采用铁料搭配水平4 进行烧结，可以生成较多的铁酸钙和铁橄榄石，形成 以熔蚀结构和粒状结构为主的烧结矿，有利于强度的提高。凡在烧结时能产生较 多的液相，冷却时不是形成结晶较差的玻璃质，而是形成充分结晶的针状或树枝 状、棒状铁酸钙；磁铁矿不是以块状孤立存在，而是被粘结相交织固结成熔蚀结 构、粒状结构或共晶结构；气孔较少，且分布均匀；粒度较细；组织结构均匀的 烧结矿均能提高质量。另外还归纳出有利于强度提高的工艺参数和操作制度。 分析工业试验和水钢现行生产的矿物组成、结构表明，水钢烧结矿以他形晶 磁铁矿为主，铁酸钙为主要的粘结相，多形成熔蚀结构、粒状结构和共晶结构， 强度较高；而在台车边缘和表层，由于存在较严重边缘效应和点火温度较低，使 陔区域的烧结矿组织结构疏松，局部呈蜂窝状或薄壁大孔状，铁酸钙较少而硅酸二 钙和玻璃质较多，形成骸晶状结构和磁铁矿连晶，强度较低，致使返矿升高。工 业试验时烧结矿的组织结构比现行生产的均匀，矿物组成、结构较差的烧结矿少 且多集中在台车边缘和表层，使烧结矿质量得到提高，降低了返矿率。另外提出 了改善台车边缘和表层烧结矿质量的措施。 关键词：烧结矿；矿物组成：结构；质量 贵州大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t s t u d y t h ei n f l u e n c er a w c o m p o s i t i o na n ds i n t e rc r a f t p a r a m e t e ro ns i n t e rp h a s es t r u c t u r ea n ds t r e n g h i nt h i sp a p e r , t h eo r t h o g o n a lt e s t i n gm e t h o d ，t h er o t o rd r u mc o n v e n t i o n a l e x a m i n a t i o na n dt h eo 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 da r eu s e dt o s t u d y t h ei n f l u e n c eo fi r o nm a t e r i lm a t c h e s ，b a s i c i f y , f u e lc o n s u m p t i o na n dm o i s t u r ec o n t e n t o nt h es i n t e rt e c h n o l o g yt a r g e t s a n dd r a w ss u p p o r tf r o ma n a l y s i st e s tm e t h o d sa n ds o o no p t i c a lm i c r o s c o p e ，xb e a md i f f r a c t i o n ，t h o r o u g h l yr e s e a r c h st h ee f f e c to f t h es i n t e r m 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 eo ni t sq u s l i t yu n d e rt h ed i f f e r e n tf a c t o rl e v e l ，o b t a i n s t h eu n i v e r s a lc h a n g er u l e s ，p r o d u c e st h ep r e f e r r e dp l a nt oc a r r yo nt h ei n d u s t r i a lt e s t ， a n da n a l y s i st h ei n f l u e n c ef a c t o r so nt 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 ew h e n i n d u s t r i a lt e s t ，t h e np r o p o s e st h ei m p r o v e m e n tm e a s u r e ，w h i c ht oi m p r o v et h es i n t e r q u a l i t y , r e d u c et h es i n t e rr e t u r n r a t e t h r o u g h t h er e s e a r c h ，w ef o u n dt h a tt h ea p p r o p r i a t er e a d j u s t m e n ti n d i ao r ea n dt h e y a n g c h u no r ea l l o c a t e dp r o p o r t i o n ，u s e st h ei r o nm a t e r i a lm a t c hl e v e l4t oe a r l yo n s i n t e ru n d e rt h eu n c h a n g e di r o nm a t e r i a la n dc r a f tc o n d i t i o n ，p r o d u c e st h em u c h c a l c i u mf e r r i t ea n df a y a l i t e ，o b t a i n st h em e l t i n gc o r r o s i o ns t r u c t u r ea n dt h eg r a n u l a r s t r u c t u r ea sp r i m a r i l ys i n t e rw h i c hm a ye n h a n c et h es t r e n g t h t h a ti ft h ep r o c e s sc a n p r o d u c em u c hl i q u i dp h a s ed u r i n g t h es i n t e r i n g ，a n dw h i c hc a nb e c o m ei n t o c o m p l e t e l y c r y s t a ln e e d l e - s h a po ra b o r i z a t i o no rb a r - s h a pc a l c i u mf e r r i t ei n s t e a do f g l a s si nt h ec o o l i n gp r o c e s s ；i ft h em a g n e t i t ei s i n t e r w e a v e db yt h ec a k i n gi n t ot h e m e l t i n gc o r r o s i o ns t r u c t u r e ，t h eg r a n u l a rs t r u c t u r eo rt h ee u t e c t i cs t r u c t u r ei n s t e a do f e x i l i n gi nl h cm a s s i v ei s o l a t i o n ；i ft h em o u n to ft h ep o r e i si sl i t t l e ，a n du n i f o r m i t l y d i s t r i b u t i n g ；i ft h eg r a i ni sl i t t l e ；i ft h eo r g a n i z a t i o n a ls t r u c t u r ei ss y m m e t r i c a l ，a l lo f w h i c hc a ni m p r o v et h eq u a l i t yo ft h es i n t e r i n g i na d d i t i o n ，t h i sp a p e ra l s od r a w sa c o n c l u s i o no f t h ea d e q u a t et e c h n i c sp a r a m e t e ra n ds y s t e mt oi m p r o v es i n t e r i n gq u a l i t y a n a l y z et h em i n e r a lc o m p o s i t i o na n d s t r u c t u r eo f t h ei n d u s t r i a lt e s ta n dt h ep r e s e n t p r o d u c t i o ni ns h u i g a n gi n d i c a t e dt h a t ，t h es i n t e rb yt h eo t h e r - s h a pc r y s t a lm a g n e t i t e p r i m a r i l y , t h ec a l c i u mf e r r i t ef o rt h em a i nc a k i n g ，a n df o r m st h em e l t i n gc o r r o s i o n s t r u c t u r e ，t h eg r a n u l a rs t r u c t u r ea n dt h ee u t e c t i cs t r u c t u r e ，t h u st h es t r e n g t hi sh i g h ；b u t t h es i n t e ro r g a n i z a t i o n a ls t r u c t u r ei sl o o s ei nt r o l l e ye d g ea n ds u r f a c el a y e rb e c a u s eo f 戈 贵州大学工程硕士学位论文 t h em o r es e r i o u se d g ee f f e c ta n dt h ei g n i t i o nt e m p e r a t u r el o w e r , p a r t i a l l ya s s u m e s h o n e y c o m b s h a p e da n d t h et h i nw a l lp o c k e ts h a p e ，t h ec a l c i u mf e r r i t ei sf e w , d i c a l c i u m s i l i c a t ea n dg l a s sa r em a n y , f o r m st h es k e l e t a lc r y s t a l ，t h ee u t e c t i cs t r u c t u r ea n dt h e m a g n e t i t ec o n t i n u a l l yc r y s t a l ，w h i c hc a u s e st os t r e n g t hw o r s e ，t ot h er e t u r ns i n t e rt ob e m g h t h es i n t e io r g a n i z a t i o n a ls t r u c t u r ei nt h ei n d u s t r i a lt e s tc o m p a r e dt ot h ep r e s e n t p r o d u c t i o nb es y m m e t r i c a l ，t h em 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 ew o r s e s i n t e ra r ef e w a l s od i s t r i b u t e si nt h et r o l l e ye d g ea n dt h es u r f a c el a y e r , e n h a n c e st h es i n t e rq u a l i t ya n d r e d u c e sr e t u r ns i n t e rr a t e i na d d i t i o n ，p r o p o s e ss o m em e a s u r e st oi m p r o v et h es i n t e r q u a l 畸i nt r o l l e ye d g ea n dt h es u r f a c el a y e r 、 k e y w o r d s ：s i n t e r ；m i n e r a lc o m p o s i t i o n ；s t r u c t u r e ；q u a l i t y 1 1 i 引言 引言 随着我国科学技术的突飞猛进和社会主义现代化进程的需要，钢的需求量不 断增加。1 9 9 7 年以来，我国钢产量都在一亿吨以上，2 0 0 4 年高达2 6 亿吨，这 就要求铁矿石的供应量须保持同步的增长。我国的铁矿资源丰富，截至2 0 0 0 年 底，我国保有储量为4 5 7 0 7 亿吨，但丰而不富，9 7 5 为贫矿，富矿为1 1 3 亿 吨，占2 5 ，与国外高品位铁矿石相比，性能明显处于劣势【1 l 。由于国内大型矿 山资源缺乏，不得不依赖进口和小矿山的矿石资源，致使烧结原料来源复杂，烧 结矿质量普遍较低。 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。 强度好、粒度均匀的烧结矿粉末少，料柱的透气性好，有利于煤气的合理分 布和高炉顺行，进而使焦比降低，产量提高。此外，高品位，低硫磷，稳定性好， 碱度适宜，也是烧结矿质量的重要因素。高质量的烧结矿很坚固，在高炉内加热 和还原寸几乎不变形，具有很好的还原性，开始软化温度高，软化区间窄。烧结 矿小 恤体，是由不同组成和不同结构的凝块物质组成的体系。烧结矿质量的 好坏取决于其内部最终形成的矿物组成和结构，而铁矿石性能和烧结工艺的不同 又对烧结矿的矿物组成和结构有直接的影响。可以根据矿物组成和结构判断烧结 矿中的反应过程、形成机理，评价烧结矿质量和获得改进措施的依据，为烧结生 产指明正确的控制工艺制度。因此，研究烧结矿的矿物组成、结构与烧结矿质量 的关系，以及研究影响烧结矿组成、结构的因素对提高烧结矿质量和改善烧结工 艺具有f 。分重要的意义。 ： 小课题楸= l l ! ：水城钢铁( 集团) 有限责任公司( 简称水钢) 现行的原料状况， 以含铁原料、碱度、燃料和水分为因素，采用正交试验法进行烧结杯试验，在烧 结矿技术经济指标和烧结矿矿物组成及结构分析的基础上，优化原料结构及工艺 参数，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。 贵州大学工程硕士学位论文 研究生：杨光亮导师：张金柱，杨碧能 第一章绪论 钢铁工业作为国家的支柱产业，是衡量一个国家工业化水平高低的重要标志 之一，在国民经济中占有举足轻重的地位【z j 。随着我国科学技术的进步和现代化 建设的迅猛发展，钢产量由改革开放之初的4 3 3 2 7 万吨增加到2 0 0 2 年的1 8 1 亿 吨，使得钢铁市场趋于饱和，钢铁工业面i l 每着激烈的竞争，不仅包括钢铁企业内 部的竞争，还存在与其他材料工业的竞争【3 一】。这就意味着钢铁企业必须降低成本， 节约能源，向高产、优质、低耗和低成本的方向发展。对于高炉炼铁而言，为了 适应发展的需要，必须采取新技术、新工艺以提高高炉利用系数，降低焦比和能 耗。如高压操作，高风温，富氧，喷煤等p j 。烧结矿作为我国高炉炼铁生产的主 要人造富矿原料之一，它的质量对冶炼及其效果具有很大的影响。“精料”是高炉 操作的基本内容之一，高炉操作指标离不开烧结矿的质量。生产实践证明【6 】，没 有“精料”作基础，高炉是不可能有效的接受大风量、高风温和喷吹燃料等新技 术、新工艺的，不可能有高产、优质、低耗的效果。 1 1 烧结概述 1 1 1 烧结的目的及意义 在钢铁企业中，烧结生产具有举足轻重的地位。一方面是因为烧结矿的质量 直接影响高炉生产的质量；另一方面，烧结厂不仅是能耗大户，而且它所生产的 烧结矿质景将直接影响高炉炼铁的焦比【5 7 叫0 l 。 铁矿粉烧结足一种铁矿粉造块方法，其是将细粒含铁物料与燃料、熔剂按一 定比例配合，再加水润湿、混匀和制成烧结料，布于烧结机上，点火、抽风，借 助烧结料中燃料燃烧产生高温，进而发生一系列的物理化学变化，生成部分低熔 点物质，并软化熔融产生一定数量的液相，将铁矿物颗粒润湿粘结起来，冷却后 形成具有一定强度的多孔块状产品烧结矿【5 j 。 2 ) 烧结生产的主要目的 烧结生产的主要目的如下【5 j ： ( 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 ) 通过烧结改善铁矿石的冶金性能，提高高炉冶炼指标； 2 原料组成和烧结工艺参数对烧结矿相结构及强度的影响研究第一章绪论 ( 3 ) 通过烧结去除某些有害杂质，回收有益元素，达到综合利用资源和扩大炼 铁矿石原料资源。 2 ) 烧结生产的意义 烧结生产的意义在于【9 t l o l ： ( 1 ) 充分合理地利用矿石资源，满足钢铁工业发展的需要。由于很多矿石入炉 恰们都需要进行选矿处理，选矿所获精粉及天然富矿在开采、准备处理过程中会 产生粉末，这些粉末不能直接入炉，必须通过造块处理才能供高炉使用。 ( 2 ) 通过烧结，可进一步改善铁矿石的冶金性能，为强化高炉冶炼提供更好的 原料条件。铁矿粉在烧结前经过仔细的混合，成分更均匀；烧结中因固体燃料消 失，熔剂分解，液相冷凝收缩，形成大量的孔隙，石灰石、白云石提供的c a o 、 m g o 与矿粉中的其它组分反应，生成有利于还原、造渣的矿物成分；硫、氟、砷 等有害杂质能部分除去；使之含量减少，从而使烧结矿具有比天然矿石更好的冶 金性能。这样，高炉可以少加或不加生熔剂，炉内还原、造渣过程得以改善，也 有助于操作制度的稳定，为优质、高产、低耗创造条件： ( 3 ) 通过烧结造块，可有效地回收利用冶金、化工等生产部门产生的含铁废料， 加矿尘、轧钢皮、钢渣、硫酸渣等，即充分利用了资源，又消除了环境污染，还 可以降低成本，增加经济效益和社会效益。 1 1 2 国内外烧结发展概况 1 ) 国外烧结发展概况 烧结法是迄今除北美以外使用最广的铁矿石造块方法【2 , 1 1 , 1 2 。在过去十几年 中，世界上烧结矿年产量维持在5 3 0 5 8 6 m t 范围内l ”_ 1 “。从1 9 8 9 年起，由于 前苏联和其它部分东欧国家发生巨变，导致其整个钢铁工业的重新调整，致使世 界烧结矿，“量有所下降。欧洲和日本的经济衰退也影响到世界烧结矿的产量。但 近j l ：水随糟中国、朝鲜等国家的烧结矿产量持续增加及东欧国家经济的回升， 使世外烧结矿产量呈上升的态势【。 铁矿石烧结工艺是对细粒含铁物料进行造块以保证高炉料柱的良好透气性， 它不仅是细粒物料的造块，而且要对高炉原料进行初步的热加工，以改善产品质 量。自1 8 8 7 年英国人赫伯林( f h e b e r l r i n ) 和亨廷顿( t h u n t i n g t o n ) 在伦敦获得世界 上第一项关于硫化矿烧结培烧法和用这种方法的烧结盘设备专利以来，烧结设备 及工艺发生了较大地变化。特别是德怀特、劳埃得和贝尼特于1 9 0 6 年在美国取得 抽风带式烧结机的专利权，这在冶金工业发展史中具有里程碑的作用，该设备一 经出现，就很快取代了压团机和烧结盘设备。目前在世界上正在运行的带式烧结 贵州大学工程硕士学位论文 研究生：杨光亮导师：张金柱，杨碧能 机总共约有10 0 0 多台，世界烧结矿总产量在上世纪9 0 年代已经达到每年5 3 亿吨以 上【1 5 , 1 6 。 烧结生产除要满足高产、低耗的技术指标外，其生产的烧结矿还需满足高炉 冶炼提出的诸如机械强度、还原性等性能指标。高炉炼铁生产实践表明，炉料质 量最佳化是炉料结构合理化的基础，烧结矿质量的微小改善即可使高炉冶炼成本 明显下降【7 】。所以，长期以来对烧结技术和基础理论的研究一直为国内外冶金界所 重视。特别是2 0 世纪8 0 年代以来，烧结技术得到了快速地发展，主要体现在烧结 工艺和新技术的研究开发和应用。烧结工艺方面如自动化配料、混合机强化制粒、 偏析布料、冷却筛分、整粒技术及铺底料技术等；新技术主要表现为球团烧结技 术、小球烧结技术、低温烧结技术、低硅烧结技术等【1 3 , 1 5 , 1 7 2 1 。但是在基础理论 方而，山1 ：烧结过程伴随着许多复杂的物理化学变化，致使以往对烧结过程基础 理论的研究主要停留在定性水平。近年来电子计算机应用技术的普及，实现烧结 生产过程中的最优控制，以进一步争取优质、高产、低耗已经引起冶金界的广泛 关注。与此同时，烧结过程基础理论的定量研究及烧结过程数学模型的开发应用 得到迅速发展。日本、西欧、北美、澳大利亚等国均就此投入了相当的研究力量， 并取得了显著成就【2 2 2 5 1 ，不少研究成果已在生产中初步得到应用并取得了显著的 经济效益【2 6 。3 1 1 。 2 ) 国内烧结发展概况 我国自上世纪7 0 年代以来，铁矿石造块工业取得了很大的成就。1 9 7 0 年以前， 我国烧结机的机型都在7 5m 2 以下。7 0 年代以后，特别是1 9 8 5 年宝钢从日本引进的 4 5 0 m 2 火型烧结机投产，使我国烧结机的大型化上了一个台阶。至u 2 0 0 3 年低，我 l 建成并投产的特大烧结机( 4 5 0 m 2 以上) 5 台，全国拥有烧结机3 3 0 台，总面 积约2 6 8 2 7 m 2 ，年产烧结矿2 2 6 亿吨以上1 3 2 】。使我国已成为世界上烧结矿生产大 国。其发展情况及成就如- f 1 8 , 3 2 - 3 6 ： ( 1 ) 自1 9 7 8 年马钢冷烧技术攻关成功后，“六五”、“七五”期间一批重点企业 和地方骨干企q k 基本完成热烧改冷烧工艺。相当部分企业建成并使用原料中和混 匀料场，绝大部分厂家实现了自动化配料、混合机强化制粒、偏析布料、冷却筛 分、整粒技术及铺底料技术等。 ( 2 ) “七五”、“八五”以来在传统烧结工艺基础上开发了一批新工艺和新技术， 井在国内各大钢铁企业推广应用，如高碱度烧结技术、球团烧结技术、小球团烧 结技术、低温烧结技术、低硅烧结技术等。 ( 3 ) 设备大型化和自动化。2 0 世纪7 0 年代初以前，我国最大烧结机为7 5 m 2 ， 7 0 年代初以后，我国有了1 3 0 m 2 的烧结机，但小烧结机仍占主导地位：8 0 年代 4 原料组成和烧结工艺参数对烧结矿相结构及强度的影响研究第一章绪论 初，我国在宝钢引进了4 5 0 m 2 的大型烧结机及其配套设备，同时引进了烧结机的 制造技术。到2 0 0 3 年底，我国已建成和投产1 4 台2 6 5 4 5 0 m 2 的大型烧结机和 4 9 台9 0 1 8 0m 2 的中型烧结机，大中型烧结机的总面积达到1 1 0 6 8m 2 ，占烧结 机总面积的5 4 。同时，一些钢铁企业都逐步在提高烧结机的单机面积。自1 9 8 9 年以后投产的大中型烧结机的工艺技术装备和自动化水平得到提高，实现了较为 完善的过程检测和控制项目，并采用计算机控制系统对生产过程自动进行操作、 监视、控制及生产管理。 ( 4 ) 烧结生产指标及产品质量的提高。近年来我国烧结矿质量明显提高，目前 多数钢铁企业的烧结矿品位达到5 5 以上：s i 0 2 含量降到5 左右，实现了低硅 烧结；烧结矿f e o 含量8 1 0 ；采用高碱度烧结，转鼓指数和还原性明显提 “。 此外，烧结厂的环境治理、余热回收等方面也取得了较大的发展。 1 1 3 我国烧结发展前景 1 ) 面临的机遇 党的十六大提出全面建设小康社会的宏伟目标，在2 0 2 0 年国内生产总值比 2 0 0 0 年翻两番，基本实现工业化。这一宏伟目标的实施，对钢铁工业提出新的更 高的要求，将促进国内的钢材消费量大增，需求旺盛；从材料科学发展状况来看， 在可预见的将来，钢仍是人类社会的最主要材料，没有任何材料可以代替钢材的 使刚；我国的钢产量的高峰期将持续至1 j 2 0 2 0 年以后，其后将进入后工业化阶段， 钢j “量水平降低，并进入稳定期1 3 4 l 。由此说明，我国钢铁工业不是夕阳工业，将 还有较大的发展空问。这就必然会使烧结生产面临较大的机遇，从而促进烧结技 术的发展。 2 ) 面临的挑战及限制性因素 ( 1 ) 我国烧结矿和钢铁产量居世界第一位，成为钢铁工业大国，但不是钢铁工 业强曰。山于烧结原料、燃料、熔剂的质量、烧结机的结构和规格以及自动化和 管理水平等的原因，使我国的烧结生产与日本、西欧些国家相比，具有较为明 显的差距。国内各个厂家之间的发展也不平衡【3 2 3 剐。 ( 2 ) 钢材市场竞争激烈，市场与用户对钢材质量的要求越来越高，势必对烧结 矿的质量要求越来越高【4 】； ( 3 ) 我国铁矿石资源短缺，且品位较低，9 7 的储量平均含铁3 2 7 ，需要大量 进口铁矿石1 3 j 。 另外我国的能源资源紧张，生态环境压力沉重等都对烧结生产提出了更高的 贵州大学工程硕士学位论文研究生：杨光亮导师：张金柱，杨碧能 要求例。 3 ) 我国烧结发展要解决的问题 当前钢铁工业面临巨大的国际和国内市场竞争，同样烧结厂也面临市场经济 调节，当前急待解决的问题是提高烧结矿的质量；烧结生产发展趋势是逐步实现 烧结机的大型化；采用原料混匀技术，提高烧结的精料水平；提高自动化水平和 生成率，努力降低烧结矿的成本；加强环保治理：加速增加球团矿用量，改善我 国高炉的炉料结构；采用小球烧结工艺，进一步强化烧结生产；继续对老旧设备 进行改造更新：坚持生产高碱度烧结矿；充分利用国内国外的铁矿资源：调整和 改善烧结生产和局；实施可持续发展战略，建设清洁式工厂【3 2 3 4 3 7 1 。 总的米蜕，完善烧结技术和提高烧结矿的质量在我国目前显得更加迫切、重 嘤。 1 2 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。研究烧结矿机理不仅要了解固相反应，液相形成及结晶过程， 而1 1 要研究它们生成规律，以便改善烧结矿质量【9 3 8 3 9 1 。 1 2 1 烧结过程中的固相反应憾”1 颗粒之间的固相反应是在一定的温度条件下各种离子克服晶格中的结合力， 在晶格内部进行位置交换，并扩散到与之相接触的邻近的其他晶格内进行的反应。 这q 1 反心能够进f j ：的重要因素是温度。在烧结过程中，由于燃料的燃烧产生高温 成，汕l 热j 烧结料，为固相反应创造了条件。固相反应可以形成原始料中所没有 的动熔化的低熔点新矿物。这些新矿物在烧结过程中产生许多液相，液相冷凝结 晶而获得强度较高的烧结矿。改进固相反应的过程在一定程度上能够影响液相的 质量以及烧结矿的质量。 1 ) 固相反应的特点 固相反应的特点如下： ( 1 ) 固相之间可以进行直接反应，而反应的温度远低于反应物的熔点或它们的 低共熔点； ( 2 ) 固相反应开始的温度与其熔点间存在大致一定的规律性。对于金属是 6 原料组成和烧结工艺参数对烧结矿相结构及强度的影响研究 第一章绪论 ( 0 3 0 4 ) x t 8 ，对于盐类是0 5 7 t 镕，对于硅酸盐是( 0 8 0 ：9 ) x t 镕。所 谓固相反应开始温度是指反应物之一开始呈现显著移位作用的温度。 2 ) 固相反应机理 近年来对固相反应机理的进一步研究表明，固相反应中必然有非固相反应贯 穿整个反应过程，非固相液相及气相起着重要的甚至是决定性的作用。固相 物质应当看成与其气相相结合的动平衡状态在加热过程中产生与固相处于平衡的 气干h ，此相虽少，但在反应中的作用则不可低估。又如固相中存在着一些杂质， jj 能形成液相，其开始温度远低于主要固相物质的低共熔温度，但也会在反应中 起极大的作用。 反应机理可表示如下： 4 同寸4 气，a 气+ 占函专4 占南 或爿i 州+ x 吲专g t r ) 灌，o t z ) 泣+ b 同寸彳b 固+ x 固 i h 上述机理可以看出，除了温度、压力、保温时间等因素外，凡是能够促进 外扩散及内扩散进行的因素都能促进固相之间的反应。例如反应物之间的细粉粒、 多晶转变、脱水、分解等化学反应，固溶体的形成与之伴随着反应物晶格的活化， 在一般情况下，也都加速固态物质之间的反应。 3 ) 烧结过程的固相反应 在烧结过程中由于固体燃料燃烧产生的废气加热了烧结料，这为固相反应创 造了有利条件。在烧结料部分或全部熔化以前，料中每个颗粒的相互位置不变， 只能与它直接包围的及接触的颗粒发生反应【3 9 1 。图l l 为烧结料各组成间的固 相反应示意图。固相中只能进行放热的化学反应，而且两种物质间反应的最初产 物；形成m 一利t 化合物，其成分经常与往往与反应物的浓度比不相符合。在两 j ：i i 反成物的接触点周围形成带状结构，需要较长时间的保温才发生，与反应物成 分相符合的最后产物需更长的时间。 贵州大学工程硕士学位论文研究生：杨光亮导师：张金柱，杨碧能 2 c 玲$ i 0 2 图1 1 烧结料各组成问的固相反应示意图【3 8 1 图1 2 为c a o 与s i 0 2 固相反应的示意图。c a o 和s i 0 2 的初始克分子比为 1 ：1 ，在人气气氛中1 0 0 0 1 3 的情况下。初始反应产物只有硅酸二钙( 2 c a 0 s i 0 2 ) ， 随着反应时间的延续，2 c a 0 s i 0 2 与c a o 接触进一步形成3 c a o s i 0 2 ，而沿 着2 c a o s i 0 2 与s i 0 2 接触处形成3c a o 2 s i 0 2 ，仅仅到反应的最后阶段才出 现硅灰石( c a 0 s i 0 2 ) o 2 c a o - s i 0 2 2 0 0 s n c _ d _ s n 臣j 蕴习 3 c a o - s i 0 1 c 帕喀 嘎 3 c a o 2 s i 0 2 2 啡s j 晚 3 螂她3 驾i o l 圆狻圆圈豳勤。n c 姗ns i o zc 艄n 图1 2 c a o 与$ i 0 2 接触带固相反应的结构图形l 删 由于固相反应的机理是离子在晶格中的扩散作用，只有在一定的温度下，离 子才能获得足够的能量克服晶格中的结合力而运动。所以，温度对对于反应产物 的出现比反应产物相互作用的时间有较大的影响。因此，固相反应开始的温度对 最终产物的形成极其重要。固相中出现反应产物的开始温度如表l 一1 所示。 由表1 1 可知，( 1 ) 在5 7 5 开始，f e 2 0 3 与s i 0 2 只能形成有限固熔体，而 不能发生作用：( 2 ) 石英与石灰石接触处，在5 0 0 _ 6 0 0 。c 时开始形成硅酸钙：( 3 ) 铁酸钙在5 0 0 6 0 0 时开始形成，f e 3 0 4 则不能直接和c a o 反应，只有在配碳 原料组成和烧结工艺参数对烧结矿相结构及强度的影响研究 第一章绪论 低产生较强的氧化气氛时，f e 3 0 4 氧化成f e 2 0 3 ，在固相中才能形成铁酸钙，高 碱度是产生较多铁酸钙的基础。 表1 1 固相反应出现反应产物的温度9 8 】 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 3 f e 2 0 3 在s i 0 2 中的固熔体 5 7 5 c a o + s i 0 2 2 c a o s i 0 2 5 0 0 ，6 1 0 ，6 9 0 m g o + s i 0 2 2 m g o s i 0 2 6 8 0 m g o + f e 2 0 3 m g o f e 2 0 3 6 0 0 c a o + f e 2 0 3 c a o f e 2 0 3 5 0 0 ，5 2 0 ，6 0 0 ，6 5 0 ，6 1 0 ，6 7 5 c a o + f e 2 0 32 c a o f e 2 0 3 4 0 0 c a c 0 3 + f e 2 0 3 c a o f e 2 0 3 5 9 0 m g o + a 1 2 0 3m g o a 1 2 0 3 9 2 0 ，10 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 1 1 0 0 m n o + a 1 2 0 3 m n o a 1 2 0 3 10 0 0 m n o + f e 2 0 3 m n 0 f e 2 0 3 9 0 0 c a o + m g c 0 3 c a c 0 3 + m g o 5 2 5 c a o + m g s i 0 3 c a s i 0 3 + m g o 5 6 0 c a o + m n s i 0 3c a s i 0 3 + m n o 5 6 5 c a o + a 1 2 0 3 s i 0 2 c a s i 0 3 + a i z 0 3 5 3 0 ( f e 3 0 4 。f e x o ) + s i 0 2 ( 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 e ! ! 里生型互塑! ! ! 旦：型里! ： ! ! ! ! 一 1 2 2 烧结过程的液相生成【9 _ 3 8 4 0 】 烧结过程中生成液相，是烧结矿固结成型的基础，液相的组成、性质和数量 m 搬人栏度上决定了烧结矿的还原性和强度。 1 ) 液相的作用及其生成条件 液相的作用主要表现为如下： ( 1 ) 液相是烧结矿的粘结相，将未熔的固体颗粒粘结成块，保证烧结矿具有一 定的强度； ( 2 ) 液相具有一定的流动性，可进行粘性和塑性流动传热，使高温熔融带的温 度和成分均匀和液相反应后的烧结矿化学成分均匀化： ( 3 ) 液相保证固体燃料完全燃烧，大部分固体燃料是在液相形成后燃烧完毕的， 液相的数量和粘度应能保证燃料不断地显露到氧位较高的气流孔道附近，在较短 时间内燃烧完毕； ( 4 ) 液相能润湿未熔的矿粒表面，产生一定的表面张力将矿粒拉紧，使其冷凝 9 贵州大学工程硕士学位论文 研究生：杨光亮导师：张金柱，杨碧能 后具有强度； ( 5 ) 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 度和还原性一 2 ) 液相生成的条件 液相生成的条件主要为：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。 3 ) 液相的类型 和烧结料h 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+ 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 之问，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1 - - 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。 表1 2 与烧结料成分相应的易熔化合物及共熔混合物【3 q 体系 液相特征熔化温度( ) s i 0 2 f e o f 0 3 q 一2 f e o s i 0 2 m n o s i 0 2 m n o - - m n 2 0 3 - _ s i 0 2 2 f e o s i 0 厂 2 c a o s i 0 2 2 c a o s i o 厂f e o c a d f e 2 0 3 f 旷f e 2 0 3 c a o f e 3 0 广f e 2 0 3 2 f e 0 s i 0 2 2 f e o s i 0 2 _ _ s i 0 2 共熔混合物 2 f e o s i 0 2 - - f e o 共熔混合物 2 f e o s i 0 2 一f e 3 q 共熔混合物 2 m n o s i 0 2 异分熔化 m n o - 一m n 3 0 4 2 m n o - s i 0 2 共熔混合物 ( c a o ) 。( f e o ) 2 _ x s i 0 2 ( x = o 1 9 ) 2 c a o s i 0 2 一f e o 共熔混合物 c a o f e 2 0 3 液相+ 2 c a o f e 2 0 3 异分熔化 c a o f e 2 0 3 c a o 2 f e 2 0 3 共熔混合物 ( 1 8 c a o + 8 2 f e o ) - - 2 c a o , f e 2 0 3 固熔体的共 熔混合物 f e 3 0 4 - 一c a o f e 2 0 3 蔼丌让 侣 们 | 詈m 价他粥粥 伽 瑚m 枷 伽 j i；1 1 1 原料组成和烧结工艺参数对烧结矿相结构及强度的影响研究 第一章绪论 根据烧结矿的类型不同，产生的液相主要类型主要有以下五种【4 0 l ： ( 1 ) 浮氏体体系由f e o 与f e 3 0 4 组成的液相，熔点为1 3 7 0 1 4 2 4 c 。烧结高品 位铁精矿，高配碳量不加熔剂时( 普通酸性自然碱度烧结矿) 浮氏体是主要粘结 相，但强度差。 ( 2 ) 醛酸铁体系f e o 与s i 0 2 生成易熔的硅酸铁( 2 f e o s i 0 2 ) ，熔点为1 2 0 5 ，是 i l ! 通酸仨l ：烧结矿的主要粘结相。另# t , 2 f e o s i 0 2 与f e 3 0 4 的共熔温度也比 较低( 11 4 2 c ) 。硅酸铁液相是生产低碱度酸性烧结矿的主要粘结相，强度好， 但还原性差。 ( 3 ) 硅酸钙体系生产自熔性烧结矿时，外加相当数量的c a o ，它与s i 0 2 生成硅 灰石( c a o s i 0 2 ) 、硅钙石( 3 c a o s i 0 2 ) 、硅酸二钙( 2 c a o s i 0 2 ) ，熔 点均在1 4 3 0 以上，在烧结条件下产生的液相不多。 “) 钙铁硅酸盐体系生产自熔性烧结矿时，如温度高还原气氛强，则大量f e o 与s i 0 2 、c a o 结合生成一系列钙铁硅酸盐低熔点化合物。c a o 在1 0 2 0 范围内， 这个体系化合物的熔点大多在1 1 5 0 c 左右。由于熔点低，液相粘度低，烧结时气 流阻力小，容易生成薄壁大孔结构。 ( 5 ) 铁酸钙体系铁酸钙是生产高碱度烧结矿或超高碱度烧结矿的主要粘结相。 表1 3 和图1 3 给出了不同碱度烧结矿的矿物组成，从表中可以看出当烧结矿碱 度较高时，烧结矿中铁酸钙几乎占烧结矿中含铁成分的一半以上。 表1 3 不同碱度下矿物组成的变化俐 贵州大学工程硕士学位论文 研究生：杨光亮导师：张金柱，杨碧能 鬟 辟 拄 v 嗣 圣旺 京 k 越发妇o s i o - ) 图1 3 不同碱度烧结矿中矿物组成的变化【3 8 】 刚i ：1 一磁铁矿( 其中含有少量浮氏体) ；2 一赤铁矿：3 一铁酸钙：4 一钙铁橄榄石；5 一硅酸盐玻璃质；6 一硅灰石；7 _ 硅酸二钙；8 硅酸三钙；9 一游离石灰、石英及其他硅酸 盐矿物 4 ) 液相的形成过程 通常情况下，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 过程如下所示。 ( 1 ) 初生液相。在固相反应所生成的原先不存在的新生的低熔点化合物处，随 温度的升高而首先出现初期液相。 ( 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，在熔化是 一部分分解成简单化合物，一部分熔化成液相。 ( 3 ) 液相扩展。使烧结料中高熔点矿物熔点降低，大颗粒矿粉周边被熔化，形 成低共熔混合物液相。 ( 4 ) 液相反应。液相中的成分在高温下进行置换、氧化还原反应，液相产生气 泡，推动碳粒到气流中燃烧。 ( 5 ) 液相同化。通过液相的粘性和塑性流动传热，使烧结过程温度和成分均匀 化，趋近于相图上稳定的成分位置。 1 2 3 烧结过程中的冷凝固结 5 , 3 a l 。 燃烧带向下移动后，其上方的物料温度下降，熔体冷凝结晶。如果在冷凝过 程中放出几乎所有多余能量，则液相会全部转变为结晶体析出。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，