铁矿粉烧结理论

铁矿粉烧结理论烧结过程是许多物理化学变化的综合过程。

这个过程不仅错综复杂，而且瞬息万变，在几分钟甚至几秒钟内，烧结料就因强烈的热交换而从70 ℃以下被加热到1200～1400℃，与此同时，它还要从固相中产生液相，然后液相又被迅速冷却而凝固。

这些物理化学变化包括：燃料的燃烧和热交换；水分的蒸发及冷凝；碳酸盐的分解，燃料中挥发分的挥发；铁矿物的氧化、还原与分解；硫化物的氧化和去除；固相间的反应与液相生成；液相的冷却凝结和烧结矿的再氧化等。

1 烧结过程料层的变化烧结混合料点火以后，整个烧结过程是在9．8～15．71kPa负压抽风下自上而下进行的，根据料层的变化可将烧结过程沿料层的高度分为5个带(图3—1)：烧结矿带、燃烧带、预热带、干燥带和过湿带。

它们在点火后依次出现，然后又相继消失，到烧结机尾只剩下烧结矿带。

在烧结混合料中的燃料被点燃后，随抽入的空气继续燃烧，于是料层的表面形成了燃烧层，当这一层的燃料燃烧完毕后，下部料层中的燃料继续燃烧，于是燃烧层向下移动，而其上部形成了烧结矿层。

燃烧层产生的高温废气进入燃烧层以下的料层之后，很快将热量传递给烧结料，使料温急剧上升。

随着温度的升高，到1000℃以上，首先出现混合料中的水分蒸发，达到300～400℃，水分蒸发完毕，继续升高到800℃，混合料中的燃料着火。

这样，燃烧层下部形成了100～400℃之间以水分蒸发为主的干燥层和400～800℃之间的预热层。

实际上，干燥层和预热层之间没有明显的界限，因此，也有统称为干燥一预热层的。

高温废气将热量传递给混合料使之干燥和预热之后，进入干燥层以下的料层，当温度下降到水蒸气的露点(大约60℃)以下时，在干燥层中蒸发进入废气的水分在这里重新凝结，形成了过湿层。

随着烧结过程的进行，燃料层、预热层和干燥层逐渐下移，烧结矿层逐渐扩大，湿料层逐渐缩小，最后全部烧结料变为烧结矿层。

2 燃料的燃烧和热交换2．1烧结矿生产使用的燃料烧结生产使用的燃料分为点火燃料和烧结燃料两种。

点火燃料有嗣鼻燃料(高炉煤气、焦炉煤气、发生炉煤气和天然气等)和液体燃料(重油)两种，固体燃料已经不再使用。

烧结燃料主要指在料层内燃烧的固体燃料，最常用的是碎焦粉粉末和无烟煤等。

无烟煤是各种煤中炭化最好的烧结燃料，在生产上要求无烟煤的发热量大于25000kJ／kg，挥发分小于10％，灰分小于15％，硫小于2．5％，进厂的粒度小于40mm。

挥发分高的煤不宜做烧结燃料，因为煤在烧结中的挥发物会被抽入抽风机和抽风系统，冷凝后使除尘器、抽风机等挂泥结垢。

2．2 烧结生产对燃料物理化学性能的要求烧结过程必须在一定的高温下才能进行，而高温是由燃料的燃烧产生的。

温度的高低、燃烧速度的快慢、燃烧带的宽窄以及烧结料中的气氛等都将影响烧结过程的进行和烧结矿的产量和质量。

而这些因素又都与燃料的物化性能、用量有关。

因此，燃料的物化性能是影响烧结过程的重要因素。

(1)对燃料质量的要求烧结要求燃料的灰分尽可能低些，因为燃料中灰分含量增多必然引起烧结料含铁量降低和酸性氧化物增多(灰分中SiO2的数量高达50％以上)，因而必然相应需要增加溶剂的消耗量。

使用无烟煤做烧结燃料时，要求挥发分的含量不能太高，以免燃料中的挥发物质在温度较低的地方凝结下来恶化料层透气性和粘接在集气管及抽风机的叶片上，影响烧结过程的正常进行。

此外，燃料中的挥发分在着火前即已挥发出去，不能在烧结过程中被利用。

所以，烧结生产使用的燃料最好选用固定碳高、灰分低、挥发分低及含硫量低的优质燃料。

(2)对燃料粒度的要求燃料的粒度过大时，会带来一系列的不良影响：①燃烧带变宽，从而使烧结料层透气性变坏；②燃料在料层中分布不均匀，以至在大颗粒燃料的周围熔化得很厉害，而离燃料颗粒较远的地方的物料则不能很好地烧结；③粗粒燃料周围，还原性气氛较强，而没有燃料地方空气得不到利用；④在向烧结机布料时，易产生燃料偏析现象，大颗粒燃料集中在料层的下部，再加上烧结料层下部的蓄热作用，使烧结料层的温度差异更大，以至造成上层烧结矿的强度差，下层过熔FeO含量偏高。

燃料粒度过小，烧结速度快，燃烧所产生的热量难以使烧结料达到所需的高温，从而使烧结矿的强度下降。

同时，小的燃料颗粒(小于0．5mm)使烧结料层的透气性变坏，并有可能被气流带走。

研究表明，燃料最适宜的粒度为0．5～3mm，而日本规定燃料粒度下限为0．25mm，但在我国实际生产条件下，仅仅能保证粒度上限，难以保证粒度下限。

因为在生产过程中要避免0．5～0mm粒级是难以达到的。

所以，一般烧结厂只要求控制其燃料粒度在0～3mm 范围内。

对于各种粒度的烧结料，燃料粒度的影响也不同，铁精矿由于粒度细，当燃料粒度减少时对烧结过程影响不大，而当其粒度稍有增大时，却使成品烧结矿的产率和强度显著下降。

相反，当烧结0～8mm粉矿时，燃料粒度稍大时对烧结过程影响不大，而当减少燃料粒度时，烧结质量则明显地下降。

2．3烧结料层中燃料燃烧的基本特点燃料在烧绪料层中的燃烧不同于一般固体燃料燃烧，而具有其自身的特点。

(1)烧结料层中固定炭含量低，按重量计算只占总料量的3％～5％，而且分布得很分散。

(2)固定炭的燃烧从料层上部向下部转移，料层中的热交换条件十分有利，固定炭燃烧十分迅速，而且集中在厚度30～40mm宽的高温区。

(3)烧结料层氧化带较宽而还原带很窄。

(4)铁的氧化物参与了氧化还原反应。

(5)离开料层的废气中存在着剩余的氧等。

这是因为在这样情况下CO2不能顺利地被碳还原成CO，而且部分CO却有可能被所遇到的空气和铁氧化物中的氧进一步氧化。

由于料层下部温度低，CO仍不能全部都氧化成CO2，所以在烧结的废气中含有CO2、CO和剩余的氧。

2．4燃烧层温度及其厚度对烧结过程的影响烧结过程不是一个等温过程。

所谓温度是指烧结料层中某一点所达到的最高温度，也就是燃料燃烧层的温度。

这一层的温度水平与厚度对烧结过程的进行和产、质量的优劣有着重大的影响。

若燃烧层的温度愈高，产生的液相必然增多，燃烧层厚度增大，虽然对烧结矿的强度有利，但是由于温度过高物料过熔，使得烧结料层阻力加大，不仅延长了烧结过程的时间，而且还会使烧结矿产量下降，还原性变坏。

然而，燃烧层过窄也是不利于烧结过程，虽然透气性变好，但是不能保证各种物料高温反应正常进行，所以需要燃烧层的厚度根据不同原料有一个适宜值。

通常烧结料层的燃烧层的温度水平和厚度要取决于高温区的热平衡和固定碳的燃烧速度以及传热速度。

2．5烧结过程的热交换(1)烧结料层的蓄热作用抽入烧结料层的空气经过热烧结矿层被预热到很高的温度后参加燃烧带的燃烧，燃烧后的废气又将下层的烧结混合料预热，因而料层越是向下热量积蓄得越多，以至于达到很高的温度。

这种积蓄热量的过程好像热风炉的蓄热石的格子砖蓄热一样，所以被称为自动蓄热作用。

料层的自动蓄热作用对于提高燃烧层温度具有很大的意义。

实验表明，当燃烧层上部的烧结矿层达180～220mm厚度时，上层烧结矿的自动蓄热可以提供燃烧层总热量的35％～45％。

但是，当上层烧结矿层厚度超过200mm以后，换热的增长速度逐渐变慢。

这是因为从上部抽入的空气带进燃烧带的热量已接近达到最高水平的恒定值。

从烧结的经济性和能源节约的观点来看，应该尽可能提高料层高度，这对烧结的热利用是有利的，对产品的质量也有好处。

(2)烧结料层中温度分布和热交换的特点烧结料层中热交换可以分成两个区域。

在燃料着火温度以上(即燃烧层和烧结矿层)烧结矿层的温度高于气体温度，烧结矿将热量传给抽入的空气，使其温度很快升高。

在燃烧层以下，是热废气将热量传给烧结混合料使其温度很快上升，而气体自身温度迅速下降。

由于烧结混合料比表面积大和水分的热导率比干矿粉高20～60倍，所以，传热速度是非常快的，据测量预热层升温速度高达1700～2000℃／min，低的也有450～550℃／min，在干燥层可达500℃／min。

由于燃料集中燃烧和烧结矿层的自动蓄热作用，越往下温度越高、热量越多、高温带越宽。

因此，在研究料层中温度分布对烧结过程影响时，高温区的运动速度，高温区的温度水平与厚度受到很大的重视。

高温区运动快，即烧结速度快，产量高。

但是速度过快产品强度将下降。

高温区温度可以提高产品强度，但是温度过高则还原性能不好，烧结速度下降，产量受到影响。

高温区厚度增加，可以保证烧结过程各种反应有充分的时间，对提高质量有利，但是厚度过大，气体阻力增加对烧结速度有不良的影响。

(3)影响传热速度的因素烧结料层中的温度最高点的移动速度实际上反映了料层中碳燃烧的移动速度和燃烧带下部热量的传递速度。

热量的传递速度主要取决于气流速度，气体和物料的热容量。

因为空气在料层中是传热介质，风量增加燃烧带的氧量充足，固体炭燃烧速度加快，料层中高温区的移动速度随风量增加几乎成直线上升。

因此，凡是可以增加通过料层风量的措施都可以增加高温区的移动速度。

此外，烧结料的性质也影响热传递速度，烧结料的热容量大，导热性能好，粒度小以及吸热反应发展等因素都会增加混合料从气流吸收热量的能力。

因而随气流传热速度减慢，加之粒度小，透气性变坏就可能显著地降低燃烧带的温度。

烧结料传热速度较快，主要是因为废气中的水蒸气起作用。

烧结混合料跟废气之间的热交换面积比烧结矿大得多。

因此，混合料与废气之间的热交换进行得较快。

应该指出：工艺因素的影响是多方面的。

例如，在混合料中增加水分和石灰石用量时，一方面增加了吸热反应的热量消耗；另一方面它又能改善料层的透气性，使通过料层的风量增加，因而高温区的移动速度最终还是增加的。

3 水分的蒸发和冷凝3．1烧结料中水分的来源和作用混合料中的水分是影响烧结过程的一个极为重要的因素，它的来源可分为二部分：一部分是由烧结原料自身含水带入的；另一部分是烧结混合料在混合造球过程补加的。

混合料中的水分在烧结过程中的作用是：(1)有利于混合料的混匀造球，从而改善料层的透气性，提高烧结生产率。

(2)原料颗粒被水润湿后，表面变得光滑(有水膜存在)，可以减少气体通过料层的阻力。

(3)改善烧结料的换热条件，由于烧结料中有水分存在，改善了烧结混合料的导热性能[水的热导率为35～116J／(m2·s·℃)，而矿石的热导率为0．17J／(m2·s·℃)]，使得料层中的热交换条件良好，这就有利于使燃烧带限制在较窄的范围内，减少了烧结过程的料层阻力，同时也保证了在燃料消耗较少的情况下获得必要的高温。

当然，从热平衡的角度来看，去掉水分又需要消耗一部分热量，是不利的一方面，所以烧结料水分不能控制得太高或过低，必须控制在适宜的范围内。

因为水分过大使混合料过湿变成泥浆状不仅浪费燃料而且更严重的是使料层的透气性变坏。

若水分过小混合料不能很好的成球，使烧结料层的透气性变坏，混合料的适宜水分是根据原料的性质和粒度组成而确定的。