烧结过程燃烧与传热
烧结及高炉炼铁基本原理及工艺课件
03
烧结及高炉炼铁的能耗 与环保
能耗分析
烧结过程的能耗
烧结过程是钢铁生产中能耗最高的环节之一，其主要能耗来自于点火燃料、电力消耗和工艺用水。其中，点火燃 料是烧结过程最主要的能源，占整个烧结过程能耗的60%以上。
高炉炼铁的能耗
高炉炼铁的能耗主要包括煤炭、电力、焦炭和氧气等，其中煤炭和焦炭是最主要的能耗来源。在炼铁过程中，需 要将这些能源转化为化学能以还原铁矿石中的铁元素。
环保措施与减排技术
烧结过程的环保措施
在烧结过程中，采取一系列环保措施以减少环境污染，例如使用低硫燃料、安装除尘设备、进行烟气 脱硫等。此外，还可以通过提高烧结矿的质量和利用率来减少废渣的产生。
碳捕获和储存技术
利用该技术可以有效地减少高炉炼铁过程中的碳排放，提高环保 水平。
氢还原技术
利用氢气作为还原剂，替代焦炭，以减少碳排放和环境污染。
自动化和智能化设备
应用先进的自动化和智能化设备，可以提高生产效率、降低劳动成 本，并确保产品质量。
05
烧结及高炉炼铁生产过 程中的问题与解决方案
烧结生产过程中的问题与解决方案
高炉炼铁的环保措施
高炉炼铁过程中产生的废气和废水对环境造成的影响较大。为了减少环境污染，需要采取一系列环保 措施，例如使用高效除尘设备、进行废气脱硫、废水处理等。此外，还可以通过提高炼铁效率来减少 废渣的产生。
可持续发展的方向和前景
烧结及高炉炼铁的可持续 发展方向
为了实现烧结及高炉炼铁的可持续发展，需 要从能源消耗和环境保护两个方面入手。一 方面，需要研发和推广低能耗技术和设备， 提高能源利用效率；另一方面，需要加强环 保措施和技术的研究和应用，减少环境污染 和排放。
烧结技能知识 填空 试题
烧结技能知识填空试题一、填空题（请将正确答案填在横线空白处，每空5分，共1240分）1.>__________是衡量混合料孔隙度的标志。
[填空题]空1答案：透气性2.>CaO的矿化程度与__________、石灰石粒度、矿粉粒度有关。
[填空题]空1答案：烧结温度3.>按照烧结料层中温度的变化和烧结过程中所发生的物理化学反应，烧结料层可分为五带，分别是烧结矿带、燃烧带、预热带__________、__________。
[填空题] 空1答案：干燥带空2答案：过湿带4.>表层烧结矿强度很差，基本上作为__________返回。
[填空题]空1答案：返矿5.>布料过程中，混合料沿台车宽度，长度方向要求__________、铺满、铺平。
[填空题]空1答案：均匀6.>布料时，粒度偏析主要取决于__________的影响。
[填空题]7.>成品烧结矿的最终矿物组成，在燃料用量一定的条件下，仅仅取决于烧结料的__________。
[填空题]空1答案：碱度8.>垂直烧结速度是指燃烧带温度最高点的__________。
[填空题]空1答案：移动速度9.>大烟道具有一定的__________作用。
[填空题]空1答案：除尘10.>低硅烧结的主要目的是为了__________。
[填空题]空1答案：提高品位11.>低温烧结法的主要粘结相是__________。
[填空题]空1答案：针状铁酸钙12.>低温烧结过程中，铁酸钙的生成条件是合适的温度和__________气氛。
[填空题]空1答案：氧化性13.>点火的各种热工参数包括点火温度、点火时间、__________等。
[填空题]14.>返矿的加入对烧结生产的影响，还与返矿本身的__________组成有关。
[填空题]空1答案：粒度15.>返矿中含有已烧结的__________物质有助于烧结过程中__________生成。
烧结过程及机理(应用材料)
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图12 不同烧沐结风机书苑理的传质途径
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C0
n0 N
exp( G f kT
)
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21
倘若质点(原子或离子)的直径为δ，并近似地令空位体积 为δ3，则在颈部区域每形成一个空位时，毛细孔引力所做 的功△W=γδ3/ρ。故在颈部表面形成一个空位所需的能量 应为△Gf=-γδ3/ρ，相应的空位浓度为
c exp[ G f 3 ] kT kT
可见，作为烧结动力的表面张力可以通 过流动、扩散和液相或气相传递等方式 推动物质的迁移。
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11பைடு நூலகம்
图9 凹凸不平的固体表面的附加压强差及物质迁移
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三、烧结机理
(一) 颗粒的粘附作用 (二) 物质的传递
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(一) 颗粒的粘附作用
例子：
把两根新拉制的玻璃纤维相互叠放在一 起，然后沿纤维长度方向轻轻地相互拉过， 即可发现其运动是粘滞的，两根玻璃纤维会 互相粘附一段时间，直到玻璃纤维弯曲时才 被拉开，这说明两根玻璃纤维在接触处产生 了粘附作用。
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4．溶解—沉淀 在有液相参与的烧结中，若液相能润湿和溶解
固相，由于小颗粒的表面能较大其溶解度 也就比大颗粒的大。其间存在类似于式3的关系：
ln c 2 SLM c0 RTr
这种通过液相传质的机理称溶解—沉淀机理。
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结果与讨论
烧结的机理是复杂和多样的，但都 是以表面张力为动力的。应该指出， 对于不同物料和烧结条件，这些过 程并不是并重的，往往是某一种或 几种机理起主导作用。当条件改变
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烧结基本原理范文
烧结基本原理范文烧结是一种将物质加热至高温并施加压力，使其粒子间相互结合的过程。
这个过程适用于粉末材料，可以制备出高密度、高强度的固体产品。
烧结技术在陶瓷、金属、塑料等领域都有广泛应用。
下面将介绍烧结的基本原理。
烧结的基本流程是：首先将粉末材料填充到模具或者容器中，然后通过加热使粉末颗粒结合在一起，最后进行冷却和处理。
整个过程中需要控制温度和压力，以保证烧结效果。
烧结的基本原理包括颗粒间的扩散和表面间的化学反应。
在烧结开始时，粉末颗粒之间的距离非常小，几乎接触在一起。
当加热时，颗粒开始发生扩散，相互之间会交换原子或离子。
这种扩散过程迫使颗粒间发生变形，使得颗粒间的结合更加牢固。
扩散的速度和效果受到多种因素的影响，如温度、压力和材料的性质等。
在烧结过程中，温度是一个非常重要的参数。
提高温度可以加速扩散速度，但是过高的温度可能导致颗粒熔化或者气相反应发生。
同时，压力也起到重要的作用。
适当的压力可以使得颗粒间更靠近，增加扩散概率。
除了扩散之外，表面间的化学反应也是烧结过程中的重要环节。
在高温下，粉末颗粒的表面会发生化学反应，产生新的化合物。
这些新的化合物在颗粒间形成结合点，从而增强了颗粒间的力学结合。
此外，还有一些其他的因素也会影响烧结的结果。
例如颗粒的形状、大小和分布等。
具有较大表面积的颗粒会更加容易发生扩散和化学反应。
而复杂的颗粒结构可能会导致颗粒间的结合困难。
总而言之，烧结是一种通过加热和施加压力使粉末颗粒结合的过程。
这个过程涉及到颗粒间的扩散和表面间的化学反应。
通过控制温度、压力和其他因素，可以获得高密度、高强度的烧结产品。
烧结技术在材料加工和制备中具有广泛的应用。
烧结过程及机理
气氛
气氛对烧结过程的 影响
气氛是烧结过程中的一个重要 因素。气氛中的气体成分可以 与材料发生化学反应，从而影 响烧结过程和材料的性能。
气氛对材料相变的 影响
在烧结过程中，气氛中的气体 成分可以与材料发生化学反应 ，导致材料发生相变。这种相 变可以改变材料的物理和化学 性质，因此控制气氛可以实现 对材料相变和性能的调控。
压力
压力对烧结过程的影响
压力是烧结过程中的另一个重要参数。在适宜的压力范围内，随着压力的增加，烧结速率 加快，材料的致密度和强度增加。
压力对材料结构的影响
在烧结过程中，压力可以改变材料的结构。例如，在高温高压条件下，某些材料会发生晶 体结构的改变或相变，从而改变材料的性能。
压力对扩散的影响
压力可以影响材料内部原子或分子的扩散速度。在烧结过程中，扩散速度决定了材料的致 密化程度和显微结构，因此控制压力可以实现对材料结构和性能的调控。
烧结的重要性
烧结是材料制备过程中的重要环节，通过 烧结可以获得高性能的材料，广泛应用于 航空航天、汽车、电子、能源等领域。
通过优化烧结工艺参数和添加合金元 素等方法，可以进一步改善材料的性 能，提高其综合性能和应用价值。
烧结过程可以改变材料的物理和化学性质 ，如密度、硬度、电导率、热导率等，从 而满足不同领域对材料性能的需求。
陶瓷材料的烧结机理主要包括扩散传质和流动传质，扩散 传质是材料内部质点通过热运动进行迁移的过程，流动传 质则是气体在压力作用下通过材料孔隙的流动过程。
金属材料
金属材料的烧结过程是在一定的温度和压力下，通过原子或分子的扩散和流动，使松散的金属粉末颗 粒紧密结合在一起，形成致密的金属块体。金属材料具有高强度、高导电性、高导热性等优点，广泛 应用于机械、电子、航空航天等领域。
烧结过程的基本理论
高温区厚度计算（即燃烧带大小的计算）可采用C.T.布拉塔可 夫及B.U.杜卡什提出的新方法，其计算公式如下（烧结料内 燃料与惰性料组成并两者不发生化学反应）：
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上式表明：燃烧带的宽度是由燃料粒度直径、 气流速度、原始气体中氧的浓度、料层透气性及 系数b来决定的。
计算结果与实验室测定结果很接近，但由于计 算式的假定条件与实际生产条件有差别，计算结 果与实际的误差值不超过30％～40％。
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2.2 燃料的燃烧与热交换
• 烧结过程中，固体燃料燃烧所获得的高温和CO气体，为液相 生成和一切物理化学反应的进行，提供了所必需的热量和气 氛条件。
2.2.1 燃烧反应的一般规律 • 所谓燃烧反应就是在着火温度下，燃料中的可燃成分被激烈
氧化的过程，并放出大量热量。 • 烧结生产所用的固体燃料焦粉和无烟煤燃烧的一般原理如下：
因此，烧结过程可在较短时间内完成，当料层小于 300 mm时，烧结时间一般为12～16 min。
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二、高温区的温度水平和厚度
注意区分烧结料层与烧结矿层
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二、高温区的温度水平和厚度 理解出发点：在烧结过程中，燃烧层从原料表面逐渐向原料内部移动
高温区温度水平对烧结矿的影响： ✓ 高温区温度↑→生成液相多→烧结矿的强度↑； ✓ 温度过高→出现过熔现象，烧结料层的透气性↓（ ？ ），气流阻力↑，
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图2-3是烧结料层高温区热平衡示意图，从中我们可以看 出下列平衡关系。
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影响高温区温度水平及厚度的因素：
（1）配碳量：配C量↑→QT↑→燃烧层的温度水平↑，厚度↑ （2）燃料的粒度：粒度↓→比表面积↑→与空气接触条件↑→燃烧速度
↑→温度水平高、厚度小 （3）固体燃料的燃烧性能：
烧结炉的工作原理
烧结炉的工作原理烧结炉是一种用于加工金属粉末的设备，工作原理是通过加热金属粉末，使其粒子间发生烧结，形成致密的块状结构。
烧结是指固体颗粒在一定温度下，由于表面能和变形能的变化趋势, 在接触点间发生扩散而互为一体。
烧结是固体反应中的一种经历过程。
在粉末冶金工艺中, 粉末颗粒间烧结反应是个复杂及种类多样的现象，但烧结反应的基本原理是一致的。
根据烧结过程中表面能和变形能变化的规律可以分成各种烧结。
一般炉料烧结的表面能变化规律较为复杂, 含矿石的炉料有较明显的烧结过程。
烧结过程主要包括三个阶段：加热阶段、烧结阶段和冷却阶段。
整个烧结过程通过设备中的加热系统、冷却系统和控制系统来实现。
在加热阶段，烧结炉会利用燃烧或加热电源，对金属粉末进行加热。
燃烧方式可以是直接燃烧或间接燃烧，即通过燃料燃烧产生的高温燃气或电能进行加热。
加热过程中，烧结炉内部会形成高温环境，使粉末颗粒的表面温度上升。
燃烧或电加热方式会根据所需的温度、粉末种类和烧结工艺来选择。
在烧结阶段，金属粉末颗粒开始在高温环境下发生烧结反应。
在加热的作用下，粉末表面的金属离子会扩散到颗粒间隙，相邻颗粒的金属离子会相互结合形成熔融区域，然后再冷却成固态。
通过粉末颗粒之间的熔结作用，相邻颗粒会逐渐结合成为大颗粒，从而形成块状结构。
这种块状结构可以提高材料的密实度和机械性能。
烧结温度是烧结过程中非常重要的参数，它会影响烧结速率、烧结密实度和材料性能。
不同的金属粉末和烧结需求，有不同的烧结温度范围。
过高的烧结温度可能导致材料退火变软或烧结过头，而过低的烧结温度则可能导致烧结效果不理想。
在冷却阶段，烧结完毕的金属粉末块会通过外部的冷却系统，使其温度逐渐降低。
冷却的速率和方式会根据材料的烧结需求来确定。
快速冷却可以提高材料的硬度和强度，而缓慢冷却可以提高材料的韧性。
烧结炉还配备有控制系统，用于监测和控制整个烧结过程。
控制系统可以根据设定的参数，对加热、冷却和保温等工艺参数进行控制和调节。
烧结初级
初级烧结工试题一、判断题（50）1.翻车机平台铁道与基础铁道端头间隙应≤6mm。
（√）2.翻车机最大回转角度为175º。
（√）3.混合机加水操作是一项受气候、物料等因素影响的复杂工作。
（√）4.运料过程中有杂物进入漏斗要立即拣出。
（×）5.焦粉和无烟煤在烧结过程中的作用一样，其性能也一样。
（×）6.白云石的主要成分是MgO。
（×）7.大烟道的主要作用是汇集各风箱烧结废气通往除尘器。
（×）8.烧结矿成品率是指烧结矿总产量与配料原料总重量之比。
（×）9.返矿是烧结料造球的核心。
（√）10.凡碱度低于高炉炉渣碱度的叫非熔剂性烧结矿。
（√）11.虽然厚料层烧结可提高烧结矿质量，但是燃料消耗升高了。
（×）12.熔剂粒度过大，在烧结过程中易出现“白点”。
（√）13.返矿成分和烧结矿成分是不一致的。
（√）14.烧结生产过程中配加转炉钢渣既改善了烧结矿的产量和质量，又节省了燃料。
（×）15.锤式破碎机的数量和重量对破碎质量无影响。
（×）16.皮带支架的作用是支撑皮带。
（×）17.橄榄石属于碱性熔剂。
（×）18.烧结矿碱度愈高，其脱硫率愈高。
（×）19.物料之间相对运动愈剧烈，混合时间愈长，则混合效果愈不好。
（×）20.烧结温度是指烧结过程中料层达到的温度。
（×）21.烧结过程中若烧结料中燃料配量偏低，从废气温度上可以观察到。
（×）22.烧结过程中，燃烧层阻力损失约占全部阻力的50%—60%.（×）23.烧结矿碱度是依据原料条件而定。
（×）24.大烟道直径越大，其降尘效果愈好。
（×）25.碳酸盐的分解温度取决于体系内二氧化碳的分压。
（√）26.抽风机正常运转时，若轴头泵不能正常工作，立即报告调度，等待处理。
（×）27.混合料温度与透气性无关。
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焦粉优于无烟煤 不能用烟煤
（3）固体燃烧的用量
磁铁矿，一般为5％～6％ 3~5% 赤铁矿，一般为7％～9％ 5~7% 菱铁矿和褐铁矿，更高。铬铁矿烧结有时高达10%以上。
（4）固体燃料在料层中的赋存状态
燃烧的添加方式
（5）固体燃烧燃烧催化剂的影响
４.4 烧结料层中的温度分布及蓄热
V kCO2 1 1 1 k kD kR
４.1 烧结过程燃料燃烧基本原理
（三）固体燃料燃烧动力学分析
对于-3mm的碳粒，在Re为100的情况下： ＜700℃为动力学燃烧区 700~1250℃ 为中间速度区 ＞1250℃ 为扩散燃烧区
烧结过程在点火后不到一分钟，料层温度升高到1200～1350℃，一 般在1300~1500℃，故其燃烧反应基本上是在扩散区内进行，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、增风机风量等）和气流中的氧含量等， 都能提高燃烧反应速度，强化烧结过程。
４.2 烧结料层中燃烧带的特性分析
（一）烧结过程燃烧带厚度的计算
I0 ut 0 6
nd ln(CO / CH ) 2(1 m) (1f 2f )(1 barctg
1
)
b
b m (1 V) T V
燃烧带的宽度是由燃料粒的直径d，空气流速ω，原始气体中的氧的浓 度CH，料层的透气性质m及n，以及系数b来决定。
CO2
①氧气向固体碳表面扩散迁移的速率为：
VD kD (CO2 CSO2 ) CSO2
②相界面上的化学反应速率为：
VRቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
k
R
(C
S O
2
)
n
k
R
C
S O
2
（1）氧由气流本体通过界面层扩散到固体碳的表面； （2）氧在碳粒表面上吸附； （3）吸附的氧与碳发生化学反应； （4）反应产物的解吸； （5）反应产物由碳粒表面通过界面层向所相扩散。
从燃烧带出来的氧浓度CO取决于燃料在烧结料中的比例及吸入空气中氧 的浓度，因此，在焦粉配比一定时，它是不变的。
系数b取决于燃料比表面积αT和其他混合料比表面积αm，以及混合料中 燃料的体积V
４.2 烧结料层中燃烧带的特性分析
（二）燃烧带特性与燃烧废气组成
（1）烧结料层的燃烧特点： ①烧结料层中碳含量少、粒度细而且分散； ②烧结料层的热交换十分有利，固体碳颗粒燃烧迅速， 二次燃烧反应不明显； ③烧结料层中一般空气过剩系数较高（常为1.4～1.5）。
第四章 烧结过程燃烧与热量传输规律
４.1 烧结过程燃料燃烧基本原理 ４.2 烧结料层中燃烧带的特性分析 ４.3 固体燃料特性及用量对烧结过程的影响 ４.4 烧结料层中的温度分布及蓄热 ４.5 烧结过程传热规律及应用 ４.6 烧结节能的主要途径及措施
４.1 烧结过程燃料燃烧基本原理
（一）气体燃料燃烧的热力学
刚点火毕
点火终了后 1～2分钟
开始烧结后 8—10分钟 烧结终了前
(1)烧结料层中的温度分布特点
①由低温到高温，然后又从高温迅 速下降到低温。
②燃烧带下部的热交换是在一个很窄 的加热及干燥带完成的，它的高度一 般小于50mm，尽管距离很短，但气 体可以自1400～1500℃冷却到50～ 60℃。主要是气流速度大，温差大， 对流传热量大。另一方面由于料粒有 很大的比表面积，彼此紧密接触，传 导传热也在迅速进行。
①、高炉煤气
（1） 气 体 燃 料 种 类
成分
CO2
范围 % 9.0~15.5
CO 25~31
CH4 0.3~0.5
H2 2.0~3.0
②、焦炉煤气
成分 范围 %
H2 54~59
CO 5.5~7.0
CH4 23~28
CO2 1.5~2.5
③、天然气
N2 55~58
发热量/千卡/米3 850~1100
③一般，燃烧带温度，即分布曲线上 的最高点温度随着烧结过程的进行有 所上升，这主要由于料层的蓄热作用。
1－燃烧带，2－预热干燥带，3－水分冷凝带，4－铺底料，5－烧结矿带
t （℃） －Δp （mmH2O）
烧结负压及料层温度的变化情况
1800
1500
1200
900
600
300
z1
0
0
5
1500
Δp
1200
（二）固体燃料燃烧的热力学
（1）、热力学分析 C氧化 初级
气相氧化 次级
４.1 烧结过程燃料燃烧基本原理
（二）固体燃料燃烧的热力学
（2）、固体燃料燃烧计算 发热量
理论空气需要量
固体燃料燃烧温度
４.1 烧结过程燃料燃烧基本原理
（三）固体燃料燃烧动力学分析
固体燃料的燃烧属多相扩散燃 烧：首先要使氧气到达固体表 面，在相界面上发生多相化学 反应；其后，化学反应所需的 物质则靠自然扩散或强制扩散 形成的物质转移来提供。
N2
O2
发热量/千卡/米3
3~5 0.3~1.7
3160~4580
成分
H2
CO
范围% 0.4~0.8 0.1~0.3
CH4 85~95
H2S
N2
O2
发热量/千卡/米3
0.9 1.5~5.0 0.2~0.3 8000~9000
④、液体燃料
重油：发热值高（大于9000千卡/公斤）、粘性大
４.1 烧结过程燃料燃烧基本原理
（2）影响燃烧比的因素有： ①燃料粒度和用量； ②料层负压大小； ③空气过剩系数； ④料层高度和返矿量。
一般燃烧废气中平均含CO1~2%，热量损失占总热量的10~25%。
４.3 固体燃料特性对烧结过程的影响
（1）固体燃料的粒度
烧结粉矿(-8mm)：1~2mm适宜 烧结精矿(-1mm)：0.5~3mm适宜
４.1 烧结过程燃料燃烧基本原理
（一）气体燃料燃烧的热力学
（5）、实际燃烧产物量
４.1 烧结过程燃料燃烧基本原理
（一）气体燃料燃烧的热力学
（6）、燃烧温度
理论燃烧温度
t i总 Q q燃 q空
Cp
Cp V
理论燃烧温度通常要比冶金炉内的实际温度高出10~25%
平衡燃烧温度
４.1 烧结过程燃料燃烧基本原理
（一）气体燃料燃烧的热力学
（2）、主要煤气成分燃烧的热力学 主要成分：CO、H2、CH4
离解：
转化：
总反应：
４.1 烧结过程燃料燃烧基本原理
（一）气体燃料燃烧的热力学
（3）、气体燃烧发热量的计算
（4）、气体燃烧理论和实际空气需要量
过剩空气系数，人工操作时取1.15~1.20，自动操作取1.05~1.10
900
600
z3
z2
300
0 10 15 20 25 30
τ （min）
料层: Z1 < Z2 < Z3