鐵礦粉燒結(jié)的基本理論

1燒結(jié)系列講座的主要內(nèi)容鐵礦粉燒結(jié)的基本理論燒結(jié)礦的礦物組成與結(jié)構(gòu)及其對燒結(jié)礦質(zhì)量的影響鐵礦粉基礎(chǔ)性能及其在燒結(jié)優(yōu)化配礦中的應(yīng)用單種爐料礦相和冶金性能研究預(yù)還原燒結(jié)礦新工藝世界鐵礦粉的主要出口國家和地區(qū)除了上述國家之外，其他出口鐵礦粉的國家還有智利、葡萄牙、伊朗等。鐵礦粉主要出口國家和地區(qū)力拓淡水河谷必和必拓123世界鐵礦石“三巨頭”鐵礦石“三巨頭”之一：巴西的淡水河谷（ValeofBrazil）淡水河谷公司成立于1942年6月1日，鐵礦資源集中在“鐵四角”地區(qū)和巴西北部的巴拉州，保有鐵礦儲量約40億噸，其主要礦產(chǎn)可維持開采近400年。主要鐵礦挺博佩貝鐵礦卡潘尼馬鐵礦卡拉加斯鐵礦除經(jīng)營鐵礦砂外，巴西淡水河谷公司還經(jīng)營錳礦砂、鋁礦、金礦等礦產(chǎn)品及紙漿、港口、鐵路和能源。

鐵礦石“三巨頭”之二：澳大利亞必和必拓（BHPBilliton

）必和必拓公司以經(jīng)營石油和礦產(chǎn)為主的著名跨國公司。BHP于1885年在墨爾本成立。Billiton于1860年成立。2001年6月，兩公司合并。除了經(jīng)營鐵礦石和石油之外，煤、銅、鋁、鎳、石油，液化天然氣、鎂、鉆石等。必和必拓BHP公司的礦山位于澳大利亞西部皮爾巴拉，分別是紐曼、揚(yáng)迪和戈德沃斯。這三個礦區(qū)的總探明儲量約為29億噸，目前鐵礦石的年產(chǎn)量為1億噸。在亞里南部，還有未開發(fā)的C采區(qū)，保有儲量45億噸。

鐵礦石“三巨頭”之三：澳大利亞力拓（RioTinto

）力拓集團(tuán)RioTinto礦業(yè)公司成立于1873年的西班牙。并在2000年成功收購了澳大利亞北方礦業(yè)公司，成為在勘探、開采和加工礦產(chǎn)資源方面的全球佼佼者。該公司控股的哈默斯利鐵礦有限公司是澳大利亞第二大鐵礦石生產(chǎn)公司，在西澳皮爾巴拉地區(qū)有五座生產(chǎn)礦山(即湯姆普賴斯鐵礦、帕拉布杜鐵礦、恰那鐵礦、馬蘭杜鐵礦和布諾克曼第二礦區(qū))，探明儲量約為21億噸，公司鐵礦年生產(chǎn)能力為5500萬噸。不僅向全球提供鐵礦石，還提供包括鋁、銅、鉆石、能源產(chǎn)品、黃金、工業(yè)礦物等產(chǎn)品。鐵礦粉的基本性能鐵礦粉的基本性能粒度組成礦物組成爆裂性親水性各種礦粉的粒度組成粒度，mm>55~33~22~11~0.35>0.35澳粉22.86.99.615.310.934.5巴西粉15.885.012.52314.728.9印粉18.83.77.321.715.433.1按照成球制粒的要求，大于3mm、小于0.35mm的粒級是容易成球的，而3~0.35之間的顆粒，既不能自身粘結(jié)成球，又難以粘附到其它大顆粒上，作為粉末，使料層透氣性惡化。因此，澳粉的粒度分布最好，印度礦次之，巴西礦最差。另外，從篩分出的各種礦粉的顆粒形狀上來看，巴西礦粉>5mm的顆粒多為片狀，而澳粉較大的顆粒為圓形或方形，易于造球，而片狀顆粒本身不易造球。礦粉巴西粗粉印度粉澳粉吸水量10.5914.1317.46礦粉原料吸水量原料的親水性對燒結(jié)過程的影響為：燒結(jié)過程中，隨著燒結(jié)的進(jìn)行，水分受熱而蒸發(fā)，抽風(fēng)的作用下，被帶到燒結(jié)料層下部的過濕層而冷凝。親水性強(qiáng)的礦粉，在制粒過程中需要的水量也就多。這就必然導(dǎo)致過濕帶變后，將使垂直燒結(jié)速度降低。塊礦種類赤鐵礦磁鐵礦褐鐵礦脈石孔洞印度礦70－753－5偶見20－255－10MBR塊855－715－710－15哈礦91.40.31.641-3礦物組成，％印度礦主要以赤鐵礦為主，磁鐵礦較少，約有20—25%的脈石。巴西礦的赤鐵礦含量高達(dá)85%，其它礦物較少，空洞較多。哈塊的兩種主要礦物為赤鐵礦和褐鐵礦，赤鐵礦稍多。此外，哈塊的孔洞也較多。幾種常見澳粉的基本性能礦粉TFeSiO2CaOMgOAl2O3SP燒損哈粉61.363.90.180.352.350.020.1124.9紐粉62.444.70.10.062.260.0090.0893.19羅布河粉56.546.090.130.212.80.0220.0488.931.哈粉和紐粉的品位均在60%以上，羅布河粉的的品位較低只有56.54%，而且其屬于高硅粉。2.三種鐵礦粉的Al2O3含量都超過了2.2%，紐粉的硫含量較其他兩種澳粉較低，只有0.009%；值得引人注意的是羅布河粉的燒損達(dá)到了8.93%。幾種澳粉的化學(xué)成分，％幾種常見澳粉的粒度組成礦粉>66~33~1.21.2~0.30.3~0.1250.125~0.074<0.074哈粉15.8528.8714.6719.77.84.659.02紐粉11.2525.713.2520.4411.184.9411.35羅粉16.7422.2021.322.547.142.886.7礦物名稱哈粉紐粉羅粉赤鐵礦89.087.08.3磁鐵礦0.20.21.2褐鐵礦3.44.581.2脈石7.48.39.31.磁鐵礦致密堅(jiān)硬，難于被還原；2.結(jié)構(gòu)較軟，還原性好；3.褐鐵礦是由其它礦經(jīng)風(fēng)化后形成的，質(zhì)地松軟，密度小，含水量大，焙燒除水分氣孔率增大，還原性好，品位亦提高；4.褐鐵礦和赤鐵礦比磁鐵礦粉的制粒要容易些。礦粉名稱加熱前>5mm，％加熱后>5mm，％差值％加熱前<0.5mm，％加熱后<0.5mm，％差值％哈粉19.518.1-1.434.536.31.8紐粉18.116.9-1.236.238.22羅粉15.29.9-5.326.232.36.1幾種鐵礦粉的爆裂性1.從表中可以看出：羅布河鐵礦粉的爆裂性是最強(qiáng)的，實(shí)驗(yàn)后與實(shí)驗(yàn)強(qiáng)相比，大于5mm的礦粉比例減少5.3%，而小于0.5mm的礦粉比例增多了6.1%；哈粉和紐粉的爆裂性不太強(qiáng)，爆裂實(shí)驗(yàn)前后礦粉粒度變化不大。2.羅布河粉的強(qiáng)爆裂性是與其礦物組成、燒損等有關(guān)的。固定碳燃燒反應(yīng)固定碳燃燒反應(yīng)熱力學(xué)埃林漢氧位圖。穩(wěn)定單質(zhì)(M)與1摩爾氧結(jié)合成氧化物（MxOy）的反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)自由焓變量ΔG°(即氧勢)與溫度T的關(guān)系圖。

3412反應(yīng)1：C+O2=CO2△G=-94200-0.2T反應(yīng)3：C+CO2

=2CO△G=--13500+11.5T反應(yīng)4：2CO+O2=2CO2△G=--40800+41.7T反應(yīng)2：2C+O2=2CO△G=-53400-41.9T固定碳燃燒反應(yīng)動力學(xué)反應(yīng)機(jī)理方程為：吸附：xC+y/2O2=CxOy斷裂：由于溫度的升高，產(chǎn)生熱裂或由于新的氧分子的撞擊而分解成CO2和CO；

CxOyCxOy+O2所產(chǎn)生的CO2和CO的比例，隨溫度不同而異：高溫（大于1600℃）時：n/m=2低溫（小于1300℃）時：n/m=1；中溫（1300℃~1600℃）時：n/m=1~2；即高溫時燃燒以CO為主，低溫時CO2占優(yōu)勢。燒結(jié)過程中燃燒帶溫度一般介于1300~1500℃之間，因而固定碳燃燒的中間產(chǎn)物中CO2和CO的比例介于1~2之間。由反應(yīng)的組成環(huán)節(jié)可知，燃燒反應(yīng)的速度取決于擴(kuò)散速度和界面化學(xué)反應(yīng)速度。（1）氣體通過邊界層向焦炭顆粒表面的擴(kuò)散速度V擴(kuò)；=mCO2+nCOV擴(kuò)=DC0-Cδ式中，C0、C分別為空氣中及碳粒周圍的表面氧濃度；δ為氣相邊界層厚度；D為擴(kuò)散系數(shù)，與溫度的1.5~2.5次方成正比可見，氣體的擴(kuò)散速度取決于邊界層的厚度和濃度差；（2）化學(xué)反應(yīng)速度V化

V化=KC式中；K為化學(xué)反應(yīng)速度常數(shù)，當(dāng)V化與V擴(kuò)同步時，整個化學(xué)反應(yīng)穩(wěn)定進(jìn)行，則V化=V擴(kuò)KC=DδC0-CC01+DKδC=整個反應(yīng)的總速度：V=KC=11KC0+δDC0式中，1/KC表示化學(xué)反應(yīng)阻力，δ/DC0表示擴(kuò)散阻力。因此，碳燃燒反應(yīng)受兩個阻力的控制，它們與溫度有較大的關(guān)系。又因?yàn)镵~e-E/RT低溫時，K很小，D很大，上式分母中第二項(xiàng)趨近于零，所以V=KC0總的反應(yīng)控制在化學(xué)反應(yīng)的范圍內(nèi)高溫時，K很大，D很小，上市中第一項(xiàng)分母趨近于0于是V=DC0δ總的反應(yīng)控制在擴(kuò)散速度范圍內(nèi)。前一種情況，可通過提高反應(yīng)溫度來提高燃燒反應(yīng)速度；后一種情況，則可通過縮小燃料粒度或增大氣流速度，增加氧濃度，以促進(jìn)燃燒反應(yīng)。燒結(jié)過程中固體碳燃燒的特點(diǎn)需要較大的空氣過剩系數(shù)一般為1.4~1.5，保證碳粒的反應(yīng)廢氣中，CO、CO2、O2同時存在

氧化區(qū)與還原區(qū)同時存在，總的氣氛是氧化性的熱力學(xué)條件和燒結(jié)過程中所發(fā)生反應(yīng)共同決定的離碳粒遠(yuǎn)近不同的區(qū)域的氣氛不同燒結(jié)過程中燃料的燃燒既不同于爐灶中呈層狀的碳的燃燒，也不同于單顆粒碳的燃燒，它具有以下特點(diǎn)燒結(jié)料層中，固體碳的反應(yīng)基本處于擴(kuò)散速度范圍內(nèi)。根據(jù)燒結(jié)條件（碳粒直徑3mm，Re=100）對碳燃燒速度的研究表明，當(dāng)溫度低于700℃時，C+O2的反應(yīng)速度處于化學(xué)反應(yīng)速度范圍內(nèi)；但溫度高于1250℃時，該反應(yīng)處于擴(kuò)散速度范圍內(nèi)。而燒結(jié)燃燒層溫度在（1300℃~1500℃），氣流速度又不高（Re=50~150

），所以確認(rèn)該反應(yīng)為擴(kuò)散反應(yīng)控制。燃料燃燒對燒結(jié)過程的影響燃料的燃燒性

國豐燒結(jié)燃料的差熱曲線

升溫區(qū)間升溫速率氣氛0~1100°C15℃/min空氣燃料反應(yīng)開始溫度，℃反應(yīng)終止溫度，℃反應(yīng)速率最大溫度，℃焦粉566739637燒結(jié)煤501682582實(shí)驗(yàn)升溫參數(shù)表

燃料燃燒性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

燃料AVC固SH2O焦粉14.812.4680.160.372.05燒結(jié)煤9.949.0680.760.477.98煙煤11.6628.5359.370.654.72燃料的工業(yè)分析，％燒結(jié)燃料最好選擇焦粉，若焦粉不足時，可選擇揮發(fā)分較低的無煙煤作為燃料，絕對不可以用煙煤做燒結(jié)燃料。主要是因?yàn)闊o煙煤和煙煤的揮發(fā)分較高，會對燒結(jié)的除塵系統(tǒng)帶來較壞的影響。燒結(jié)過程中的傳熱與蓄熱燒結(jié)過程中抽入的空氣使固體燃料產(chǎn)生高溫和廢氣，這樣在料層中就發(fā)生熱交換，使得燒結(jié)得以正常進(jìn)行，熱能得到充分地利用。燒結(jié)料層中熱交換的特點(diǎn)和溫度分布規(guī)律1.燃燒層以上：燒結(jié)礦熱量2.燃燒層：+1300~1500℃高溫空氣炙熱的空氣溫度達(dá)到著火點(diǎn)的碳=3.在干燥層和預(yù)熱層：燒結(jié)廢氣燒結(jié)料熱交換氣流速度高并含有水分，原料粒度細(xì)燒結(jié)料溫度迅速升高，該處物料中的水分急劇蒸發(fā)而干燥預(yù)熱層：1700~2000℃/min干燥層：500℃/min4.在過濕層：從預(yù)熱層下來的廢氣與物料的溫度相差不大，熱交換進(jìn)行的很慢。由于熱交換的上述特點(diǎn)，因而沿料層高度的溫度分布具有明顯的規(guī)律性：溫度曲線的基本特征不隨料層高度、原料特性或其它因素而改變。距離燒結(jié)礦表層的距離燒結(jié)過程是一個非等溫過程，一般所謂燒結(jié)溫度是指燒結(jié)層中某一點(diǎn)所達(dá)到的最高溫度，正常情況下，最高點(diǎn)溫度隨燃燒層的下移而不斷提高，這對燒結(jié)礦質(zhì)量是有影響的。自動蓄熱作用1.空氣經(jīng)過燒結(jié)礦層時，被燒結(jié)礦預(yù)熱。2.物理熱被燒結(jié)廢氣帶到燃燒層，燃燒時產(chǎn)生更高的溫度。3.隨著燒結(jié)礦層的增厚而燃燒層溫度的升高，自動蓄熱作用不斷增強(qiáng)。自動蓄熱作用的利與弊1.自動蓄熱作用提高了燒結(jié)過程中熱能的利用率，可以節(jié)省固體燃料消耗，由于自動蓄熱作用使料層溫度升高，燒結(jié)礦的強(qiáng)度亦得到改善，尤其是中下層燒結(jié)礦的強(qiáng)度提高的更為明顯。2.增加料層厚度也帶來不利的影響，它使上下層溫差增大，燒結(jié)礦質(zhì)量不均，需要采用特殊燒結(jié)工藝解決。高溫區(qū)移動速度、溫度水平和厚度對燒結(jié)過程的影響燒結(jié)過程中的高溫區(qū)也就是燃燒層，是燒結(jié)礦最為重要的部分；高溫區(qū)的移動速度指的是燒結(jié)礦最高點(diǎn)的移動速度。垂直燒結(jié)速度燃料燃燒速度傳熱速度燃燒速度的影響因素1324燃燒速度燃燒性好，燃燒速度快含氧量高，燃燒速度快粒度細(xì)，比表面積大，速度快風(fēng)速快，燃燒速度快燃燒性粒度大小風(fēng)速含氧量傳熱速度的影響因素49

氣體中CO2和H2O的含量高，風(fēng)速快，單位時間內(nèi)可使氣流中保持更多的熱量；以及燒結(jié)料粒度大，吸熱反應(yīng)少，導(dǎo)熱性差，單位時間從氣流中吸收的熱量少；料層粒度提高，均可提高傳熱速度。必須指出，燒結(jié)過程中有些因素的影響具有雙重性，如提高燒結(jié)礦堿度時，溶劑的分解增大了燒結(jié)料的熱容，但燒結(jié)速度反而加快，原因在于它還使料層的透氣性改善，料層孔隙率增大，風(fēng)速加快，而后一作用的影響較熱熔增大的影響更大。面對同一條件的影響時，我們要具體問題具體分析。燃燒速度與傳熱速度關(guān)系由于氧的供應(yīng)不充分，燃料達(dá)到著火點(diǎn)也不能燃燒氧供應(yīng)充分，但可能因熱量不足而無法燃燒MATCH燒結(jié)過程的總速度取決于燃燒速度和傳熱速度中最慢的一步，我們要提高高溫區(qū)的移動速度，就要盡可能地讓燃燒速度和傳熱速度同步。配碳量低時配碳量正?；蛏愿呷紵俣扰c傳熱速度的配合問題51高溫區(qū)的溫度水平與厚度高溫區(qū)溫度，通常指燒結(jié)溫度；高溫區(qū)厚度，及燃燒層的厚度。燒結(jié)的目的是要獲得一定數(shù)量并且組成適宜的液相，是指在冷凝過程中將燒結(jié)料粘結(jié)起來，并具有良好的強(qiáng)度和還原性。在此前提下，還要加快燒結(jié)速度，保證產(chǎn)量。能夠保證各種高溫反應(yīng)的進(jìn)行容易產(chǎn)生料層過熔高溫區(qū)溫度較高，厚度較大高溫區(qū)溫度過高，厚度過大生成足夠數(shù)量的液相，保證燒結(jié)礦的質(zhì)量和產(chǎn)量惡化料層的透氣性，降低燒結(jié)礦的還原性和強(qiáng)度高溫區(qū)溫度和厚度對燒結(jié)礦質(zhì)量和產(chǎn)量的影響53

高溫區(qū)溫度的影響因素主要取決于高溫區(qū)的熱平衡，也與燃料性質(zhì)及燃燒速度與傳熱速度的配合情況有關(guān)。熱平衡關(guān)系式：Q+QT=Q1+Q2+Q3+Q4Q2=mCt高

t高=Q2/mC=(Q+QT)-(Q1+Q3+Q4)mC541.增加燃料用量，是高溫區(qū)內(nèi)部熱源增加，是提高高溫區(qū)溫度水平的主要手段由于燒結(jié)料層熱平衡關(guān)系的特殊性和自動蓄熱作用的影響，燃料量變化對沿料層高度方向溫度水平的影響變得較為復(fù)雜。隨著燒結(jié)過程的進(jìn)行：QT(包括燃料燃燒在內(nèi)的各種放熱和吸熱反應(yīng)的總熱效應(yīng))增加，Q1也在增加，高溫區(qū)的溫度水平就取決于這兩種因素的總和當(dāng)燃料用量正常或稍高時，QT>Q1，自動蓄熱作用，越向下溫度越高當(dāng)燃料稍低時，QT<Q1，越往下溫度越低。55

2.采用熱風(fēng)燒結(jié)：是外部熱源Q（包括點(diǎn)火熱量和熱風(fēng)帶入熱量）增加，Q1也隨之增加，QT相應(yīng)減少（燃料比減小所致）。QQT提高上部溫度提高下部溫度這就使上下部熱量趨于均衡從而既可以提高表層燒結(jié)礦的強(qiáng)度，又不致于引起下層燒結(jié)礦過熔，燒結(jié)礦質(zhì)量得到改善563．返礦用量增加返礦用量時．由于減少吸熱反應(yīng)．有助于提高高溫區(qū)的溫度水平。4.石灰石用量增加石灰石用量時，由于分解吸熱而使QT下降．使燃燒層溫度降低。5．燃料粒度增大燃料粒度，可以降低燃燒速度和改善料層的透氣性，一般使燃燒層變厚和高溫區(qū)的溫度降低．如圖所示。合適的燃料粒度組成既要考慮燃燒速度又要考慮透氣性。通常由實(shí)驗(yàn)確定，精礦粉燒結(jié)時，合適的焦粉粒度為0.5—3mm，小于0.5mm的焦粉，會降低料層的透氣性，易被氣流吹動而產(chǎn)生偏析。同時難以達(dá)到需要的高溫和足夠的高溫保持時間，而大于3mm的焦粉，將使燃燒層變厚，并且布料時易產(chǎn)生偏析。57燃料粒度對料層中最高溫度的影響燃燒速度同傳熱速度不同配合時高溫區(qū)的厚度和溫度6.燃料粒度：增大燃料粒度，可以降低燃燒速度和改善料層的透氣性，一般使燃燒層變厚和高溫區(qū)的溫度降低．如圖所示。合適的燃料粒度組成既要考慮燃燒速度又要考慮透氣性。

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7．燃燒速度和傳熱速度是否同步燃燒速度和傳熱速度之間的關(guān)系對高溫區(qū)的厚度以及溫度水平影響也很大。如圖所示，在傳熱速度大大慢于燃燒速度的情況下(區(qū)域Ⅲ)，上部的熱量不能大量地用于提高下部燃料的燃燒溫度，燃燒和傳熱不能“同步”進(jìn)行。此