2022年钢铁冶金学课件 .pdf
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1、本科生主干课钢铁冶金学炼铁部分授课资料北京科技大学冶金学院吴胜利杨世山19第二章铁 矿 粉 造 块(Agglomeration of Fine Iron Ores)2.1 铁矿粉造块的意义和作用铁 矿 石 造 块 的 必 要 性现代高炉 (Blast furnace) 生产对原料 (Raw materials) 提出更加严格的要求 (精料方针 );天然富矿 (Natural rich ore) 少,富矿粉 (Ore fines)和贫矿 (Lean ore)选矿(Ore-dressing 或 Beneficiation) 后的精矿粉 (Concentrates) 粒度(Size)细,不适合在填充
2、床 (Packed bed)中的冶炼;通 过 造 块 工 艺 , 可 改 善 铁 矿 石 (Iron ores)的 冶 金 性 能(Metallurgical properties);通过造块过程,可脱除某些杂质,如:S、P、K、Na 等;造块过程可综合利用冶金企业产生的大量粉尘(Fines or Dusts)和烟尘 (Flue dust) 。我国烧结矿 (Sinter)生产的发展我国第一台 55M2烧结机 (Sintering machine)建于 20年代的鞍钢我国第一台 450M2烧结机建于80 年代的上海宝钢我国烧结矿生产的发展13874816185618637496541283121
3、76732850420000500010000150002000025000300003500040000450001952 1957 1962 1975 1984 1991 1997 2002 2004 2005年份烧结矿产量(万吨)本科生主干课钢铁冶金学炼铁部分授课资料北京科技大学冶金学院吴胜利杨世山19名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页,共 44 页 - - - - - - - - - 本科生主干课钢铁冶金学炼铁部分授课资料北京科技大学冶金学院吴胜利杨世山2
4、0铁矿石烧结的发展简史1897年硫化铅矿烧结工艺专利1902年侧翻式烧结锅 (Sintering pan) 专利1921年21M2烧结机投入运行1911年基于带式 (Pallet-type/Strand)烧结机的铁矿石烧结工艺专利1911年第一台铁矿石烧结的DL (Dwight - Lloyd) 烧结机在德国的布鲁克钢铁公司诞生(6M2)1970 年600M2烧结机在日本诞生1952年烧结单机面积增至90M21956年120M2烧结机投入运行1909年铁矿石烧结锅专利1936年75M2烧结机投入运行本科生主干课钢铁冶金学炼铁部分授课资料北京科技大学冶金学院吴胜利杨世山20名师资料总结 - -
5、-精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页,共 44 页 - - - - - - - - - 本科生主干课钢铁冶金学炼铁部分授课资料北京科技大学冶金学院吴胜利杨世山212.2 造块的基础理论散 料 造 块 的 基 础 理 论引力液相作用力固相联结力分子引力过剩电荷力磁性引力水桥表面张力(毛细力)粘性液体桥固相扩散联结熔化物联结粘结物固化晶桥键联结散粒物料聚结现象是颗粒间相互联结力与相互排斥力作用的结果结合力 联结力 排斥力 (重力 )太小,无实际意义球团矿焙烧固结生料成球球团矿的冷态固结烧结矿
6、的液相固结本科生主干课钢铁冶金学炼铁部分授课资料北京科技大学冶金学院吴胜利杨世山21名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页,共 44 页 - - - - - - - - - 本科生主干课钢铁冶金学炼铁部分授课资料北京科技大学冶金学院吴胜利杨世山222.3 烧结过程 (Sintering Process) 2.3.1 烧结工艺流程现代烧结生产是一种抽风烧结 (Wind-drawing sintering) 过程;料层厚度 (Sinter mix/blend bed he
7、ight)为 350700mm;点火温度 (Ignition temperature)为 9501200;抽风负压 (Wind-drawing negative pressure) 为 10001600mmH2O柱;烧结温度 (Sintering temperature)为 12601500。本科生主干课钢铁冶金学炼铁部分授课资料北京科技大学冶金学院吴胜利杨世山22名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页,共 44 页 - - - - - - - - - 本科生主干课钢
8、铁冶金学炼铁部分授课资料北京科技大学冶金学院吴胜利杨世山23烧结过程沿料层高度的变化状况1. 烧结矿层(Sinter ore layer)上冷下热, 约 4050 mm 为脆性层(T 低、急冷 );2. 燃烧层(Combustion layer)即烧结层(Sintering layer),厚度约为 1550 mm ,温度为 11001400,主要反应为燃烧反应;3. 预热层(Preheating layer)厚度为2040 mm ,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(Mix/Blend layer)即过湿层(Wetti
9、ng layer),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(Permeability);5. 垫底料层(Hearth layer)为保护烧结机炉篦子不因燃烧带下移而烧坏。烧结机台车 (Pallet)纵向剖面示意图烧结矿层燃烧层预热层冷料层垫底料层台车行进方向点火炉本科生主干课钢铁冶金学炼铁部分授课资料北京科技大学冶金学院吴胜利杨世山23名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页,共 44 页 - - - - - - - - - 本
10、科生主干课钢铁冶金学炼铁部分授课资料北京科技大学冶金学院吴胜利杨世山242.3.2 烧结过程的主要反应(CombustionDecompositionGasification)燃烧反应分解反应水分蒸发与还原与再氧化反应气化反应冷凝反应(Evaporation & condensationReduction & reoxidation)SSSSS结晶水分解需要耗热。S碳酸盐中石 灰 石 分 解相 对 需 要 更高的温度。S烧结过程中 石 灰 石 的有 效 分 解 时间不足2 分钟。S Fe2O3在燃烧 带 可 以 分解成 Fe3O4。S 制粒需加水进行。精矿粉 8%富矿粉 5%S 烧结过程水 分
11、 蒸 发快,故干燥带很薄。S 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。S烧 结 过 程既 有 还 原 反应,又有氧化反应。S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。S2FeO?SiO2、CaO?FeO?SiO2的 再 还 原 性差,高炉不欢迎。S S的氧化气化为烧结过程 提 供 热 量和温度。C 的完 全 燃 烧 占主导地位。局部区域可 有 还 原 性气氛。燃烧反应速 度 决 定 燃烧带厚度。燃料粒度是 决 定 烧 结质 量 的 重 要因素。可使 烧结 过程脱 硫 率 达 到85%以上。S K、Na、Zn的还原气化,在烧结
12、 过程 只占少量。S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=2CO C+CO2=2CO 2CO+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本科生主干课钢铁冶金学炼铁部分授课资料北京科技大学冶金学院吴胜利杨世山24名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - -
13、 - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页,共 44 页 - - - - - - - - - 本科生主干课钢铁冶金学炼铁部分授课资料北京科技大学冶金学院吴胜利杨世山252.3.3 烧结过程的固结 (烧结矿的成矿机理 ) (Binding)(Minerals formation mechanism)固相反应生成低熔点物质金属: (0.30.4) T熔盐类: 0.57 T熔硅酸盐: (0.80.9) T熔为液相生成创造条件液相生成(Acid/Siliceous sinterSelf-fluxed sinterHigh basici
14、ty sintered ore ) (Super-fluxed sinter)(超高碱度烧结矿 ) FeO-SiO2 系液相CaO-SiO2-FeO系液相CaO-SiO2 系液相CaO-Fe2O3 系液相11751205107312171450154012051449非自熔性烧结矿的主要粘结相液相生成量是烧结料固结的基础冷凝固结液相放出能量冷却速度慢冷却速度快结晶体析出玻璃体析出熔化物的冷凝成为未熔物之间的粘结剂,把烧结料粘结成多孔状的烧结体自熔性烧结矿的主要粘结相高碱度烧结矿的粘结相高碱度烧结矿的主要粘结相完成烧结过程本科生主干课钢铁冶金学炼铁部分授课资料北京科技大学冶金学院吴胜利杨世山25
15、名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页,共 44 页 - - - - - - - - - 本科生主干课钢铁冶金学炼铁部分授课资料北京科技大学冶金学院吴胜利杨世山26固 相 反 应(Solid-phase reaction) 定义 在一定温度下,某些离子克服晶格结合力,进行位置交换,并扩散到与之相邻的其它晶格内的过程,称为固相反应。特点反应温度远低于固相反应物的熔点或它们的低共熔点;温度高有利于固相反应的进行;固相反应受化学组成的影响,例如: Fe3O4不与 CaO发生
16、固相反应,Fe2O3不与 SiO2发生固相反应,CaOSiO2的反应开始温度为600,Fe3O4SiO2的反应开始温度为950;虽不能形成有效的固相连接,但为液相的生成提供了前提条件 (低熔点的固相反应产物) CaO-Fe2O3系液相 (Liquid phase)高碱度烧结矿的主要粘结相(Binding phase)铁酸半钙 CaO?2Fe2O3在 11551225稳定;铁酸一钙 CaO?Fe2O3异分熔点1215;铁酸二钙 2CaO?Fe2O3熔点 1449;CaO?Fe2O3-CaO?2Fe2O3形成该系熔点最低的共晶混合物(1205) 该体系的特点无需高温,燃料消耗少;矿物强度及还原性均
17、好。SFCA theory (Low temperature sintering theory) 铁酸钙理论(低温烧结理论 )本科生主干课钢铁冶金学炼铁部分授课资料北京科技大学冶金学院吴胜利杨世山26名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页,共 44 页 - - - - - - - - - 本科生主干课钢铁冶金学炼铁部分授课资料北京科技大学冶金学院吴胜利杨世山27烧结矿的矿相(Mineralogical)组成与结构对其质量的影响粘结相矿物:铁橄榄石、钙铁橄榄石、硅灰石、
18、钙铁灰石、铁酸钙、正硅酸钙、硅钙石、游离石英、游离氧化钙。含铁矿物: 赤铁矿 (Hematite) 、磁铁矿 (Magnetite) 、方铁矿。烧结矿是多种矿物(minerals) 组成的复合体烧结矿中主要矿物的机械强度 (Strength)与还原性(Reducibility) 球磨机实验后的筛级, % 荷重条件下未裂前的印痕数, % 矿物名称瞬时抗压强度,kg/mm25mm 1mm20kg 50kg 还原度,% 赤铁矿26.7 49.9 磁铁矿36.9 26.7 铁橄榄石与磁铁矿共晶26.7 13.2 钙铁橄榄石(CaO)x(FeO)2-xSiO2X=0 20.3 68 10 13 0 1.
19、0 X=0.25 26.5 2.1 X=0.5 56.6 77 4 50 0 2.7 X=1.0 23.3 55 14 18 0 6.6 X=1.0(玻璃) 4.6 8 0 3.1 X=1.5 10.2 8 0 4.2 铁酸一钙37.0 81 4 41 33 40.1 铁酸二钙14.2 45 22 18 8 28.5 (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、 钙铁辉石,特别是铁橄榄石难以还原。(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。
20、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。本科生主干课钢铁冶金学炼铁部分授课资料北京科技大学冶金学院吴胜利杨世山27名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页,共 44 页 - - - - - - - - - 本科生主干课钢铁冶金学炼铁部分授课资料北京科技大学冶金学院吴胜利杨世山28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、矿物组成等点火温度、料层厚度、布料方式、冷却速度等碱度烧
21、 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 、技术参数烧结矿质量及产量本科生主干课钢铁冶金学炼铁部分授课资料北京科技大学冶金学院吴胜利杨世山28名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页,共 44 页 - - - - - - - - - 本科生主干课钢铁冶金学炼铁部分授课资料北京科技大学冶金学院吴胜利杨世山292.3.4 烧结过程的传输现象 (Transfer phenomenon)(Aerodynamic phenomenon
22、) 烧结过程的气体力学现象Voice 公式描述Ergun 公式描述nphAQP)(*P 透气性指数Q 抽风量A 抽风面积h 料层高度P 压差n 系数6. 02. 16. 08.16. 06. 0)1(*4.1*-=dPP 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:欲提高产量,需改善料层透气性。P、h不变 Q/A 与Pn成正比关系,即:欲提高产量,可提高抽风负压。P、P 不变 Q/A 与料层厚度成反比,即:透气性和负压不变时,增加料层高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本科生主干课钢铁
23、冶金学炼铁部分授课资料北京科技大学冶金学院吴胜利杨世山29名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页,共 44 页 - - - - - - - - - 本科生主干课钢铁冶金学炼铁部分授课资料北京科技大学冶金学院吴胜利杨世山30烧结料层中各层阻力损失(Pressure loss)的变化a烧结矿层; b燃烧层; c预热层; d冷料层 (过湿层 ) 改善烧结料层透气性的对策提高料层孔隙度合适的原料粒度控制燃烧带厚度清除湿料层S 强化制粒S 配天然矿S 合适的粒度分布S 合适的
24、布料方式Sd 有 利于 PSd 不 利于烧结反应的进行S 配 C 量要合适S 燃料粒度合适S 提高燃料燃烧性S 严格控制烧结原料的水分S 提高烧结料的料温(蒸气预热、 配热返矿等 ) 冷态热态本科生主干课钢铁冶金学炼铁部分授课资料北京科技大学冶金学院吴胜利杨世山30名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页,共 44 页 - - - - - - - - - 本科生主干课钢铁冶金学炼铁部分授课资料北京科技大学冶金学院吴胜利杨世山31烧结过程的传热 (Heat transf
25、er) 现象烧结所需空气量不仅要供给燃烧过程,而且还需满足传热的需求。由于烧结配 C 量不高,烧结废气率取决于传热过程,而不是燃料的燃烧过程。烧结过程存在 “自蓄热作用”,即随烧结矿层的下移, 料层温度最高值逐渐升高。自蓄热来源于被上层热烧结矿预热了的空气以及自上层带入的热废气加热冷料的作用。“自蓄热作用”是厚料层烧结技术的理论基础。厚料层烧结可降低能源以及提高成品率。烧结负压及料层温度的变化情况0300600900120015001800051015202530 (min)t()030060090012001500p(mmH2O)z3z2pz1料层深度:Z1 Z2 Z3 本科生主干课钢铁冶金
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