铁矿粉烧结工艺.pdf
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1、13.3 烧结矿的固结机理及矿相分析烧结矿的固结机理及矿相分析3.3.1 铁矿粉烧结成矿机理3.3.1 铁矿粉烧结成矿机理3.3.2 烧结矿的矿相分析3.3.2 烧结矿的矿相分析3.3.3 烧结矿的固结理论3.3.3 烧结矿的固结理论3.3.1 铁矿粉烧结成矿机理(过程)3.3.1 铁矿粉烧结成矿机理(过程)烧结的根本目的是使铁矿粉成形 而重新造块,以适应高炉冶炼的 需要。烧结的根本目的是使铁矿粉成形 而重新造块,以适应高炉冶炼的 需要。粉料何以能够固结成形?粉料何以能够固结成形?3举例:举例:磁铁矿生产 磁铁矿生产“熔剂性熔剂性”烧结矿的成矿过程解析示意图烧结矿的成矿过程解析示意图4铁矿粉烧
2、结成矿过程分三个阶段铁矿粉烧结成矿过程分三个阶段固相反应固相反应液相生成液相生成冷凝结晶固结冷凝结晶固结53.3.1.1 固相反应3.3.1.1 固相反应在未生成液相的低温条件下(500700在未生成液相的低温条件下(500700),烧 结料中的一些组分就可能在固态下进行反应,生成 新的化合物。),烧 结料中的一些组分就可能在固态下进行反应,生成 新的化合物。固相反应固相反应1).固相反应1).固相反应:是在一定的温度下、物料没有熔化之前,两种或多种相 接触的固体中的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。是在一定的温度下、物料没有熔
3、化之前,两种或多种相 接触的固体中的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。63.3.1.1 固相反应3.3.1.1 固相反应发生的条件发生的条件:温度;温度;晶体基元的内外扩散需要 一定的能量活化能晶体基元的内外扩散需要 一定的能量活化能(燃料的燃烧产生高温废气加热了烧结料)(燃料的燃烧产生高温废气加热了烧结料)反应类型反应类型:(只能是)(只能是)放热的化学反应;放热的化学反应;还原反应、置换反应、生成化合物或共熔体还原反应、置换反应、生成化合物或共熔体属于扩散类型反应属于扩散类型反应:反应速度较慢,产物数 量有限。(固体间质点扩
4、散)反应速度较慢,产物数 量有限。(固体间质点扩散)82).烧结过程可能发生的固相反应2).烧结过程可能发生的固相反应93).固相反应的特点3).固相反应的特点 反应温度较低:远低于反应物的熔点或它们的低共熔点。反应温度较低:远低于反应物的熔点或它们的低共熔点。固相反应开始温度与反应物熔点间有大致一定规律:金属:(0.30.4)T固相反应开始温度与反应物熔点间有大致一定规律:金属:(0.30.4)T熔 熔;盐类:0.57T;盐类:0.57T熔 熔;硅酸盐及有机物:(0.80.9)T;硅酸盐及有机物:(0.80.9)T熔 熔;两种物质间反应的最初产物只能形成一种化合物。两种物质间反应的最初产物只
5、能形成一种化合物。固相反应速度与反应物颗粒的大小成反比。固相反应速度与反应物颗粒的大小成反比。103).固相反应的特点3).固相反应的特点 有些物质间是不能发生固相反应的。有些物质间是不能发生固相反应的。如:Fe如:Fe2 2 O O3 3 只能溶入SiO只能溶入SiO2 2,而不能与SiO,而不能与SiO2 2 发生相互作 用;而Fe发生相互作 用;而Fe3 3 O O4 4 则不能与CaO反应。则不能与CaO反应。固相反应产生新生盐类并再结晶,可以在颗粒 之间搭桥而产生一定的固结作用,但不足以形 成有效的固相联结。固相反应产生新生盐类并再结晶,可以在颗粒 之间搭桥而产生一定的固结作用,但不
6、足以形 成有效的固相联结。烧结过程进行较快,固相反应由固相扩散控制,反应速 度较慢烧结过程进行较快,固相反应由固相扩散控制,反应速 度较慢 固相反应不直接影响烧结矿的结构。固相反应不直接影响烧结矿的结构。114).提高固相反应速度的措施4).提高固相反应速度的措施尽管固相反应不能形成颗粒间有效联接,并且与烧结矿结构 和矿物成分之间也没有直接联系。但固相反应能形成原始混合料所没有的低熔点的新物质,在 较低的温度下就可生成低熔点的矿物。当温度继续升高时,这 些新生成的低熔点矿物就成为了形成液相的引发剂和参与者,使液相生成的温度大大降低。因此,尽管固相反应不能形成颗粒间有效联接,并且与烧结矿结构 和
7、矿物成分之间也没有直接联系。但固相反应能形成原始混合料所没有的低熔点的新物质,在 较低的温度下就可生成低熔点的矿物。当温度继续升高时,这 些新生成的低熔点矿物就成为了形成液相的引发剂和参与者,使液相生成的温度大大降低。因此,固相反应的类型固相反应的类型与最初形成的与最初形成的固相反应产物固相反应产物对烧结 过程具有重要作用。而如何提高固相反应速度就成为烧结生成 中不能忽略的问题。对烧结 过程具有重要作用。而如何提高固相反应速度就成为烧结生成 中不能忽略的问题。12 原始物料的细化原始物料的细化提高其分散度,增加颗粒之间的接触 面积,同时活化表面晶格,加快固相反应;提高其分散度,增加颗粒之间的接
8、触 面积,同时活化表面晶格,加快固相反应;采用采用适宜的混合制粒等级适宜的混合制粒等级,改善料粒与废气间的传热 效果,快速有效提高料粒内外温度。促使固相物质内 能增加,晶格质点振动加强,体系趋于不稳定,扩散 加速;,改善料粒与废气间的传热 效果,快速有效提高料粒内外温度。促使固相物质内 能增加,晶格质点振动加强,体系趋于不稳定,扩散 加速;添加混磨的细铁酸盐等添加混磨的细铁酸盐等活性物质活性物质,促进固相反应;,促进固相反应;烧结混合料烧结混合料颗粒密实颗粒密实,改善物料颗粒之间的接触,也 能有效的促进固相反应。,改善物料颗粒之间的接触,也 能有效的促进固相反应。提高固相反应速度的措施提高固相
9、反应速度的措施133.3.1.2 液相生成3.3.1.2 液相生成烧结过程中生成液相,是烧结固结成型的基 础。液态物质的数量和性质在很大程度上,决定 了烧结矿的强度和还原性。因此,研究液相生成 的条件及其性质有重要的指导意义。烧结过程中生成液相,是烧结固结成型的基 础。液态物质的数量和性质在很大程度上,决定 了烧结矿的强度和还原性。因此,研究液相生成 的条件及其性质有重要的指导意义。143.3.1.2 液相生成3.3.1.2 液相生成在烧结物料中,主要矿物都是高熔点的,在烧结温度 下大多不能熔化。但由于烧结混合料的组成成分很多,颗 粒很细又相互接触较紧密。当物料加热到一定温度时,各 组分之间有
10、了固相反应,生成新的化合物。各新生化合物之间,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,使得它们在较低的温 度下生成液相,开始熔融。在烧结物料中,主要矿物都是高熔点的,在烧结温度 下大多不能熔化。但由于烧结混合料的组成成分很多,颗 粒很细又相互接触较紧密。当物料加热到一定温度时,各 组分之间有了固相反应,生成新的化合物。各新生化合物之间,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,使得它们在较低的温 度下生成液相,开始熔融。15烧结混合物的易熔化合物及共熔混合物烧结混合物的易熔化合物及共熔混合物系统液 相 特 性融化温度系统液 相 特 性融化温度/SiO2
11、-FeO2FeOSiO212052FeOSiO2-SiO2共晶混合物11782FeOSiO2-FeO共晶混合物1177Fe2 O3-2FeOSiO22FeOSiO2-Fe2 O3共晶混合物1142MnO-SiO22MnOSiO2异分熔化点1323MnO-Mn2 O3-SiO2MnO-Mn3 O4 2MnOSiO2共晶混合物13032FeOSiO2-2CaOSiO2钙铁橄榄石CaOx FeO2-x SiO2,x=0.1911502CaOSiO2-FeO2CaOSiO2-FeO共晶混合物1280CaOFe2 O3CaOFe2 O3 液相+2CaOFe2 O3(异分熔化点)11261200CaOFe
12、2 O3 CaO2Fe2 O3(共晶混合物)Fe-Fe2 O3-CaO(18%CaO+82%FeO)-2CaOFe2 O3固熔体共晶混合物1140Fe3 O4-Fe2 O3-CaOFe2 O3Fe3 O4-CaOFe2 O31180Fe3 O4-2CaOFe2 O3Fe2 O3-CaOSiO22CaOSiO2-CaOFe2 O3-CaO2 Fe2 O3共晶混合物11921713136916(1)液相生成过程(1)液相生成过程 初生液相初生液相:原有低熔点物质及由固相反应所生成的新的低熔点化合 物,随着温度的升高而出现初期液相。:原有低熔点物质及由固相反应所生成的新的低熔点化合 物,随着温度的升
13、高而出现初期液相。低熔点化合物加速形成:低熔点化合物加速形成:这是由于温度升高和初期液相的促进作用。在熔化时一部分分解成简单化合物,一部分熔化成液相。这是由于温度升高和初期液相的促进作用。在熔化时一部分分解成简单化合物,一部分熔化成液相。液相扩展: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 融,形成低共熔混合物液相。使烧结料中高熔点矿物熔点降低,大颗粒矿粉周边被熔 融,形成低共熔混合物液相。液相反应: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。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。液相同
14、化:液相同化:通过液相的粘性和塑性流动传热,使烧结过程的液相 温度和成分趋于均匀化。通过液相的粘性和塑性流动传热,使烧结过程的液相 温度和成分趋于均匀化。如:如:CaO Fe2 O3+SiO2 2CaO SiO2+Fe2 O32FeO SiO2+CaO CaOx FeO2-x SiO217(2).液相生成过程的作用(2).液相生成过程的作用 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;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;液相具有一定的流动性,可进行粘性或塑性流动传热、传质,使高温熔融带的温度和成分均匀,液相反应后的 烧结矿化学
15、成分得到一定程度的均匀化;液相具有一定的流动性,可进行粘性或塑性流动传热、传质,使高温熔融带的温度和成分均匀,液相反应后的 烧结矿化学成分得到一定程度的均匀化;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通道附近,在较短时间内燃 烧完毕;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通道附近,在较短时间内燃 烧完毕;18 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,使冷凝后的烧结矿具有强度;液相能润湿未熔的矿粒表面,产生一定
16、的表面张力将矿 粒拉紧,使冷凝后的烧结矿具有强度;从液相中形成并析出烧结料中所没有的新生矿物,这些 新生矿物中有些对改善烧结矿的强度和还原性有利。从液相中形成并析出烧结料中所没有的新生矿物,这些 新生矿物中有些对改善烧结矿的强度和还原性有利。19 为满足铁矿粉烧结固结需求的液相量,现在只有一个笼 统的提法,即:烧结液相量为总质量的25%以上。实际上,最佳的液相生成量与烧结所用原料有关,其原则是:为满足铁矿粉烧结固结需求的液相量,现在只有一个笼 统的提法,即:烧结液相量为总质量的25%以上。实际上,最佳的液相生成量与烧结所用原料有关,其原则是:A.A.保证高温带具有良好的透气性;保证高温带具有良
17、好的透气性;B.B.烧结矿具有良好的强度;烧结矿具有良好的强度;C.C.保证烧结矿有适当的还原性。保证烧结矿有适当的还原性。因此,要从质和量方面恰当地调整烧结液相。因此,要从质和量方面恰当地调整烧结液相。20(3).影响液相生成因素(3).影响液相生成因素 烧结温度烧结温度:包括最高温 度、高温带厚度、温度 分布等。由配碳量,点 火温度、时间,料层高 度与抽风负压等来决定。不同SiO2含量的条件 下,烧结料液相量随温 度升高而增加。包括最高温 度、高温带厚度、温度 分布等。由配碳量,点 火温度、时间,料层高 度与抽风负压等来决定。不同SiO2含量的条件 下,烧结料液相量随温 度升高而增加。烧结
18、矿碱度烧结矿碱度:在SiO在SiO2 2 一 定的情况下,烧结矿的 液相量随着碱度的增加 而增加。碱度是影响液 相量和液相类型的主要 因素。一 定的情况下,烧结矿的 液相量随着碱度的增加 而增加。碱度是影响液 相量和液相类型的主要 因素。烧结温度与液相量的关系烧结温度与液相量的关系(用相图计算结果绘制用相图计算结果绘制)21 烧结气氛烧结气氛:烧结气氛关系到烧结过程铁氧化物的氧化与还原。还原 性气氛下,FeO多,熔点降低,液相量增加。Fe烧结气氛关系到烧结过程铁氧化物的氧化与还原。还原 性气氛下,FeO多,熔点降低,液相量增加。Fe2 2 O O3 3 熔点:1565Fe熔点:1565Fe3
19、3 O O4 4 熔点:1594.5FeO熔点:1370熔点:1594.5FeO熔点:1370 烧结混合料的化学成分烧结混合料的化学成分:SiO:SiO2 2 量量,关系到高硅酸盐液相的数量,一般希望不低于5%。,关系到高硅酸盐液相的数量,一般希望不低于5%。AlAl2 2 O O3 3 量量,有使熔点降低的趋势。,有使熔点降低的趋势。MgO量MgO量,有使熔点增加的趋势,能改善烧结矿低温还原粉化现象。,有使熔点增加的趋势,能改善烧结矿低温还原粉化现象。223.3.1.3 冷凝结晶固结过程3.3.1.3 冷凝结晶固结过程燃烧层移动后,被熔化的物质温度下降,燃烧层移动后,被熔化的物质温度下降,液
20、相放出能 液相放出能 量而结晶或变成玻璃体量而结晶或变成玻璃体。如果在冷凝过程中放出了几乎所有多余能量,则液相 全部转变为结晶体析出。而在实际烧结过程中,冷却速度 很快,有相当的潜能来不及释放而蕴藏在里面,从而使不 少硅酸盐以玻璃体形态存在于烧结矿中,其数量的多少取 决于冷却速度的快慢程度。在烧结过程中并非全部烧结料都熔化为液相,有些原 料,特别是粒度大的,往往来不及熔化,它们也被周围的 液相粘结起来。经过冷凝结晶后,烧结混合料即变成多孔的烧结矿。如果在冷凝过程中放出了几乎所有多余能量,则液相 全部转变为结晶体析出。而在实际烧结过程中,冷却速度 很快,有相当的潜能来不及释放而蕴藏在里面,从而使
21、不 少硅酸盐以玻璃体形态存在于烧结矿中,其数量的多少取 决于冷却速度的快慢程度。在烧结过程中并非全部烧结料都熔化为液相,有些原 料,特别是粒度大的,往往来不及熔化,它们也被周围的 液相粘结起来。经过冷凝结晶后,烧结混合料即变成多孔的烧结矿。23冷凝结晶过程中,冷凝结晶过程中,高熔点物质首先析出高熔点物质首先析出,如铁氧化物(Fe,如铁氧化物(Fe3 3 0 04 4、Fe、Fe2 2 O O3 3 等),残余液相填充周 围空间;随温度的进一步降低,低熔点化合物 和共晶混合物析出。由此,质点从液态的无序排列过渡到固态 的有序排列,体系自由能降低到趋于稳定状态。由于冷却速度快,结晶能力差的矿物就以
22、非晶 质(亦称玻璃相)存在。等),残余液相填充周 围空间;随温度的进一步降低,低熔点化合物 和共晶混合物析出。由此,质点从液态的无序排列过渡到固态 的有序排列,体系自由能降低到趋于稳定状态。由于冷却速度快,结晶能力差的矿物就以非晶 质(亦称玻璃相)存在。24(1).冷凝结晶形式(1).冷凝结晶形式.结晶:.结晶:液相冷却降温至某一矿物的熔点时,某种成分达到 过饱和,质点相互靠近吸引形成线晶、线晶相互靠近而成为 面晶,面晶重叠成为晶芽,以晶芽为基础,该矿物的质点呈 有序排列,晶体逐渐长大形成。这是液相冷却降温至某一矿物的熔点时,某种成分达到 过饱和,质点相互靠近吸引形成线晶、线晶相互靠近而成为
23、面晶,面晶重叠成为晶芽,以晶芽为基础,该矿物的质点呈 有序排列,晶体逐渐长大形成。这是液相结晶析出过程液相结晶析出过程。.再结晶:.再结晶:在原有矿物晶体的基础上,细小晶粒聚合成粗大 晶粒。这是在原有矿物晶体的基础上,细小晶粒聚合成粗大 晶粒。这是固相晶粒的聚合长大过程固相晶粒的聚合长大过程。.重结晶:.重结晶:随着温度和液相浓度的变化,会出现已结晶的固 相物质部分再溶入液相中的现象。并在该区域液相结晶的进 程中,再重新结晶析出新的固相物质。这是随着温度和液相浓度的变化,会出现已结晶的固 相物质部分再溶入液相中的现象。并在该区域液相结晶的进 程中,再重新结晶析出新的固相物质。这是旧固相通过固
24、液转变后形成新固相的过程旧固相通过固 液转变后形成新固相的过程。25(2).影响冷凝结晶的因素(2).影响冷凝结晶的因素温度:温度:同种物质的晶体在不同温度下生长,所表现的形态是 有差别的。原因是:结晶速度不同。同种物质的晶体在不同温度下生长,所表现的形态是 有差别的。原因是:结晶速度不同。矿物的结晶能力及开始析出温度:矿物的结晶能力及开始析出温度:由于结晶开始温度和结晶 能力、生长速度的不同,后析出的晶体形状受先析出晶体和 杂质的干扰。因此,烧结矿的晶体外形可分为:由于结晶开始温度和结晶 能力、生长速度的不同,后析出的晶体形状受先析出晶体和 杂质的干扰。因此,烧结矿的晶体外形可分为:自形晶自
25、形晶:结晶时自范性结晶时自范性得到满足,以自身固有的晶形和晶 格常数析出长大。得到满足,以自身固有的晶形和晶 格常数析出长大。半自形晶半自形晶:结晶能力尚可,自范性部分得到满足,部分晶 面完好。结晶能力尚可,自范性部分得到满足,部分晶 面完好。他形晶他形晶:温度低而结晶能力差的晶体析出时,自范性得不 到满足,受先析出晶体和杂质的阻碍而表现形状不规整,无 良好晶面。温度低而结晶能力差的晶体析出时,自范性得不 到满足,受先析出晶体和杂质的阻碍而表现形状不规整,无 良好晶面。晶体在适当条件下可以自 发形成几何多面体的性质晶体在适当条件下可以自 发形成几何多面体的性质26.结晶速度:.结晶速度:结晶速
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