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烧结基础知识
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1.烧结基础知识
2.烧结的含义将含铁粉状料或细粒料进行高温加热,在不完全熔化的条件下烧结成块的过程。
铁矿粉烧结是一种人造富矿的过程。
2.1.烧结的方法
（1）鼓风烧结：
烧结锅，平地吹;
（2）抽风烧结:
（a）连续式：
带式烧结机和环式烧结机等；（b）间歇式：
固定式烧结机，如盘式烧结机和箱式烧结机;移动式烧结机，如步进式烧结机；
（3）在烟气中烧结:
回转窑烧结和悬浮烧结。
2.2.烧结生产的工艺流程一般包括:
原燃料的接受、贮存,溶剂、燃料的准备,配料，混合，制粒,布料,点火烧结,热矿破碎,热矿筛分，热矿冷却,冷矿筛分,铺底料、成品烧结矿及返矿的贮存、运输等工艺环节。
机上冷却工艺不包括热矿破碎和热矿筛分。
现代烧结工艺流程不再使用热矿工艺，应使用冷矿工艺。
在冷矿工艺中,宜推广具有铺底料系统的流程。
2.3.烧结厂主要技术经济指标烧结厂的主要技术经济指标包括利用系数、作业率、质量合格率、原材料消耗定额等。
利用系数＝
事故率=
事故台时运转台时
×1０0%
2.3.1.利用系数
每台烧结机每平方米有效抽风面积（m2）每小时（h）的生产量（ｔ）称烧结机利用系数，单位为t/（ｍ2＊h）。
它用台时产量与烧结机有效抽风面积的比值表示：
台时产量（t/h）=总产量（t）
有效抽风面积（m2）=总生产台时（t）×总有效面积（m2）
台时产量是一台烧结机一小时的生产量，通常以总产量与运转的总台时之比值表示。
这个指标体现烧结机生产能力的大小，它与烧结机有效面积的大小无关。
利用系数是衡量烧结机生产效率的指标,它与烧结机有效面积的大小无关。
2.3.2.烧结机作业率作业率是设备工作状况的一种表示方法,以运转时间占设备日历时间的百分数表示：
设备作业率＝日历台时×10０％
日历台时是个常数,每台烧结机一天的日历台时即为2４台时。
它与台数、时间有关。
日历台时=台数×24×天数
事故率是指内部事故时间与运转时间的比值,以百分数表示:
设备完好率是衡量设备良好状况的指标。
按照完好设备的标准,进行定
期检查。
设备完好率是全厂完好设备的台数与设备总台数的比值，用百分数表示:
设备完好率=
完好设备台数
设备总台数
×100%
质量合格率=
×１00%
一级品率＝
一级品量
合格品量
×100%
转鼓指数
检测粒度（≥5mm）的重量=试样重量
×100%
筛分指数＝
筛分后粒度（≤5mm）的的重量
试样重量
×100%
2.3.3.质量合格率
烧结矿的化学成分和物理性能符合原冶金部YB/Ｔ421标准要求的叫烧结矿合格品，不符合的烧结矿叫出格品。
根据部颁标准的规定,实际生产检验过程及工艺试验中出现的一部分未检验品和试验品,不参加质量合格率的计算。
因此:
总产量-未验品量-试验品量-出格品量
总产量-未验品量-试验品量
质量合格率是衡量烧结矿质量好坏的综合指标
烧结矿合格品、一级品或出格品的判定根据其物理化学性能的检验结果而定,主要包括烧结矿全铁（TFe）、氧化亚铁（FeO）、硫（S）含量、碱度（CａＯ/ＳｉＯ２）、转鼓指数（≥6.3ｍｍ）、粉末（<5ｍm）等，有的厂还包括氧化镁（MｇＯ）、氟（F）、磷（P）等。
2.3.4.烧结矿的原料、燃料、材料消耗定额
生产一吨烧结矿所消耗的原料、燃料、动力、材料等的数量叫消耗定额，包括含铁原料、熔剂料、燃料、煤气、重油、水、电、炉蓖条、胶带、破碎机锤头、润滑油、蒸气等。
2.3.5.生产成本与加工费
生产成本是指生产一吨烧结矿所需的费用，由原料费及加工费两部分
构成
加工费是指生产一吨烧结矿所需的加工费用（不包括原料费）。
它包括辅助材料费（如燃料、润滑油、胶带、炉蓖条、水、动力费等）,工人工资，车间经费（包括设备折旧费、维修费等）。
2.3.6.劳动生产率
劳动生产率是指每人每年生产烧结矿的吨数。
这个指标反映工厂的管理水平和生产技术水平,它又称全员劳动生产率（全员包括工人和干部）。
另外,还有工人劳动生产率，即每个工人每年生产烧结矿的吨数。
3.烧结物理化学过程
3.1.基本概念
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：
（1）燃料的燃烧和热交换;
（2）水分的蒸发及冷凝；
（3）碳酸盐的分解,燃料中挥发分的挥发;
（4）铁矿物的氧化、还原与分解;
（5）硫化物的氧化和去除;
（6）固相间的反应与液相生成;
（7）液相的冷却凝结和烧结矿的再氧化等。
3.2.燃料的燃烧和热交换
3.2.1.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。
3.2.1.1.点火燃料
现在烧结使用的点火燃料有气体燃料（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,发生炉煤气在这里不再介绍,因固体燃料已经不再使用,在这里也不做介绍。
3.2.1.1.1.气体燃料
3.2.1.1.1.1.高炉煤气高炉煤气是高炉冶炼时的一种副产品。
高炉每炼一吨生铁可以获得3
５0０~4000m3的高炉煤气。
其成分随冶炼时所采用的燃料种类及高炉操作条件而不同。
一般含有大量氮、二氧化碳等气体（约占63~7０％）。
因此，它的发热量不高,约为85０~11０0千卡/标ｍ3（其成分见表2-1），若不经过预热,高炉煤气燃烧温度达不到１250，高炉煤气中一般含尘量为５0~8０毫克/m3，所以必须除尘后才能应用。
做为烧结点火用的煤气含尘量不应大于30毫克/m3，经过除尘后高炉煤气含尘量可以降至5～20毫克/m3,煤气温度在40℃以下。
输送到烧结厂的煤气压力一般为3００毫米水柱左右。
表2-错误!
不能识别的开关参数。
高炉煤气成分
成分
CＯ2
CO
ＣH4
H２
N2
发热量（ｋJ／m3）
范围
9.0~１
５.5
25~３１
０.3~0.5
2.0～3.0
５5~58
（８50~1１00）×4.1８68
3.2.1.1.1.2.焦炉煤气焦炉煤气是炼焦过程产生的副产品。
平均每吨干煤炼焦时可产生320m
3的焦炉煤气,约占全部产品的17．6%,经过洗涤后的煤气含焦油量为
０.00~0.０2克／标ｍ3,用于烧结的焦炉煤气的发热量为400０×４.1８
68kJ/m3左右（其成分见表2－2）。
表2?
错误!
未定义书签。
焦炉煤气成分
成分
H2
CO
ＣH４
CO2
N2
Ｏ2
发热量（kJ/m3）
范围
54~59
5.5~
７.0
23~２8
1.５～
２.5
3~５
0.3～
1．７
（3160~４5８
0）×4.1868
3.2.1.1.1.3.天然气天然气是由地下开采出来的可燃性气体,它的发热量很高可达8000~90０0×４．1868kＪ/m3,主要可燃物质是甲烷（ＣH4）（其成分见表２－3）。
表2?
错误!
未定义书签。
天然气气成分
成分
Ｈ2
CO
ＣH4
Ｈ2S
Ｈ2
Ｎ2
O2
发热量（kJ/m3）
范围
0.4~0.8
0.1～
０．３
8５～
95
0．9
0．4~
０.８8
1.５~
５.
0.2～
０.3
（800０~9000）×
４.1868
3.2.1.1.2.液体燃料
石油是天然的液体燃料,也称为原油。
它基本上由炭、氢、氮、氧、硫五种元素组成。
将石油加热分馏后,比重最大的残留物就是重油。
重油具有发热值高（大于9００0×4．18６8ｋJ／ｋg）、粘性大等特点。
呈黑褐色或绿褐色的粘稠液状,比重约为０.9～０．96kg/L。
重油的灰分含量非常低,一般不超过0.3%。
重油按粘度不同,可分为20号、60号、２00号几种，重油粘度越大,含氢量越少,重油含的杂质主要是少量的硫化物、氧化物、水分以及混入的机械杂质。
我国重油的含硫量都在1％以下，重油的着火点约为5０0~600℃。
3.2.1.2.烧结燃料
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。
3.2.1.2.1.碎焦粉末焦碳是炼焦煤在隔绝空气高温加热后的固体产物。
碎焦粉末是高炉用的焦碳的筛下物,粒度一般小于２5毫米。
焦碳的质量的好坏,主要从它的化学成分、物理机械性能、物理化学性质几方面来衡量。
焦碳的化学成分通常以工业分析测得。
主要有固定炭、灰分、挥发分和含硫量。
焦碳的物理机械性能主要指机械强度（如耐磨性和抗冲击强度、抗压强度）及筛分粒度组成。
焦碳的物理化学性质是指其燃烧性和反应性。
燃烧性是指焦碳与氧在一定温度下的反应速度。
反应速度越快,燃烧反应性越高,一般反应性好的焦碳燃烧性也好。
3.2.1.2.2.无烟煤随着煤炭化的程度不同，煤中的挥发物含量的差别是很大的。
炭化程度越高，它的挥发分含量也就越少。
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6000千卡/公斤，挥发分小于10%,灰分小于１５％,硫小于２．5%,进厂的粒度小于４0毫米。
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。
3.2.1.2.3.兰炭
兰炭也称为半焦,
表2?
４兰炭质量要求
质量指标
序号
名称
符号
单位
甲类地区乙类地区丙类地区
甲类地区乙类地区丙类地区
1
干燥基全硫
Ｓt，d
%
≤0.40≤０.50≤0.60
２
干燥无灰基挥发分
Ｖdaｆ
％
6.00~12.00
3
收到基低位发热量
Qｎet，aｒ
MJ／kｇ
≥２４.５0
4
干燥基灰分
Ad
%
≤１2.0０
5
全水分
Ｍｔ
%
≤１０.0
7
限下率
Rx
%
≤１０.０
St，d、
Ad、Vdaf和Qnet，ar为强制性项目
?
表２-5兰炭质量指标
序号
名称
符号
单位
等级
质量指标
1
灰分
Ad
％
一级二级三级
<8．0０<１0.00≤1２.０0
2
全硫
St，d
％
一级二级三级
<0.２0
<0.４0
≤0.60
3
固定碳
FCd
%
一级二级三级
≥85．00
≥8０.00
≥75．0０
4
反应性1（1100℃）
α
%
≥95.0
5
氧化铝2
Al2O3
%
一级二级三级
<1.5０
<2．50
≤３.00
6
挥发份
Vdaf
%
<8.０0
７
磷３
Pd
%
≤0．０4０
8
电阻率４
ρ（10-６）
Ω·ｍ
>15000
9
限下率
Ｒx
%
≤１0．０
1０
全水分
Ｍt
%
≤10.0
注:
百分号为质量分数；全水分不作为考核指标；
1、兰炭用作化肥、气化是考核指标;
2、兰炭用作铁合金时考核该指标;
3、兰炭用作高炉喷吹时考核该指标;
4、兰炭用作电石、铁合金时考核该指标
3.3.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、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。
3.3.1.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,要求它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结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。
3.3.2.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：
a．燃烧带变宽，从而使烧结料层透气性变坏。
b．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。
ｃ.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。
ｄ．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0.5毫米）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０．5~３毫米,而日本规定燃料粒度下限为０.25毫米,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0.5～０毫米粒级是难以达到的。
所以，一般烧结厂只要求控制其燃料粒度在３～0毫米范围内。
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8~0毫米粉矿时，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。
3.4.固体燃料燃烧的一般原理在冶金物理化学中对碳的燃烧早已有所研究,虽然有些问题尚未完全搞清楚，但是对其中某些问题已经取得一致看法。
固体燃料在空气中燃烧是属于多相反应,其型式为:
固体+气体（Ⅰ）＝气体（Ⅱ）
燃烧的结果导致固相消失，而形成新的气体产生,这种类型的反应可以概括地分为五个步骤:
1、气体（Ⅰ）分子扩散到固体炭的表面;
2、气体（Ⅰ）分子被固体炭表面所吸附；
３、被吸附的气体（Ⅰ）和炭发生化学反应，形成中间产物;
4、中间产物断裂，形成反应产物气体（Ⅱ）,并被吸附在炭的表面；５、反应产物气体（Ⅱ）脱附，并向气相扩散跑掉。
多相反应时的燃烧过程是在可燃物表面进行,其反应速度主要取决于两个因素:
化学反应速度和扩散速度。
过程反应的总速度取决于这两个速度中最慢的一个。
所谓化学反应速度是指固体燃料与体（Ⅰ）之间的反应速度。
所谓扩散速度是指体（Ⅰ）向固体燃料扩散的速度。
当过程的速度受扩散速度影响时,称为“扩散燃烧区”。
如果过程的速度
受化学速度影响时，则称为“动力学燃烧区”,所以，燃烧处于“动力学区域”时,一切影响化学反应速度的因素（如温度）将影响燃烧速度的快慢。
当燃烧处于“扩散燃烧区”时,一切影响气体扩散的条件（如固体燃料的粒度、气流速度和压力等）都将影响燃烧的速度，而温度的改变并不引起多大的影响。
对于3毫米的碳粒,在雷诺规范数（Re）为１00的条件下,在温度7０0℃时,Ｃ＋O2反应速度处于“动力学区”；而温度高于１250℃时，反应速度处于扩散区;700~１2５0℃处于中间速度区。
烧结料层中的温度在1300~1５00℃范围内，所以,固体燃烧基本上是在扩散区域内进行的。
因此，一切能够影响扩散速度的因素如减少燃料粒度,增加气流速度（增大风量、改善料层透气性）和气流中的含氧量都能增加燃烧反应的速度，从而能够强化烧结过程。
3.5.烧结料层中燃料燃烧的基本特点燃料在烧结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。
第一、烧结料层中固定炭含量低,按重量计算只占总料量的３~５%，而且分布的很分散。
第二、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３0～４0毫米宽的高温区。
第三、烧结料层氧化带较宽而还原带很窄。
第四、铁的氧化物参与了氧化还原反应。
第五、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。
3.6.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。
3.7.烧结过程的热交换
3.7.1.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的越多,以至于达到很高的温度。
这种积蓄热量的过程好象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,这可以通过简单计算的方法加以了解。
据实验确定,当燃烧层上部的烧结矿层达180~
２２0毫米厚度时，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200毫米以后,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。
3.7.2.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导热系数比干矿粉高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℃/分,低的也有450~550℃/分，在干燥层可达５0０℃／分。
由于染来哦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。
3.7.3.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的较快。
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。
4.水分的蒸发和冷凝
4.1.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,表面变的光滑（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（水的导热系数为30~１０0×4.18６８kJ/m2·h·K，而矿石的导热系数为0．15×4.1８68ｋJ/m2·h·K，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。
例如,气孔多、表面粗糙、亲水性强的矿粉适宜的水分就要高一些,而组织致密、
表面光滑、亲水性差的矿粉适宜水分就要低一些。
粒度细的矿粉比粒度粗的矿粉吸水性强,适宜水分就要高一些,但对表面疏松多孔的褐铁矿粉烧结时所需水分要大一些。
总之,每种矿粉所需的水分是不一样的，应该通过试验确定。
4.2.水分蒸发和水汽冷凝的一般规律
当烧结过程发生后,烧结料层的水分就会沿着料层不同高度和烧结的不同阶段而出现一系列的蒸发和冷凝现象。
4.2.1.烧结料层中水分的蒸发条件所谓水分蒸发若从分子运动理论来解释,那就是,水分子经常处于运动状态,并且同一液体的各个不同分子具有不同的速度，在表面层运动速度大
的分子,有可能离开水面,甚至与水的
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