鐵礦石燒結是鐵礦石造塊的主要方法之一。將貧鐵礦經過選礦得到的鐵精礦，富鐵礦在破碎和篩分過程中產生的粉礦，生產中回收的含鐵粉料(高爐和轉爐爐塵，連鑄軋鋼鐵皮等)、熔劑(石灰石、生石灰、消石灰、白雲石和菱鎂石等)和燃料(焦粉和無煙煤)等，按要求比例配合，加水混合製成顆粒狀燒結混合料，平鋪在燒結台車上，經點火抽風燒結成塊。
基本介紹
- 中文名：鐵礦石燒結
- 外文名：sintering of iron ore
- 學科：冶金工程
- 領域：冶煉
- 範圍：能源
- 釋義：鐵礦石造塊的主要方法之一
簡介,簡史,原理,燃燒和傳熱,分解、氧化和還原,燒結方法和設備,燒結工藝,熔劑與燃料的加工,
簡介
鐵礦石燒結是鐵礦石造塊的主要方法之一。將貧鐵礦經過選礦得到的鐵精礦，富鐵礦在破碎和篩分過程中產生的粉礦，生產中回收的含鐵粉料(高爐和轉爐爐塵，連鑄軋鋼鐵皮等)、熔劑(石灰石、生石灰、消石灰、白雲石和菱鎂石等)和燃料(焦粉和無煙煤)等，按要求比例配合，加水混合製成顆粒狀燒結混合料，平鋪在燒結台車上，經點火抽風燒結成塊。
簡史
1887年英國人亨廷頓(T.Huntin gton)和赫伯萊茵(F.Heberlein)首次申請了硫化礦鼓風燒結法和用於此法的燒結盤設備的專利。1906年美國人德懷特(A.Dwight)和勞埃德(R.Lloyd)在美國取得抽風帶式燒結機的專利。1911年第一台有效面積為8m2的連續帶式抽風燒結機(亦稱DL型燒結機)在美國賓夕法尼亞州的布羅肯鋼鐵公司建成投產。這種設備一出現就很快取代了壓團機和燒結盤等造塊設備。隨著鋼鐵工業的發展，燒結礦的產量也迅速增加，到80年代全世界燒結礦的產量達到5億多噸。中國最早的帶式抽風燒結機於1926年在鞍山建成投產，燒結機有效面積為21.81m2。1935～1937年又有4台50m2燒結機相繼投產，1943年燒結礦最高年產量達24.7萬t。中華人民共和國成立後，鋼鐵工業迅速發展，燒結能力和產量均有很大提高。到1991年末，全國燒結機總有效面積達到9064m2，燒結礦年產量達到9654萬t，重點企業高爐熟料率達90%。
帶式抽風燒結法出現後，不僅燒結礦的生產規模和產量有了很大提高，而且生產技術有了很大進步：
(1)加強了燒結原料的加工處理，如礦粉混勻，燃料和熔劑的破碎、混合料的準確配料、制粒和預熱等；
(2)開發了各種增產、節能和改善質量的新工藝，如厚料層燒結、低溫燒結、小球燒結、雙球燒結、細精礦燒結、雙層燒結、熱風燒結、新點火工藝、燒結礦整粒等；
(3)燒結設備大型化、機械化和自動化，計算機用於生產管理和操作控制；
(4)套用了除塵、脫硫和去除氮的氧化物等環保技術。
原理
礦粉燒結包括許多物理和化學反應過程。無論採用何種燒結方法，燒結過程基本上可以分為：乾燥去水、燒結料預熱、燃料燃燒、高溫固結和冷卻等階段。這些過程是在燒結料中分層依次進行的。圖1示出抽風條件下燒結過程各層的反應。抽入的空氣通過已燒結好的熱燒結礦層被預熱，在燃燒層中使固體燃料燃燒，放出熱量，獲得高溫(1250～1500℃)。從燃燒層抽出的高溫廢氣將燒結料預熱和脫水乾燥。根據溫度和氣氛條件，在各層進行著不同的物理和化學反應：游離水和結晶水的蒸發和分解，碳酸鹽的分解，鐵氧化物鐵tie的分解、還原和氧化，硫、砷等雜質的去除，一些氧化物(CaO、SiO2,FeO, Fe2O3, MgO)的固相和液相反應；液相的冷卻結晶和固結等。
燃燒和傳熱
固體碳的燃燒可以提供燒結過程熱收入中80%以上的熱量和1250～1500℃的高溫(在燃燒層)，保證了燒結過程中脫水、石灰石分解、鐵氧化物的分解和還原、去硫、液相生成和固結等物理和化學反應的進行。燃燒反應對燒結機產量也有影響。
燒結料層中碳的燃燒反應較複雜，一般可表示為：C+O2=CO2；2C+O2=2CO；CO2+C=2CO；2CO+O2=2CO2 。在碳集中的區域，氣相中CO濃度高，CO2濃度低，氣氛呈還原性；在少碳和無碳的區域，CO濃度低，CO2濃度高，氣氛呈氧化性。料層中碳燃燒應具備兩個最重要的條件是燃料顆粒表面加熱到著火溫度和灼熱的燃料表面需接觸有足夠氧濃度的氣流。提高氣流中氧的濃度、氣流溫度、氣流速度和增加燃料的反應表面積等均有助於提高燃燒反應速度。燒結常用的燃料是焦粉和無煙煤；高揮發分的煤種，因大量揮發分在著火前揮發，容易堵塞管道，故不宜用於燒結。
燒結過程中傳熱速度很快。燒結料都是小顆粒物料，傳熱效率很高，而且還存在水分蒸發、分解等吸熱過程，所以熱傳導在燒結料中進行得很快。燒結過程中熱量利用好，主要表現在廢氣溫度低和燒結過程的“自動蓄熱作用”。後者是指被抽空氣通過灼熱的燒結礦層(相當“蓄熱室”作用)時被預熱到1000℃以上，增加了燃燒層中的熱收入量(約占燃燒層總熱收入的40%至60%)，提高了燃燒層的溫度，隨燒結礦層的增厚，這部分熱收入增多；燃燒層溫度升高，燒結液相增多，燒結礦強度提高，但燒結速度降低。燃燒層溫度受燃料配加量和自動蓄熱作用，以及燃燒層中各種化學反應的熱效應等因素所影響。增加配碳量、增加放熱反應和減少吸熱反應有利於提高燃燒層溫度，提高料層也有同樣的作用。
燒結料層中的氣流運動 燒結過程中的一切反應和變化都是在氣流不斷通過料層的條件下進行的。氣流運動對燒結礦的產量和質量有很大影響。垂直燒結速度與通過料層的氣流量成正比。而氣流量又與抽風負壓、燃燒層溫度和料層透氣性有關。由於燒結過程中各層在不斷變化，因此料層透氣性和氣流量也在變化。燒結礦層氣孔較多，透氣性好；燃燒層溫度高，有液相，透氣性差。成球性好的濕料層透氣性好，但有時因水汽冷凝使料層過濕，破壞料球，對氣流產生較大阻力。若料球乾燥後碎裂，則乾燥層和預熱層也會產生較大阻力。
燒結料層的透氣性同礦粉粒度、返礦數量和質量、混料加水量、礦粉成球性、黏結劑的使用、燒結料預熱和燒結溫度等有關。氣流沿料面分布得是否均勻會影響燒結過程的均勻性，特別是對於大型燒結機。不均勻的氣流分布導致不均勻的燒結，從而成品率下降，返礦多而質量差，使燒結礦產質量下降。布料均勻，燒結台車結構合理而完好，有利於氣流的分布均勻。
水分的蒸發和凝結 燒結料中加入一定量的水是粉料制粒的需要。當燒結料溫度達到100℃或更高時，水分劇烈蒸發，燒結廢氣濕度增加。當廢氣離開乾燥層進入濕料層後，由於冷卻使溫度降低到露點以下，廢氣中的水汽冷凝在濕料層中，使濕料層的濕度超過原始濕度，這就是“過濕現象”。過濕現象會破壞料球和降低料層透氣性。採用預熱燒結料可以減少或消除過濕現象。細精礦燒結時的過濕現象比富礦粉燒結時更嚴重。以結晶水形態存在的水分是一種化學結合水，需在較高溫度下才能分解脫除。
分解、氧化和還原
燒結過程中的主要分解反應是碳酸鹽(CaCO3、MgCO3和FeCO3等)和一些氧化物的分解。碳酸鹽的分解壓為101.325kPa時，其溫度為：CaCO3 910℃，MgCO3 630℃，FeCO3 400℃。因此，在燒結過程中它們是完全可以分解的。如果石灰石粒度較粗，則不但分解時間延長，且不能完全分解並與其他氧化物充分進行礦化，燒結礦中殘留的自由CaO，會導致燒結礦的粉化。因此，石灰石粒度要求小於3mm。碳酸鹽分解為吸熱反應，增加石灰石用量一般要相應地增加配碳量。
鐵氧化物在燒結過程中，可根據其形態、溫度和氣相成分，而進行分解、還原或氧化反應。Fe2O3的分解壓在1383℃時為20.6kPa(0.21大氣壓)，燒結過程中氧的分壓較低(6.8～18.6kPa)，故在1300～1350℃(燃燒層)即可發生熱分解(6Fe2O3=4Fe3O4+O2)。Fe3O4和FeO的分解壓很小，在燒結過程中不可能產生熱分解。Fe2O3分解壓高，燒結廢氣中常含少量CO，可在300～400℃開始還原，所以Fe2O3在預熱層和燃燒層中即被還原；Fe3O4的分解壓低，只有在CO濃度高的氣氛下才能被還原，所以還原僅在燃燒層中燃料顆粒附近的溫度和CO濃度都較高的區域進行。FeO只有在燃料配比很高(>10%)的條件下才能被還原成部分金屬鐵。在燃料配比低的條件下，Fe2O3熱分解和還原反應相對較少。在燒結礦層中，由於無碳存在，Fe3O4和FeO可部分地被氧化成Fe2O3。
非鐵元素在燒結過程中的行為 MnO2和Mn2O3的分解壓很高(分解壓為20.6kPa時的溫度分別為460℃和927℃)，因此它們在預熱層中，就可分解和被還原，生成的Mn3O4與SiO2形成低熔點的Mn2SiO4。FeS2在565℃時開始熱分解(2FeS2 = 2FeS+S2)，但在分解前即可進行氧化(4FeS2+11O2 = 2Fe2O3+8SO2)，在565～1383℃，氧化和熱分解同時進行，溫度更高時氧化產物是Fe3O4；FeS2(FeS)也可被Fe2O3氧化，生成的SO3 可以被CaO吸收生成CaSO4。縮小礦粉粒度，配合合適的燃料量以保持充分的氧化氣氛和較高的溫度，有利去脫；提高鹼度降低去硫率，一般燒結過程可除去90%以上的硫。硫酸鹽(BaSO4等)的分解溫度較高，去硫率在80%～85%。As2O3易揮發去除，但As2O5卻很穩定。PbS和ZnS可被氧化生成PbO和ZnO，熔解在矽酸鹽渣相中。故As、Pb、Zn在燒結過程中較難去除，在高燃料配比的條件下，可去除一部分。加少量氯化物(CaCl2等)可生成易揮發的AsCl3、PbCl2和ZnCl2，可除去60%的As，90%的Pb和60%的Zn。K2O、Na2O和P2O5在燒結過程中較難去除。
礦粉的熔融和凝固礦粉熔融前存在固相反應。它是在礦粉被加熱到其熔點以下的一定溫度時，顆粒表面離子動能增加而引起的遷移、擴散和相互結合成新化合物的反應。固相反應產物2CaO·SiO2出現的溫度為500～690℃；CaO·Fe2O3出現的溫度為400～600℃；2CaO·Fe2O3為400℃；2FeO·SiO2為970℃。這些反應在預熱層和燃燒層可以進行，但由於時間短，不會有很大發展。2CaO·SiO2在高溫熔體中可以全部保存，2FeO·SiO2則部分分解，而CaO·Fe2O3和2CaO·Fe2O3則全部分解。固相反應都是放熱反應，其反應程度除受溫度影響外，還受相互間的接觸條件和化學親和力的影響。在還原、氧化和固相反應的過程中，燒結料中會出現一些低熔點的物質，如2FeO·SiO2(熔點為1205℃)及其共晶混合物(1177～1178℃)，CaO·Fe2O3(1216℃)，FeO-2CaO·SiO2系共晶混合物(1280℃)，CaO·Fe2O3-CaO·2Fe2O3系共晶混合物(1200℃)和CaO·Fe2O3- 2CaO·Fe2O3-Fe3O4系共晶混合物(1180℃)。這些物質首先熔化，並不斷熔解其餘的物料，改變自身的成分，形成新的熔體。熔體的成分受燒結料組成和還原氧化反應程度等因素的影響，但熔體基本上可以分成矽酸鹽體系和鐵酸鹽體系兩大類。燒結礦品位高(即含SiO2低)、鹼度高和氧化程度高，有助於鐵酸鹽熔體的生成；反之，則有助於矽酸鹽熔體的形成。熔體冷卻凝固後，形成不同結構的燒結礦。在冷卻凝固過程中，根據熔體成分的不同，可以結晶出赤鐵礦(Fe2O3)、磁鐵礦(Fe3O4)、鐵酸鈣(CaO·Fe2O3和2CaO·Fe2O3)、矽酸鈣(2CaO·SiO2和3CaO·SiO2等)和鈣鐵橄欖石(CaO·FeO·SiO2 )等礦物。在含TiO2和CaF2的燒結礦中，則可形成鈣鈦礦(CaO·TiO2) 和槍晶石(3CaO·2SiO2·CaF2)。最後凝固的是低熔點的玻璃體，其組成主要是成分複雜的矽酸鹽。不同的礦物組成對燒結礦的性能有很大影響。例如，鐵酸鈣的還原性比鈣鐵橄欖石好，比鐵橄欖石(2FeO·SiO2)更好；2CaO·SiO2在冷卻過程中產生晶變(β2CaO·SiO2→γ2CaO·SiO2)，發生約10%的體積膨脹，引起燒結礦粉化；非晶態的玻璃體強度較晶態礦物差。凝固過程中，由於體積收縮而產生大小和數量不同的氣孔，小而多的氣孔有利於提高強度和還原性，大氣孔結構不利於改善強度和還原性。
燒結方法和設備
燒結方法按氣體在料層中的流向分為抽風燒結法和吹風燒結法兩種。吹風燒結法雖然具有鬆動料層和提高料層透氣性的透氣的作用，但是此法有嚴重污染環境和礦粉吹損高等重大缺點。因之吹風燒結法已完全被抽風燒結法所取代。燒結設備有帶式燒結機和間歇盤式燒結機。帶式燒結機由於單機產量高和機械化、自動化程度高，已取代了間歇盤式燒結機。在世界上燒結礦的總產量中，99%以上是用帶式抽風燒結機所生產。中國一些鄉鎮企業還使用土法燒結。
燒結工藝
將鐵礦石(精礦、富礦粉)燒結成燒結礦的加工過程。現代燒結工藝包括三部分：原料準備、燒結、燒結礦處理。每部分由若干工序所組成。原料準備部分包括原料的貯存混勻(見礦石混勻)、熔劑和燃料的加工、配料、混合和制粒以及布料等工序。燒結部分包括點火及抽風燒結等工序。燒結礦處理部分包括冷卻和破碎篩分整粒等工序。
熔劑與燃料的加工
燒結主要熔劑是石灰和白雲石，它們是碳酸鹽。在燒結過程中，不僅應完全分解，而且分解後的CaO和MgO應能與其他氧化物充分化合生成新礦物；否則，燒結礦中會含有游離CaO，引起粉化，不利於貯存。因此，熔劑粒度應小於3mm；但石灰石和白雲石的入廠粒度一般為40～0mm或更粗，故必須進行破碎。熔劑的破碎流程基本是一段閉路破碎、破碎作業大多採用錘式破碎機或反擊式破碎機；篩分作業採用自定中心振動篩。生石灰和消石灰一般入廠粒度較細，不必再破碎，但生石灰對人體皮膚有燒灼，宜用氣體輸送並加強作業區的密閉。
