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1、第五章 烧结过程物理化学原理,5.1 水分在烧结过程中的行为与作用,5.2 烧结过程中固体物料的分解,5.3 烧结过程中氧化物的还原及氧化,5.4 烧结过程中杂质元素的脱除,5.1 水分在烧结过程中的行为与作用,主要是矿石、熔剂、燃料在转运和处理过程中渗入的吸湿水;混合料混匀制粒时加入的水;燃料中炭氢化合物燃烧产物中的水汽;以及空气中带入的水蒸气;此外还有混合料矿物中分解的化合水,（一）烧结料层中水分的来源,5.1 水分在烧结过程中的行为与作用,制粒作用 以改善料层的透气性。导热作用 改善了烧结料的导热性(水的导热系 数为130400KJm2.h.，而矿石 的导热系数为0.60kJm2.h.)
2、。润滑作用 降低表明粗糙度，减少气流阻力。助燃作用 C和CO的链式燃烧要求火焰中有一 定含量的H和OH根,（二）烧结料层中水分的作用,5.1 水分在烧结过程中的行为与作用,磁铁矿为主：69%。富矿粉（赤铁矿）为主：910%褐铁矿为主：1214%，有的高达20%左右。,（三）烧结料层中适宜的水分用量,适宜水分用量,混合料成球率最高,透气性最好,由实验或经验来确定,一般大部分在：69.5%之间,化学结合水水分与物料的离子型结合和结晶型分子结合（结晶水），结晶水的脱除必将引起晶体的崩溃；物理结合水包括吸附、渗透和结构水分，机械结合水毛细管水、湿润水分、孔隙水份,5.1 水分在烧结过程中的行为与作用,
3、结合水（包括化学水以及毛细管水）较难以除去；而非结合水（物料表面的湿润水分和孔隙水份）较容易除去,5.1 水分在烧结过程中的行为与作用,平衡水分：当一种物料与一定温度及湿度的空气接触时，物料势必会放出或吸收一定量的水分，物料的含水量会趋于一定值。此时，物料的含水量称为该空气状态下的平衡水分。平衡水分代表物料在一定空气状态下的干燥极限，即用热空气干燥法，平衡水分是不能去除的,5.1 水分在烧结过程中的行为与作用,（四）烧结料层中水分的蒸发,干燥介质具有恒定的温度和相对湿度时，物料干燥速度、蒸发水分量、及表面温度随时间变化关系,加热阶段,等速干燥阶段,降速干燥阶段,平衡阶段,5.1 水分在烧结过程
4、中的行为与作用,（四）烧结料层中水分的蒸发,在曲线左边不能进行干燥反而吸湿。,（五）水分的冷凝,烧结过程水汽的冷凝现象,5.1 水分在烧结过程中的行为与作用,由于废气一步降低，致使其水蒸气分压(Pg)大于物料表面上的饱和蒸汽压（Ps）废气中的水汽再次返回到物料中，即在物料表面冷凝下来，导致烧结料层中部分物料超过原始水分，而形成所谓“过湿带”。,烧结废气的露点约60左右。,废气冷凝放热,（六）消除烧结料过湿带的主要措施,（1）提高烧结混合料的原始温度,（2）提高烧结混合料的湿容量，即减少过湿带的有害影响,（3）降低废气中的含水量,5.1 水分在烧结过程中的行为与作用,（1）返矿预热混合料,（2）
5、蒸汽预热混合料,（3）生石灰预热混合料,大于露点温度,5.2 烧结过程中固体物料的分解,（一）化合水的分解,化合水的存在形态,（1）以结晶水形式存在，水分的结构以OH形式存在，与矿物形成氢键，脱除温度较高，如针铁矿（Fe2O3.H2O）。（2）以固溶体形式存在，以中性分子存在，在100200可以脱除（如褐铁矿）。,分解温度见表5-1,5.2 烧结过程中固体物料的分解,（二）碳酸盐的分解,CaCO3 MgCO3 FeCO3 MnCO3,化学沸腾,分解温度,生成区,分解区,平衡线,分解热力学,5.2 烧结过程中固体物料的分解,（二）碳酸盐的分解,分解动力学,界面结晶化学反应控制,扩散反应控制,碳酸
6、盐分解的限制环节是和其所在的条件（温度、气流速度、孔隙度和粒度）有关,5.2 烧结过程中固体物料的分解,（二）碳酸盐的分解,分解产物的矿化,与烧结温度，石灰石和矿石粒度，碱度或矿石与熔剂的比例等有关,5.2 烧结过程中固体物料的分解,（三）氧化物的分解,当Po2Po2 G0，氧化物分解；当Po2Po2 G0，氧化物生成；当Po2=Po2 G=0，体系趋于平衡；,5.2 烧结过程中固体物料的分解,（三）氧化物的分解,（1）铁氧化物,（2）锰氧化物,570以下时，Fe-O体系的转变为：Fe Fe3O4Fe2O3；570以上时，Fe-O体系的转变为：Fe FeO Fe3O4Fe2O3,MnO2 Mn
7、2O3 Mn3O4 MnO Mn,5.3 烧结过程中氧化物的还原及氧化,（一）铁氧化物的还原,（1）标准状态下还原反应的热力学条件,MO+N=M+NO,利用氧势图进行分析，凡位于下图下面的元素，都能够还原在它上面的一些元素的氧化物。,在氧势图上CO的生成自由能曲线与众不同的走向，使C成为“可能”的还原剂。即只要有足够高的温度，任何氧化物都可被C还原。,5.3 烧结过程中氧化物的还原及氧化,（一）铁氧化物的还原,（2）CO对铁氧化物的还原-间接还原,CO还原氧化铁的平衡图,Fe2O3还原反应（1）的平衡成分%CO值很低，并随温度升高略有升高，为放热反应；Fe3O4还原反应（2）在570以上曲线向
8、下走，为吸热反应；Fe3O4在570以下还原反应（4）和FeO还原为Fe(3)皆为放热反应，温度升高、平衡%CO加大。,3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2(1)Fe3O4+CO=3FeO+CO2(2)FeO+CO=Fe+CO2(3)1/4 Fe3O4+CO=3/4Fe+CO2(4),5.3 烧结过程中氧化物的还原及氧化,（一）铁氧化物的还原,（2）C对铁氧化物的还原-直接还原,FeO+CO=Fe+CO2 H0=-13183J+CO2+C=2CO H0=169691J FeO+C=Fe+CO H0=156502J,氧化铁直接还原的平衡图,在烧结过程中，极微量的CO就足以使Fe2O3完全被还
9、原成为Fe3O4。还原反应可以在预热带进行，特别是在燃料燃烧带进行。,在900以上的高温下，Fe3O4被还原是可能的。,在一般烧结条件下，FeO被还原成Fe是困难的。,5.3 烧结过程中氧化物的还原及氧化,（二）烧结过程中低价铁氧化物的再氧化,氧化度,气相与凝聚相中有氧元素参加的化学反应，其氧的化学位即为氧位,氧位,气相氧分压或气相成分比值 CO2/CO,5.3 烧结过程中氧化物的还原及氧化,（三）氧化-还原规律在烧结生产中的应用,（1）生产高氧化度烧结矿,适当降低燃料用量；强化外部供热；厚料层烧结采用低温烧结；生产高碱度烧结矿,（2）生产金属化烧结矿,5.4 烧结过程中杂质元素的脱除,含硫熔
10、体在凝固过程中，逐渐浓聚，最后以Fe-FeS共晶形式凝固在先结晶边界上，这样就破坏了金属结构的完整性，大大降低了钢的塑性。在热加工过程中晶粒边界先熔化，出现金属热脆现象。此外，硫对铸造生铁同样有害，它降低生铁的流动性及阻止炭化铁的分解，使铸件容易产生气孔和难于切削。,（1）硫对钢质量的危害,要求铁矿石或人造富矿中的含硫量不超过0.070.08，有的甚至要求不超过0.040.06。,在烧结过程中脱除矿石中极大部分的硫是比较经济的，而且也是可能的，这就为以后的冶炼过程的高主、优质、低耗创造有利条件。,（2）硫存在形式,5.4 烧结过程中杂质元素的脱除,以硫化物的形式存在的矿物有：FeS2、CuFeS2、CuS、ZnS和PbS等；以硫酸盐的形式存在的有BaSO4、CaSO4和MgSO4等。单质硫：主要是煤带入。,（3）脱除原理,氧化反应分解反应,3 FeS2+8O2=Fe2O3+6SO2,MeSO4=MeO+SO2+1/2O2,（4）影响因素,5.4 烧结过程中杂质元素的脱除,矿石的物理化学性质。,烧结矿和熔剂添加物的性质,燃料用量和性质,返矿的数量,
