《球团理论与工艺》PPT课件.ppt

review 1 干燥目的中间作业 生球的破裂温度低于预热温度 故应先干燥 否则结构遭破坏 球层透气性 焙烧作业生产率 成品球质量 2 干燥过程 表面汽化 内部扩散3 干燥过程中生球的行为 生球强度的变化 生球主要靠毛细力的作用 使粒子彼此粘结在一起而具有一定的强度 随着干燥的进行 球的强度 大部分毛细水排除后 还有触点态毛细水 球出现强度峰值 毛细水消失 球的强度 失去弱结合水瞬间 颗粒靠拢 分子力的作用 球的强度 结构破坏主要表现为裂纹和爆裂湿度差引起收缩不均 表里收缩不匀时产生应力 应力 球表面的拉应力或剪应力极限时 生球表面产生裂纹 削弱球团强度 在降速干燥阶段 内部扩散控制为主 水分主要透过蒸汽由内向外扩散的方式进行干燥 当传热过多 蒸汽多 来不及扩散到表面 球内蒸汽压 当压力超过干燥表层的径向和切向抗拉强度时 球团产生爆裂 结构遭破坏 4 提高生球破裂温度的途径 添加粘结剂 逐步提高干燥介质的温度和气流速度先在低于T爆下干燥 水分 T爆 再提高干燥温度 抽风 鼓风相结合 9 球团的焙烧理论基础 9 1概述9 1 1目的生球干燥后 干球抗压强度只有80 100N 个 满足不了运输和高炉冶炼要求 2500N 个 提高球团矿的强度有许多方法 但95 通过焙烧固结 5 通过低温固结 9 1 2常用设备竖炉带式焙烧机链箅机 回转窑 9 1 3球团矿焙烧过程分为5个过程 1 干燥 200 400 1段 水分蒸发 部分结晶水分解 2 预热 900 1000 2段 脱除少量水 磁铁矿氧化成Fe2O3 碳酸盐硫化物分解 氧化 固相反应 3 焙烧带 1200 1300 3段 铁氧化物的结晶和再结晶 晶粒长大 固相反应 部分液相形成 球团矿体积收缩及结构致密化 4 均热带4段 温度低于焙烧带 并保持一定时间使内部晶体长大 尽可能发育完善 矿物组成均匀化 消除部分内应力 5 冷却 5段 1000 下降到100 200 冷却后便于皮带运输 冷却过程中 尚未氧化的Fe3O4 Fe2O3 9 2球团中磁铁矿氧化及脱硫9 2 1Fe3O4氧化机理生产球团矿的原料主要是Fe3O4 也有赤铁矿 磁铁矿氧化为Fe2O3对球团固结有重要意义 1 磁铁矿充分氧化成Fe2O3对球团固结的意义 Fe3O4氧化成Fe2O3时晶体结构变化由等轴晶系 六方晶系 新生晶体表面原子有较高的迁移能力 有利于颗粒间形成晶桥 为放热反应 放出的热量几乎相当于焙烧球团矿总热量的一半 所以充分氧化有利于节能 不利影响 氧化不充分时 有剩余Fe3O4进入高温焙烧带 易形成 与SiO2 低熔点物质 在球团内部出现液态渣相 冷却时收缩 使球团内部出现同心裂纹 导致强度 还原性恶化 2 氧化机理 氧化阶段及其产物从200 1000 分为两个阶段进行第一阶段 4Fe3O4 O2 6r Fe2O3 200 400 第二阶段 r Fe2O3 a Fe2O3 400 1000 氧化途径成层状由表面向球中心进行 符合化学反应的吸附 扩散学说 大气中O2被Fe3O4颗粒吸附时 Fe2 Fe3 e 导致O2电离 O2 e 2O2 上述反应引起Fe3 扩散 氧化反应起主要作用的是Fe3 Fe2 O2 在固相层内的扩散 其中O2 扩散最慢 O2 失去电子变为原子 又不断与电子结合变为O2 的交换方式扩散 每次由O2 O的瞬间 在晶格结点间移动一段距离 3 氧化时间等温条件下 非熔剂性球团矿氧化时间可用扩散方程表示 其中 氧化转化度 d 球团直径 cmx 氧化带深度 cmt 氧化时间 sk 氧化速度系数 cm2 s 球团完全氧化时 1 k与介质含氧量有关 介质若为空气 k 1 2 0 2 x10 4cm2 s 若为纯氧 k 1 4 0 1 x10 3cm2 s 9 2 2球团矿脱S1 预热为强氧化气氛 有利于脱S 脱除90 以上 磁铁矿中硫一般以黄铁矿 FeS2 磁黄铁矿 FeS 形式存在 2 脱S反应FeS2在200 300 即开始分解FeS2 FeS SS O2 SO2 2FeS 7 2O2 Fe2O3 2SO2 FeS 9 3球团矿焙烧固结的机理烧结矿固结靠液相将颗粒粘结起来 其固结又称液相固结 液相量30 70 球团矿固结靠固相固结 即固体质点扩散反应形成连接桥 颈 液相粘结起辅助作用 液相量5 7 取决于SiO2含量 SiO2少 液相量少 否则液相多 焙烧时球团相只相互粘结 透气性 产量 9 3 1固相扩散反应及其固结机理1 固相扩散反应 塔曼温度固态物质间开始反应的温度称为塔曼温度 盐类 氧化物 T塔 0 57T熔硅酸盐 有机物 T塔 0 8 0 9 T熔 固相扩散反应动力细磨物料具有高分散性 比表面积大 表面能高 晶格缺陷严重 在塔曼温度时质点可进行位移 内扩散 晶体内质点位置的交换外扩散 晶体内质点扩散到晶体表面 也可扩散到与之相邻晶体内进行化学反应或聚集成较大的晶粒 影响固相扩散反应的因素 四个因素 温度T T V扩 粉碎度 细度 V扩 活化能降低 晶形转变结晶水分解 活化晶格 活化能 V扩 固溶体形成 液相 液相存在 对固相物质的扩散提供通道 也 V扩 强化固相扩散反应 预热段 900 1000 进行的反应主要是固相扩散反应 固相扩散反应类型 三种类型 a Fe2O3单元系Fe2O3固相扩散是球团矿固结的主要形式 主要球团原料为Fe3O4 预热时氧化为Fe2O3 产生晶格变化 具有巨大表面能 质点迁移能力强 通过扩散在A B颗粒间形成Fe2O3晶桥 将颗粒连接起来 使球团矿获得一定强度 A B 由于不同颗粒间结晶方向难以一致 故晶格结构不完善 只有在1200 1250 高温下 使Fe2O3再结晶和聚集再结晶 若原料为Fe2O3 则在1300 1350 下再结晶 消除晶格缺陷 增加颗粒接触面积 提高球团矿致密状 使球团矿获得牢固的固结和高的抗压强度 b CaO MgO Fe2O3二元系 CaO Fe2O3在500 600 开始产生固相反应 800 时已有80 CaO Fe2O3生成 1000 时100 CaO Fe2O3生成 若CaO过剩时 CaO Fe2O3 CaO 2CaO Fe2O3 CaO与SiO2的亲和力 CaO与Fe2O3的亲和力 但Fe2O3浓度大 SiO2浓度小 低温下优先形成CaO Fe2O3 由于共熔点低 出现液相 SiO2与CaO Fe2O3液相中的CaO反应 置换出Fe2O3重结晶析出 MgO与Fe2O3在600 时开始反应 生成MgO Fe2O3 由于MgO进入Fe3O4晶格 使小部分Fe3O4晶格稳定下来 因此含MgO球团矿中FeO含量高于一般球团矿 c CaO SiO2二元系CaO与SiO2在1200 进行固相反应 等mol 但过量CaO与SiO2生成2CaO SiO2的固相反应在500 700 之间可进行 2 球团矿固相固结机理 由于质点扩散 在颗粒接触处形成连接桥 颈 强度有所提高 图a a b 在连接颈的凹曲面上 由于表面张力产生垂直于曲颈向外的张应力 使曲颈表面下的平衡空位浓度高于颗粒其他部位 过剩空位浓度梯度将引起颈表面的空位向邻近的球表面发生体积扩散 即物质沿相反途径向颈迁移 使颈体积增大 由于体积扩散 颈长大速度服从下列关系 与成线性关系 颈高 球团半径 时间 c 温度愈高 体积扩散愈快 颗粒间接触面 粒子间距离 图b 起初粒子间孔隙形状不一 相互连接 最后变成圆形通道 这些通道收缩 孔隙率 图c 同时产生再结晶和聚晶长大 使球团致密 强度 9 3 2液相固结球团固结中 液相粘结起辅助作用 1 液相固结的作用 液相润湿颗粒表面 靠表面张力作用 使颗粒靠近 拉紧 并重新排列 使球团收缩 结构致密化 使固体颗粒溶解和重结晶 重结晶析出的晶体 消除晶格缺陷 提高晶桥强度 促进晶体长大 加速固相固结 液相存在 可加快固体质点的扩散 促使晶体长大 2 液相来源 固相 反应 扩散中形成的一些低熔点化合物或共熔物 随T熔 产生液相 球团原料中带入的低熔点矿物 如钾长石 在1100 左右便可熔化 添加剂 膨润土熔化温度较低 硼泥中B2O3600 开始熔融 3 液相量 适宜液相量5 7 以下 熔剂性球团矿液相量高于非熔剂性球团矿 对熔剂性球团 严格控制焙烧温度和升温速度 防止温度波动过大 产生过量液相 液相量太多 a 阻碍固相颗粒直接接触b 液相沿晶界渗透 使已聚晶长大的晶体 粉碎化 c 球团发生变形 相互粘结 恶化料层透气性 9 4铁矿球团固结形式9 4 1磁铁精矿球团固结形式 四种固结方式 1 Fe2O3微晶键连接Fe3O4 Fe2O3 800 时表面全氧化 新生Fe2O3晶体中原子扩散能力强 产生内 外扩散 在颗粒间形成连接桥 微晶 但赤铁矿晶体保持原有细小晶粒 微晶键连接使球团强度有所 但仍较低 2 Fe2O3再结晶连接 是铁精矿氧化球团矿固相固结的主要形式 是Fe2O3微晶键固结形式的发展 预热到1000 时 有95 的Fe3O4氧化成Fe2O3并形成微晶键 在最佳焙烧制度下 一方面 残存Fe3O4继续氧化 另一方面 Fe2O3晶粒扩散 产生再结晶和聚晶长大 颗粒之间孔隙变圆 孔隙率 球体积收缩 球内各颗粒连接成一个致密的整体 球团强度大大提高 3 Fe3O4再结晶 在中性气氛或氧化不完全时 球团内的Fe3O4在900 开始发生再结晶 使球团各颗粒连接 Fe3O4再结晶速度比Fe2O3再结晶慢 因此以Fe3O4再结晶的球团矿强度比Fe2O3再结晶的要低 4 液相粘结球团中含一定量的SiO2 在中性气氛或弱氧化气氛中或氧化不完全 在1000 时生成2FeO SiO2 2FeO SiO2 2FeO SiO2 焙烧温度 1350 即使在氧化气氛中 3Fe2O3 2Fe3O4 1 2O2Fe3O4与SiO2同样反应 生成2FeO SiO2 上述液相冷却时凝固 把球团矿固结起来 这种固结称为渣键固结 渣相固结 生产熔剂性球团矿时 氧化性气氛中产生的主要是铁酸钙系 有利球团矿固结 氧化不完全时则为钙铁橄榄石液相 对球团矿固结不利 5 固结方式的比较 Fe2O3再结晶最理想 所得球团矿强度高 还原性好 Fe2O3微晶键连接 强度低 在焙烧不均匀时出现 强度满足不了运输及高炉冶炼要求 Fe3O4再结晶虽然强度较好 但生成了难还原的硅酸铁 钙铁橄榄石等渣相 球团矿还原性 液相粘结中2FeO SiO2难结晶 易形成脆性的玻璃相 球团矿强度 但在熔剂性球团矿中 CaO Fe2O3系粘结相不仅 强度 而且还原性好 9 4 2赤铁矿球团固结形式1 小于1300 时 颗粒间无任何连接 2 1300 时晶体颗粒明显长大 小晶粒间形成初期连接桥 3 1350 时再结晶 球团强度达最大 4 1350 时 Fe2O3分解 生成Fe3O4和O2 使球团矿强度 9 5球团矿的矿物组成与显微结构和烧结矿相比 球团矿的矿物组成较简单 原料组成简单 一般一种铁精矿 少量粘结剂 熔剂性球团矿添加少量熔剂 反应简单 高温氧化 再结晶 9 5 1酸性球团矿1 矿物组成95 以上为Fe2O3 少量Fe3O4 氧化不完全 独立SiO2颗粒 SiO2 Fe2O3在氧化气氛不反应 液相量极少 硅酸盐 2 结构 氧化完全时 Fe2O3再结晶 晶粒长大连成一片 气孔不规则状 多为连通气孔 全气孔率和开口气孔率差别不大 强度高 还原性良好 Fe3O4精矿球团氧化不完全时 呈三层结构a 表层 氧化充分 和一般酸性球团矿矿物组成和结构相同b 中间过渡层 Fe2O3为主 Fe2O3晶粒间 被硅酸铁和玻璃质硅酸盐液相填充 有残余的Fe3O4c 中心层 残余Fe3O4重结晶 被硅酸铁和玻璃质硅酸盐液相填充 气孔多为圆形大气孔 冷却时体积收缩 形成同心裂纹 即球团矿成双层结构 外层Fe2O3为主 内层以Fe3O4和硅酸盐液相为主 中间被裂缝隔开 球团矿强度 9 5 2熔剂性球团矿1 矿物组成比酸性球团矿复杂 以Fe2O3为主 还含有铁酸钙 硅酸钙 钙铁橄榄石 液相量多 2 结构气孔呈圆形大气孔 平均抗压强度低于酸性球团矿 9 6影响铁精矿球团矿焙烧的因素球团矿强度矿物组成原料种类 取决于 取决于还原性结构焙烧制度焙烧温度 焙烧制度焙烧气氛高温保持时间9 6 1焙烧温度的影响1 选择原则两方面考虑 焙烧温度高 焙烧时间短 球团强度高 生产率 但Tmax 球团矿熔点及Fe2O3的分解温度 从设备使用寿命 燃耗 电耗考虑 焙烧温度应尽可能低 因T愈高 投资 寿命 燃耗 电耗 Tmin应足以使生球中各颗粒间形成牢固连接桥 2 选择方法根据原料种类和成分 通过实验确定 3 适宜温度 酸性球团矿Fe3O4精矿为原料 1200 1250 Fe2O3精矿为原料 1300 1350 赤铁矿球团焙烧温度高于磁铁矿球团 原因为 Fe3O4氧化成Fe2O3 活性 促进质点扩散 产生固相粘结 因此Fe3O4球团在较低温度下固结 Fe2O3球团中晶格的质点扩散只有在较高温度下 才发生晶粒长大的再结晶 熔剂性球团矿含CaO的熔剂性球团矿对温度较敏感 T 液相量迅速 若温度分布不均 则液相量分布不均 使球团强度 含MgO球团矿 渣相熔点高液相量少 焙烧温度相对要高 9 6 2加热速度1 适宜的加热速度57 min 120 min2 升温速度过快对球团矿质量的影响 升温过快 会使Fe3O4氧化不完全 使球团矿产生双层结构 表层由Fe2O3组成 内层由Fe3O4 2FeO SiO2 两层间形成同心裂纹 强度 升温过快 球团内外造成较大温差 产生不同膨胀 导致裂纹产生 球团强度 但升温过慢 生产率 9 6 3高温保持时间目的 在适宜的焙烧温度下保持足够时间 使再结晶及晶粒长大得以完成 否则 球团强度 时间过长 产量 还可能引起熔化粘结 质量 9 6 4焙烧气氛1 焙烧气氛分类根据燃烧产物中含O2决定 8 强氧化性气氛4 8 正常氧化性气氛1 5 4 弱氧化性气氛1 0 1 5 中性气氛 1 0 还原性气氛 2 对球团矿质量的影响 磁铁矿球团 氧化性气氛中焙烧效果最好 Fe3O4氧化成Fe2O3后 质点迁移活化能低于Fe3O4 原子扩散速度 有利于粒子间固相固结和再结晶 中性或还原性气氛中 Fe3O4原子扩散速度慢 再结晶不完全 靠硅酸铁 钙铁硅酸盐固结 与氧化性气氛所得球团矿相比 强度低 还原性差 赤铁矿球团只要不是还原性气氛即可 9 6 5燃料燃烧1 一般生产中所用燃料重油 煤气或煤粉燃烧产生热废气时作为热源 2 少数球团厂将煤粉或焦粉掺入球团中 以期节省燃耗 降低成本 日本加古川钢厂成功用于生产 但难以控制 防碍Fe3O4氧化9 6 6冷却制度的影响1 冷却目的 适应冶炼厂要求 便于运输和储存 否则 恶化劳动条件 增加设备先期磨损 有效地利用废气热能 节省燃耗 750 800 的废气返回均热带或作带式机 回转窑的二次助燃风 300 350