烧结过程物理化学反应

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130~400KJ／m2.h.℃，而矿石的导热系数为0.60kJ／m2.h.℃)。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：6~9%。富矿粉（赤铁矿）为主：9~10%褐铁矿为主：12~14%，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：6~9.5%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）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100~200℃可以脱除（如褐铁矿）。分解温度见表5-15.2烧结过程中固体物料的分解（二）碳酸盐的分解CaCO3MgCO3FeCO3MnCO323COMeOMeCO化学沸腾分解温度生成区分解区平衡线BTAPMeCOCO32)ln(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tktrk)R1(1103/1tk)R1(R32123/2界面结晶化学反应控制扩散反应控制碳酸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%100CaOCaOCaOD石残石－%100CaOCaOCaOCaOKH总残游总与烧结温度，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)MO(Op2(s(s)222PK0HO)2M2MO当Po2＞P'o2ΔG＜0，氧化物分解；当Po2＜P'o2ΔG＞0，氧化物生成；当Po2=P'o2ΔG=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↔Fe3O4↔Fe2O3；570℃以上时，Fe-O体系的转变为：Fe↔FeO↔Fe3O4↔Fe2O3MnO2→Mn2O3→Mn3O4→MnO→Mn5.3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)1/4Fe3O4+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+CO2ΔH0=-13183J+CO2+C=2COΔH0=169691JFeO+C=Fe+COΔH0=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%100)TFeFeO2591.01(100)TFe3Fe1(2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/CO5.3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0.07~0.08％，有的甚至要求不超过0.04~0.06％。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3FeS2+8O2=Fe2O3+6SO2MeSO4=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