微型烧结法分析

D0I:10.13374/i.issn1001-053x.2000.05.008 第22卷第5期 北京科技大学学报 Vol.22 No.5 2000年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct2000 微型烧结法分析 段东平王树同 孔令坛 北京科技大学冶金学院，北京100083 摘要在了解国内外烧结机理研究方法的基础上，介绍了由北京科技大学设计的微型烧结法 的构成和用法，并详细阐述了微型烧结法的的设计原理和理论依据，通过试验数据和生产过程 的分析对比，从理论推导和试验结果上分析、验证了其可靠性.该法把烧结过程的各阶段与微 型烧结法的试验联系起来，实现了烧结机理研究和生产研究的互补和关联. 关键词微型烧结法：机理：原理：分析 分类号T℉124.5 文献标识码：A 随着烧结和球团生产技术水平的不断提 外线加热炉中合成针状铁酸钙等矿物的反应情 高，炼铁工作者已经不满足于仅仅依靠烧结杯 况.同样，比利时的Renard Chaigneau也用红外 试验来开展烧结研究.因为，烧结杯试验更适合 线加热炉研究烧结合成反应阿.红外线加热炉能 于模拟生产实际和为生产提供工艺参数，但在 在设定速度的前提下控制加热和冷却，所以能 进行机理方面的研究工作时受到较大限制.于 够模拟在烧结机上所看到的温度制度，炉中的 是，一些研究人员开始探索适合于烧结、球团机 气氛也可以通过通入的不同气体来控制.目前， 理研究的试验研究方法， 这是一种控制精确、结果接近实际的实验方法， 有一种简单的方法四是：将粉状的化学试剂 但因其价格十分昂贵而不能被广泛采用. 按设定成分混合，压制成直径约45~74mm的压 北京科技大学烧结球团研究室研究设计的 块，然后放入镁质坩埚中加热至1300℃，用来 一种可以模拟烧结、球团生产过程的微型烧结 研究铁酸钙的形成和孔洞情况，该法还可以对 试验装置，可以通过对温度和气氛的控制达到 压块进行还原性测定， 模拟烧结和球团过程的目的剧.试样可以进行 日本的Fumio MATSUNO和Takeo HARA- 强度、体积测定，也可以做还原性研究，并能借 DA也用压制小饼的方法冈研究矿相结构，他 助于显微镜、X-射线等手段研究分析矿物组成 们先将各种原料粉碎、筛分至0.125mm以下： 和显微结构.北京科技大学的研究人员已用该 配料混合后，把约15g的混合料在钢模中压 装置先后为宝钢、韩国浦项钢铁公司等进行过 成中15mm×10mm的小饼，然后放入电炉中加热 多次研究试验，得到了厂家的认可.本文对微型 至所需温度.最后，通过显微镜和X-射线、 烧结法的实验原理和方法进行详细阐述， EPMA观察并检验结果. 台湾的Li-Heng HSIEH和Sheffield大学的 1微型烧结法 J.A.Whiteman在一项关于烧结矿中矿相形成过 微型烧结法是根据解剖烧结、球团过程中 程同化问题的研究中，采用了另外一种电炉加 的温度、废气成分和不同烧结带的矿相结构而 热的方法.他们将设定成分的混合料压制 设计的一种烧结及球团固结机理研究方法.该 成中6mm×6mm的试样后，在一个全封闭的反应 法能够定性地模拟烧结温度、气氛的变化对矿 体系中通入N,CO,CO2,Air混合气体，也能够 物形成带来的影响，微型烧结法与烧结生产或 较好地完成试验任务. 烧结杯试验相比，因为避开了混料、制粒、布料、 BHP公司的C.E.Loo等用红外线加热炉研 燃料及工艺操作参数等因素的影响，所以能够 究烧结料中核料被同化的影响因素，以及在红 有针对性地进行单因素解剖分析，因此更适合 2000-01-19收稍段东平男，31岁，工程师，博士生 于指导机理研究

第 2 卷 第 5 期 2 0 0 年 1 0 月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u rn a l o f U n vi e o ity o f s e i e n c e a n d l’e c h n o l o gy B e ji i n g Vb l . 2 2 N 0 . 5 O C t . 2 00 微型烧结法分析 段 东平 王树同 孔令坛 北京科技大学冶金学院 , 北京 10 0 0 83 摘 要 在 了解 国 内外烧 结机理 研究 方法 的基 础上 , 介绍 了 由北京 科技 大 学设计 的微型烧 结 法 的构 成和 用法 , 并详 细阐 述 了微 型烧 结法 的的设 计原理 和理 论依 据 , 通 过试 验数据 和生产 过程 的分 析对 比 , 从 理论 推 导和试 验 结果上 分析 、 验 证 了其可 靠性 . 该 法把 烧 结过程 的 各阶段 与微 型烧 结法 的试 验 联系 起来 , 实现 了烧 结 机理研 究和 生产 研 究的互 补和 关联 . 关键 词 微 型烧 结法 : 机 理 ; 原 理 : 分 析 分类 号 吓 1 24 .5 文 献标 识码 : A 随 着烧 结和 球 团 生 产 技术 水 平 的 不 断 提 高 , 炼铁工 作者 己经 不满足于 仅仅依靠烧 结杯 试验来开 展烧 结研究 . 因为 , 烧结杯试验更适合 于 模拟 生 产实 际 和 为生 产提供工 艺 参数 , 但在 进行机 理方面 的研 究工 作时受 到较 大 限制 . 于 是 , 一 些研究人员 开 始探索适合于烧 结 、 球 团机 理研 究 的试验研 究方法 . 有一 种 简单 的方法 lJ 是 : 将粉状的 化学 试剂 按设 定成 分混合 , 压制成直径约 45 一 74 In n l 的 压 块 , 然后 放入 镁质柑祸 中加热至 1 3 0 ℃ , 用来 研 究铁 酸钙 的形 成和 孔洞 情况 , 该 法还可 以对 压块进 行还原性测 定 . 日本 的 F um in M AT S U N O 和 几k e o H A R A - D A 也用 压制小饼 的方法 『2] 研 究矿 相结构 . 他 们先 将各种原料粉 碎 、 筛 分至 0 . 12 5 ~ 以下 ; 配 料混 合后 , 把约 15 9 的 混合料 在钢 模 中 压 成中巧 r n 〔 。 x lo ~ 的小 饼 , 然后 放入 电炉中加 热 至 所 需温度 . 最 后 , 通 过显 微镜 和 X 一 射线 、 E PM A 观 察并 检验 结果 . 台湾 的 L i 一 H e n g H S I E H 和 S h e if e ld 大 学的 .J .A 认七it e m an 在一 项 关 于烧结矿 中矿相 形 成 过 程 同化 问题 的研 究 中 , 采 用 了 另外 一 种 电炉 加 热 的方法 `3, 4, . 他 们将设 定成分 的混合料压 制 成中6 1ll l l l X 6 r n 们以的试样后 , 在一 个全封闭 的 反应 体系 中通入 N Z , C O , C 0 2 , A ir 混合气体 , 也 能够 较好地完成试 验任务 . B H P 公 司 的 C . E . L 0 o 等用 红外 线加 热炉 研 究烧 结料 中核料 被 同化 的影响 因素 , 以及在红 外 线加热炉 中合成针状铁酸钙等矿物 的反 应情 况 「5] . 同样 , 比利 时 的eR n adr C ha ign e au 也用红 外 线加 热炉研究烧结 合成反 应6[] . 红 外线加 热炉能 在设定 速度 的前 提下 控制加 热和 冷却 , 所 以 能 够模拟 在烧 结机 上所看到 的温 度制度 , 炉 中的 气氛也 可 以通过通入 的不 同气体来控制 . 目前 , 这是 一 种控制精确 、 结果接近 实际 的 实验方法 , 但 因其 价格 十分 昂 贵而 不 能被广 泛采用 . 北 京科技大 学烧 结球团 研究室研究设计 的 一 种可 以模 拟烧 结 、 球 团生 产过程 的微 型烧 结 试验装 置 , 可 以通 过对温度 和 气氛 的控 制达到 模拟烧 结和 球 团过程 的 目的 〔7, 吕, . 试样可 以进行 强 度 、 体积 测定 , 也可 以做还 原性研究 , 并能借 助于 显 微镜 、 X - 射 线等手段研 究分析矿 物组成 和显 微 结构 . 北京 科技大学 的研究人 员 已用该 装置 先后 为宝 钢 、 韩 国浦项钢 铁公 司等 进行过 多次研 究试验 , 得 到 了厂家 的认可 . 本文对微型 烧 结法 的实验原 理和 方法进行详 细 阐述 . 20 0 一 01 一 19 收稿 段 东平 男 , 31 岁 , 工程 师 , 博士 生 1 微型烧结法 微型烧结法 是根据解剖 烧结 、 球 团过程 中 的温 度 、 废 气成分和 不 同烧 结带的矿相 结构而 设计 的一种烧 结及 球 团固结机理研 究方法 . 该 法 能 够定 性地模 拟烧结 温度 、 气 氛的变化对矿 物形成 带 来 的 影响 . 微 型 烧结法 与烧 结生 产或 烧结杯试验相 比 , 因 为避 开 了 混料 、 制粒 、 布料 、 燃料及 工 艺 操作参 数等 因素 的影响 , 所 以能够 有针对 性地进行单 因 素解剖分 析 , 因 此更适合 于 指导机 理研究 . DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2000. 05. 008

Vol.22 No.5 段东平等：微型烧结法分析 ·423· 微型烧结试验研究装置主要由气源、焙烧、 与体积变化值：同时记录焙烧后的外形特征，包 监控三大部分组成，图1所示. 括颜色、体积变化、表面状态等特征，以说明小 试验过程包括配料、压饼、升温、焙烧、检 饼的熔融与物化反应进行的程度.然后在压力 验、观察等几个步骤.因为配料方案不同，混合 机上侧向加压测量每个小饼的抗压强度，抗压 料的密度则不同，故体积相同的小饼质量不同. 强度的修正公式m为：O:=2WπD1.最后，选取有 压饼时，将0.6000-0.7000g之间的某一质量 代表性的试样磨制光片，在显微镜下观察其组 的混合料在压饼容器中压至压力为1.2kN/cm2, 织结构和矿物组成的变化及特点. 保持20s,得到（φ8.0mm±0.1mm)×(4.0mm±0.1 选N2气氛模拟还原（分解）过程，选Air气 mm)的圆柱型小饼，自然干燥：焙烧前用千分尺 氛模拟氧化过程.根据动力学计算，化学反应速 测量每个小饼的厚度并记录，计算每个生饼的 度的临界值+10%为试验值，选定气流量5 体积和平均值.将生饼放入用FeCr-Al丝编织 L/min.试验按设定的升温制度焙烧，同时记录 的吊筐中焙烧，焙烧后用游标卡尺测量小饼的 试验过程中时间、温度的显示值：并用三笔记录 直径和厚度，记录并计算小饼被烧结后的体积 仪绘制时间一温度曲线，如图2所示. 1400 记录曲线 1200 1000 800 C 600 设定曲线 400 200 0 2 46810 图1微型烧结法设备系统图.1-YEW型三笔记录仪： z/min 2-PZ26型数字电压表：3-焙烧炉：4-螺旋升降装置： 图2试验升温曲线 5-Pt-Rh10热电偶：6-试样，7-LZB-6型玻璃转子流 Fig.2 Recorded temperature curves 量计：8-JWK-702型温控仪：9-氨气瓶：10-空压机 注：记录曲线在恒温段出现的不凹谷，即是的换气交叉点： Fig.1 The system of mini-sintering test 升温阶段是依靠手动螺旋控制，致使设定曲线与记录曲 线在初始阶段存在较大差距 2微型烧结法的设计原理 向的温度不同，在烧结料层的同一高度上所经 铁氧化物的分解、还原和再氧化是烧结物 历的温度变化也不同 化反应的重要部分，它影响着烧结矿的矿物组 在实际烧结料层中，温度分布是一个由低 成和液相形成，从而影响烧结矿的质量.因而， 温到高温、然后从高温迅速下降到低温的过 微型烧结法可以通过调节温度与气氛来模拟各 程，其温度在燃烧带达到最高点，此温度分布曲 种物理化学反应对烧结矿矿物组成和结构的影 线随着烧结过程沿着气流方向波浪式地移动， 响。 同时不断改变位置，其间有2个重要的变化 球团与烧结的生产过程有很大差别.由于 是：①最高温度点上升：②降温速度加快，即降 球团生产过程始终是氧化性气氛，球团的粒度 温段曲线斜率增大， 也均匀，其物化反应过程比较容易模拟，在此不 此外，物料的粒度、燃料消耗量以及空气消 作为主要论述内容， 耗量等对料层内温度分布都有不同影响阿.物 2.1烧结过程理论分析 料粒度越大、燃料消耗越低、气流速度（空气消 烧结过程沿料层高度方向大致可以分为冷 耗量)越大则最高温度越低.烧结粉料的成矿固 凝带、干燥预热带、燃烧带、烧结成矿旷带，烧结 结是烧结的根本目的，液相粘结又是成矿固结 的热变化过程主要表现在烧结各带温度的变化 的中心环节；烧结过程中形成的热分布状况明 上.事实上，由于烧结反应是由上而下沿料层 显地影响着烧结矿的形态及其物理特性与还原 高度方向进行，所以在同一时间，沿料层高度方 特性山.因而烧结的热变化过程、物理化学变化

V b】 一 2 2 N 0 . 5 段东平 等 : 微 型烧 结 法分 析 . 4 2 3 - 微型烧 结试 验研究装 置主 要 由气源 、 焙烧 、 监控 三大部分 组成 , 图 1 所 示 . 试验 过程包 括配料 、 压饼 、 升温 、 焙烧 、 检 验 、 观 察等几 个步骤 . 因 为配料方案 不 同 , 混合 料 的密 度 则不 同 , 故体积 相 同 的 小 饼质量不 同 . 压 饼 时 , 将 .0 6 0 0司.7 0 0 9 之 间 的 某 一 质量 的 混合料在压饼容 器 中压至 压力 为 1 . 2 k N / c m , , 保 持 2 0 5 , 得到 帅8 . o m 士 0 . l urn ) X ( 4 . o mrn 士 0 . 1 ~ ) 的圆柱 型小饼 , 自然干燥 ; 焙烧前用千 分尺 测 量每个 小饼 的厚 度并记 录 , 计 算每个 生饼 的 体积和 平 均值 . 将 生饼放入 用 F e 曰C r - A l 丝 编织 的吊筐 中焙烧 , 焙烧 后 用游标 卡尺测量 小饼的 直径 和 厚度 , 记录并 计算 小饼 被烧结后 的 体积 与体积变化值 ; 同时记录焙烧后 的外形特征 , 包 括 颜色 、 体积变 化 、 表面 状态等特 征 , 以说 明小 饼 的熔 融与物化 反应进行 的程度 . 然后 在压力 机 上侧 向加压测 量每个 小饼 的抗压 强度 , 抗压 强度的 修正 公 式 t7] 为 : a 压 = 2 月夕兀〕 . 最后 , 选取有 代 表性 的 试样磨 制光片 , 在显 微镜下观 察其组 织结构和 矿物 组成 的变 化及特 点 . 选 N Z 气 氛模 拟还原 ( 分 解 ) 过程 , 选 A ir 气 氛模拟氧化过程 . 根据动力学计算 , 化学反 应速 度 的 临界 值 +l 0 % 为试 验 值 , 选 定 气 流量 5 L /m in . 试验按 设定 的升温 制度焙烧 , 同 时记录 试验过程 中时间 、 温度 的显示值 ; 并用三笔记录 仪绘制 时 间一 温 度 曲线 , 如 图 2 所示 . 1 4 0 0 1 2 0 0 1 0 0 0 8 0 0仁 n00 nU 0 了042 洛g 1} 图 1 微型烧结法设备 系统图 . 1 一 Y EW 型三笔记录仪 : 2一 P z 2 6 b 型数 字电压 表 ; 3一 焙烧炉 ; 4 一 螺旋升降装置 ; 5 一 P t- R血 1 0 热 电偶 ; 6 一 试样 , 7 一 L Z B 一 6 型玻璃 转子 流 量计 : 8 一刃胃 K 一 7 02 型温控仪 ; , 一氮气瓶 ; 10 一 空压机 Fi g · 1 T h e s y s t e m o f m in i 一 s in t e ir n g t es t 图 2 试验升温 曲线 F啥 · 2 R c o dr de t e m P e r a t u er e u vr e s 注 : 记 录 曲线在 恒温段 出现 的不 凹谷 , 即是的换气 交叉点 ; 升温 阶段 是依靠 手 动螺 旋控 制 , 致 使设 定 曲线与 记录 曲 线 在初 始 阶段 存在 较 大差距 . 2 微型烧结法 的设计原理 铁氧 化物 的分 解 、 还原和 再氧化是 烧 结物 化 反应 的重要 部分 , 它影 响着 烧结矿 的矿物 组 成和 液相 形成 , 从而 影响 烧 结矿的质量 . 因 而 , 微 型烧 结法可 以通 过调 节温度与 气氛来模拟 各 种物理化 学反 应对 烧结矿矿物组成和 结构 的影 响 . 球 团与烧 结的 生 产过程有 很大差 别 . 由于 球 团生 产过 程始终 是氧化 性气氛 , 球 团的粒度 也 均匀 , 其物化 反应过程 比较容易模拟 , 在此不 作为主 要 论述 内容 . .2 1 烧结过程理论分析 烧结过程 沿料 层高度方 向大致可 以分 为冷 凝 带 、 干燥预 热 带 、 燃烧带 、 烧结 成矿 带 , 烧结 的热变化过程主要表 现在烧 结各带温度 的变化 上 `9] . 事 实上 , 由于烧 结反应是 由上 而 下 沿 料层 高度方 向进行 , 所 以在 同一 时间 , 沿料层 高度方 向的温度 不 同 , 在烧结料层 的同一 高度 上所经 历 的温 度变化也 不 同 . 在 实际 烧结料层 中 , 温 度分布 是一个 由低 温 到高 温 、 然 后 从高 温迅 速 下 降到低 温 的 过 程 , 其温度在燃烧带 达到 最 高点 . 此温度 分布 曲 线 `9] 随着烧结 过程沿着气流方 向波浪式地移动 , 同 时 不 断 改变位 置 . 其 间 有 2 个重 要 的 变 化 是 : ① 最高温 度点 上升 ; ② 降温速 度加 快 , 即 降 温段 曲线斜 率增 大 . 此 外 , 物料 的粒度 、 燃料 消耗 量以及 空气 消 耗量等 对料层 内温度分布 都有不 同影 响 「明 . 物 料粒度 越大 、 燃 料消耗越 低 、 气流速度 ( 空 气 消 耗量 ) 越大则最高温度越低 . 烧 结粉料 的成矿 固 结 是烧 结 的根本 目的 , 液相 粘结 又 是成矿 固结 的 中心 环节 ; 烧 结 过程 中形 成 的热 分布 状况 明 显 地影 响着烧 结矿 的形态及其物理特性与还原 特性 【, ” . 因而烧结 的热 变化过程 、 物理化学变化

·424… 北京科技大学学报 2000年第5期 过程是研究讨论的重点， 一部位在干燥预热阶段、烧结成矿阶段分别处 2.2烧结废气气氛 于升温和降温过程，气氛也单一，模拟较容易实 烧结过程中，由于空气中的氧与燃料中的 现：而在燃烧阶段，既有升温又有降温，还原和 碳发生剧烈的燃烧反应，所以烧结废气中除了 氧化同时存在，微型烧结法模拟的难度很大. N2以外，其余以CO2为主，并有少量CO和一些 在烧结燃烧带，焦粉燃烧使料层温度达到 自由氧.烧结各带所处的气氛不同，如图3所 最高点，燃料周围发生液相熔融和高温物理化 示.在燃料颗粒表面或燃料集中处，C0浓度很 学反应；此时，局部气氛也随着焦粉燃尽而由还 高，局部呈强还原性气氛 原性气氛开始转向中性、氧化性气氛.对于烧结 来说，这是一个很短暂的过程，时间不足1min, 22 随后进入高温氧化阶段，这是一个固相反应过 C02 18 程，烧结矿的组织结构和许多矿物要在高温氧 化段形成并发展.由于焦粉几乎是均匀分布于 14 烧结料层中，可以粗略地认为烧结过程是无数 10 个局部小单元的组合， ●02 6 所压制的小饼有一定的大小和密度，内部 c0 不含燃料，其物化反应和液相形成都靠外来热 量支持，与烧结过程的焦粉燃烧相比，温度升降 2 6 8 9 tg姑/min 较为平稳，而且要经过一定的时间才能达到内 图3烧结废气成分的变化 外均匀，最高温度也不一样：与此相对应，模拟 Fig.3 Components of sintering off-gas 高温燃烧带和高温氧化带就要有一个较长的过 程.而这样操作，温度和气氛容易控制，结果更 烧结过程中气氛与温度变化紧密相连.宏 为稳定，这也便于研究温度和气氛对矿物组成 观上看，燃烧终点（即温度最高点）属氧化与还 和结构的影响.从这个意义上讲，每个小饼就相 原的分界点. 当于烧结料中处于焦粉包围中的一个小单元， 冷凝带：主要是由料层上部高温废气携带 小饼粒度越接近焦粉颗粒间的平均距离，模拟 较多的水气经过，CO2多于干燥带，属中性或弱 就越接近实际， 还原性气氛，主要发生一些物理变化. 为了操作简使而真实，我们选N,气氛代替 干燥预热带：迅速发生热量交换，主要反应 还原（分解）气氛，选Air气氛代替氧化气氛：以 是水分蒸发、结晶水分解及石灰石分解，产生部 在N,气氛下的焙烧模拟燃烧带及其以前部分， 分CO,也属中性或弱还原性气氛. 以在Air气氛下的焙烧模拟高温氧化带及其以 燃烧带：从气氛上讲可以分前期和后期.燃 后部分，因为试验是以N,下铁矿物的高温分解 烧前期，燃料中碳与O2剧烈燃烧放热，产生C02 反应和物化反应来代替燃烧气氛下的各种反 与CO,料层温度达到最高点，此时属还原性：后 应，就出现了分解反应与还原反应能否很好对 期，由于碳已燃尽，空气中的氧与炽热的烧结矿 应的问题. 发生氧化反应，存在SFCA大量形成与长大、铁 氧化物被再氧化成为再生赤铁矿等变化.这一 3微型烧结法的热力学基础 阶段属氧化性气氛， 烧结成矿带：主要反应是液相凝结、矿物析 由氧化物的标准生成吉布斯自由能-温度 晶等，由上部抽入的冷空气在此被预热，同时烧 图（氧势图）可知，铁的氧化物中，FezO分解反 结矿旷被冷却，属氧化性气氛. 应(6Fe0,=4Fe0,+02)的△G°-T曲线较之 2.3微型烧结法的模拟思路 FeO,与FeO的分解反应(2FeO,=6Fe0+O2和 微型烧结法模拟的重点，是如何控制烧结 2Fe0=2Fe+O2)的△G-T曲线位置高，FeO,的 (焙烧)过程中温度与气氛对矿物组织结构的影 分解压在任何温度下都比其他氧化铁的分解压 响，根据烧结和球团过程的典型差异，可以从温 大得多，说明FezO,比FeO4和FeO更易分解.事 度和气氛上模拟2个不同的过程.烧结料的同 实证明，Fe,O,与FeO在烧结条件下分解是不可

一 4 2 4 - 北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 0 年 第 5 期 过程是研 究讨论 的 重点 . 2 .2 烧结废气气氛 烧结过 程 中 , 由于 空 气 中的氧与燃料 中的 碳发 生 剧 烈 的燃烧 反 应 , 所 以烧 结 废气 中除 了 N : 以外 , 其余 以 C O : 为主 , 并 有 少量 C O 和 一些 自 由氧 . 烧 结 各带所 处 的气氛 不 同 l9] , 如 图 3 所 示 . 在燃料颗 粒表面 或燃料集 中处 , C O 浓度 很 高 , 局 部 呈强还 原 性气氛 . 针 。尸洲尸一卜、 \ } C O 。 1 8 r 广 l 4 芝 1 0 容 6 2 。 / . 盆匕` - 一 . - 一 - . / 气 ’ 、 . 甲二丈一- . . 一 . ~ 、 、 ` 、 七 U ~ 、 、 . , 2 4 6 8 9 r 烧 结 m/ in 图 3 烧结废气成分的变化 F ig . 3 C o m P o n e n ts o f s in te ir n g o -f g a s 烧 结过程 中气 氛与温 度变化 紧密相 连 . 宏 观上 看 , 燃烧 终点 ( 即温 度最 高点 ) 属 氧化 与还 原 的 分界 点 . 冷凝 带 : 主 要 是 由料层 上部 高温废气 携带 较 多的 水气经过 , C O : 多于 千燥带 , 属 中性 或弱 还 原性气氛 , 主 要发生 一 些物理变 化 . 干燥预 热带 : 迅 速发生 热量交换 , 主 要反应 是水分蒸发 、 结 晶水分解及石灰石分解 , 产生 部 分 C O Z , 也属 中性或弱 还原性气氛 . 燃烧 带 : 从气 氛上讲可 以分前期 和 后 期 . 燃 烧 前期 , 燃 料 中碳与 0 2 剧烈 燃烧放热 , 产 生 C O Z 与 C O , 料层 温度达到 最 高点 , 此 时属 还原 性 ; 后 期 , 由于碳 已 燃尽 , 空 气 中的氧与炽热 的烧结矿 发生 氧化 反 应 , 存在 S F C A 大量形成 与长 大 、 铁 氧 化物被 再氧化成 为再生 赤铁矿 等变化 . 这一 阶 段属氧化 性气氛 . 烧 结成矿带 : 主要反应是 液相凝结 、 矿 物析 晶等 , 由上部 抽入 的冷 空气在此被预热 , 同时烧 结矿 被冷却 , 属 氧化性气 氛 . 2 .3 微型烧结法的模拟思 路 微 型 烧结法模 拟 的重 点 , 是 如 何控制烧 结 ( 焙烧 ) 过程 中温 度与气氛对矿物组 织结构的影 响 . 根据烧结和 球 团过程 的典型 差 异 , 可 以从温 度 和 气氛上 模拟 2 个不 同 的 过程 . 烧结料 的同 一部位 在干燥 预热阶段 、 烧 结成矿阶段 分别 处 于升温和 降温过程 , 气氛也单一 , 模拟较容易 实 现 ; 而 在燃烧 阶段 , 既 有升温又有 降温 , 还原和 氧化 同 时存在 , 微 型 烧结法 模拟 的难 度很大 . 在 烧 结 燃烧 带 , 焦粉燃烧 使料层温 度达到 最高 点 , 燃料 周 围发 生 液相 熔 融和 高温 物理化 学反 应 ; 此时 , 局 部气 氛也随着焦粉燃尽而 由还 原性气氛开 始转 向中性 、 氧化性气氛 . 对于 烧结 来说 , 这是 一个 很短暂 的过程 , 时 间 不足 l m in . 随后进 入高温氧 化阶段 , 这是一个 固相 反应 过 程 , 烧结矿 的组织 结构和 许 多矿物 要在 高温 氧 化段形 成并发展 . 由 于焦粉几乎 是 均匀分布 于 烧结料层 中 , 可 以粗 略地认为烧 结过程是 无 数 个局 部 小 单元 的 组合 . 所压 制的小 饼 有一 定 的 大小和 密 度 , 内部 不 含燃料 , 其 物化反 应 和 液相 形成 都靠外来 热 量支持 , 与烧 结过程的焦粉燃烧相 比 , 温 度升降 较为平 稳 , 而 且要经过 一定 的时 间 才能达 到 内 外 均匀 , 最高温 度也 不 一样 ; 与此 相 对应 , 模 拟 高温燃烧带和高温氧 化带就要有一个较长的过 程 . 而 这样操作 , 温度和 气氛容 易控制 , 结果更 为 稳定 , 这 也 便于研 究温 度和 气 氛对矿 物组成 和 结 构 的影 响 . 从这个意义上讲 , 每个小饼就相 当于 烧 结 料 中处于 焦 粉包 围 中的一个 小单 元 , 小饼粒度 越接近焦 粉颗粒 间 的平均距 离 , 模拟 就越接近 实 际 . 为 了操 作简便而 真实 , 我们 选 N Z 气氛代 替 还原 ( 分解) 气氛 , 选 A ir 气氛代 替氧化气氛 ; 以 在 N Z 气氛 下 的焙烧模 拟燃烧带及 其 以前部 分 , 以在 A ir 气 氛下 的焙烧模 拟高温氧化 带及其 以 后 部分 . 因 为试验 是 以 N Z 下 铁矿物 的 高温分 解 反 应 和 物 化 反 应 来代 替燃 烧 气氛 下 的 各 种 反 应 , 就 出现 了 分解反 应 与还原反 应 能否 很好 对 应 的 问题 . 3 微型烧结法 的热 力学基础 由氧 化物 的标准 生 成 吉布斯 自由能一 温度 图 ( 氧势 图 ) 〔, , ,可知 , 铁 的氧化物 中 , F e 2 0 , 分解 反 应 ( 6 F e 2 0 , = 4 Fe 3 0 4 + 0 2 ) 的 △ G e 一 T 曲线较之 Fe 3认 与 F e o 的分解反 应 ( ZF e 3 O : = 6 F e o + 0 : 和 Z F e O = Z Fe + 0 2 ) 的△ G e 一 T 曲 线位置 高 , F e 2 0 , 的 分解 压 在任何温 度下 都 比其他氧化铁 的分解压 大得多 , 说 明 F e 2 0 3 比 F e 3 O 4 和 F e O 更易分解 . 事 实证 明 , F e 3 0 4 与 F e O 在烧 结条件下 分解 是不 可

VoL.22 No.5 段东平等：徽型烧结法分析 425. 能的向，从热力学观点考虑，同样对比可知， 始进行，在燃烧带反应充分.实验室研究表明， FeO在烧结过程中最易还原；而FeO,与FcO 气相中存在C0,(C0C02混合气体)并不减缓 在烧结过程中被CO还原是有条件的，FeO,有 赤铁矿的还原， 可能被还原为FcO,但比Fe,O,的还原困难得多： 计算得出，Fe0,在1250℃分解的P8= 而FeO不可能被还原成为Fe.所以，在烧结条 0.442kPa. 件下FO,的各种物化反应就成为模拟和研究 对比赤铁矿(FeO,)在烧结过程中的还原与 的主要内容.这样，可以通过氧化物在某温度 分解可以认为，还原反应起主导作用，分解反应 的△G°(J/mol)值来判断FeO,的还原或分解. 相对较弱。 当然，焦粉周围的局部强还原性气氛和金 属化烧结矿的情况就另当别论， 4烧结小饼与烧结矿的对比 Fε：O分解反应和标准生成吉布斯自由能， 微型烧结法升温过程分为升温段、恒温段、 为： 降温段：恒温段中点前、后分和Air气氛.在 6Fe,03=4Fe0,+02△G°=586770-340.20T N阶段，以FO,的分解反应代替还原反应，此 又由化学反应的平衡常数K得出： 时氧分压Po在0.10.5kPa之间，分解效果应该 △G=-RTnK=-RTnP8. 相当于烧结条件下氧化物分解与还原的总和， 联立△G即可求出FeO,在任意温度分解 由显微结构照片1,2的对比可知，在这一阶段 时的氧平衡分压数P8,或在某P哈下分解所需的 焙烧小饼的FeO,反应与烧结过程基本相似，铁 温度范围 酸钙、玻璃、硅酸二钙等的形成也基本与烧结实 在烧结过程中，最高温度达1300℃左右，抽 际相近.因此，用，气氛下的焙烧可以代替烧 风负压为90kPa,相应地可以计算出Fe,O,在各 结温度最高点以前的各种反应.在由N换为Air 个氧分压下的分解温度，这一结果与文献[]中 后，形成完全的空气气氛，其氧势大于烧结温度 是接近的. 最高点以后的温降阶段：最终，焙烧小饼的氧化 同理，F©，O的还原反应和标准生成吉布斯 效果强于烧结实际.但其试验结果和矿物结构 自由能为： 同样能指导、解释烧结生产，可对比图6和图7. 3Fe,0,+C0=2Fe0,+C02, 图4,5,6,7分别是培烧小饼在N,终点和焙烧后 表1烧结过程下©O,分解情况 的显微结构照片及烧结杯解剖试验显微分析结 Table 1 Decomposed result of sintered ferrie oxide 果照片. 位置 w/% Po/kPa te/℃ 由以上分析对比认为，微型烧结法可以模 预热带 810 7.29 13481356 燃烧带 27 1.8-6.3 1298-1343 拟、指导烧结杯试验，基本适于烧结、球团固结 冷却带20-21 18-19 1382-1385 机理方面的研究， △G°=-52130-41.0T. 由化学反应的平衡常数K: △G=-RnnK=-RTn(P8/P) 在实际生产中，当使用情性物料（例如石英 砂)烧结时，燃料燃烧产物中CO/CO(体积比)为 0.761.00,由此可以计算出Fe01在相应C0分 压下的理论还原温度为：-998-931℃.计算表 明，Fe,O还原成Fe,O,的平衡气相中，CO含量 (体积分数)要求很低，即CO/C0的体积比值很 大，徽量的CO混合气体就足以完全还原赤铁 矿成为磁铁矿：因为反应平衡点的理论温度 图4墙烧小饼N,线点显微结构 为-998℃，所以在烧结条件下FeO,的还原反应 Fig.4 Microstructure of sintered sample in nitrogn atmos- 始终正向进行，还原反应在烧结的预热带就开 phere

·d26· 北京科技大学学报 2000年第5期 图5烧结燃烧终点显嫩结构 图6培饶后小饼的型微结构 Fig.5 Microstructure of sinter cake at the end of sintering Fig.6 Microstructure of sintered sample 2 Fumio MATSUNO.Takeo HARADA.Changes of Mineral Phases during the Sintering of Iron Ore-Lime Stone Sys- tem.Transactions ISIJ,1981,21:318 3 Li-Heng HSIEH,Whiteman JA.Sintering Conditions for Simulating the Formation of Mineral Phases in Industrial Iron Ore Sinter.ISIJ International,1989,29(1):318 4 Li-Heng HSIEH,Whiteman J A.Effect of Oxygen Poten- tial on Mineral Formation in Lime-fluxed Iron Ore Sinter. ISIJ International,1989,29(8):625 5 Loo CE,Williams R P.Mattews L T.Designing Iron Ore Sinter Mixes for Optimum Raw Material Utilization.in: .250h Proceedings of the Sixth International Iron and Steel Con- 图7烧结杯成品矿显微结构 gress.Nagoya:ISIJ,1990 Fig,7 Microstructure of sinter cake in sinter pot 6 Renard Chaigneau.Complex Calcium Ferrites in the Blast Fumnace Process:[Thesis of Ph.D].Delft University Press. 5 结语 1994 微型烧结法的理论分析和试验结果证明， 7 Lu Yang.Kong Lingtan,W-K Lu.The Effects of Gangue Minerals and Fluxes on the Quality of Iron Ore Pellets.ISS 该法可以定性地研究烧结过程的一些机理问 Transactions,1985.25(6):1 题，具有较为广泛的使用价值.研究人员可以根 8梁得兰，孔令坛，烧结矿固结机理的徽型烧结实验研 据研究内容的不同而选择适当的温度、气氛和 究方法.矿冶工程，1996,16(2)增刊：74 试样大小，以达到分类研究各种不同问题的目 9周取定，孔令坛.铁矿石造块理论与工艺。北京：治 的 金工业出版杜，1992 10中南可冶学院团矿教研室。铁矿粉造块.北京：冶 参考文献 金业出版社，1975 1 Takayuki MAEDA.Yoichi ONO.Kinetics of Gaseous Re- 11 Dawson P R.Recent Developments in Iron Ore Sintering duction of Quatemary Calaium Ferrite.in:Proceeding of Ironmaking and Steelmaking.1993,20(2):135 The Six Interational Iron&Steel Congress.Nagoya:ISIJ. 12黄希计.钢铁冶金原理.北京：冶金工业出版社，1990 1990 Analysis on Mini-Sintering Test DUAN Dongping.KONG Lingtan,WANG Shutong Metallurgy School,UST Beijing.Beijing 100083.China ABSTRACT The construction and direction of amini-sintering test designed by USTB was introduced.The principle and theory about the mini-sintering test were also explained.The dependability concluded from the- ory analysis and experiment conclusion was investigated and proved by testing data and producing process. The contacting and reinforcing between sintering mechanism and sinter production was connected with phases of agglomeration producing and sample of mini-sintering test. KEY WORDS mini-sintering;mechanism;principle;analysis