中温（1300℃~1600℃）时：n/m=1~2； 即高温时燃烧以CO为主，低温时CO2占优势。烧结过程中燃烧带温度一般介于 1300~1500℃之间，因而固定碳燃烧的中间产物中CO2和CO的比例介于1~2之间。 由反应的组成环节可知，燃烧反应的速度取决于扩散速度和界面化学反应速度。 （1）气体通过边界层向焦炭颗粒表面的扩散速度V扩； V扩=D C0-C δ
铁矿粉烧结的基本理论
王喆
北京科技大学
烧结系列讲座的主要内容
1. 铁矿粉烧结的基本理论 2. 烧结矿的矿物组成与结构及其对烧结矿质量的影响 3. 铁矿粉基础性能及其在烧结优化配矿中的应用 4. 单种炉料矿相和冶金性能研究 5. 预还原烧结矿新工艺
2
世界铁矿粉的主要出口国家和地区
铁矿粉主要出口国家和地区
矿物组成，％
块矿种类
印度矿 MBR块 哈矿
赤铁矿
70－75 85 91.4
磁铁矿
3－5 5－7 0.3
褐铁矿
偶见 1 1.6
脉石
20－25 5－7 4
孔洞
5－10 10－15 1-3
1. 印度矿主要以赤铁矿为主，磁铁矿较少，约有20—25%的脉石。 2. 巴西矿的赤铁矿含量高达85%，其它矿物较少，空洞较多。 3. 哈块的两种主要矿物为赤铁矿和褐铁矿，赤铁矿稍多。此外，哈块的孔 洞也较多。
除了上述国家之外，其他出口铁矿粉的国家还有智利、葡萄牙、 伊朗等。
世界铁矿石“三巨头”
1
2
淡水河谷
必和必拓
3
力拓
铁矿石“三巨头”之一：巴西的淡水河谷 （Vale of Brazil）
淡水河谷公司成立于1942年6月1日，铁矿资源集中在“铁四角”地区和巴 西北部的巴拉州，保有铁矿储量约40亿吨，其主要矿产可维持开采近400年。 挺博佩贝铁矿 主要铁矿 卡潘尼马铁矿 卡拉加斯铁矿 除经营铁矿砂外，巴西淡水河谷公司还经营锰矿砂、铝矿、金矿等矿 产品及纸浆、港口、铁路和能源。
迪和戈德沃斯。这三个矿区的总探明储量约为29亿吨，目前铁矿石的
年产量为1亿吨。在亚里南部，还有未开发的C采区，保有储量45亿吨。
铁矿石“三巨头”之三：澳大利亚力拓
（Rio
Tin司成立于1873年的西班牙。并在2000年成功收购了 澳大利亚北方矿业公司，成为在勘探、开采和加工矿产资源方面的全球佼佼
者。该公司控股的哈默斯利铁矿有限公司是澳大利亚第二大铁矿石生产公司，
在西澳皮尔巴拉地区有五座生产矿山(即汤姆普赖斯铁矿、帕拉布杜铁矿、 恰那铁矿、马兰杜铁矿和布诺克曼第二矿区)，探明储量约为21 亿吨，公司
铁矿年生产能力为5500万吨。
不仅向全球提供铁矿石，还提供包括铝、铜、钻石、能源产品、黄金、工业 矿物等产品。
3.随着烧结矿层的增厚而燃烧层
温度的升高，自动蓄热作用不断 增强。
自动蓄热作用的利与弊
1.自动蓄热作用提高了烧结过程中热能的利用率，可以节省 固体燃料消耗，由于自动蓄热作用使料层温度升高，烧结矿 的强度亦得到改善，尤其是中下层烧结矿的强度提高的更为 明显。 2.增加料层厚度也带来不利的影响，它使上下层温差增大，
固定碳燃烧反应热力学
埃林汉氧位图。稳定单质(M)与1摩尔氧结合成氧化物（MxOy）的 反应的标准自由焓变量ΔG°(即氧势) 与温度T的关系图。
3
4 1
2
反应1：C+O2=CO2 △G=-94200-0.2T
反应2：2C+O2=2CO △G=-53400-41.9T
反应3：C+CO2 =2CO △G=--13500+11.5T 反应4：2CO+O2=2CO2 △G=--40800+41.7T
烧结燃料最好选择焦粉，若焦粉不足时，可选择挥发分较低的
无烟煤作为燃料，绝对不可以用烟煤做烧结燃料。主要是因为 无烟煤和烟煤的挥发分较高，会对烧结的除尘系统带来较坏的
影响。
烧结过程中的传热与蓄热
烧结过程中抽入的空气使固体燃料产生高温和废气，这样在料层中就 发生热交换，使得烧结得以正常进行，热能得到充分地利用。 烧结料层中热交换的特点和温度分布规律 1.燃烧层以上： 热量 烧结矿 空气
烧结矿质量不均，需要采用特殊烧结工艺解决。
高温区移动速度、温度水平和厚度对烧结过程的影响
烧结过程中的高温区也就是燃烧层，是烧结矿最为重要的部分； 高温区的移动速度指的是烧结矿最高点的移动速度。
燃料燃烧速度
垂直烧结速度 传热速度
几种铁矿粉的爆裂性
加热前>5mm， 加热后>5mm， ％ ％ 19.5 18.1 15.2 18.1 16.9 9.9 差值 ％ -1.4 -1.2 -5.3 加热前 <0.5mm，％ 34.5 36.2 26.2 加热后 <0.5mm，％ 36.3 38.2 32.3 差值 ％ 1.8 2 6.1
矿粉原料吸水量 矿粉 吸水量 巴西粗粉 10.59 印度粉 14.13 澳粉 17.46
原料的亲水性对烧结过程的影响为：
烧结过程中，随着烧结的进行，水分受热而蒸发，抽风的作用下，被带到烧结料 层下部的过湿层而冷凝。
亲水性强的矿粉，在制粒过程中需要的水量也就多。这就必然导致过湿带变后，
将使垂直烧结速度降低。
固定碳燃烧反应动力学
反应机理方程为： 吸附：xC+y/2O2=CxOy 断裂：由于温度的升高，产生热裂或由于新的氧分子的撞击而分解成CO2和CO；
CxOy
CxOy+O2 高温（大于1600℃）时：n/m=2 低温（小于1300℃）时：n/m=1；
=m CO2+n CO
所产生的CO2和CO的比例，随温度不同而异：
2.燃烧层：
炙热的 空气
+
温度达 到着火 点的碳
= 1300~1500℃高温
3.在干燥层和预热层： 热交换 烧结 废气 烧结料 气流速度高并 含有水分，原 料粒度细 烧结料温度迅速升高，该处物料中的水分急剧蒸发而干燥
预热层：1700~2000℃/min
干燥层：500℃/min
4.在过湿层：
从预热层下来的废气与物料的温度相差不大，热交换进行的很慢。 由于热交换的上述特点，因而沿料层高度的温度分布具有明显的规律性：
高温时，K很大，D很小，上市中第一项分母趋近于0于是 C0 V=D δ
总的反应控制在扩散速度范围内。
前一种情况，可通过提高反应温度来提高燃烧反应速度；后一种情
况，则可通过缩小燃料粒度或增大气流速度，增加氧浓度，以促进 燃烧反应。
烧结过程中固体碳燃烧的特点
烧结过程中燃料的燃烧既不同于炉灶中呈层状的碳的燃烧，也不 同于单颗粒碳的燃烧，它具有以下特点
温度曲线的基本特征不随料层高度、原料特性或其它因素而改变。
距离烧结矿表层的距离
自动蓄热作用
烧结过程是一个非等温过程，一般所谓烧结温度是指烧结层中某 一点所达到的最高温度，正常情况下，最高点温度随燃烧层的下 移而不断提高，这对烧结矿质量是有影响的。
1.空气经过烧结矿层时，被烧结 矿预热。 2.物理热被烧结废气带到燃烧层， 燃烧时产生更高的温度。
KC= D C=
整个反应的总速度： 1 V=KC= 1 + KC0 DC0 δ
式中，1/KC表示化学反应阻力， δ/DC0表示扩散阻力。因此，碳燃烧反 应受两个阻力的控制，它们与温度有较大的关系。 又因为K~e-E/RT
低温时，K很小，D很大，上式分母中第二项趋近于零，所以
V=KC0 总的反应控制在化学反应的范围内
需要较大的空气 过剩系数 废气中，CO、 CO2、O2同时存在 氧化区与还原区 同时存在，总的 气氛是氧化性的
一般为1.4~1.5，保证碳粒 的反应 热力学条件和烧结过程中 所发生反应共同决定的 离碳粒远近不同的区域的 气氛不同
烧结料层中，固体碳的反应基本处于扩散速度范围内。
根据烧结条件（碳粒直径3mm，Re=100）对碳燃烧速度的研 究表明，当温度低于700℃时，C+O2的反应速度处于化学反应 速度范围内；但温度高于1250℃时，该反应处于扩散速度范 围内。而烧结燃烧层温度在（1300℃~1500℃），气流速度又 不高（ Re=50~150 ），所以确认该反应为扩散反应控制。
几种常见澳粉的基本性能
几种澳粉的化学成分，％ 矿粉
哈粉 纽粉 罗布河粉
TFe
61.36 62.44 56.54
SiO2
3.9 4.7 6.09
CaO
0.18 0.1 0.13
MgO
0.35 0.06 0.21
Al2O3
2.35 2.26 2.8
S
0.02 0.009 0.022
P
0.112 0.089 0.048
燃料燃烧对烧结过程的影响
燃料的燃烧性
国丰烧结燃料的差热曲线
实验升温参数表 升温区间 0~1100°C 升温速率 15℃/min 燃料燃烧性的实验结果
燃料 焦粉 烧结煤 反应开始温度，℃ 566 501 反应终止温度，℃ 739 682 反应速率最大温度，℃ 637 582
气氛 空气
燃料的工业分析，％ 燃料 焦粉 烧结煤 烟煤 A 14.81 9.94 11.66 V 2.46 9.06 28.53 C固 80.16 80.76 59.37 S 0.37 0.47 0.65 H2 O 2.05 7.98 4.72
矿粉名称 哈粉 纽粉 罗粉
1.从表中可以看出：罗布河铁矿粉的爆裂性是最强的，实验后与实验强相 比，大于5mm的矿粉比例减少5.3%，而小于0.5mm的矿粉比例增多了6.1%； 哈粉和纽粉的爆裂性不太强，爆裂实验前后矿粉粒度变化不大。 2.罗布河粉的强爆裂性是与其矿物组成、烧损等有关的。
固定碳燃烧反应
式中， C0、C分别为空气中及碳粒周围的表面氧浓度； δ为气相边界层厚度；