【正文】 北京科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）鐵礦粉燒結(jié)液相流動(dòng)性鐵酸鈣液相工藝設(shè)計(jì)畢業(yè)論文目　　錄摘　　要 1Abstract 2引　　言 11文獻(xiàn)綜述 2 2 4 6 6 6 8 9 9 10 12 122燒結(jié)礦粉的理化基礎(chǔ)特性 15 15 15 17 24 253液相流動(dòng)性指數(shù)測(cè)定 26 26 27 28 304液相流動(dòng)性能新探索 32 32 34 37 37 40 415鐵酸鈣液相流動(dòng)性能探索 43 43 44 46結(jié)　　論 50參 考 文 獻(xiàn) 51附錄A 外文原文 54附錄B 外文譯文 61致　　謝 75 2 北京科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）1文獻(xiàn)綜述根據(jù)有關(guān)資料可知，世界鐵礦石的可開(kāi)采儲(chǔ)量為1500億噸。巴西、澳大利亞、印度、加拿大和南非等國(guó)的儲(chǔ)量約占世界總儲(chǔ)量的78 %。按目前的鐵礦石開(kāi)采速度，世界鐵礦資源可保證100年以上。世界鐵礦資源分布的特點(diǎn)是南半球國(guó)家富鐵礦床多，如巴西、澳大利亞、南非等國(guó)；北半球國(guó)家貧鐵礦床多，如前蘇聯(lián)、美國(guó)、加拿大、中國(guó)等國(guó)。我國(guó)鐵礦石富礦少、貧礦多，97%的鐵礦石為30%以下的低品位鐵礦，國(guó)內(nèi)尚存大量未被開(kāi)發(fā)利用的難選鐵礦。[1]序號(hào)地區(qū)可開(kāi)采儲(chǔ)量主要礦石類型1澳大利亞309赤鐵礦、褐鐵礦、馬拉曼巴礦2巴西616多孔赤鐵礦、鏡鐵礦、鐵英巖3印度134赤鐵礦、磁鐵礦4南非28赤鐵礦5委內(nèi)瑞拉18多孔赤鐵礦、鏡鐵礦、鐵英巖6加拿大62鏡鐵礦、磁鐵礦世界鐵礦石年產(chǎn)量約為11億t，中國(guó)是世界最大的鐵礦石生產(chǎn)國(guó),年產(chǎn)量為217億t，巴西和澳大利亞的鐵礦石產(chǎn)量分別為213億t和211億t，它主要鐵礦石生產(chǎn)國(guó)還有俄羅斯、印度、烏克蘭、加拿大及南非等。我國(guó)已查明鐵礦資源儲(chǔ)量607億噸，預(yù)測(cè)資源量1000億噸以上，占世界第3位[2]。我國(guó)鐵礦床類型多，地質(zhì)條件復(fù)雜，礦石品位低，平均品位僅為30%左右，以中低品位礦為主，%，%[3]。而且中小礦多，大礦少，特大礦更少。礦石類型復(fù)雜，難選礦和多組分共(伴)生礦所占比重大。難選赤鐵礦和多組分共生鐵礦石儲(chǔ)量各占全國(guó)總儲(chǔ)量的1/3。我國(guó)鐵礦石類型多，有磁鐵礦、釩鈦磁鐵礦、赤鐵礦，另外還有褐鐵礦、菱鐵礦和鏡鐵礦。磁鐵礦是我國(guó)最主要的鐵礦石原料，屬易選、利用率高的礦石類型,其儲(chǔ)量和開(kāi)采量均居各類鐵礦石之首,探明儲(chǔ)量約占總儲(chǔ)量50%，主要分布于遼寧、河北、山西、山東、安徽和內(nèi)蒙古等省區(qū)；赤鐵礦含鐵量在30%~50%，含磷高，屬難選礦石，探明儲(chǔ)量約占總儲(chǔ)量18%，主要分布在遼寧、湖北、河北、四川、湖南和內(nèi)蒙等省區(qū)；釩鈦磁鐵礦含鐵品位一般在30%以下，伴生V、Ti等貴重金屬，礦床規(guī)模大、易采易選，探明儲(chǔ)量約占總儲(chǔ)量14%，主要分布于四川和河北兩省。我國(guó)鐵礦中硫、磷、二氧化硅等有害組分含量高，多組分共生鐵礦石占了很大比重，而且有用組分嵌布粒度細(xì)，因此采選難度大、效率低、鐵礦石產(chǎn)量難以滿足國(guó)內(nèi)需求[4]。以攀枝花釩鈦磁鐵礦為例，該礦床屬巖漿型礦床，已探明鐵礦資源總量近100 億噸，％左右，礦區(qū)鐵礦石平均品位為25%～%，選礦后鐵精礦品位為54％~56%[5]。而我國(guó)從巴西、澳大利亞進(jìn)口的原礦石品位為60%～68％，不用經(jīng)過(guò)選礦工序。從我國(guó)鐵礦石資源情況來(lái)說(shuō)，適量的進(jìn)口鐵礦石滿足我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，已是必然趨勢(shì)。然而由于我國(guó)過(guò)分依賴國(guó)外鐵礦石資源，我國(guó)的鋼鐵企業(yè)為此付出了沉重的代價(jià)，當(dāng)前如果現(xiàn)在我們還不能立即著手準(zhǔn)備充分利用國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的鐵礦資源，包括低品位鐵礦資源，大幅提高國(guó)內(nèi)鐵礦石占消費(fèi)的比重，扭轉(zhuǎn)我國(guó)鋼鐵工業(yè)發(fā)展過(guò)度依賴國(guó)外鐵礦資源，過(guò)度依賴進(jìn)口鐵礦石的局面，我們還會(huì)付出更高的代價(jià)。因此從建立安全穩(wěn)定的供應(yīng)體系出發(fā)，加強(qiáng)國(guó)產(chǎn)鐵礦石生產(chǎn)，增加國(guó)產(chǎn)鐵礦石自給率，是確保鋼鐵行業(yè)和我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要策略。與國(guó)外大型的鐵礦企業(yè)相比，我國(guó)鐵礦開(kāi)采企業(yè)規(guī)模小，選冶技術(shù)裝備落后，勞動(dòng)生產(chǎn)率和資源利用率低，資源普遍儲(chǔ)備不足。而我國(guó)雖然貧礦較多，但有開(kāi)采利用潛力的低品位礦石數(shù)量還是很可觀的，我國(guó)鋼鐵工業(yè)發(fā)展過(guò)度依賴國(guó)外鐵礦資源所付出的代價(jià)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于低品位鐵礦資源開(kāi)發(fā)利用可能產(chǎn)生的環(huán)境代價(jià)。所以加大對(duì)低品位礦石的開(kāi)采和利用也有著重要的意義，但由于低品位礦石對(duì)于冶煉技術(shù)有著較高的要求，因此開(kāi)發(fā)低品位需要我國(guó)鋼鐵企業(yè)引進(jìn)先進(jìn)開(kāi)采和冶煉技術(shù)，促進(jìn)冶煉精料技術(shù)和高爐操作技術(shù)的進(jìn)步。更大程度上利用好低品位礦石[6]。國(guó)內(nèi)鋼鐵企業(yè)應(yīng)根據(jù)世界鐵礦石資源特點(diǎn)和供應(yīng)狀況,依據(jù)最新的配礦理論及技術(shù),合理選擇和有效利用國(guó)內(nèi)外鐵礦石資源,從而達(dá)到降低鋼鐵生產(chǎn)成本、增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的目的。自從19世紀(jì)末開(kāi)始，鋼鐵企業(yè)就已經(jīng)開(kāi)始考慮鐵礦粉以及包括含鐵廢料、粉塵、煙道灰、硫酸渣等工業(yè)過(guò)程廢料和副產(chǎn)品的造塊方法[7]。在100多年的發(fā)展過(guò)程中，燒結(jié)理論也日趨完善。目前，對(duì)鐵礦粉燒結(jié)工藝的定義可概括為[810]：將各種粉狀含鐵原料，按要求配入一定數(shù)量的燃料和熔劑，均勻混合制粒后布到燒結(jié)設(shè)備上點(diǎn)火燒結(jié)；燃料燃燒產(chǎn)生高溫區(qū)，高溫區(qū)內(nèi)發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)，混合料中部分易熔物質(zhì)發(fā)生軟化、熔化，產(chǎn)生一定數(shù)量的液相，液相物質(zhì)潤(rùn)濕其它未熔化的礦石顆粒；高溫區(qū)在抽風(fēng)作用下不斷向負(fù)壓方向運(yùn)動(dòng)，經(jīng)歷高溫過(guò)后，隨著溫度的降低，液相物質(zhì)將礦粉顆粒粘結(jié)成塊。這個(gè)過(guò)程叫做燒結(jié)。燒結(jié)的主要目的是：(1)將粉狀料制成具有高溫強(qiáng)度的快裝料以適應(yīng)高爐冶煉、直接還原等在流體力學(xué)方面的要求；(2)通過(guò)燒結(jié)改善鐵礦石的冶金性能，是高爐冶煉指標(biāo)得到改善；(3)通過(guò)燒結(jié)去除某些有害雜質(zhì)，回收有益元素達(dá)到綜合利用資源和擴(kuò)大鐵礦石原料資源?，F(xiàn)代燒結(jié)生產(chǎn)抽風(fēng)燒結(jié)過(guò)程，是將鐵礦粉、熔劑、燃料、代用品及返礦按一定比例配成燒結(jié)混合料，添加適量的水分，經(jīng)過(guò)混合和制粒后鋪到燒結(jié)臺(tái)車(chē)上，在一定負(fù)壓下點(diǎn)火，在強(qiáng)制抽風(fēng)的作用下，料層內(nèi)燃料自上而下燃燒，產(chǎn)生熱量，混合料在高溫下發(fā)生一系列的物理、化學(xué)變化，部分散料熔化生成液相，冷卻后粘結(jié)周?chē)锪?，最終固結(jié)生成燒結(jié)礦。燒結(jié)是液相粘結(jié)的固結(jié)過(guò)程。燒結(jié)過(guò)程中產(chǎn)生一定數(shù)量的液相,是燒結(jié)原料固結(jié)成塊的基礎(chǔ)[11]在燃料燃燒產(chǎn)生的高溫作用下，固相反應(yīng)中產(chǎn)生的低熔點(diǎn)化合物首先熔化,形成液相，并將其它未熔化的部分粘結(jié)起來(lái)，冷卻后成為多孔質(zhì)的塊礦。燒結(jié)過(guò)程中產(chǎn)生的液相數(shù)量是決定燒結(jié)礦的強(qiáng)度和成品率的主要因素[12]。燒結(jié)礦的生產(chǎn)先后經(jīng)歷了2個(gè)主要的發(fā)展時(shí)期，分別是最初的自熔性或低堿度燒結(jié)礦和現(xiàn)在的高堿度燒結(jié)礦。前者的粘接相以硅酸鹽熔體為主，而后者則以復(fù)合鐵酸鈣(SFCA)為主。SFCA理論是低溫?zé)Y(jié)工藝的理論基礎(chǔ)。SFCA被認(rèn)為是燒結(jié)礦中質(zhì)量最佳的粘結(jié)相，傳統(tǒng)意義上對(duì)其認(rèn)識(shí)包含：它的強(qiáng)度和還原性等均優(yōu)良；只能在相對(duì)較低的燒結(jié)溫度(1250—1280 ℃)下獲得，其形態(tài)隨溫度變化而變化等[13]；低溫?zé)Y(jié)的理論基礎(chǔ)就是SFCA理論，溫度過(guò)高不僅不利于SFCA的生成，反而會(huì)使鐵酸鈣的形態(tài)發(fā)生變化，甚至發(fā)生分解而減少。郭興敏等對(duì)SFCA的形成機(jī)理進(jìn)行了研究[14]，并對(duì)前人的大量工作做了很好的總結(jié)[15]。燒結(jié)礦屬于人造富礦。燒結(jié)原料中除了富礦粉，還可以利用高爐爐塵、轉(zhuǎn)爐爐塵、軋鋼皮、鐵屑、硫酸渣等其它鋼鐵及化工業(yè)的廢料，使廢料得到有效利用，做到變“廢”為寶，變“害”為利[16]。此外，燒結(jié)過(guò)程還可以脫除80~90%的S和F、As等有害雜質(zhì)，因此大大減輕了高爐冶煉過(guò)程中的脫硫任務(wù)，燒結(jié)礦堿度降低，有利于燒結(jié)過(guò)程中脫硫[17]。隨著燒結(jié)生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展和燒結(jié)自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用,燒結(jié)工藝不斷完善,燒結(jié)生產(chǎn)穩(wěn)定順行,利于節(jié)能降耗隨著燒結(jié)礦質(zhì)量的提高,高爐順行,焦比和燃耗降低,改善了高爐生產(chǎn)指標(biāo),推動(dòng)了鋼鐵業(yè)的發(fā)展。含F(xiàn)e品位是鐵礦石最重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一，礦石品位基本上決定了礦石的價(jià)格，即冶煉的經(jīng)濟(jì)性。市場(chǎng)上往往以含F(xiàn)e量單位數(shù)計(jì)價(jià)。因?yàn)镕e含量越高的礦石，脈石含量越低，則冶煉時(shí)所需溶劑量和形成的渣量也越少，用于分離渣與鐵所耗能量降低。礦石中除Fe以外的其它化合物統(tǒng)稱為脈石。脈石的成分包括SiOAl2OCaO和MgO，還有少量S、P、K、Na、Cu、Pb、Zn、F等有害元素。(1) SiO2對(duì)燒結(jié)的影響高SiO2型燒結(jié)礦，當(dāng)堿度，其粘結(jié)相礦物主要是鐵橄欖石和玻璃質(zhì)以及部分鈣鐵橄欖石。這些礦物在冷卻過(guò)程中體積收縮，引起燒結(jié)礦局部破裂，而不發(fā)生相變和體積膨脹而引起粉化，所以強(qiáng)度高，存放粉化少，但其還原性差；~，粘結(jié)相中鐵橄欖石和鈣鐵橄欖石數(shù)量減少，而硅酸二鈣(C2S)數(shù)量增加，但結(jié)構(gòu)仍以斑狀為主。由于硅酸二鈣增加，粉化加劇，軟化溫度升高。由于鐵酸鈣含量增加，燒結(jié)礦還原性變好；當(dāng)堿度，隨著堿度的提高，粘結(jié)相中鐵酸鈣及硅酸二鈣含量增加，并出現(xiàn)硅酸三鈣，燒結(jié)礦還原強(qiáng)度不斷提高，粉化率降低[1819]。低SiO2型燒結(jié)礦物組成與堿度的關(guān)系，類似于高SiO2型燒結(jié)礦。相同堿度下，SiO2含量低時(shí)，粘結(jié)相數(shù)量少，所以其強(qiáng)度低于高SiO2型。另外，由于低SiO2型燒結(jié)礦中低熔點(diǎn)粘結(jié)相少，而高熔點(diǎn)的基體Fe2O3或Fe3O4多，因此，燒結(jié)礦低SiO2型軟化溫度普遍高于高SiO2型。同時(shí)，又由于SiO2含量低，生成硅酸二鈣數(shù)量少，破壞力小，故還原粉化小。~，F(xiàn)e2O3出現(xiàn)高峰，主要是冷卻過(guò)程中由Fe3O4氧化而成的所謂再生的骸晶狀菱形赤鐵礦。(2) Al2O3對(duì)燒結(jié)的影響當(dāng)燒結(jié)料中含Al2O3較高時(shí)，可生成含Al2O3硅酸鹽，促進(jìn)復(fù)合鐵酸鈣的生成，減少硅酸鈣的生成，從而降低粘結(jié)相的溫度，提高燒結(jié)礦的氧化度，降低其粉化率，對(duì)改善燒結(jié)礦的性質(zhì)起良好作用。并且Al2O3能加寬針狀鐵酸鈣存在的溫度范圍：沒(méi)有Al2O3時(shí)，大約為1180 ℃~1230 ℃；含有適量的Al2O3時(shí)，針狀鐵酸鈣存在的溫度可以達(dá)到1300 ℃[2021]。另外，針狀鐵酸鈣的生成量與Al2O3/SiO2值有關(guān)。據(jù)報(bào)道：針狀鐵酸鈣最大生成量對(duì)應(yīng)的Al2O3/~。但是，燒結(jié)料中的Al2O3含量也應(yīng)控制，若Al2O3含量過(guò)高，使高爐渣中Al2O3含量超過(guò)22%~25%時(shí)，爐渣難熔而不易流動(dòng)，使冶煉造成困難。通常高爐渣中Al2O3含量控制在16%以下。(3) CaO對(duì)燒結(jié)的影響由于鐵礦粉中脈石成分主要是酸性氧化物，為保證燒結(jié)礦達(dá)到一定要求的堿度，通常需要加入一些堿性氧化物作為溶劑。鐵礦石燒結(jié)過(guò)程中CaO是主要熔劑，對(duì)燒結(jié)過(guò)程中液相的形成起著決定作用。隨著CaO量的增加，燒結(jié)過(guò)程中通過(guò)固相反應(yīng)形成較多的低熔點(diǎn)化合物，隨著燒結(jié)過(guò)程中溫度的升高，則會(huì)有較多的液相生成。而在燒結(jié)過(guò)程要求液相要適量，如果燒結(jié)過(guò)程中液相量不足會(huì)導(dǎo)致粉礦存在，燒結(jié)強(qiáng)度降低，成品率下降。同時(shí)如果燒結(jié)過(guò)程中形成的液相量太多，一方面不利于燒結(jié)過(guò)程中氣體的通過(guò)；另一方面，液相冷卻形成粘結(jié)相的強(qiáng)度要低于礦石自身強(qiáng)度[2223]。因此，液相量過(guò)多則冷卻后粘結(jié)相過(guò)多，導(dǎo)致燒結(jié)礦的強(qiáng)度降低。(4)MgO對(duì)燒結(jié)的影響鐵礦粉中的MgO，一方面能提高硅酸鹽熔體的結(jié)晶能力，減少玻璃質(zhì)含量，從而提高燒結(jié)礦強(qiáng)度；另一方面，加入適量MgO，由于出現(xiàn)新的含鎂礦物可使硅酸鹽熔化溫度降低，其低熔點(diǎn)化合物可以完全熔融，增加了燒結(jié)料層中的液相數(shù)量；另外，由于MgO的存在，減少了硅酸二鈣與難還原的鈣鐵橄欖石、鐵橄欖石生成的機(jī)會(huì)。但是若鐵礦粉中MgO含量過(guò)高，也有負(fù)面影響：一是MgO提高了形成熔體的液相溫度，降低了熔體的過(guò)熱度，導(dǎo)致熔體流動(dòng)性降低[24]；二是MgO為高熔點(diǎn)物質(zhì)，在相同的燒結(jié)溫度下，隨著MgO含量的增加燒結(jié)過(guò)程中形成的液相量也在逐漸減少。因此，MgO含量的增加會(huì)降低燒結(jié)礦的強(qiáng)度。(5) 有害元素硫在鋼凝固過(guò)程中以Fe—FeS共晶形式凝固在晶界上，在加熱過(guò)程中先熔化，造成“熱脆”現(xiàn)象。燒結(jié)球團(tuán)脫硫率80%~90%，高爐中脫硫率90%以上。磷化物聚集在晶界周?chē)鷾p弱晶粒間結(jié)合力，使鋼冷卻時(shí)發(fā)生很大的脆性，從而導(dǎo)致鋼的“冷脆”現(xiàn)象。高爐冶煉也不能脫磷，全部還原靜茹生鐵。銅在高爐冶煉中全部還原進(jìn)入生鐵，%時(shí)，鋼焊接性能降低，并產(chǎn)生“熱脆”現(xiàn)象。鉛的密度大于鐵水，不溶于鐵水，極易滲入磚縫，破壞爐底砌磚。另外，鉛在高爐內(nèi)有富集現(xiàn)象，造成高爐結(jié)瘤。鋅易還原，不溶于鐵水，在高爐內(nèi)有揮發(fā)現(xiàn)象，在爐底低溫處可冷凝沉淀，使磚縫膨脹，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起高爐結(jié)瘤。砷在高爐冶煉過(guò)程中全部還原進(jìn)入生鐵，砷能使鋼增加脆性，并使鋼的焊接性能變壞。氟過(guò)高會(huì)使?fàn)t內(nèi)成渣過(guò)早，不利于礦石還原，且其渣會(huì)侵蝕高爐風(fēng)口及爐襯。氟有循環(huán)富集現(xiàn)象，與堿金屬結(jié)合是造成高爐結(jié)瘤的原因之一。堿金屬在爐內(nèi)有“自動(dòng)富集”傾向，會(huì)破壞爐襯，造成爐墻結(jié)厚和結(jié)瘤；破壞焦炭的高溫強(qiáng)度，擴(kuò)大直接還原，導(dǎo)致焦比上升；降低人造富礦的熱強(qiáng)度，破壞高爐順行。燒結(jié)基礎(chǔ)特性是吳勝利教授根據(jù)對(duì)鐵礦粉在燒結(jié)過(guò)程中的高溫物理化學(xué)行為的探索性研究而提出的新概念。所謂鐵礦石的燒結(jié)基礎(chǔ)特性, 就是指鐵礦石在燒結(jié)過(guò)程中呈現(xiàn)出的高溫物理化學(xué)性質(zhì)。它反映了鐵礦石的燒結(jié)行為和作用，亦是評(píng)價(jià)鐵礦石對(duì)燒結(jié)過(guò)程以及燒結(jié)礦質(zhì)量所做貢獻(xiàn)的基本指標(biāo)。鐵礦石的燒結(jié)基礎(chǔ)特性主要包括：同化性能、液相流動(dòng)性能、粘結(jié)相強(qiáng)度性能、鐵酸鈣生成性能、連晶性能、粘附粉/核礦石的高溫結(jié)合性能，等等。目前與這一研究項(xiàng)目相關(guān)的國(guó)內(nèi)外其他研究者的工作還很少。在國(guó)外，為數(shù)不多的研究工作僅限于對(duì)鐵礦粉的同化性(反應(yīng)性)的評(píng)價(jià)方面[2527]，而且對(duì)鐵礦粉的同化性在燒結(jié)過(guò)程中的影響機(jī)理和定量化方面仍缺乏認(rèn)識(shí)。所謂鐵礦粉的同化特性就是鐵礦粉在燒結(jié)過(guò)程中與CaO 反應(yīng)的能力。在鐵礦粉燒結(jié)過(guò)程中，燒結(jié)礦的粘結(jié)相的形成始于CaO和Fe2O3的固相反應(yīng)，而最終得到以鐵酸鈣為主的礦物組成。因此，鐵礦粉的同化性成為考察鐵礦粉的燒結(jié)基礎(chǔ)特性的重要指標(biāo)。鐵礦粉的同化性表征其在燒結(jié)過(guò)程中生成液相的難易程度，是燒結(jié)礦有效固結(jié)的基礎(chǔ)。因此，研究鐵礦粉的同化性，對(duì)合理利用鐵礦石資源及優(yōu)化配礦提供技術(shù)基礎(chǔ)。以鐵酸鈣作為燒結(jié)礦的主要粘結(jié)相時(shí)，燒結(jié)礦的強(qiáng)度和還原性都很好。因此，要獲得鐵酸鈣體系液相，首先取決于礦石的同化作用。