燒結(jié)原料對(duì)燃料燃燒的影響研究

司基元，亓建國

（山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司型鋼煉鐵廠，山東 濟(jì)南 271104）

1 燒結(jié)過程的概況

燒結(jié)，即將粉狀物料轉(zhuǎn)變?yōu)橹旅荏w的一系列物理化學(xué)變化的統(tǒng)稱。實(shí)際上這個(gè)工藝在很早之前就已經(jīng)被人類所利用，陶瓷的生產(chǎn)、冶金工業(yè)、耐火耐熱材料的合成，無不要利用到燒結(jié)工藝。常規(guī)來講，燒結(jié)的成品，即燒結(jié)后所得的致密體，是一種由晶體、玻璃體、氣孔所組成的具有多種性質(zhì)的多晶材料。正因?yàn)槿绱?，燒結(jié)的過程能直接影響到成品例如氣孔尺寸、晶界形狀分布的各性質(zhì)。

燒結(jié)從原料上也分固固化合、固氣化合、固液化合。要注意的一點(diǎn)就是，固液化合的情況下，固體原料很容易在熔化過程中發(fā)生分解反應(yīng)，所以必須保證燒結(jié)溫度在固體熔點(diǎn)以下，然而由于反應(yīng)效率的問題，溫度也不能太低。所以該反應(yīng)必須在真空或者某些特定環(huán)境下進(jìn)行。

2 燒結(jié)原料的概況

燒結(jié)原料可分為五個(gè)粒度級(jí)：5mm～8mm、3mm～5mm、0.5mm～1mm、0.15mm～0.5mm，添加劑粒度小于0.074mm，包含有煤粉、焦粉、石灰石、高鎂粉、巴西粉、蛇紋石。需要準(zhǔn)備的設(shè)備有溫控儀、電阻爐、坩堝、電子天平、熱天平、配氣柜、質(zhì)量流量計(jì)等。

3 實(shí)驗(yàn)過程的設(shè)計(jì)

分別以粒度大小、溫度、添加劑種類為變量，進(jìn)行燒結(jié)原料對(duì)燃料燃燒的影響研究。過程大致如下：用溫控儀控制電阻爐的溫度達(dá)到實(shí)驗(yàn)所需，且是恒溫狀態(tài)。接下來用電子天平稱取所需原料，裝入坩堝放置于電阻爐的恒溫帶上。連接熱天平后，利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)收集的失重值進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)中的其他數(shù)據(jù)則由質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)行控制。燒結(jié)過程中，要對(duì)氣體流量有著絕對(duì)完美地把控，所以選擇在試驗(yàn)30min內(nèi)，以1.6L/min的流量速度通入氮?dú)猓囼?yàn)60min，以2.0L/min的流量速度通入壓縮空氣。

4 試驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果分析

4.1 燃料單燒試驗(yàn)

燃料單燒試驗(yàn)主要是探究燃燒溫度、燃燒粒度對(duì)燃燒速率的影響，以焦粉、煤粉為原料，進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn)。分別設(shè)置:900℃、1000℃、1100℃、1200℃四個(gè)溫度閾值，確保在粒度和添加劑種類不變的情況下進(jìn)行試驗(yàn)。很快我們能發(fā)現(xiàn)，在測試的前半段通入氮?dú)獾倪^程中，會(huì)出現(xiàn)失重陡增的一個(gè)情況，這也就是燃料揮發(fā)造成的。帶失重陡增的情況逐漸消失后，進(jìn)入第二階段，也就是通入壓縮空氣的階段，此階段在有氧氣通入后，又會(huì)出現(xiàn)一個(gè)失重陡增的情況，并持續(xù)到試驗(yàn)結(jié)束。將數(shù)據(jù)繪成曲線圖，可以很明顯地看到，隨溫度的增高燃料燃燒速率都有很明顯地提高，在不同材料間變化幅度也不同。觀察曲線圖可以得知，焦粉受溫度變化影響較為明顯，而煤粉則基本上沒有發(fā)生太大變化。

再設(shè)計(jì)不同粒度的單燒試驗(yàn)，由于燃料燃燒速率會(huì)隨著溫度增高而增高，所以這里我們選擇1200度的恒溫條件，并改變?nèi)剂狭６?，設(shè)置0.15mm～0.5mm、0.5mm～1mm、1mm～3mm、3mm～5mm、5mm～8mm五個(gè)粒度值。我們還是以焦粉和煤粉兩不同原料做實(shí)驗(yàn)對(duì)照，通過實(shí)驗(yàn)我們可以很明顯看到，兩原料燃燒速率都會(huì)隨著粒度值得增大而降低，不難得出粒度大小影響燃燒接觸面的結(jié)論。利用收集的數(shù)據(jù)繪制曲線圖，可以很明顯看到，改變粒度后煤粉受變量影響非常大，而焦粉受影響相對(duì)而言小的多?？紤]原料自身問題，不難分析出焦粉本身疏松多孔，燃燒過程中有很好地?cái)U(kuò)散動(dòng)力學(xué)條件，因此粒度對(duì)其影響有但并不明顯。反觀煤粉，其結(jié)構(gòu)本身致密，氧氣與其接觸面受粒度影響較大，減小粒度能很好的提高燃燒速率。因此我們可以得出結(jié)論，根據(jù)不同的燃燒原料可以針對(duì)性地進(jìn)行變量調(diào)節(jié)。如果底料是煤粉，可以通過減小粒度來增大燃燒速率，如果底料是焦粉，可以通過增溫來增大燃燒速率。

4.2 添加劑的變量試驗(yàn)探究

前面對(duì)溫度和粒度變量進(jìn)行了探究，這里再對(duì)添加劑進(jìn)行變量試驗(yàn)探究。燒結(jié)原料分礦粉、熔劑、燃料等，此處選擇石灰石、蛇紋石、高鎂粉和巴西石作為研究對(duì)象。首先對(duì)添加劑進(jìn)行1200℃、2g的恒溫定量單燒試驗(yàn)，以獲取各添加劑在此溫度下的特性。很快我們可以發(fā)現(xiàn)蛇紋石、石灰石和高鎂粉都發(fā)生了失重，石灰石失重現(xiàn)象最為嚴(yán)重，高鎂粉相對(duì)來說稍微少一些，而蛇紋石的情況十分特殊。觀察曲線圖可以得知，蛇紋石在第一階段和第二階段的節(jié)點(diǎn)，即停止通氮?dú)?，改通氧氣的?jié)點(diǎn)，稍有增重。而巴西粉在此過程中，幾乎沒有發(fā)生失重的情況。稍作分析，不難發(fā)現(xiàn)，失重的主要原因是，水分的蒸發(fā)，有機(jī)質(zhì)的揮發(fā)，以及碳酸鹽的分解。蛇紋石的增重，我們分析蛇紋石成分可以得知，在通氧氣過程中，少量FeO與O2發(fā)生氧化反應(yīng)而增重。

再在此基礎(chǔ)上，將石灰石、蛇紋石、高鎂粉、巴西石與粒度1mm～3mm煤粉按1：1的比例混合在1200℃、2g的條件下進(jìn)行恒溫定向試驗(yàn)。收集數(shù)據(jù)并繪制曲線圖，我們發(fā)現(xiàn)熔劑在兩個(gè)階段都對(duì)煤粉燃燒有著促進(jìn)作用，仔細(xì)分析，實(shí)質(zhì)上這兩段的促進(jìn)作用完全不同。在第一階段，也就是通氮?dú)怆A段，添加劑里面的碳酸鹽都會(huì)出現(xiàn)分解的現(xiàn)象，產(chǎn)生的二氧化碳和碳粉發(fā)生溶蝕反應(yīng)，生成一氧化碳。在通氧階段，添加劑里面的堿土金屬化合物，不同程度上提高了煤粉的燃燒速率。由此可見，堿土金屬氧化物在高溫下依然能有較好的催化性質(zhì)。高溫下的堿土金屬氧化物催化作用主要來源于原子的金屬性，利用離子極強(qiáng)的極化能力，增加碳氧鍵的結(jié)合力，以此來促進(jìn)碳氧反應(yīng)進(jìn)行。再看其中較為特殊的巴西粉，在通氮?dú)怆A段，巴西粉中的三氧化二鐵與煤粉反應(yīng)生成一氧化碳。而通氧階段，除了煤粉與氧氣的反應(yīng)之外，還有低價(jià)鐵被氧化。

通氧階段初期，低價(jià)鐵的氧化反應(yīng)所占比重較大，所以第二階段初期會(huì)出現(xiàn)短暫的增重現(xiàn)象。過一段時(shí)間之后，這一反應(yīng)與碳的氧化反應(yīng)逐漸比重平衡，試樣失重現(xiàn)象明顯，催化效果也因此明顯的多。該催化過程中，低價(jià)鐵氧化物起到了很顯著的作用，第一階段和第二階段作用機(jī)制發(fā)生了變化。通氧階段主要是氧化鐵降低了氧的吸附活化能，起到催化的作用，從而增高煤粉的燃燒效率。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果總分析

燒結(jié)是一系列極為繁復(fù)的物理化學(xué)反應(yīng)的總過程，除了要注重控制溫度，通入的氣流速率和氣流成分外，還有許多需要注意的變量。顯然例如蛇紋石的熔劑和巴西石為代表的礦粉，都對(duì)煤粉的燃燒起到了促進(jìn)作用，但作用機(jī)制不同。以石灰石為熔劑代表，第一階段主要是溶蝕反應(yīng)起到的作用，第二階段則是堿土金屬氧化物的促進(jìn)作用。礦粉的區(qū)別主要在于，礦粉是在通氮?dú)怆A段參加了氧化還原反應(yīng)，然后再在氧化階段作為變價(jià)氧化物起到催化作用。顯然礦粉在兩個(gè)階段都能起到催化作用，而添加劑則在氧化條件下才起到作用。一個(gè)是從碳的角度入手，一個(gè)則是從氧的角度入手。

再看燒結(jié)底物的影響，這里要考慮底物本身的性質(zhì)，開頭設(shè)計(jì)煤粉和焦粉的自燒試驗(yàn)就是為了研究這一點(diǎn)。顯然溫度的改變對(duì)焦粉的影響更大，而粒度則對(duì)煤粉的影響要大。因?yàn)槿蹌┖偷V粉對(duì)煤粉的燃燒影響較大，所以后續(xù)試驗(yàn)也選定的底物是煤粉。

6 對(duì)試驗(yàn)結(jié)果分析優(yōu)化

經(jīng)過以上一系列的試驗(yàn)，很容易能得出熔劑和礦粉等添加劑，以及粒度對(duì)燃燒效率影響明顯的結(jié)論。在原料選取上，對(duì)燒結(jié)原料的要求，一般是含鐵原料品位高，成分穩(wěn)定，雜質(zhì)越少越好。燃料的選取上，目前一般是焦粉和無煙煤。由于固液化合的過程中必須控制好溫度的范圍，所以我們對(duì)燃料要求是固定碳含量高，灰分和揮發(fā)點(diǎn)都不能高?？紤]到硫?qū)θ紵^程的影響，燃料對(duì)硫的含量也有明確的要求，含硫量也有一個(gè)閾值。上述實(shí)驗(yàn)也分析過粒度的影響了，所以我們選取燃料的時(shí)，一般是選取3mm一下的這樣一個(gè)粒度。

考慮到要改善燒結(jié)料層的透氣性，我國燒結(jié)廠目前應(yīng)用較多的即二次混合。根據(jù)原材料的性質(zhì)，我們可以靈活選擇要不要進(jìn)行二次混合，一次混合的主要目的是潤濕和混勻，如果粒度已經(jīng)達(dá)到造球需要，可不進(jìn)行二次混合，代表材料有富礦粉。而類似精磨細(xì)礦粉這樣的原料，其粒度過細(xì)，透氣性較差，二次混合能很好地改善透氣性，較為適用。考慮到大多數(shù)反應(yīng)都是溫度較高的條件下速率較高，所以我們選擇1200℃的恒溫進(jìn)行探究。

7 結(jié)語

其它條件不變的情況下，溫度越高燃料燃燒效率越高，粒度對(duì)其的影響相反，粒度越小燃燒效率越高，對(duì)于不同的燃燒原料上述兩種條件的影響程度也不相同。礦粉和熔劑均對(duì)燃料的燃燒有不同程度的催化效果，催化機(jī)制也不盡相同，一個(gè)是鐵氧化物對(duì)碳氧反應(yīng)的活化能作用，一個(gè)則是堿土金屬氧化物在高溫下對(duì)碳的催化作用。我們根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，靈活選用原料和添加劑，綜合考慮成本以及生產(chǎn)效率，在特定溫度條件下，選取最優(yōu)方案。