燒結原料對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 濟南 271104）

1 燒結過程的概況

燒結，即將粉狀物料轉變為致密體的一系列物理化學變化的統稱。實際上這個工藝在很早之前就已經被人類所利用，陶瓷的生產、冶金工業、耐火耐熱材料的合成，無不要利用到燒結工藝。常規來講，燒結的成品，即燒結后所得的致密體，是一種由晶體、玻璃體、氣孔所組成的具有多種性質的多晶材料。正因為如此，燒結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。

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

2 燒結原料的概況

燒結原料可分為五個粒度級：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。需要準備的設備有溫控儀、電阻爐、坩堝、電子天平、熱天平、配氣柜、質量流量計等。

3 實驗過程的設計

分別以粒度大小、溫度、添加劑種類為變量，進行燒結原料對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到實驗所需，且是恒溫狀態。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，利用數據采集系統收集的失重值進行分析，實驗中的其他數據則由質量流量計進行控制。燒結過程中，要對氣體流量有著絕對完美地把控，所以選擇在試驗30min內，以1.6L/min的流量速度通入氮氣，試驗60min，以2.0L/min的流量速度通入壓縮空氣。

4 試驗現象及結果分析

4.1 燃料單燒試驗

燃料單燒試驗主要是探究燃燒溫度、燃燒粒度對燃燒速率的影響，以焦粉、煤粉為原料，進行對照實驗。分別設置:900℃、1000℃、1100℃、1200℃四個溫度閾值，確保在粒度和添加劑種類不變的情況下進行試驗。很快我們能發現，在測試的前半段通入氮氣的過程中，會出現失重陡增的一個情況，這也就是燃料揮發造成的。帶失重陡增的情況逐漸消失后，進入第二階段，也就是通入壓縮空氣的階段，此階段在有氧氣通入后，又會出現一個失重陡增的情況，并持續到試驗結束。將數據繪成曲線圖，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生太大變化。

再設計不同粒度的單燒試驗，由于燃料燃燒速率會隨著溫度增高而增高，所以這里我們選擇1200度的恒溫條件，并改變燃料粒度，設置0.15mm～0.5mm、0.5mm～1mm、1mm～3mm、3mm～5mm、5mm～8mm五個粒度值。我們還是以焦粉和煤粉兩不同原料做實驗對照，通過實驗我們可以很明顯看到，兩原料燃燒速率都會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論。利用收集的數據繪制曲線圖，可以很明顯看到，改變粒度后煤粉受變量影響非常大，而焦粉受影響相對而言小的多。考慮原料自身問題，不難分析出焦粉本身疏松多孔，燃燒過程中有很好地擴散動力學條件，因此粒度對其影響有但并不明顯。反觀煤粉，其結構本身致密，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論，根據不同的燃燒原料可以針對性地進行變量調節。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 添加劑的變量試驗探究

前面對溫度和粒度變量進行了探究，這里再對添加劑進行變量試驗探究。燒結原料分礦粉、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象。首先對添加劑進行1200℃、2g的恒溫定量單燒試驗，以獲取各添加劑在此溫度下的特性。很快我們可以發現蛇紋石、石灰石和高鎂粉都發生了失重，石灰石失重現象最為嚴重，高鎂粉相對來說稍微少一些，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點，即停止通氮氣，改通氧氣的節點，稍有增重。而巴西粉在此過程中，幾乎沒有發生失重的情況。稍作分析，不難發現，失重的主要原因是，水分的蒸發，有機質的揮發，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發生氧化反應而增重。

再在此基礎上，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的條件下進行恒溫定向試驗。收集數據并繪制曲線圖，我們發現熔劑在兩個階段都對煤粉燃燒有著促進作用，仔細分析，實質上這兩段的促進作用完全不同。在第一階段，也就是通氮氣階段，添加劑里面的碳酸鹽都會出現分解的現象，產生的二氧化碳和碳粉發生溶蝕反應，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。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，利用離子極強的極化能力，增加碳氧鍵的結合力，以此來促進碳氧反應進行。再看其中較為特殊的巴西粉，在通氮氣階段，巴西粉中的三氧化二鐵與煤粉反應生成一氧化碳。而通氧階段，除了煤粉與氧氣的反應之外，還有低價鐵被氧化。

通氧階段初期，低價鐵的氧化反應所占比重較大，所以第二階段初期會出現短暫的增重現象。過一段時間之后，這一反應與碳的氧化反應逐漸比重平衡，試樣失重現象明顯，催化效果也因此明顯的多。該催化過程中，低價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制發生了變化。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 實驗結果總分析

燒結是一系列極為繁復的物理化學反應的總過程，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，都對煤粉的燃燒起到了促進作用，但作用機制不同。以石灰石為熔劑代表，第一階段主要是溶蝕反應起到的作用，第二階段則是堿土金屬氧化物的促進作用。礦粉的區別主要在于，礦粉是在通氮氣階段參加了氧化還原反應，然后再在氧化階段作為變價氧化物起到催化作用。顯然礦粉在兩個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。一個是從碳的角度入手，一個則是從氧的角度入手。

再看燒結底物的影響，這里要考慮底物本身的性質，開頭設計煤粉和焦粉的自燒試驗就是為了研究這一點。顯然溫度的改變對焦粉的影響更大，而粒度則對煤粉的影響要大。因為熔劑和礦粉對煤粉的燃燒影響較大，所以后續試驗也選定的底物是煤粉。

6 對試驗結果分析優化

經過以上一系列的試驗，很容易能得出熔劑和礦粉等添加劑，以及粒度對燃燒效率影響明顯的結論。在原料選取上，對燒結原料的要求，一般是含鐵原料品位高，成分穩定，雜質越少越好。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，所以我們對燃料要求是固定碳含量高，灰分和揮發點都不能高。考慮到硫對燃燒過程的影響，燃料對硫的含量也有明確的要求，含硫量也有一個閾值。上述實驗也分析過粒度的影響了，所以我們選取燃料的時，一般是選取3mm一下的這樣一個粒度。

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

7 結語

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