1、粉体造块工艺与设备,造块的基本概念,造块的基本概念,粉体成型是将粉体物料加工成具有一定尺寸和形状的块状物体，粉体固结则赋予成型制品以一定用途所要求的性能（如强度等）。不同的粉体原料，采用不同的粉体成型与粉体固结方式，可以生产出各种具有确定用途的产品，从而形成不同的工业领域，如粉末冶金、耐火材料、陶瓷工业、型煤生产、高温冶金炉料等。由于金属材料，特别是钢铁冶金的高速发展，粉体造块已成为应用广泛的工业领域。 为高温冶金提供的炉料，必须有一定的粒度大小和适宜的粒度分布。过大的炉料需破碎，过小的粉末需造块，以适宜高温冶炼的需要。 造块（agglomerate）是在不完全熔化的条件下，将粉状物料变成块状
2、物料。以造块形式提供的炉料称为熟料。相应地，以一定的粒度大小的原矿形式（块矿）提供的炉料称为生料。,造块在将粉状物料变成块状物料的同时，可以调整熟料的化学成分、矿物组成，一些冶金反应在造块过程中先行完成（如碳酸盐的分解、结晶水的脱除、某些造渣反应等），使熟料的冶金性质（如机械强度、还原性能、膨胀性能、粉化性能、软熔性能等）能更好地满足冶炼加工的要求。将使高温冶金的燃耗、电耗大大除降低，成本下降、设备生产能力提高，特别是在大型高炉冶炼中尤为显著；因此，在世界冶炼界把提高冶炼熟料比作为主要的研究目标。 工业上粉状物料的主要来源：地矿开采、破碎过程中形成的矿石粉末，常称为粉矿，一般粒度小于8mm。贫
3、矿经过磨矿分选后所得到的高品位精矿，一般粒度小于0.1mm。冶炼或其他工艺过程形成的如除尘粉等细粒、含有价成分的粉末。 造块广泛应用于高温冶金工业，包括黑色冶金和有色冶金。目前，世界上使用的造块方法主要为烧结法（图1-1）与球团法（图1-2）。,（1）烧结法（sinter）是将粉状物料（如粉矿和精矿）制粒后，进行高温固结，在不完全熔化的条件下烧结成块的方法。所得产品称为烧结矿（图1-3），外形为不规则多孔状。烧结所需热能由配入烧结料内的碳与通入过剩的空气经燃烧提供，故又称氧化烧结。烧结矿主要靠液相固结，固相固结仅起次要作用。,图1 -1 上海宝山钢铁公司二期烧结工程450m2,（2）球团法是将
4、细粒物料（尤其是细粒精矿）造球后，再经慢慢固结的方法。所得产品称为球团矿（图1-4），呈球形，粒度均匀，具有高强度和高还原性。球团矿中，固相固结起主要作用，液相黏结相很少。高温氧化焙烧时的热能主要由外部燃料燃烧的热气流来提供。,图1-3 烧结矿,图1-4 球团矿,以高炉炼铁为例，为了保证高炉炼铁时在炉内的料柱透气性良好，要求炉料有一定的粒度大小且均匀、粉末少，机械强度（包括冷强度和热强度）高，具有良好的软熔性能；为了降低炼铁焦比，要求炉料含铁品位高，有害（S，P）杂质少，且具有自熔性造渣性能和良好的还原性能。生产表明，上述诸多要求，完全可通过烧结球团高温造块法达到。因此，烧结球团法不仅使粉料成
5、块，还对高炉炉料起着火法预处理作用，使高炉冶炼达到高产、优质、低能耗的目的。表-1所示为国外对各种炉料的高炉冶炼效果的影响。表1-1 各种炉料对高炉冶金的影响,由表1-1可知，高炉冶炼效果随熟料的使用而提高,提高的程度不仅表现于随炉料比增加而增加，而且还随熟料精质程度的提高而提高。它的作用可具体表现为： （1）充分利用并扩大了有用资源的利用，如富铁粉矿和贫矿经深选得到的精矿皆需通过造块后才有可能利用。 （2）使冶炼厂含有用成分主的废料、尘泥和渣，在造块中掺和使用或单独使用，使工厂环境质量提高，综合利用了国家资源。 （3）经造块的产品物理性能和冶金性能改善，强化下一步工序的使用效果，并使之获得最
6、佳的生产产品质量，取得最大的经济效益，促进国民经济的发展。,烧结球团法的发展,人造块矿中发展最早的是压团法，但随着世界钢铁工业迅速发展，烧结法和球团法取得日新月异的进展；成为钢铁工业生产中必不可少的工艺过程。中国钢铁工业自改革开放以来获得了迅猛发展，1996年钢产量突破1亿吨，位居世界第一，以后连续九年都位居世界第一。2004年钢产量达2.72亿吨，2005年钢产量达3.52亿吨。现中国烧结球团矿年产量在2.7亿吨以上。,1. 烧结法,1897年，T. Hunting Ton等申请了硫化铅矿焙烧专利，而后用于生产，主要采用烧结锅设备完成鼓风间断烧结作业。1905年，E.J. Savelsber
7、g首次将烧结锅用于铁矿粉烧结（鼓风）。1909年，S.Penbaeh申请用连续环式烧结机烧结铅矿石。1911年，A.S. Dwight和R.L.Loyd首次发明抽风连续带式烧结机用于铁矿粉烧结，即D-L型烧结机。1914年，J.E. Greenawalt发明抽风间断烧结盘用于铁矿粉烧结，称G.W型烧结机。从最初间断作业烧结锅到今天普遍采用的连续带式烧结机，已经历了近百年。,我国建国初期，仅有首钢的烧结锅、本钢烧结盘以及鞍钢的50m2带式烧结机。1952年从苏联引进当时面积最大的75m2。烧结机，而后我国开始自行设计和制造。1970年起我国开始设计并制造出90130m2。烧结机。80年代初宝钢引
8、进日本450m2烧结机。现在我国已能自行设计和制造各种规格烧结机。目前，全世界烧结机年生产能力已超过10亿吨。,带式烧结机因生产能力大而在铁矿石烧结中广泛应用。随着钢铁工业发展，为达到烧结矿产量要求，其设备面积也不断增大。例如日本等国已将单机最大烧结机面积从70年开始的400、500m2。扩大到600m2，台车宽从4m增加到5m。烧结设备大型化是国内外从经济考虑追逐的目标，因为设备大型化，使生产量增大，而设备投资相对降低；生产经济效益增大，其相对设备维修和管理费用却大大降低。,2. 球团法,1912年瑞典A.G. Anderson发明球团法，1913年德国C.A. Bracktyberg亦得出
9、同样发明，两人分别获得了专利权，但末应用成功。二战期问美国针对梅萨比矿区贫矿经深度细选后的铁隧岩精矿制作球团矿，进行了详细研究，使球团技术获得重大突破，然后在19501951年在Ashland钢铁厂完成了第一批大规模竖炉球团生产试验。随后里塞夫矿业公司在明尼苏达州的巴比特建成具有四座竖炉的工业性球团厂。1951年又开始研究带式焙烧机，并于1955年在里塞夫厂建成用带式焙烧机生产球团矿。同时，伊利竖炉球团厂也投人生产。随又研究原用于水泥的链篦机一回转窑设备，直接用加拿大北部的铁隧岩精矿制成生球后，在该设备上进行球团矿生产，最终使这一移植设备获得了成功。,由于球团矿的质量好，使球团技术发展十分迅速
10、。在20世纪60年代以前，生产球团矿的国家主要是美国、加拿大、瑞典等，总年产量约1600万吨。1971年后，已发展到20多个国家使用，年产量达12000万吨。1982年时，世界球团矿总产量增为25600万吨，到目前为止其产量仍在不断增加。增加球团矿产量的方法，一是增加球团生产设备数量，二是增大单台设备处理能力，而单台设备大型化是最重要的措施。就竖炉单台面积而言，初期至稳定期面积为7.81m2（美、伊利厂1955年建），而在格雷斯厂为15.95m2。（美1961年），到1975年在阿根廷希拉格邦厂则为25m2。1955年第一台带式焙烧机面积为94m2。（美、里塞夫厂），1979年在荷兰艾莫伊登厂
11、为430m2，到1977年巴西鸟市角厂则为704m2。就链篦机一回转窑设备而言，美国第一台设备中回转窑直径为3.05m，长36.6m（1960年亨博尔特厂），球团矿年产量为33万吨；1974年美国蒂尔登厂回转窑直径达7.62m，长48.77m，球团矿年产量达到400万吨。,我国对球团法的研究并不晚，1958年中南工业大学就着手此开发工作，于1959年在鞍钢隧道窑进行了球团工业性试验，仅与美国相差45年。1968年以后，济钢、杭钢等八个钢铁厂陆续建成十几座8m2。小竖炉进行球团矿生产。70年代，包钢从日本引进一台132m2。带式焙烧机。而后，南京钢铁厂又引进一套处理硫酸渣的链篦机一回转窑球团焙烧
12、设备，并在承德、成都、沈阳自行设计和安装类似设备投产。到80年代以后，在本钢兴建一台16m2。大型竖炉，在鞍钢引进一套320m2。带式焙烧机。总的看来，我国具有的球团焙烧设备类型齐全，但其供应高炉入炉熟料比的相对较小（仅占510），个别达100（如凌钢），一般皆与烧结矿配合使用。但在竖炉球团方面，我国却创造出独特的炉型结构，如设置炉内导风墙和炉顶干燥床，已作为我国专利转让给美国伊利球团厂，成功地开发出在竖炉上采用低热值高炉煤气和低压力送风机焙烧高质量球团矿，且设备产能高的先例。目前，我国最大的单台球团焙烧设备生产能力为500万吨/a,1.3 烧结球团造块法比较,现有的造块方法(烧结法、球团法和
13、压团法)中，一般情况下粉矿采用烧结法，细磨精矿采用球团法，而压团时一般需配入一定数量的黏结剂，其适用的粒度范围比较宽。在铁矿粉造块中主要为烧结法和球团法两种，含铁尘泥除采用烧结和球团法外，也有用压团法。在有色金属火法冶炼中，常采用烧结法和压团法。在粉煤成型中，压团法仍是唯一的造块法。 下面着重对烧结法和球团法在铁矿粉造块工业中的应用加以比较。 (1)原料条件。球团法主要处理细粒精矿，其粒度200目占85%以上，比表面积大于1500cm2/g，烧结法主要处理粉矿，但目前对细磨精矿强化制粒后也可用于烧结。,(2)冶金性能。球团法用原料比较单一，最多可制造自熔性球团矿，其产品特点为粒度均一，强度高，
14、适合长途运输和储存，铁分高、还原性好、有利于提高冶炼时料柱透气性和降低焦比。烧结法亦可制造高碱度烧结矿，但还原性和粒度均匀性差，冶炼性能却比天然矿石好得多。 (3)冶炼效果。用球团矿和整粒后的烧结矿代替天然块矿冶炼能大大提高高炉生铁产量，降低焦比，改善煤气利用率，但要确定两者之间的优劣，尚无定论，因为各国情况不同。我国、前苏联及德国的高炉使用烧结矿人炉比占80以上，美国则两者各占50%，而加拿大和瑞典以100%球团矿入炉。 (4)经济效益。表-2为日本加古川烧结矿和球团矿各项生产费用的比较，就标准值而言，用链篦机一回转窑生产的球团矿比带式烧结机生产的烧结矿稍贵，但按含铁量比则相反。球团矿燃料消
15、耗费低于烧结矿，而动力费却高于烧结矿，其他费用亦为如此。,表1-2加古川烧结矿与球团矿生产比较,*标准值，*按含铁量的修正值。 (5)环境保护。球团矿生产环境污染少，劳动条件较好，产生灰尘量少，一般皆比烧结厂好且易控制。前苏联某公司一台108m2烧结机烟气中原始含尘量为0.60.7g/m2，且废气中SO2和NOx含量高，但处理同样原料的球团带式焙烧机含尘量仅为0.50.6g/m2，有害气体也少。两者差别主要原因是球团矿采用气体和液体燃料，烧结矿主要采用固体燃料之故。 (6)厂址和产品商业化。国外球团矿生产多建于矿山，因其强度高和能抗天气变化特点，故多作为商品向各钢铁公司出售，而烧结矿生产多建于
16、钢铁企业内高炉附近，因其强度差和抗天气变化能力弱，只能就地使用，也有利于钢铁厂内含铁尘泥的回收利用。我国这两种造块法大都建在高炉附近，但目前部分铁矿山也投资建竖炉球团厂，向下游产业发展，提高经济效益。,烧结球团原料,制造供炼铁炉料的烧结球团所用原料主要包括铁矿、锰矿、熔剂，工厂含铁杂料及固体燃料与气体燃料。铁矿石主要由一种或几种含铁矿物和脉石组成。根据含铁矿物的性质，主要有四类铁矿，即磁铁矿、赤铁矿、褐铁矿和菱铁矿 。四类铁矿含的有害杂质为S(硫)和P(磷)两种，其中S可在烧结球团高温氧化造块中脱除大部分，但P无法脱除。总的来说，要求造块产品中S和P杂质含量越低越好，因为S在钢铁内以FeS形态
17、存在于晶粒间界上，熔点低(1193)，导致“热脆”，而P则易结合成Fe3P，形成Fe3P-Fe二元共晶体，在钢铁内导致“冷脆”，最终使钢材质量降低。铁矿石内有益杂质为Mn和其他金属元素，如Cu、Cr、V及MO等，这类元素少量存在对保证钢材的某些特殊性能有显著作用。,熔 剂,使矿物中脉石造渣用的熔剂，按其性质可分为碱性熔剂（石灰类）、中性熔剂（高铝类）和酸性熔剂（石英类）三类。由于铁矿石的脉石成分绝大多数以SiO2为主，故常用CaO和MgO的碱性熔剂。常用碱性熔剂的矿物有石灰石(CaCO3)，消石灰Ca(OH)2和白云石(CaCO3MgCO3)。 (1)石灰石(CaCO3)。石灰石理论含CaO量
18、为56。在自然界中石灰石都含有铁、镁、锰等杂质，故一般含CaO仅为5055。石灰石呈块状集合体，硬而脆，易破碎，颜色呈白色或乳白色。有时，其成分中常含有SiO和Al2O3杂质。 (2)白云石(CaCO3MgCO3)。它具有方解石和碳酸镁中间产物性质。白云石理论含物CaCO3占54.2(CaO为30.4)，MgCO3占45.8(MgO为21.8)，呈粗粒块状，较硬难破碎，颜色为灰白或浅黄色，有玻璃光泽。在自然界中的分布没有石灰石普遍。,(3)生石灰(CaO)。由石灰石燃烧后制成。CaO理论量为85左右；易破碎。生石灰遇水后变成消石灰，其CaO含量为7080，分散度大，有黏性，密度小。 此外，在烧
19、结球团中，为改进产品质量和其冶金性能，也采用一些酸性熔剂。 主要有： (4)橄榄石及蛇纹石。橄榄石化学式为（Mg，Fe）O2SiO2，蛇纹石化学式为3MgO2SiO22H2O。这类熔剂同时带人两种造渣成分即MgO和SiO2，可使造块产品质量提高。 (5)石英石。主要成分为SiO2，用于补充铁矿中SiO2的不足，尤其在有色冶金中需酸性渣冶炼时的原料造块中广泛使用。,4. 工厂含铁杂料在钢铁企业生产过程中，常产生许多含铁杂料，类别较多，可充分回收利用作为炼铁原料。这类杂料包括高炉尘、转炉尘、轧钢皮（又称铁鳞）、黄铁矿烧渣（又称硫酸渣）等。 (1)高炉尘。含铁3353，粒度01mm，另外含有较多的碳
20、和碱性氧化物；实际上是矿粉、熔剂和焦粉的混合物。转炉尘是在炼钢时的吹出物，是铁水在吹炼时部分金属铁被氧化成Fe2O3，含铁成分较高。轧钢皮（亦叫氧化铁皮），含铁达7080，是轧钢时加工钢锭表层氧化脱皮物，杂质最少，至于纯金属铁皮，其粒度皆较粗。此外，还有金属切削时产生的铸铁屑等。 (2)黄铁矿烧渣。是制造硫酸时的副产品，量较多，含铁量4055，颗粒度较宽并呈多孔性。硫酸渣通常有红、黑两种颜色。红色的含Fe2O3多，粒度较粗，为沸腾炉产物，含铁量较低。黑色的含Fe3O4较多、粒度细、含铁量较高，为由旋风除尘器捕集物。但总的来看，其含硫量较高，在造块时应进一步脱除。用烧结球团法对单一硫酸渣造块时，
21、因其收缩大，使造块产品强度深受影响，故一般与其他主要铁矿石配合使用，一般配人量仅占510，可保证原造块产品的产质量稳定。,5. 燃 料在烧结球团生产中所使用的燃料，主要为固体燃料和气体燃料。国外虽还用液体燃料，但我国基本上不用。,1)固体燃料(1)焦炭。实际用于烧结作为燃料的主要是焦粉。它是炼铁厂和焦化厂焦炭的筛下物（即碎焦和焦粉），其质量用工业分析和化学性质来评定。工业分析包括固定碳、挥发分、灰分含量，也有的包括水分和硫含量。,(2)煤。视在造块中用途不同，选用的煤种有异。无烟煤 当供烧结作燃料时，主要作为热源提供者，粒度一般破碎成30mm，选用含固定碳高（7080），挥发分低（28），灰分
22、少（610）的无烟煤，结构致密，呈黑色，有亮光泽，含水分很低。它常作焦粉代用品以降低生产成本。当作还原剂时，当然同时也提供热源，主要用于球团矿固体燃料焙烧。若作为氧化球团焙烧则主要通过燃烧提供热源。此时无烟煤应细碎到小于200目占80以上，用喷枪喷射燃烧；若作金属化球团焙烧时，则粒度应破碎至30mm以下加入还原设备内，与球团矿在高温区发生还原氧化反应。,烟煤绝不能在抽风烧结中使用。用作金属化球团生产的还原剂和提供热源的主要是年轻烟煤和褐煤，其他类型烟煤经研究和生产实践证明不可取,2)气体燃料气体燃料在造块领域中主要用于烧结料点火和球团焙烧。气体燃料分为天然和人造两种。天然气体燃料为天然气，仅有
23、少数国家使用。大部分皆使用人造气体燃料。人造气体燃料主要是焦炉煤气、高炉煤气和发生炉煤气。气体燃料根据其燃烧吨热值可分为三类：高发热值燃料（发热值15072kJ/m3)、中热值燃料(628015073kJ/m3)和低发热值燃料(发热值6280kJ/m3)。天然气发热值介于3140062800kJ/m3，属高发热值气体燃料。高炉煤气是炼铁过程中从高炉上部排出的副产物，主要成分为CO达2531，发热值35594600kJ/m3，经清洗排除煤气中水分和灰尘后即可使用。高炉煤气成分与冶炼时所用燃料类型、冶炼焦比、生铁品种和操作制度有关。在一般用焦炭冶炼情况下，其高炉煤气成分波动范围见表1-7。,表1-
24、7 高炉煤气成分波动范围,焦炉煤气是炼焦炉排出的副产品，含可燃成分多且高，如H2，CO和CH4，总计可达75以上，发热值高。经清洗除煤焦油后即可使用。焦炉煤气成分波动范围见表8-8。表1-8 焦炉煤气成分范图,3)液体燃料液体燃料主要用于烧结料点火和球团焙烧。液体燃料来自石油加热分馏后的产品，在造块领域内主要用密度较大的重油。重油发热值较高，达37680kJ/m3，呈黑色黏性大，按黏度不同，可分为20号、60号、100号、200号重油。它基本上由C、H、N、O、S五种元素组成。黏度愈大，H2含量愈小，发热值愈低。我国重油的含S量都在1以下，灰分低于0.1，着火温度为500600。我国仅在小型烧结厂的烧结盘上用重油点火，国外大部分用于焙烧球团。,烧结球团厂在我国皆位于高炉和焦炉附近，通常将二者产生的煤气按一定比例制成混合煤气，其发热值取决于二者混合的比例。我国部分钢铁厂所用的混合煤气发热值在53606700kJ/m3范围，其化学组成见表8-9。 表1-9 混合煤气特性,
