司基元，亓建国

（山东钢铁股份有限公司莱芜分公司型钢炼铁厂，山东 济南 271104）

1 烧结过程的概况

烧结，即将粉状物料转变为致密体的一系列物理化学变化的统称。实际上这个工艺在很早之前就已经被人类所利用，陶瓷的生产、冶金工业、耐火耐热材料的合成，无不要利用到烧结工艺。常规来讲，烧结的成品，即烧结后所得的致密体，是一种由晶体、玻璃体、气孔所组成的具有多种性质的多晶材料。正因为如此，烧结的过程能直接影响到成品例如气孔尺寸、晶界形状分布的各性质。

烧结从原料上也分固固化合、固气化合、固液化合。要注意的一点就是，固液化合的情况下，固体原料很容易在熔化过程中发生分解反应，所以必须保证烧结温度在固体熔点以下，然而由于反应效率的问题，温度也不能太低。所以该反应必须在真空或者某些特定环境下进行。

2 烧结原料的概况

烧结原料可分为五个粒度级：5mm～8mm、3mm～5mm、0.5mm～1mm、0.15mm～0.5mm，添加剂粒度小于0.074mm，包含有煤粉、焦粉、石灰石、高镁粉、巴西粉、蛇纹石。需要准备的设备有温控仪、电阻炉、坩埚、电子天平、热天平、配气柜、质量流量计等。

3 实验过程的设计

分别以粒度大小、温度、添加剂种类为变量，进行烧结原料对燃料燃烧的影响研究。过程大致如下：用温控仪控制电阻炉的温度达到实验所需，且是恒温状态。接下来用电子天平称取所需原料，装入坩埚放置于电阻炉的恒温带上。连接热天平后，利用数据采集系统收集的失重值进行分析，实验中的其他数据则由质量流量计进行控制。烧结过程中，要对气体流量有着绝对完美地把控，所以选择在试验30min内，以1.6L/min的流量速度通入氮气，试验60min，以2.0L/min的流量速度通入压缩空气。

4 试验现象及结果分析

4.1 燃料单烧试验

燃料单烧试验主要是探究燃烧温度、燃烧粒度对燃烧速率的影响，以焦粉、煤粉为原料，进行对照实验。分别设置:900℃、1000℃、1100℃、1200℃四个温度阈值，确保在粒度和添加剂种类不变的情况下进行试验。很快我们能发现，在测试的前半段通入氮气的过程中，会出现失重陡增的一个情况，这也就是燃料挥发造成的。带失重陡增的情况逐渐消失后，进入第二阶段，也就是通入压缩空气的阶段，此阶段在有氧气通入后，又会出现一个失重陡增的情况，并持续到试验结束。将数据绘成曲线图，可以很明显地看到，随温度的增高燃料燃烧速率都有很明显地提高，在不同材料间变化幅度也不同。观察曲线图可以得知，焦粉受温度变化影响较为明显，而煤粉则基本上没有发生太大变化。

再设计不同粒度的单烧试验，由于燃料燃烧速率会随着温度增高而增高，所以这里我们选择1200度的恒温条件，并改变燃料粒度，设置0.15mm～0.5mm、0.5mm～1mm、1mm～3mm、3mm～5mm、5mm～8mm五个粒度值。我们还是以焦粉和煤粉两不同原料做实验对照，通过实验我们可以很明显看到，两原料燃烧速率都会随着粒度值得增大而降低，不难得出粒度大小影响燃烧接触面的结论。利用收集的数据绘制曲线图，可以很明显看到，改变粒度后煤粉受变量影响非常大，而焦粉受影响相对而言小的多。考虑原料自身问题，不难分析出焦粉本身疏松多孔，燃烧过程中有很好地扩散动力学条件，因此粒度对其影响有但并不明显。反观煤粉，其结构本身致密，氧气与其接触面受粒度影响较大，减小粒度能很好的提高燃烧速率。因此我们可以得出结论，根据不同的燃烧原料可以针对性地进行变量调节。如果底料是煤粉，可以通过减小粒度来增大燃烧速率，如果底料是焦粉，可以通过增温来增大燃烧速率。

4.2 添加剂的变量试验探究

前面对温度和粒度变量进行了探究，这里再对添加剂进行变量试验探究。烧结原料分矿粉、熔剂、燃料等，此处选择石灰石、蛇纹石、高镁粉和巴西石作为研究对象。首先对添加剂进行1200℃、2g的恒温定量单烧试验，以获取各添加剂在此温度下的特性。很快我们可以发现蛇纹石、石灰石和高镁粉都发生了失重，石灰石失重现象最为严重，高镁粉相对来说稍微少一些，而蛇纹石的情况十分特殊。观察曲线图可以得知，蛇纹石在第一阶段和第二阶段的节点，即停止通氮气，改通氧气的节点，稍有增重。而巴西粉在此过程中，几乎没有发生失重的情况。稍作分析，不难发现，失重的主要原因是，水分的蒸发，有机质的挥发，以及碳酸盐的分解。蛇纹石的增重，我们分析蛇纹石成分可以得知，在通氧气过程中，少量FeO与O2发生氧化反应而增重。

再在此基础上，将石灰石、蛇纹石、高镁粉、巴西石与粒度1mm～3mm煤粉按1：1的比例混合在1200℃、2g的条件下进行恒温定向试验。收集数据并绘制曲线图，我们发现熔剂在两个阶段都对煤粉燃烧有着促进作用，仔细分析，实质上这两段的促进作用完全不同。在第一阶段，也就是通氮气阶段，添加剂里面的碳酸盐都会出现分解的现象，产生的二氧化碳和碳粉发生溶蚀反应，生成一氧化碳。在通氧阶段，添加剂里面的碱土金属化合物，不同程度上提高了煤粉的燃烧速率。由此可见，碱土金属氧化物在高温下依然能有较好的催化性质。高温下的碱土金属氧化物催化作用主要来源于原子的金属性，利用离子极强的极化能力，增加碳氧键的结合力，以此来促进碳氧反应进行。再看其中较为特殊的巴西粉，在通氮气阶段，巴西粉中的三氧化二铁与煤粉反应生成一氧化碳。而通氧阶段，除了煤粉与氧气的反应之外，还有低价铁被氧化。

通氧阶段初期，低价铁的氧化反应所占比重较大，所以第二阶段初期会出现短暂的增重现象。过一段时间之后，这一反应与碳的氧化反应逐渐比重平衡，试样失重现象明显，催化效果也因此明显的多。该催化过程中，低价铁氧化物起到了很显著的作用，第一阶段和第二阶段作用机制发生了变化。通氧阶段主要是氧化铁降低了氧的吸附活化能，起到催化的作用，从而增高煤粉的燃烧效率。

5 实验结果总分析

烧结是一系列极为繁复的物理化学反应的总过程，除了要注重控制温度，通入的气流速率和气流成分外，还有许多需要注意的变量。显然例如蛇纹石的熔剂和巴西石为代表的矿粉，都对煤粉的燃烧起到了促进作用，但作用机制不同。以石灰石为熔剂代表，第一阶段主要是溶蚀反应起到的作用，第二阶段则是碱土金属氧化物的促进作用。矿粉的区别主要在于，矿粉是在通氮气阶段参加了氧化还原反应，然后再在氧化阶段作为变价氧化物起到催化作用。显然矿粉在两个阶段都能起到催化作用，而添加剂则在氧化条件下才起到作用。一个是从碳的角度入手，一个则是从氧的角度入手。

再看烧结底物的影响，这里要考虑底物本身的性质，开头设计煤粉和焦粉的自烧试验就是为了研究这一点。显然温度的改变对焦粉的影响更大，而粒度则对煤粉的影响要大。因为熔剂和矿粉对煤粉的燃烧影响较大，所以后续试验也选定的底物是煤粉。

6 对试验结果分析优化

经过以上一系列的试验，很容易能得出熔剂和矿粉等添加剂，以及粒度对燃烧效率影响明显的结论。在原料选取上，对烧结原料的要求，一般是含铁原料品位高，成分稳定，杂质越少越好。燃料的选取上，目前一般是焦粉和无烟煤。由于固液化合的过程中必须控制好温度的范围，所以我们对燃料要求是固定碳含量高，灰分和挥发点都不能高。考虑到硫对燃烧过程的影响，燃料对硫的含量也有明确的要求，含硫量也有一个阈值。上述实验也分析过粒度的影响了，所以我们选取燃料的时，一般是选取3mm一下的这样一个粒度。

考虑到要改善烧结料层的透气性，我国烧结厂目前应用较多的即二次混合。根据原材料的性质，我们可以灵活选择要不要进行二次混合，一次混合的主要目的是润湿和混匀，如果粒度已经达到造球需要，可不进行二次混合，代表材料有富矿粉。而类似精磨细矿粉这样的原料，其粒度过细，透气性较差，二次混合能很好地改善透气性，较为适用。考虑到大多数反应都是温度较高的条件下速率较高，所以我们选择1200℃的恒温进行探究。

7 结语

其它条件不变的情况下，温度越高燃料燃烧效率越高，粒度对其的影响相反，粒度越小燃烧效率越高，对于不同的燃烧原料上述两种条件的影响程度也不相同。矿粉和熔剂均对燃料的燃烧有不同程度的催化效果，催化机制也不尽相同，一个是铁氧化物对碳氧反应的活化能作用，一个则是碱土金属氧化物在高温下对碳的催化作用。我们根据试验结果，灵活选用原料和添加剂，综合考虑成本以及生产效率，在特定温度条件下，选取最优方案。