1 研究背景

   由于原料价格大幅度上涨、环保政策更加严格及原料质量变差，导致铁矿烧结生产形势愈发严峻，因此必须改进烧结生产工艺。在烧结过程中，焦粉燃烧速度是影响烧结矿质量和烧结机利用系数最重要的因素之一。为了提高焦粉燃烧效率，开发出新的喷涂制粒方法，如图1所示。在该方法中，将焦粉和石灰石喷涂于准颗粒的表面。

   采用喷涂制粒法能够改善焦粉的燃烧性，提高烧结机利用系数，生产出优质烧结矿。日本九州大学研究了焦粉在准颗粒中的分布对焦粉燃烧速度的影响。

   2 讨论

   2.1 试验试样和步骤

   使用氧化铝粉末和焦粉制备模拟准颗粒的试验试样。为了简化试验条件，制备氧化铝粉末以替代铁矿。在试验过程中，忽略液相生成、铁矿还原和二次氧化对焦粉燃烧的影响。

   选取焦粉的粒度小于125μm，氧化铝粉末的粒度小于250μm，按照表1示出的质量比进行混合。制备四种具有不同焦粉分布的试样。全部原料和试样示意图如图2所示。该试样分为内核和涂层。把氧化铝与焦粉进行混合后，用不锈钢冲模将混合料压成直径10mm的圆片，将该圆片作为内核，圆片厚度为10mm，孔隙比为35%。然后对内核进行喷涂，并压成直径15mm的圆片，该圆片厚度为15mm，孔隙比为35%。涂层中焦粉配比的变化范围为33vol%~55vol%。

   在本次研究中用热天平测量试样在焦粉燃烧期间的重量损失如图3所示。将该试样放入铂制篮子内。使用立式电阻炉营造等温加热条件，等温区的温度达到1073K、1223K、1373K和1523K。在燃烧试验前，在N₂气氛下按照给出的各个温度进行热处理，以便从试样中脱除水分和挥发分。然后，把反应管的里面换成空气，空气流量为4NL/min。当试样的重量损失为零时，表明试验已经结束。

   2.2 试验结果

   在本次研究中将反应率定义为试样中固定碳的去除率。如果产生的CO气体可以忽略不计，那么碳燃烧反应的化学方程式如（1）式：

   C（s） O₂（g）=CO₂（g）

   （1）

   在燃烧试验中，把试样的重量损失作为固定碳的降低量。从而得出反应率的计算公式，如（2）式：

   Δω1

   F= ——— （2）

   W

   观察在1073K和1523K

   温度下分级反应曲线可知，当加入的焦粉在试样表面产生偏析时，焦粉的燃烧速度较快。在高温下进行试验，燃烧速度加快。

   3 动力学分析

   燃烧反应分为五个步骤：第一步O₂通过气膜由气相传输至颗粒表面；第二步在焦粉燃烧后，O2通过氧化铝粉末层由颗粒表面传输至反应界面；第三步在反应界面发生燃烧反应；第四步在焦粉燃烧后CO₂通过氧化铝粉末层由反应界面传输至颗粒表面；第五步CO₂通过气膜由颗粒表面传输至气相。

   根据动力学分析结果，发现准颗粒的焦粉分布不但对界面反应速度产生影响，而且对氧气扩散也具有影响。换句话说，当加入的焦粉在准颗粒表面产生偏析时，准颗粒中氧气的扩散速度较快，这是采用新的制粒方法制备的准颗粒中焦粉燃烧速度加快的主要原因之一。

   4 烧结模拟

   4.1 模拟方法

   采用本次研究结果对喷涂方法进行模拟。对于常规方法与喷涂方法来说，焦粉在准颗粒中的分布各不相同。用S′、C和P代表采用常规方法制备的准颗粒，用C′和P′代表采用喷涂方法制备的新型准颗粒。

   4.2 计算条件

   实际烧结生产的常规计算条件见表2，准颗粒中的焦粉见表3。

   4.3 计算结果

   采用常规方法与采用喷涂方法热量分布的计算结果显示，当烧结料层700mm处的温度不再升高时，表明烧结反应结束。采用常规方法，烧结反应结束时间为2714s，采用喷涂方法，烧结反应结束时间为2630s。由于采用喷涂方法准颗粒中焦粉的燃烧速度比采用常规方法快，因此采用喷涂方法烧结反应速度比采用常规方法快。采用常规方法，烧结料层中最高温度可达1815K，采用喷涂方法，烧结料层中最高温度可达1627K，由此可见采用喷涂方法烧结料层最高温度比采用常规方法低。当烧结反应时间达到1500s时采用常规方法与采用喷涂方法燃烧速度随温度的变化情况分别如图4和图5所示。

   采用喷涂方法的焦粉最快燃烧速度比采用常规方法提高幅度大，但采用喷涂方法的燃烧带宽度比采用常规方法窄。P和P′准颗粒的高温停留时间受到燃烧速度的影响，由于P′准颗粒的焦粉燃烧速度比P准颗粒快，且采用喷涂方法的高温停留时间比采用常规方法缩短，因此采用喷涂方法的燃烧带宽度较窄。采用喷涂方法可缩短烧结时间，因此能够提高烧结机利用系数。

   5 结论

   为了弄清焦粉分布对准颗粒燃烧速度的影响，进行了变换焦粉在试样中分布的燃烧试验，得出了以下结论。

   1）当加入的焦粉在试样表面产生偏析时，准颗粒中的焦粉燃烧速度得到了提高。在高温下进行试验，焦粉的燃烧速度加快。

   2）焦粉在准颗粒中的分布不仅对界面反应速度产生影响，而且还会影响到氧气扩散。

   3）当加入的焦粉在准颗粒表面产生偏析时，准颗粒中的氧气扩散加快。

   4）由于采用喷涂方法准颗粒中的焦粉燃烧速度较快，因此采用喷涂方法的烧结速度比采用常规方法快。但是，采用喷涂方法高温停留时间缩短及最高温度降低，引起蓄热量减少。

   5）采用喷涂方法可缩短烧结时间，因此能够提高烧结机利用系数。 （宏济）