郭會良 紀(jì)召毅 玄振法 劉榮
（山東泰山鋼鐵集團有限公司 山東濟南 271100）
摘要：本文通過研究重點說明了燒結(jié)過程中水分的變化、作用和控制手段，研究表明，結(jié)晶水在分離時可分為量積累階段、高速反應(yīng)階段和殘留反應(yīng)階段，同時水分在燒結(jié)過程中可起到降塵作用、制粒作用、導(dǎo)熱與保溫作用、潤滑作用和助燃作用，對于水分的控制，要提高添加精度、控制添加位置，同時適當(dāng)采用蒸汽代替水分的添加。
關(guān)鍵詞：水分；蒸發(fā)；導(dǎo)熱；控制
1 前言
燒結(jié)過程是將含鐵物料與其他輔助材料混合成制粒小球，并在一定溫度下將其點燃，使其中的燃料燃燒并發(fā)生物理化學(xué)變化的過程，從而生成了具有一定冶金性能和物理化學(xué)性能的燒結(jié)礦。
在這一過程中，水分是重要的原材料[1]，不僅輔助物理化學(xué)變化的發(fā)生，同時也能參與反應(yīng)，影響燒結(jié)過程。秦峰等研究了混合料水分對燒結(jié)過程的影響，從含水量大小方面闡述了透氣性、熱量損失等方面的各種關(guān)系，陳東峰[2]等研究了超厚料層水分的變化，即隨著溫度的升高水分出現(xiàn)增長和下降的趨勢，吳曉峰[3]等研究了水分添加的最佳含量和位置，上述研究都對水分進行了重點說明，但是未對水分的變化、作用和控制進行系統(tǒng)研究。本文以水分為對象，重點研究了水分的作用和控制，填補了國內(nèi)外對此方面研究的空白。
2 燒結(jié)過程中水分子的變化
混合料中大部分水分以液體形式存在[4-5]，其變化過程主要為氣化和液化，氣化是液體形式的水分轉(zhuǎn)化成氣體形式，這一過程也被稱為蒸發(fā)、干燥等。液化是指氣體形式存在的水蒸氣轉(zhuǎn)化成液體形式存在的水，大都發(fā)生在燒結(jié)料層中的過濕層，又被稱為冷凝過程。水的氣化和液化屬于物理變化過程，是游離水主要的變化形式，而對于混合料的結(jié)晶水在高溫下會產(chǎn)生晶型的破壞，從而生成游離水分子，這一過程為化學(xué)變化。
圖1水分的蒸發(fā)特性
游離水的蒸發(fā)過程可分為三個階段，分別為預(yù)熱階段、等速干燥階段和降速干燥階段。預(yù)熱階段是指當(dāng)熱氣體初步與混合料接觸時，在一段很短時間內(nèi)，蒸發(fā)過程進行得較為緩慢，物料含水量沒有多大變化，但物料溫度卻有了明顯的升高。該階段主要發(fā)生于燒結(jié)分層中的干燥層，在過濕層的上部也有少量分布。物料達(dá)到蒸發(fā)平衡的溫度時，吸收熱的量均勻轉(zhuǎn)化成蒸發(fā)熱，水分以等速進行蒸發(fā)，這段時期通常稱為等速干燥階段，在達(dá)到臨界濕度以后就進入降速干燥階段，干燥速度逐漸變小，而物料逐漸被加熱，氣體與物料溫度差較小。
水分的蒸發(fā)特性曲線見圖1，對于蒸發(fā)速率來講，在預(yù)熱階段雖然熱量大都用于加熱混合料，但是溫度提升后對于水分的蒸發(fā)有利，因此，在該階段其蒸發(fā)速率出現(xiàn)緩慢增長的趨勢。達(dá)到等速干燥前期時，蒸發(fā)速率達(dá)到最大值，并保持相當(dāng)長一段時間，直到水分低于1%，此時進入降速干燥階段。降速干燥階段中物料含水率較低，溫度較高，但由于此時游離水主要集中在顆粒內(nèi)部，蒸發(fā)過程受限于顆粒的阻擋，使得蒸發(fā)速率逐步降低，直至水分全部蒸發(fā)完畢后蒸發(fā)速率降至零。對于物料的含水率，在預(yù)熱階段由于緩慢增長的蒸發(fā)速率，其出現(xiàn)小幅度下降現(xiàn)象，達(dá)到等速干燥階段時，蒸發(fā)速率達(dá)到最大值，物料的含水率出現(xiàn)大幅度下降，直到降速干燥階段，含水率下降趨勢放緩，最終達(dá)到最低值。物料溫度與含水率的變化趨勢相反，在預(yù)熱階段，大量熱量用于加熱物料，使得物料出現(xiàn)短暫的升溫現(xiàn)象，在等速干燥階段，由于熱量全部用于蒸發(fā)水分，物料的溫度出現(xiàn)平穩(wěn)期，水分低于1%時，熱量的供給大于蒸發(fā)的消耗，大量的熱重新用于加熱物料，此時處于降速干燥階段，物料溫度迅速升高。
圖2 結(jié)晶水分離的分段情況
在褐鐵礦脫結(jié)晶水的過程中會伴隨著顏色的變化，褐色或灰色的褐鐵礦逐漸轉(zhuǎn)化成紅色或紅棕色，此外，質(zhì)地變得疏松。該化學(xué)變化產(chǎn)生的水分子為游離水，在高溫環(huán)境下會迅速轉(zhuǎn)化成水蒸氣，游離水在存在時間約為1~2s。在游離水轉(zhuǎn)化過程中會產(chǎn)生瞬間的低溫現(xiàn)象，這種現(xiàn)象主要發(fā)生在顆粒表面，當(dāng)游離水析出時一般處在顆粒表層或表層縫隙中，此時為液體狀態(tài)，外界的高溫使其瞬間汽化，水分會吸收大量的相變熱，進而產(chǎn)生瞬間低溫，溫度會下降10~20℃，隨即消失。
除了褐鐵礦外，幾乎所有的結(jié)晶水在與礦物分離時都表現(xiàn)出一定的共性，根據(jù)特點的不同可將該過程分為三個階段，分別是能量積累階段、高速反應(yīng)階段和殘留反應(yīng)階段，見圖2。結(jié)晶水的脫離需要一定的能量，這部分能量用于斷裂彼此連接的氫鍵或能量更高的化學(xué)鍵，因此，當(dāng)升高的一定溫度時物料持續(xù)吸熱來積累能量，此時結(jié)晶水的脫離緩慢，僅在礦物表面有少部分脫離。隨著溫度的升高，礦物積累的能量大于化學(xué)反應(yīng)的活化能，結(jié)晶水的脫離進入高速反應(yīng)階段，該階段水蒸氣的釋放速率呈指數(shù)型升高，并能持續(xù)較長的時間，約有80~90%的結(jié)晶水在此階段脫離。反應(yīng)到末期時，礦物中的結(jié)晶水含量較少，且與礦物結(jié)合較為緊密，溫度的升高對于水蒸氣釋放速率的提升效果緩慢，轉(zhuǎn)而出現(xiàn)下降趨勢，稱為殘留反應(yīng)階段。該階段物料雖然具有較高的溫度和較快的水蒸氣釋放速率，但是殘留的結(jié)晶水較少，整體釋放的水分總量不到結(jié)晶水總量的10%。
3 水分在燒結(jié)中的作用
水分是燒結(jié)工藝中重要的原材料之一，為保證燒結(jié)的正常運行，混合料中水分一般在6~9%之間，水分是穩(wěn)定產(chǎn)量、提高質(zhì)量的重要參數(shù)。在燒結(jié)工藝中，水分主要有以下五個作用，分別是降塵作用、制粒作用、導(dǎo)熱與保溫作用、潤滑作用和助燃作用。
3.1 降塵作用
水分作為液體具有流體的所有特征，其黏度就是起到降塵作用的重要原因。當(dāng)物料中混合一定的游離水時，微細(xì)粒由于具有巨大的表面能會率先吸附于水分子表面，水的黏度也使得這種吸附更加緊密。當(dāng)空氣流動時，作用在微細(xì)粒的力不變，但微細(xì)粒與水分子之間的作用力使得微細(xì)粒與水分子緊密結(jié)合，難以使該整體共同移動，進而阻止了微細(xì)粒的懸浮。水分子與顆粒之間的吸附方式主要有兩種，分別是群體吸附和個體吸附，見圖3，群體吸附是大量微細(xì)粒共同吸附在水分子表面，兩者成為一個整體，增加了顆粒的粒度和重力；個體吸附是微細(xì)粒吸附在水分子表面后，水分子又吸附了更大的顆粒，三者之間的作用力較強，在一定外力作用下也較難分離。在群體吸附和個體吸附的作用下，微細(xì)粒的粒徑得到了提升，重力大大增加，可有效降低燒結(jié)過程中的粉塵現(xiàn)象。
圖3 水分子與顆粒的吸附方式
3.2 制粒作用
燒結(jié)工藝的混合制粒環(huán)節(jié)是將多種燒結(jié)原料均勻分散并使粒度較小的微細(xì)粒團聚形成粒度較大的制粒小球。制粒小球的大小和粒度分布是影響燒結(jié)質(zhì)量的重要因素，在這一過程中，水分主要起到連接微細(xì)粒的作用。
水分具有一定的黏度，在混合料中水分可強烈吸附在顆粒的表面，尤其是對于微細(xì)粒的吸附單位面積上的作用力更大，而微細(xì)粒的重力較小，很容易與水分子一起移動。在移動過程中，更多的微細(xì)粒彼此黏結(jié)，在重力作用下相互擠壓，將過多的游離水排斥到集合體的表面，使得集合體內(nèi)部壓實，密度升高，強度提升，而被擠壓到表層的游離水再一次吸附微細(xì)粒，進而使集合體分層長大。若在制粒過程中無水分的參加，微細(xì)粒之間很難產(chǎn)生相互作用力，就不會產(chǎn)生顆粒的長大，制粒效果就難以實現(xiàn)。
3.3 導(dǎo)熱與保溫作用
水分在燒結(jié)過程中的另一作用是導(dǎo)熱或熱傳導(dǎo)，兩個相互接觸且溫度不同的物體，或同物體的各不同溫度部分間在不發(fā)生相對宏觀位移的情況下所進行的熱量傳遞過程稱為導(dǎo)熱。從微觀角度看，導(dǎo)熱是依靠組成物質(zhì)的微粒的熱運動傳遞熱量的，溫度較高時有較高的能量，這些微粒和低溫部分較低能量的微粒相互作用（碰撞、擴散等）就形成了導(dǎo)熱，正是原子和分子的這些運動維持著熱傳導(dǎo)的進行。可以認(rèn)為，熱傳導(dǎo)是由于物質(zhì)粒子間的相互作用而導(dǎo)致的從高能級粒子向低能級粒子的能量傳輸。
在燒結(jié)工藝中，導(dǎo)熱是能量傳遞的重要方式，只有導(dǎo)熱系數(shù)較高的物質(zhì)才能將大量的熱傳遞給目標(biāo)產(chǎn)品，而導(dǎo)熱系數(shù)較低，會使得熱量損失較大，能耗較高。常溫下，水的導(dǎo)熱系數(shù)為0.62W/m·K，而對于塊狀鐵礦石導(dǎo)熱系數(shù)一般在5W/m·K以下，但是燒結(jié)工藝中鐵礦石多為顆粒狀，并夾雜了大量熔劑、副產(chǎn)品等物質(zhì)，使得實際的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)低于水分。當(dāng)固體燃料燃燒后，水分吸熱，在分子的運動下將熱量傳遞給其他水分子或礦物，當(dāng)溫度高于露點溫度后水分蒸發(fā)，由液體導(dǎo)熱轉(zhuǎn)變成氣體導(dǎo)熱。水分的導(dǎo)熱在過濕層內(nèi)表現(xiàn)的較為強烈，過濕層內(nèi)溫度梯度較大，水分較多，上部的熱量傳遞后首先加熱顆粒表面的水分，使得過濕層上表面溫度急劇升高，導(dǎo)熱增加，在高溫下水分子運動加快，進而將熱量傳遞給內(nèi)部的混合料。
水分在導(dǎo)熱過程中還能起到保溫或蓄熱的作用，該作用主要取決于水具有較大的比熱容，物理學(xué)中比熱容是指在沒有相變和化學(xué)變化時，單位質(zhì)量的物體溫度升高1K（℃）時所吸收的熱量。一般認(rèn)為，水的比熱容為4.2kJ/kg·℃，水蒸氣的比熱容為1.85kJ/kg·℃，而燒結(jié)混合料組成成分較為復(fù)雜，比熱容并非定值，一般認(rèn)為在0.75~2.15kJ/kg·℃之間。在同樣的加熱條件下，比熱容大的物質(zhì)升溫和降溫速度較慢，可保持較長的高溫時間，而比熱容較低的物質(zhì)雖然升溫較快，但降溫也較快，很難有足夠的高溫時間使混合料充分反應(yīng)。不同水分的混合料在相同條件下的溫度變化如圖4。
從圖4中可以看出，含水率不同的兩種物料燒結(jié)過程中溫度變化有較大差異，含水率低的物料平均比熱容較小，相同條件下升溫速度較快，且最高溫度較高。物料達(dá)到最高溫度時表明此時處在燃燒層，隨后隨著燃燒的終止，體系溫度迅速下降，熱量通過熱傳遞被高溫氣體帶走。當(dāng)含水率較高時，整體比熱容較大，升溫速率較慢，且最高溫度較低，但是高溫保持時間較長，物料溫度下降速率緩慢。因此，適當(dāng)提高含水率可強化物料的燒結(jié)指標(biāo)，相應(yīng)降低燃耗。
圖4 混合料含水率與溫度變化的關(guān)系
利用水分具有較大比熱容的性能，也可起到蓄熱的作用，當(dāng)熱空氣與水分接觸時，升高同樣的溫度水分可以吸收更多的熱量，而且在水分相變過程中也需要巨大的相變熱，這些熱量積累在水蒸氣內(nèi)，隨著水蒸氣的移動進入下層低溫區(qū)域。在低溫區(qū)域內(nèi)，水蒸氣與周圍環(huán)境存在溫度梯度，可使得熱量向四周傳遞。此外，在使用煙氣循環(huán)工藝時，富集在水蒸氣中的熱量可隨煙氣再次回到料層內(nèi)，保證熱量的利用效率。
3.4 潤滑作用
燒結(jié)過程中經(jīng)常出現(xiàn)透氣性較差的現(xiàn)象，通常的應(yīng)急方法是降低料層厚度來減少物料對空氣的阻力。料層透氣性較差的宏觀原因是物料的粒度分布不均勻，尤其是細(xì)粒級產(chǎn)物較多，容易填充在縫隙中，導(dǎo)致空氣通道變窄或堵塞；微觀原因是料層內(nèi)顆粒的粗糙度較大，當(dāng)空氣通過時，顆粒表面的棱角或凹陷使得空氣產(chǎn)生漩渦，進而增加了空氣阻力。
如圖5是不同顆粒對空氣阻力的情況，粗糙顆粒在受到空氣的沖擊時，空氣容易在顆粒尾部產(chǎn)生散射現(xiàn)象，僅有少部分空氣流能繞過顆粒。而當(dāng)含水率較大時，水分可包裹不規(guī)則的顆粒，使得顆粒表面光滑，空氣通過時可順利產(chǎn)生繞流，極少存在氣體散射現(xiàn)象。水分對不規(guī)則顆粒進行包裹并減少通過空氣阻力的現(xiàn)象稱為水分的潤滑作用。潤滑作用的產(chǎn)生主要是由于水分屬于流體并具有一定的黏性，可在顆粒表面包裹形成一定厚度的水膜，水膜同時具有固體和液體的性質(zhì)，在水膜內(nèi)部與顆粒接觸的區(qū)域，由于外層水膜的壓力和水分子與顆粒表面的黏度，使得內(nèi)層水分子定向排列，這些水分子失去了流動性，具有固體的性質(zhì)。而外層水膜僅僅通過水分子之間的黏度保持連接，彼此作用力較小，仍具有一定的流動性，但是這些水分子會根據(jù)物料表面的形狀和自身受到的重力自發(fā)形成流線型，大大降低了顆粒表面的粗糙度。
圖5 不同顆粒的阻力情況
雖然水膜具有一定的潤滑作用，但是當(dāng)水分較多時容易使得細(xì)粒級顆粒產(chǎn)生泥化現(xiàn)象，這些泥化顆粒流動性較強，可堵塞大顆粒之間的縫隙，從而失去潤滑作用，導(dǎo)致料層透氣性大大下降，此外，大量水分子聚集也能通過毛細(xì)現(xiàn)象滲透到各個氣孔中，進一步惡化透氣性。因此，為了確保潤滑作用通常將混合料中水分保持在7.2~8.0%之間，當(dāng)混合料粒度較大時可適當(dāng)提高水分。
3.5 助燃作用
水分在燒結(jié)過程中的另一作用是助燃作用，即水分能使得燃料（多指固體燃料）燃燒更充分、熱量釋放更多。在能量轉(zhuǎn)化角度來看，反應(yīng)前固體燃料主要有化學(xué)能，而反應(yīng)后的能量主要有反應(yīng)產(chǎn)物的化學(xué)能、釋放出的熱能、光能等，反應(yīng)前后的能量是相等的。當(dāng)固體燃料中水分較少時，燃燒過程中會產(chǎn)生明亮的火焰，反應(yīng)后的能量有一部分以光能的形式散失，而燒結(jié)時理想的能量分布是釋放的熱能越多越好，光能的增加勢必會降低熱能的釋放。當(dāng)固體燃料中含水率較多時，會降低燃燒的劇烈程度，使得熱量均勻釋放，保證熱量的利用率，而且水分使得燃料燃燒呈現(xiàn)暗淡的顏色，光能釋放較少，相對熱能的釋放較多。
C+H2O=CO+H2
在化學(xué)反應(yīng)角度來看，當(dāng)有水分存在時，固體燃料會與水蒸氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成可燃?xì)怏w一氧化碳和氫氣，俗稱水煤氣，這樣使得單獨的固體燃料變成兩種氣體燃料，在條件相同的情況下，氣體燃料的燃燒程度大于固體燃料，因此，能釋放出更多的能量。
除了上述功能外，水分在混合制粒階段還可以起到消化生石灰的作用，生石灰作為堿性溶劑有助于強化制粒，與水反應(yīng)后生成氫氧化鈣可增加混合料的粘性，使制粒小球的平均粒徑提升。在布料階段，水分也有助于物料的偏析和密實堆積，當(dāng)水分較低時，粗細(xì)顆粒分散不均勻，且易產(chǎn)生粉塵，松散程度較高，隨著水分的增加細(xì)顆粒產(chǎn)生彼此粘結(jié)現(xiàn)象，顆粒之間密實程度升高，有助于產(chǎn)量的提升。在冷卻階段，水分也可看成是特殊情況下的冷卻劑，可利用較大的比熱容和相變熱吸收燒結(jié)礦中的熱量。因此，水分在燒結(jié)過程中的作用是多方面的，燒結(jié)工藝的各項指標(biāo)都與水分的控制有極大關(guān)系。
4優(yōu)化水分作用的措施
燒結(jié)過程中的水分是與燃料同等重要的參數(shù)，不僅對燒結(jié)質(zhì)量指標(biāo)產(chǎn)生影響，與產(chǎn)量、工藝控制等指標(biāo)也有明顯對應(yīng)關(guān)系。因此，明確水分與各參數(shù)之間的影響規(guī)律并加以利用是水分合理利用的重要途徑，對于水分的優(yōu)化措施主要有以下幾個方面。
4.1 穩(wěn)定與合理控制水分
在燒結(jié)過程中，“水碳穩(wěn)定”是保證產(chǎn)質(zhì)量的重要前提，水分的穩(wěn)定就是確保其波動在可控范圍之內(nèi)，或波動越小越好。根據(jù)原料的不同，混合料的最佳水分存在一定差異，如混合料中磁鐵礦較多時可適當(dāng)增加水分，而褐鐵礦較多時可降低水分。此外，水分的添加還需要考慮對制粒過程的影響，制粒的好壞直接影響燒結(jié)工藝指標(biāo)，目前強化制粒的手段中除了熔劑、原料等規(guī)范配加量、調(diào)整工藝參數(shù)外就是合理添加水分，將水分的添加精確控制，降低其波動范圍。一般不同燒結(jié)工藝混合料中水分在7.1~8.0%（個別工藝可能超出范圍）之間，而正常的波動范圍要控制在±0.15%或更低。
合理控制水分不僅在總量上，更在各個工序上將水分精確控制，如布料時的水分為7.5%，在一混階段水分就不能控制在7.5%以上或等于7.5%，雖然總量上水分沒有超標(biāo)，但是對于某個工序來說很難達(dá)到正常生產(chǎn)的工藝參數(shù)。因此，綜合考慮水分的影響，當(dāng)布料階段的水分的為a%時，制粒工序的水分在（a-0.2）%左右，一混工序的水分在（a-0.5）%左右，而若各工序精確度較差時盡量通過加減前端工序的水分來保證最終水分的穩(wěn)定。
4.2 精確控制加水位置和方式
加水位置是影響工藝參數(shù)的重要因素之一，目前燒結(jié)工藝中加水位置一般有生石灰消化器、混合皮帶、一混、制粒、預(yù)熱器、燒結(jié)料面等多種，對于加水位置的選擇應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)工藝和原燃料情況綜合考慮。加水位置中影響最大的一混和制粒階段，經(jīng)驗表明，一混多加水，可便于混合料的分散和初步制粒，二混少加或不加水，有助于延長制粒時間，強化制粒效果，通常在一混階段就添加所有水分的80%左右。對水分的添加方式變化最為敏感的為一混，一混中分散加水優(yōu)于集中加水，滴狀加水優(yōu)于柱狀加水，因此，在一混階段常用硬質(zhì)管道深入混料桶內(nèi)分散滴狀加水，且混料桶前端加水量大于后端加水量。而對于制粒階段，通常在前端采用霧狀水或低壓水，有助于制粒小球的長大。
4.3 適時使用熱水或蒸汽代替常溫水
在燒結(jié)過程中，熱量是其進行燒結(jié)反應(yīng)的重要能源，只有在足夠的溫度下各種物理化學(xué)反應(yīng)才能有序進行，而反應(yīng)的熱量除固體燃料產(chǎn)生的燃燒熱外還有一部分來自于水分，這些水分產(chǎn)生熱量的外在表現(xiàn)形式為預(yù)熱混合料的溫度。據(jù)統(tǒng)計，混合料預(yù)熱溫度每升高1℃，固體燃耗下降0.03~0.05%。預(yù)熱混合料常用的方式是用蒸汽或熱水在布料前對其進行加熱，這些水分會轉(zhuǎn)移到混合料中，因此，需要結(jié)合整體工藝保證水分的平衡。在混合制粒階段，也常采用熱水代替常溫水的方式來提高整體料溫，同樣取得較好的效果。但是，并非熱水或蒸汽的溫度越高越好，熱水或蒸汽需要用外部加熱裝置進行加熱，同樣消耗了能量，而在對混合料進行預(yù)熱時會產(chǎn)生熱量的散失，能量利用效率有所下降，而且，混合料溫度過高會導(dǎo)致水分蒸發(fā)嚴(yán)重，對水分的穩(wěn)定是不利的。因此，在使用熱水或蒸汽對混合料加熱時，最適的加熱溫度為70~80℃。
參考文獻(xiàn)：
[1] 秦峰，周鵬飛，陳強等，混合料水分對新鋼鐵礦燒結(jié)的影響[J],燒結(jié)球團，2016,41（03）：17-21.
[2] 陳東峰，胡夏雨，黃發(fā)元等，超厚料層燒結(jié)過濕帶水分變化的試驗研究[J]，中國冶金，2012,22（09）：34-37.
[3] 吳曉峰，匡式文，張佳華等，燒結(jié)混合料加水控制策略分析與應(yīng)用[J]，山東冶金，2009,31（03）：49-51.
[4] 郭會良，紀(jì)召毅，亓磊等，礦粉中的四種水分對球團生產(chǎn)的影響[J]，山東冶金，2020,42（5）：27-30.
[5] 郭會良，胡自明，亓振寶等，燒結(jié)生產(chǎn)新工藝的簡介及對比[J]，山東冶金，2021,43（1）：1-3.