第七章 烧结过程成矿机理

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烧结理论与工艺
系 统
液 相 特 性 2FeO·SiO2 2FeO·SiO2-SiO2共晶混合物 2FeO·SiO2-FeO共晶混合物 共晶混合物 2FeO·SiO2-Fe3O4共晶混合物 2MnO·SiO2异分熔化点 MnO-Mn3O4、2MnO·SiO2共晶混合物
熔化温 度(℃) 1205 1178 1177 1142 1323 1303 1150 1280 1216 1200 1140 1180 1192
SiO2-FeO Fe3O4-2FeO·SiO2 MnO-SiO2 MnO-Mn2O3-SiO2
2FeO·SiO2-2CaO·SiO2 钙铁橄榄石 钙铁橄榄石CaOx·FeO2-x·SiO2,X=0.19 2CaO·SiO2-FeO CaO·Fe2O3 Fe-Fe2O3-CaO Fe3O4-Fe2O3CaO·Fe2O3 Fe2O3-CaO·SiO2 烧结理论与工艺 2CaO·SiO2-FeO共晶混合物 共晶混合物 CaO·Fe2O3→液相 液相+2CaO·Fe2O3(异分熔化点) 异分熔化点) 液相 CaO·Fe2O3 -CaO·2Fe2O3(共晶混合物) 共晶混合物) (18%CaO+82%FeO)-2CaO·Fe2O3固熔体共晶混 % ) 合物 Fe3O4-{CaO·Fe2O3 2CaO·Fe2O3 2CaO·SiO2-CaO·Fe2O3-CaO·2Fe2O3共晶混合物
固相反应产物 Fe2O3 在SiO2中的固熔体 2FeO·SiO2 CaO·Fe2O3 MgO·Fe2O3 CaO·Fe2O3 2CaO·SiO2 2MgO·SiO2 镁富氏体 MgO·Al2O3
反应产物开始出现的温度 (℃) 575 990 500、600、610、650 、 、 、 600 590 500、610、600 、 、 680 700 920、1000 、
烧结理论与工艺
②反应物颗粒尺寸及分布的影响
在其它条件不变的情况下反应速率受到颗粒尺寸大小的强 烈影响。 烈影响。 反应速率常数值反比于颗粒半径平方。 反应速率常数值反比于颗粒半径平方。 另一方面, 另一方面,颗粒尺寸大小对反应速率的影响是通过改变反 应界面和扩散界面以及改变颗粒表面结构等效应来完成的, 应界面和扩散界面以及改变颗粒表面结构等效应来完成的, 颗粒尺寸越小,反应体系比表面积越大, 颗粒尺寸越小,反应体系比表面积越大,反应界面和扩散 界面也相应增加,因此反应速率增大。 界面也相应增加,因此反应速率增大。
烧结理论与工艺
(四)影响液相形成量的主要因素
(1)烧结温度。 )烧结温度。
烧结料液相量随着温度的提高而增加
(2)配料碱度(CaO/ SiO2)。 Biblioteka Baidu配料碱度(
碱度是影响液相量和液相类型的主要因素, 碱度是影响液相量和液相类型的主要因素,烧结料的液相量随
第7章 烧结过程成矿机理 章
7.1 烧结过程固相反应 7.2 烧结过程液相的形成与结晶 7.3 烧结成矿过程相图分析
烧结理论与工艺
固相反应 液相放出能量 生成低熔点物质 金属:(0.3-0.4)·T熔 盐类:0.57·T熔 硅酸盐:(0.8-0.9) ·T熔 为液相生成创造条件
冷却速度慢 结晶体析出
∆G R K = A exp− RT
Q D = D0 exp− RT
气氛对固相反应也有重要影响。 气氛对固相反应也有重要影响。它可以通过改变固体吸附特性而影响表 面反应活性。气氛可直接影响晶体表面缺陷的浓度、 面反应活性。气氛可直接影响晶体表面缺陷的浓度、扩散机构和扩散速 度。
烧结理论与工艺
④添加剂的影响
添加剂(矿化剂):在固相反应体系中加入少量非反应物物质或由 添加剂(矿化剂):在固相反应体系中加入少量非反应物物质或由 ): 于某些可能存在于原料中的杂质,常会对反应产生特殊的作用, 于某些可能存在于原料中的杂质,常会对反应产生特殊的作用,这 些物质在反应过程中不与反应物或反应产物起化学反应, 些物质在反应过程中不与反应物或反应产物起化学反应,但它们以 不同的方式和程度影响着反应的某些环节。 不同的方式和程度影响着反应的某些环节。 作用: 改变反应机构降低反应活化能 改变反应机构降低反应活化能; 影响晶核的生成速率 影响晶核的生成速率; 影响 作用:1)改变反应机构降低反应活化能;2)影响晶核的生成速率;3)影响 结晶速率及晶格结构; 降低体系共熔点 改善液相性质等。 降低体系共熔点, 结晶速率及晶格结构;4)降低体系共熔点,改善液相性质等。 例如烧结混合料中添加亚铁酸盐( 例如烧结混合料中添加亚铁酸盐(表7-3) )
烧结过程主要固相反应类型
赤铁矿非熔剂性烧结料中固相反应
烧结理论与工艺
烧结过程主要固相反应类型
赤铁矿熔剂性烧结料中固相反应
烧结理论与工艺
烧结过程主要固相反应类型
磁铁矿非熔剂性烧结料固相反应
烧结理论与工艺
烧结过程主要固相反应类型
磁铁矿熔剂性烧结料中固相反应
烧结理论与工艺
固相反应在烧结过程中的作用
烧结理论与工艺
①物料化学组成与结构的影响
反应物化学组成与结构是影响固相反应的内因, 反应物化学组成与结构是影响固相反应的内因,是决定反 应方向和反应速率的重要因素。 应方向和反应速率的重要因素。 在一定温度、压力条件下, 从热力学角度 在一定温度、压力条件下,反应向自由能 减少( 的方向进行。 减少(<0)的方向进行。 反应物的结构状态、 从结构的观点 反应物的结构状态、质点间的化学键性质 以及各种缺陷浓度都将对反应速率产生影响。 以及各种缺陷浓度都将对反应速率产生影响。
A
B
A
B
温度增加
烧结理论与工艺
固相反应示例
反应一般发生在相界面, 反应一般发生在相界面,或者晶粒界面上 CaO + Fe2O3 → CaO.Fe2O3
Phase 1: formation of seeds Phase 2: growth of seeds
CaO
Fe2O3
CaO
Fe2O3
CaO.Fe2O3
烧结理论与工艺
7.2 烧结过程液相的形成与结晶
(一)液相的形成过程 在烧结过程中,由于烧结料的组成成分多, 在烧结过程中,由于烧结料的组成成分多,颗粒又互相紧 密接触,当加热到一定温度时, 密接触,当加热到一定温度时,各成分之间开始有了固相 反应,在生成新的化合物之间, 反应,在生成新的化合物之间,原烧结料各成分之间以及 新生化合物和原成分之间存在低共熔点物质, 新生化合物和原成分之间存在低共熔点物质,使得在较低 的温度下就生成液相,开始熔融。例如 的温度下就生成液相,开始熔融。例如Fe3O4的熔点为 1597℃,SiO2的熔点为 ℃ 的熔点为1713℃,而两固相接触界面的固 ℃ 相反应产物为2FeO·SiO2,其熔化温度 其熔化温度1205℃。当烧结温 相反应产物为 ℃ 度达到该化合物的熔点时,即开始形成液相。 度达到该化合物的熔点时,即开始形成液相。
CaO.Fe2O3
烧结理论与工艺
7.1 烧结过程固相反应
(一)固相反应基础知识 (2)反应机理 相界面上反应和离子扩散的关系






烧结理论与工艺
7.1 烧结过程固相反应
(一)固相反应基础知识 (3)反应特点
开始温度常远低于反应物的熔点或系统低共熔点温度 ①固相反应开始温度常远低于反应物的熔点或系统低共熔点温度;此温度与反 固相反应开始温度常远低于反应物的熔点或系统低共熔点温度; 应物内部开始呈现明显扩散作用的温度一致,称为泰曼温度 明显扩散作用的温度一致 应物内部开始呈现明显扩散作用的温度一致,称为泰曼温度 或烧结开始温度 不同物质泰曼温度与其熔点的关系: 不同物质泰曼温度与其熔点的关系: 金属 0.3~0.4Tm ~ 泰曼温度 盐类 0.57Tm 硅酸盐类 0.8~0.9Tm ~ 与反应物颗粒的大小成反比。 ②固相反应速度随着温度的提高而加速,与反应物颗粒的大小成反比。 固相反应速度随着温度的提高而加速 与反应物颗粒的大小成反比 ③固体质点间作用力很大,扩散受到限制,而且反应组分局限在固体中,使 固体质点间作用力很大,扩散受到限制,而且反应组分局限在固体中, 反应只能在界面上进行, 界面上进行 反应只能在界面上进行,反应速度总体较慢 ,反应的最初产物与反应物的浓 度无关 。 烧结理论与工艺
7.1 烧结过程固相反应
(二)烧结过程固相反应
烧结料层主要成分
Fe3O4、Fe2O3、SiO2、CaO
MgO4、Al2O3
烧结理论与工艺
烧结过程主要固相反应产物开始出现的温度
反 应 物 SiO2+Fe2O3 SiO2+Fe3O4 CaO+Fe2O3 MgO+Fe2O3 CaCO3+Fe2O3 2CaO+SiO2 2MgO+SiO2 MgO+FeO MgO+Al2O3 烧结理论与工艺
冷却速度快 玻璃体析出
液相生成 熔化物的冷凝成为未熔物之间的粘结 剂,把烧结料粘结成多孔状的烧结体 FeO-SiO2 系液相 1175~1205℃ ~ ℃ 非自熔性烧结矿 的主要粘结相 CaO-SiO2-FeO 系液相 1073~1217℃ ~ ℃ 自熔性烧结矿 的主要粘结相 CaO-SiO2 系液相 1450~1540℃ ~ ℃ 高碱度烧结矿 的粘结相 CaO-Fe2O3 系液相 完成烧结过程 1205~1449℃ ~ ℃ 高碱度烧结矿 的主要粘结相
烧结理论与工艺
③ 反应温度与气氛的影响
一般可以认为温度升高均有利于反应进行。这是因为温度升高, 一般可以认为温度升高均有利于反应进行。这是因为温度升高,固体 结构中质点热振动动能增大、 结构中质点热振动动能增大、反应能力和扩散能力均得到增强的原因 所致。 所致。
对于化学反应, 对于化学反应,其速率常数 对于扩散, 对于扩散,其扩散系数
①能促进原始烧结料所没有的易熔化的新物质的形成
②加速液相生成速度
固相反应产物不能决定烧结矿最终矿物成分
烧结理论与工艺
影响烧结固相反应的因素
固相反应过程涉及相界面的化学反应和相内部或外部的物 质扩散等若干环节,因此,除反应物的化学组成、 质扩散等若干环节,因此,除反应物的化学组成、特性和 结构状态以及温度、压力等因素外,其他可能的影响如: 结构状态以及温度、压力等因素外,其他可能的影响如: 晶格活化,相变等都会促进物质内外传输, 晶格活化,相变等都会促进物质内外传输,均会对反应起 影响作用。 影响作用。
(二)液相的形成过程
(1)初生液相。 初生液相。 (2)低熔点化合物加速形成。 低熔点化合物加速形成。 (3)液相扩展。 液相扩展。 (4)液相反应。 液相反应。 (5)液相同化。 液相同化。
烧结理论与工艺
(三)液相形成在烧结过程中的主要作用
(1)液相是烧结矿的粘结相,将未熔的固体颗粒粘结成块, 液相是烧结矿的粘结相,将未熔的固体颗粒粘结成块, 保证烧结矿具有一定的强度; 保证烧结矿具有一定的强度; 液相具有一定的流动性,可进行粘性或塑性流动传热, (2)液相具有一定的流动性,可进行粘性或塑性流动传热, 使高温熔融带的温度和成分均匀,液相反应后的烧结矿化学成 使高温熔融带的温度和成分均匀, 分均匀化。 分均匀化。 液相保证固体燃料充分燃烧, (3)液相保证固体燃料充分燃烧,大部分固体燃料是在液相 形成后燃烧完毕的,液相的数量和粘度应能保证燃料不断地显 形成后燃烧完毕的, 露到氧位较高的气流孔道附近,在较短的时期内燃烧完毕; 露到氧位较高的气流孔道附近,在较短的时期内燃烧完毕;
烧结理论与工艺
(三)液相形成在烧结过程中的主要作用
(4)液相能润湿未熔的矿粒表面,产生一定的表面张力 液相能润湿未熔的矿粒表面, 将矿粒拉紧,使其冷凝后具有强度; 将矿粒拉紧,使其冷凝后具有强度; 从液相中形成并析出烧结料中所没有的新生矿物, (5)从液相中形成并析出烧结料中所没有的新生矿物, 这种新生矿物有利于改善烧结矿的强度和还原性。 这种新生矿物有利于改善烧结矿的强度和还原性。
液相生成量是烧结料固结的基础
冷凝固结
烧结理论与工艺
7.1 烧结过程固相反应
(一)固相反应基础知识 (1)基本概念 固相反应是指物料在没的熔化之前, 固相反应是指物料在没的熔化之前,两 是指物料在没的熔化之前 种固体在它们的接触界面上发生的化学 反应,反应产物也是固体。 反应,反应产物也是固体。
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