回转窑结圈物的形成机理

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1、回转窑结圈物的形成机理黄柱成中南大学提纲提纲1. 回转窑结圈的危害及产生的原因2. 回转窑结圈物质分析3. 回转窑后部结圈物矿相分析及形成机理4. 回转窑中部结圈物矿相分析及形成机理5. 回转窑前部结圈物矿相分析及形成机理6. 结论结圈影响正常生产乃至制约结圈影响正常生产乃至制约回转窑直接还原回转窑直接还原生存和发展生存和发展的关键问题的关键问题1.回转窑结圈的危害及产生的原因回转窑结圈的危害及产生的原因结圈严重导致窑内重力负荷增加，炉料运行不畅通，耐结圈严重导致窑内重力负荷增加，炉料运行不畅通，耐火材料被拉裂剥落，导致检修频繁火材料被拉裂剥落，导致检修频繁1.1 回转窑结圈的危害回转窑结圈的

2、危害回转窑结回转窑结圈的圈的原因与原料性质原因与原料性质有关有关，过多的粉料，过多的粉料以及以及低低软软熔熔点点的的复杂复杂化合物化合物生成生成是是产生结圈的物质产生结圈的物质基基础。础。（）（）料层料层中中还原气氛，温度相对较低还原气氛，温度相对较低；窑气处于燃烧状窑气处于燃烧状态，温度较高态，温度较高；窑衬经受两种气氛、两种温度交替作用。窑衬经受两种气氛、两种温度交替作用。（）（）存在粉末物料，气氛和温度控制不当，造成存在粉末物料，气氛和温度控制不当，造成“过过烧烧”，形成低熔点物质，达到熔点形成液相，结圈，形成低熔点物质，达到熔点形成液相，结圈发生发生。1.2 回转窑结圈的原因回转窑结圈

3、的原因针对鲁中针对鲁中3.63.650m50m直接还原回转窑试验中停窑直接还原回转窑试验中停窑后，后，测定了回转窑后、中、前部结圈物的矿相结构进测定了回转窑后、中、前部结圈物的矿相结构进行了分析行了分析，对产生结圈的原因进行了探讨，从而对解，对产生结圈的原因进行了探讨，从而对解决结圈问题提供理论指导。决结圈问题提供理论指导。1.3 研究目的及意义研究目的及意义 部位TFeMFeCaOMgOAl2O3SiO2KNaC后部结圈物63.661.373.196.061.303.570.0060.080.06中部结圈物63.0236.456.283.803.7610.030.0540.280.06前部结

4、圈物68.0540.985.624.043.258.870.0430.210.05表1结圈物的化学组成/% 表1 为在回转窑内后部、前部和中部取得的结圈物化学分析结果2.2.结圈物质分析结圈物质分析部位MFeFeOFe3O4钙铁橄榄石多成分化合物后部结圈物2.5032.5040.2023.8中部结圈物36.5028.103.2016.4015.80前部结圈物41.0033.1015.6010.30表2 结圈物矿物组成/%结圈物中以铁为主，其次为结圈物中以铁为主，其次为SiO2、CaO、MgO、Al2O3等。主要矿物等。主要矿物为为金属铁、金属铁、FeO、Fe3O4、钙铁橄榄石和多成分化合物等。

5、回转窑中结圈物、钙铁橄榄石和多成分化合物等。回转窑中结圈物Al2O3/SiO2比值都很低，故软熔温度都很低。比值都很低，故软熔温度都很低。回转窑后部、中部、前部所形成的物相及结构存在较大的差异回转窑后部、中部、前部所形成的物相及结构存在较大的差异。图1后部结圈物断面照片图2 后部结圈物显微结构（反光，100）3. 1 回转窑后部矿相分析及形成机理回转窑后部矿相分析及形成机理后部结圈物结构松散，小孔多，独立的原始磁铁矿颗粒清晰可见。后部结圈物结构松散，小孔多，独立的原始磁铁矿颗粒清晰可见。结圈物强度较差，但靠窑衬层强度稍好。结圈物强度较差，但靠窑衬层强度稍好。Fe3O4原原始始磁铁矿磁铁矿占占4

6、0.2%，呈块状和板状，形成少量粘连。，呈块状和板状，形成少量粘连。浑圆状浑圆状的的FeO占占32.5%。嵌布在嵌布在Fe3O4或或FeO周围的为多成分化合物周围的为多成分化合物。FeO多多ElementWeight/%Fe100.00ElementSiFeAlMgCaWeight/%18.0552.890.082.7320.25图3 Fe3O4或FeO相能谱分析 图4 多成分化合物能谱分析Fe3O4相或相或Fe3O4向向FeO转变相，保持转变相，保持原始原始颗粒形状和大小不变，颗粒形状和大小不变，小颗粒变化稍大。存在少量的多成分化合物小颗粒变化稍大。存在少量的多成分化合物。仅出现极少量液相，

7、主仅出现极少量液相，主要要为为FeO和煤灰分中和煤灰分中SiO2、Al2O3、CaO、MgO等发生固相反应、形成等发生固相反应、形成低低熔熔点物质点物质。（）氧化物间发生固相反应（）氧化物间发生固相反应后部后部料层温度较低（料层温度较低（700），还原），还原气氛较弱，气相气氛较弱，气相温度温度800950，气氛为弱氧化性气氛，气氛为弱氧化性气氛。当局部温度较高或烟气氧化性较强时，当局部温度较高或烟气氧化性较强时，少量少量FeO、SiO2、Al2O3、CaO、MgO等发生等发生了固相反应了固相反应，形成的形成的多多成成分复杂分复杂化合物化合物，产生产生化学粘结。化学粘结。 3.3 后部结圈物的

8、形成机理后部结圈物的形成机理（）粉尘的物料粘附（）粉尘的物料粘附微细粒微细粒的的铁精矿铁精矿和和煤灰，表面能煤灰，表面能大大，附在，附在窑窑壁上。壁上。粘附细粒粘附细粒，承受机械力作承受机械力作用下，发生机械沉积而用下，发生机械沉积而粘附粘附在窑壁上，在窑壁上，当粘附强度不够时当粘附强度不够时，会自动，会自动脱落或被擦落脱落或被擦落，并并反复进行粘附反复进行粘附和和脱落。脱落。4 回转窑中部结圈物矿相分析及机理回转窑中部结圈物矿相分析及机理4.1 回转窑中部结圈物矿相分析回转窑中部结圈物矿相分析图5 中部结圈物断面照片图6 中部结圈物显微结构（反光，50） 中部结圈物断面层次分明中部结圈物断面

9、层次分明，紧密层和疏松层交替重复排列，紧密层和疏松层交替重复排列。靠窑衬靠窑衬部部分分出现软熔出现软熔或或熔化现象，结构致密，强度高。熔化现象，结构致密，强度高。表层表层较为松疏较为松疏，为粘附层为粘附层。嵌布在金属铁或嵌布在金属铁或FeO相周围的板状钙铁橄榄石。相周围的板状钙铁橄榄石。FeCS多多FeOElementSiFeMgCaWeight/%2.6492.160.145.06ElementSiFeMgCaAlSWeight/%2.9893.780.222.740.140.13图7 回转窑中部结圈物金属铁相能谱分析图8 回转窑中部结圈物FeO相能谱分析MFe相，相，FeO相中含有少量的相

10、中含有少量的SiO2、Al2O3、MgO、CaO、S等物质。等物质。ElementSiFeAlMgCaWeight/%18.0552.890.082.7320.25ElementSiFeMgCaWeight/%16.6473.584.245.54图9 钙铁橄榄石相能谱分析 图10 多成分化合物能谱分析中部结圈物中的钙铁橄榄石，含中部结圈物中的钙铁橄榄石，含大大量的量的MgO、Al2O3等，等，FeO含量较含量较高，形成低熔点物质。紧密包裹金属铁相或高，形成低熔点物质。紧密包裹金属铁相或FeO相，是主要的粘结相之相，是主要的粘结相之一。一。中部结圈物中多成分化合物相含有中部结圈物中多成分化合物相

11、含有FeO、SiO2、MgO、CaO、Al2O3等，形成低熔点物质。也是主要的粘结相之一。等，形成低熔点物质。也是主要的粘结相之一。 回转窑中部料层温度逐步提高，气相温度可达1000甚至可达1100以上。 （1）煤在窑中分布不够合理。20%35%的窑尾煤几乎烧尽，一杆枪喷煤难以保证中部需要的煤量，中部少煤情况十分明显。以致还原气氛难以保证，球团快速还原难实现，造成球团强度的低谷区过长，表面磨损加剧。这些粉末和尾部跌落的结圈物以及煤灰就构成了回转窑中部结圈的物质基础。 （2）由于中部缺煤，料层气氛难以控制，FeO区间过长，气氛偏氧化性气氛，造成局部氧化放热而出现局部温度过高，造成局部物料熔化而形

12、成结圈。（3）钙铁橄榄石大致可表示为1.4FeO.SiO2.CaO，并含有Mg、Al等元素。熔化温度为10801150。中部中部结圈物的矿相分析表明，主要以液相粘结为主，结圈物一旦形成结圈物的矿相分析表明，主要以液相粘结为主，结圈物一旦形成液相，将迅速粘附大量的粉末，甚至球团。造成恶性循环。液相，将迅速粘附大量的粉末，甚至球团。造成恶性循环。4.2 中部结圈物的形成机理中部结圈物的形成机理5. 回转窑回转窑前部结圈物矿相分析及形成机理前部结圈物矿相分析及形成机理5.1 前部结圈物矿相分析前部结圈物矿相分析 图11前部结圈物断面照片图12 前部结圈物显微结构图（反光，40） 断面为不均匀结构，有

13、的地方很致密，有的孔洞发达。可明显看到层断面为不均匀结构，有的地方很致密，有的孔洞发达。可明显看到层状结构，结圈物为一层一层粘上去的。发现部分球团被包裹在内状结构，结圈物为一层一层粘上去的。发现部分球团被包裹在内。 结圈物中结圈物中含金属铁、含金属铁、FeO、硅灰石、硅灰石和和多成分化合物。嵌布在金属铁多成分化合物。嵌布在金属铁或亚铁周围的是板状的硅灰石或多成分的化合物，将金属或亚铁周围的是板状的硅灰石或多成分的化合物，将金属铁铁相或相或FeO相相牢固的粘在一起。出现局部温度过高（牢固的粘在一起。出现局部温度过高（1350），产生了软熔），产生了软熔或或熔化。熔化。FeFeO图13 金属铁相能

14、谱分析图14 金属铁相能谱分析ElementSiFeMgSWeight/%0.0698.120.101.72ElementSiFeMgSAlCaWeight/%1.1593.100.231.780.153.60金属铁相中仅含有少量的金属铁相中仅含有少量的Si、Al、S等杂质。等杂质。FeO中含有少量的中含有少量的CaO、SiO2、MgO等，主要来源于原矿中。等，主要来源于原矿中。ElementFeAlSiCaMgTiWeight/%14.0712.7430.1237.991.773.22ElementFeAlSiCaMgWeight/%50.591.0220.5024.673.21图15 硅灰

15、石能谱分析图16 多组分化合物能谱分析 硅灰石中以硅灰石中以CaO、SiO2为主，同时含有部分为主，同时含有部分Al2O3、FeO、MgO、TiO2等。这些杂质的存在进一步降低了硅灰石的熔点。等。这些杂质的存在进一步降低了硅灰石的熔点。 回转窑前部料层温度稳定在10001020左右，而气相温度为10501080。 （1）球团进行深度还原，金属铁大量形成，金属铁活性很高。当物料暴露在气相中，气相中有氧，将发生金属铁的剧烈燃烧，产生局部高温而熔结，且与粉末料迅速形成低熔点物质，产生液相，导致结圈。（2）金属铁、低熔点物质都可能成为粘结相。 回转窑回转窑的前部结圈是由于部分金属铁和低熔点化合物，在局

16、部高的前部结圈是由于部分金属铁和低熔点化合物，在局部高温条件下熔融而形成的液相粘结。温条件下熔融而形成的液相粘结。5.2 前部结圈物的形成机理前部结圈物的形成机理6.结论结论（1） 试验结果表明，直接还原回转窑“结圈”的根本原因在于：窑内存在粉末物料、粉末料及其化合物的熔点较低、局部温度过高或气氛控制不当。（2） 鲁中回转窑各部位“结圈”的机理和模式各异： 尾部主要是粉尘的物理粘附以及固相反应产生的少量的多成分化合物的固相粘结； 中部主要是由大量的FeO相粉末与煤灰等形成的低熔点化合物的固相或液相粘结，以及这些固相与固体物料相互形成的包裹和夹杂物的彼此粘连； 头部主要是已被还原的金属铁物料，在局部氧化性气氛条件下迅速激烈氧化而产生高温，所导致的液相粘结。