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铁矿石烧结过程是钢铁企业中重要的预处理工艺,以向高炉提供炼铁用熟料。烧结矿是一种制粒后准颗粒堆积床经高温部分熔融后生产出的多孔块状物料。烧结过程可依此视为两个主要阶段,即冷态的生料堆积床的构建和热态的床层转换。目前我国逐渐贫瘠的铁矿石资源、波动多变的原料供给、日趋严格的污染物排放和能耗要求,均对烧结厂提出了巨大挑战,烧结生产的运行调控必须持续优化改进。对冷态生料床的制粒堆积、热态烧结床的火焰锋面传播特性的基础性研究对于开发高效环保的烧结技术具有重要意义。基于此背景,本文重点关注并开展了烧结过程的床层多孔结构及火焰锋面阻力特性的研究工作。首先,基于制粒后准颗粒的内核加粘附层这一典型结构的颗粒数平衡的数学描述,开展了制粒试验和透气性杯堆积试验研究了水分、熟石灰含量、磁精矿用量对准颗粒结构和生料床特性的影响。结果表明,准颗粒的索特平均直径与水分成线性关系,熟石灰和磁精矿等微细颗粒的引入能有效促进制粒过程的团聚粘附速度,在制粒水分足够时形成具更大粘附比的准颗粒。准颗粒堆积的床层孔隙度和床层透气性随水分的变化曲线均有典型的三段特性。熟石灰的添加有利于床层透气性的提高而磁精矿的增加会恶化床层透气性。第二,准颗粒的粘附层变形程度对堆积形成的床层孔隙度具有关键影响,主要与粘附层的强度特性和施加在准颗粒上的力相关。为更好地了解准颗粒粘附层的力学特性,基于Litster开发的制粒模型,配置了能准确代表准颗粒粘附层原料、粒度组成的模拟柱,在特制的单轴压缩试验装置和直接剪切装置上分别测量了准颗粒粘附层的可压缩性和剪切强度。熟石灰可作为粘结剂明显增强粘附层的强度而磁精矿的作用相反将恶化粘附层的强度。相比于准颗粒在布料堆积时所受的应力,粘附层本身的粘附强度仅在1-3 kPa间,极易被压缩或剪切导致变形。第三,开发了机理性的烧结生料床孔隙度预测模型,考虑了烧结准颗粒堆积时的粒径分布、颗粒间粘性力和准颗粒粘附层的变形程度等关键机理。在前面研究的基础上,该模型采用单种矿石料结构、不同熟石灰及磁精矿用量的混合料结构的大量制粒、堆积试验的数据进行了对比验证,多数预测结果均在±10%的误差范围内。结合Litster开发的颗粒数平衡的制粒模型,孔隙度模型能够很好地依据配料结构、原料特性和制粒水分预测出生料床孔隙度,从而很好地指导烧结现场生产的配料、制粒及布料堆积。第四,采用无损的X射线显微断层扫描技术(XCT)观测了烧结矿三维的复杂多孔结构,并开展数值模拟预测了烧结矿的有效热导系数。三维重建的烧结矿具有复杂的孔隙分布,造成了明显的各向异性的热导系数和温度分布。烧结矿中小于300 μm的小孔隙在数量频率上占据大多数(约45-55%),但仅占小部分数量的大于1 mm的大孔隙则贡献了约95%的总孔隙体积占比,并主要决定了烧结矿的导热行为。通过将模拟预测的有效热导系数与文献中的类似铁系聚合物的导热值、典型的经验式预测方程和结构分析模型等的比较,证明了 XCT三维重建结合数值模拟的技术手段可有效捕捉烧结矿真实的多孔结构,从而比简单的经验式方程或结构分析模型能获取更精确的热物理行为的预测效果。第五,为考察烧结床中的已烧结区域的不均匀流动情况,在高分辨率的XCT技术重建获取的真实多孔结构中开展CFD模拟,直观地展现了气流速度在固相烧结矿作为阻碍物或者气流通道变窄时的增大情况。孔隙度更大的烧结床将具有更多的气流通道,其流场分布也发展得更为均匀。烧结杯中试试验结果表明,烧结床的透气性与生料床的透气性具有强相关性。烧结风量在过程中基本保持在一个稳定的水平,表明整个烧结床在固定负压(16 kPa)的烧结过程中具有自适应的透气性调节能力,约100mm厚的高温区域对烧结床透气性具有决定性作用。最后,为更好地了解烧结床火焰锋面中熔融液相的形成对气流通道的发展演变及多孔结构对气流的阻力特性,创新地在烧结杯试验中同时测量压力分布和温度分布跟踪研究火焰锋面的传播特性,并进一步采用XCT技术对比了生料床与已烧结床的孔隙分布和气流通道的统计参数。三维重建和图像分析结果表明,相比于生料床,经过热转换后的已烧结床因气相-固相-熔融液相的共存凝聚将具备更大孔径的气流通道、更多的闭孔分布。床层蓄热或者增加焦粉配比使得热量输入增加时,形成的更多的熔融液相将抑制气流通道的发展,并扩大烧结床上部与底部的气流阻力差异。较高的焦粉配比将增加火焰锋面的气流阻力,明显降低火焰锋面的传播速度。高温区域的具体压降值从上部床层的～3 kPa增加至底部床层的～7kPa,主要受床层温度和床层多孔结构特点所影响。