（一）问题的提出
1951～1952年英国E.W.沃伊斯(Voice),在试验时发现，不论原料品种，配碳多少，废气率(米3/吨混合料)都是差不多的。是否空气除供燃料燃烧外，还要满足传热的需要,因此他设计了一个方案，用惰性物料如石英、硅铝砖、三氧化铝代替矿粉，避免放热或吸热熔融造渣。考虑到热的来源，一组试验配加燃料，另一组试验用外部加热，即将载热体加热到1300℃,放在料面上加热，然后进行同样操作条件下的两组试验。前者称为烧结试验，后者称为传热试验，所得结果见图1.
1)不论烧结试验与传热试验，料层各水平温度变化曲线的形状有些差别，但高温带穿过料层的速率对每种物料是很相似的；
2)不论烧结试验或传热试验，热波通过料层达到废气最高温度的传热时间也很相近；
3)废气率很接近，即烧结试验与传热试验废气率很接近。
这个试验说明传热过程是废气率的决定因素，即烧结所需的空气量不仅决定燃料的燃烧而且还决定于传热的需要。
为了进一步证实此结论，用不同热容量的气体进行传热试验。如果用热容量较小的Ar、He及热容量大的CO2,如果是传热作用，那么使用Ar、He时的废气率就应该大,CO2的废气率就应该小，这说明了烧结过程的传热决定了废气率。废气率与热容成反比，其乘积为常数。为了进一步证实上述结果，改变燃料种类(用钛和碳素)作试验。如果是以燃烧过程作为决定废气率的因素，则碳素燃烧所需的气体量大，应该有较高的废气率。试验结果表明，角钛和碳素燃烧，其废气率相近，从而反证了废气率决定于热传导过程而不是决定干燃料燃烧过程。[next]
（二）热波前锋及火焰前锋
为了进一步了解烧结过程的传热特性,E.W.沃伊斯及其同事们提出了“热前锋”及“火焰前锋”两个概念：
1)没有内部热源时，热波前锋的移动速度决定了热波曲线的移动速度，为了计算热前锋，规定当料层温度开始均匀上升时表明热波前锋即已到达，一般以1000℃等温线为准。当配有燃料时，使用火焰前锋的概念，规定当料层温度迅速上升时表明火焰前锋到达，一般以600℃或1000℃等温线为准。
2)热波曲线的特点是以最高温度为中心，两边对称的曲线。因为整个料层只有空气和石英，比热相同，空气流速相同；而火焰波曲线由于配有燃料，所以曲线两边不对称，是不等温曲线。
3)热波曲线随着热波往下前进，最高温度逐步下降，而且热波曲线不断加宽。而火焰波曲线随着火焰波(或燃烧带)向下移动，最高点的温度升高。
热波移动速度,B.B.勃拉斯凯特(blaskett)提出以下计算公式：
式中 hg———单位体积的气体热容；
hs———单位体积的固体物料热容；
ω———每分钟单位面积上的气体流量；
f———单位体积料层的孔隙率。
从上式可知热波速度与气体热容及气体流速成正比，而与固体物料热容成反比，孔隙率大，热波速度也大。此外还可以推断：
1)物料直径大时，传热速度慢，传热效率低，气体中保持较大的热量，相应的热波速度增大；
2)提高气体中CO2、H2O含量，热波速度加大，因为CO2、H2O热容量大；
3)如果空气流速增加很多，气固相问传热效率下降，废气率增加。
热波及火焰前锋移动速度对烧结过程的影响,E.Ф.魏格曼(BecMaH)指出：在烧结过程中必须区别“热前锋”及“火焰前锋”的移动速度，在一般情况下它们彼此在数量上是不相同的。在配碳正常或稍高的情况下，碳的燃烧速度决定烧结过程的总速度，“火焰前锋”的移动速度往往落后于“热前锋”的移动速度，这种烧结制度由于氧供应不足，即使焦粒已加热到燃点也不会燃烧。应采用富氧加速燃烧，或用压力烧结促使火焰前锋移动速度加快，从而使整个烧结过程加快。倘若配碳较低，剩余氧很大，在此情况下所有加热到燃点的焦粉毫无例外的剧烈燃烧，因此烧结过程的总速度决定于“热前锋”的移动速度。例如烧结含硫矿石时，主要是热前锋移动速度慢于燃烧速度，因此可提高气体热容量，改善透气性，增加气流速度，从而加速烧结过程。[next]
（三）烧结过程的蓄热
在烧结料层中各层的最高温度分布是逐步上升的，这主要是烧结过程的自动蓄热造成的。
苏联A.A.西哥夫(Cuco8)定量研究烧结过程的蓄热作用。将正常配碳的混合料沿料层高度按1厘米分割成小单元，以1米2面积计算每单元的热平衡。第一单元的热收入是点火供热及混合料中焦炭的燃烧，其热支出为：
1)加热该小单元料层混合料所需的热(点火温度按1200℃计算);
2)加热废气所需的热(要计算废气量);
3)加热含水混合料到100℃及水蒸气所需的热；
4)该料层中Fe2O3转变为Fe2SiO4所需的热；
5)热损失。
下面第二单元的热收入项目应增加上层加热该层物料的热(热矿冷却过程送下来的热)以及经上层烧结而进入该层废气的热(废气带入的热).废气带入的热量" 可由下式计算：
Q=VgCtm50(tm-50℃)
式中 tm——一料层中最高温度；
Vg———废气的体积，米5；
Ctm50———废气的热容(自50℃至料层的最高温度)。
热电偶多层实测表明，料层温度自50℃提高到tm(约1400℃～1600℃)时，在料层的边缘为1.0～1.5分钟，在料层的中心为1.5～3.0分钟，平均取1.5分钟。若垂直速度为2厘米/分，则在此废气热量应分配给三个单元。根据上升温度曲线，其分配比例为45%、35%及20%.
经上层烧结矿加热空气的热量：由于烧结矿冷却很缓慢，温度曲线下降得很平缓，常延长到4～6分钟(平均取5分钟).根据每一小单元的烧结过程为0.5分，可以认为烧结矿95%热量供给以下10层小单元。根据温度下降曲线确定以下各单元热分配数量(2单元16%、3～15%、4～13%、5～12%、6～10%、7～9%、8～7%、9～6%、10～4%、11～3%).
图2绘出各层热量的变化，从图可知到第8层其蓄热最达到总热量的62.8%.
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我们对首钢二烧高料层烧结的蓄热进行了分析：
取首钢二烧某一生产台车，其料层高度为425毫求(减去垫底料25毫米，实际料层高度取400毫米).台车面积为2.5米×1.0米，按料层高度400毫米计算，将其分为5层，然后按层进行热平衡计算。
第一层热收入：
1)点火供热
式中 υ———台车速度，以1.5米/分计；
q———煤气发热值，百万焦耳/米3;
Q———单位时间煤气消耗量, 米3/分。
2)燃料燃烧热
q2=W×C×(0.9qco+0.1qco2)400×3.34%×(0.9×34.18+0.1×10.4)=424.87百万焦耳
式中 W———该电元混合料量,千克；
C———混合料含碳,%.
qco、qco2———每千克碳燃烧成CO、CO2的放热量，百万焦耳(33.5及9.83百万焦耳/千
克C);
3)Fe3O4氧化放热反应
式中 a———烧结成品率。
4)混合料带入的物理热
q4=400×60×0.2×0.0042+400×8.85%×60×0.0042=29.08百万焦耳
式中 0.2×0.0042———混合料的比热容,千焦/千克·℃;
400———该单元的混合料量,千克。
5)矿物生成热
6)总热收入
Q=q1+q2+q3+q4+q5=830.06百万焦耳[next]
第一层热支出：
1)石灰石分解
q6=Wcao·qcao+WMgO·qMgO=2415×3.19+771×2.78=98.52百万焦耳
式中 WCaO,WMgO———该单元CaO,MgO含量，千克；
qCaO,qMgO———每千克CaO、MgO的分解热，百万焦耳/千克。
2)水分蒸发
q7=WH2O·qH2O=35.394×2.499=88.45百万焦耳
式中 WH2O·qH2O———该单元混合料含水量,千克，及水的蒸发热，百万焦耳/千克。
3)外部热损失
q8=0.15Q=0.15×830.06=124.51百万焦耳
4)废气及烧结矿带走的热量
q9=Q-q6-8=518.578百万焦耳
此q9全部为以下各单元所吸收，从废气温度的变化推定70%为第二层吸收,30%为第三层吸收，依此可以计算以下各层的热平衡及各层的蓄热率。
从以上计算可知：
1)料层中的蓄热量随着料层高度的提高是逐步积累的，当料层高度达400毫米时，蓄热率达65%.
2)蓄热的来源是由上一单元废气及热烧结矿预热冷风而带来的。当料层由300毫米增加到400毫米时，蓄热量增加到175.1百万焦耳，折合标准煤5.95千克，折合普通燃料为6.58千克(含固定碳80%,每千克碳在烧结中燃烧热为31.204百万焦耳),每吨烧结矿节约燃料将为4.1千克。这就是厚料层烧结会降低燃耗的原因。
3)由于烧结过程这种自动蓄热作用，使烧结料层的温度随着料层的提高而提高，因而烧结矿的强度也就愈好。这就是烧结高料层作业能提高烧结矿强度的原因。
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