呂 慶 田 野 郄亞娜 劉小杰 李建鵬

(華北理工大學(xué)冶金與能源學(xué)院，河北省現(xiàn)代冶金技術(shù)重點(diǎn)試驗(yàn)室，河北唐山 063009)

富礦粉燒結(jié)工藝改善的試驗(yàn)研究

呂 慶 田 野 郄亞娜 劉小杰 李建鵬

(華北理工大學(xué)冶金與能源學(xué)院，河北省現(xiàn)代冶金技術(shù)重點(diǎn)試驗(yàn)室，河北唐山 063009)

針對(duì)富礦粉燒結(jié)工藝的改善，通過(guò)系統(tǒng)的燒結(jié)試驗(yàn)對(duì)燒結(jié)工藝參數(shù)中的燃料比、燒結(jié)負(fù)壓和燒結(jié)料層厚度進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，隨著燃料比的增加，燒結(jié)利用系數(shù)先升高后下降，轉(zhuǎn)鼓指數(shù)持續(xù)升高；隨著燒結(jié)負(fù)壓的升高，燒結(jié)利用系數(shù)先升高后降低，轉(zhuǎn)鼓指數(shù)持續(xù)降低；隨著料層厚度的增加，燒結(jié)利用系數(shù)先下降后升高，轉(zhuǎn)鼓指數(shù)持續(xù)升高。根據(jù)灰色加權(quán)關(guān)聯(lián)度選出最優(yōu)工藝參數(shù)為燃料比為5.0%、燒結(jié)負(fù)壓為12 000 Pa、料層厚度為600 mm。

富礦粉 燒結(jié) 工藝參數(shù) 優(yōu)化

目前，中國(guó)鋼鐵行業(yè)面臨著環(huán)保和能源壓力越來(lái)越大、上游資源缺乏保障等問(wèn)題，而且自2009年后，中國(guó)鋼鐵行業(yè)進(jìn)入微利甚至局部虧損的時(shí)代，因此，節(jié)能降耗成了鋼鐵行業(yè)關(guān)注的話題[1- 4]。作為高爐原料供應(yīng)的燒結(jié)工序能耗較大，降低燒結(jié)工序能耗，能夠降低鋼鐵生產(chǎn)的綜合能耗、降低生產(chǎn)成本。目前外礦市場(chǎng)價(jià)格降低，使用全外礦燒結(jié)可以降低燒結(jié)能耗。同時(shí)，根據(jù)國(guó)外富礦粉性質(zhì)，增大富礦粉使用量能進(jìn)一步降低燒結(jié)過(guò)程成本。但由于富礦粉粒度大，在燒結(jié)過(guò)程形成液相少，燒結(jié)礦的冷強(qiáng)度較低，燒結(jié)生產(chǎn)過(guò)程反應(yīng)復(fù)雜，同時(shí)發(fā)生固相反應(yīng)和液相反應(yīng)，這就導(dǎo)致燒結(jié)過(guò)程工藝參數(shù)多變量。在燒結(jié)生產(chǎn)中，料層高度、燃料比、燒結(jié)負(fù)壓是影響燒結(jié)礦質(zhì)量的主要工藝參數(shù)。大量生產(chǎn)實(shí)踐表明[5- 11]，工藝參數(shù)的選擇對(duì)燒結(jié)礦的產(chǎn)量和質(zhì)量影響很大。本文通過(guò)對(duì)富礦粉燒結(jié)過(guò)程中的料層高度、燃料比、燒結(jié)負(fù)壓工藝參數(shù)進(jìn)行研究，通過(guò)加權(quán)灰色關(guān)聯(lián)度法選取，最終確定富礦粉燒結(jié)的最佳工藝參數(shù)。

1 燒結(jié)原料物相分析

1.1 試驗(yàn)裝置與方法

燒結(jié)基礎(chǔ)性能試驗(yàn)裝置為TSJ- 3型微型燒結(jié)機(jī)，試驗(yàn)方法如下：

(1)同化性

將礦粉小餅置于CaO小餅的上方中心部位，一起放入微型燒結(jié)裝置中，根據(jù)試驗(yàn)設(shè)定的升溫曲線和試驗(yàn)氣氛進(jìn)行燒結(jié)。以鐵礦粉與CaO小餅接觸面上生成略大于鐵礦粉小餅一圈的反應(yīng)物為其同化特征，測(cè)定不同鐵礦粉達(dá)到這一同化特征的溫度，即最低同化溫度。

(2)液相流動(dòng)性和黏結(jié)相強(qiáng)度

將小于100目的CaO試劑和鐵礦粉按一定的二元堿度配成燒結(jié)黏附粉，混勻后采用干粉壓制法(壓力為15 MPa、時(shí)間為2 min)壓制成試樣小餅，在試驗(yàn)要求的溫度和氣氛條件下進(jìn)行燒結(jié)，待試樣冷卻到100 ℃以后，取出并測(cè)定小餅燒結(jié)前后的面積，并用抗壓強(qiáng)度測(cè)定儀測(cè)定小餅的抗壓強(qiáng)度。

1.2 燒結(jié)原料物化性能

1.2.1 PMC、巴卡、南非礦成分分析

試驗(yàn)原料PMC尾礦、巴卡礦、南非礦的化學(xué)成分如表1所示。

表1 試驗(yàn)用燒結(jié)原料化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

由表1可知，PMC尾礦、巴卡礦和南非礦的鐵品位均較高，且PMC尾礦主要為磁鐵礦，巴卡礦和南非礦主要為赤鐵礦。

1.2.2 燒結(jié)礦粉基礎(chǔ)性能

在相同的燒結(jié)條件下，鐵礦粉與CaO的同化性過(guò)低，燒結(jié)過(guò)程中生成的液相量減少，不利于燒結(jié)混合料的熔化黏結(jié)，從而影響燒結(jié)礦的固結(jié)強(qiáng)度。此外，鐵礦粉的同化性低，燒結(jié)過(guò)程中同化反應(yīng)不完全，燒結(jié)礦中易形成CaO殘余物，其遇水后形成Ca(OH)2進(jìn)而體積膨脹，燒結(jié)礦的強(qiáng)度降低。反之，鐵礦粉的同化性過(guò)高，燒結(jié)料層中液相生成過(guò)多，燒結(jié)過(guò)程中起固結(jié)作用的核礦石減少，燒結(jié)料層透氣性惡化，影響燒結(jié)礦的質(zhì)量和產(chǎn)量。因此，燒結(jié)一般要求鐵礦粉的同化溫度在1 275～1 315 ℃比較合適。鐵礦粉的同化溫度結(jié)果如表2所示。

表2 鐵礦粉的基礎(chǔ)性能

由表2可知：南非粉和巴卡粉的同化溫度較低，沒(méi)有達(dá)到要求的下限值，但巴卡粉的同化溫度已接近下限值；PMC原礦的同化溫度遠(yuǎn)超要求的上限，PMC 200目高出要求55 ℃。可見(jiàn)3種礦粉中巴卡粉的同化溫度相對(duì)較高。因此，配礦過(guò)程中將同化性能較好的礦粉與較差的礦種搭配使用，使燒結(jié)過(guò)程中生成的液相量適中，改善燒結(jié)過(guò)程和燒結(jié)礦的質(zhì)量。

1.2.3 燒結(jié)礦粉粒度組成

(1)PMC礦粉

利用庫(kù)爾特LS- 230型激光粒度分析儀對(duì)鐵精礦粉進(jìn)行粒度分析，含鐵精礦粉的粒度組成如表3所示。

表3 鐵礦粉的粒度組成

由表3可知，PMC原礦平均粒徑最大約為148.70 μm。

(2)南非礦和巴卡礦

粉礦粒度的測(cè)定：礦石取樣烘干，篩網(wǎng)孔徑(8、5、3、2、1、0.5 mm)，稱量留在各孔徑篩網(wǎng)的質(zhì)量，計(jì)算各粒度的比例。南非、巴卡礦粉的粒度組成如表4所示。

表4 南非礦和巴卡礦的粒度組成

從表4可知，南非、 巴卡粉粒度大于5 mm的占30%～45%，大粒度礦的偏多，燒結(jié)過(guò)程中液相量少，大粒度礦爆裂現(xiàn)象嚴(yán)重，導(dǎo)致燒結(jié)礦強(qiáng)度下降。巴卡粉粒度1～0.5 mm的大于15.69%，比例偏大使得二混造球困難。總體來(lái)說(shuō)兩種富礦粉粒度較大，當(dāng)大量使用時(shí)會(huì)影響燒結(jié)礦的產(chǎn)量和質(zhì)量。精粉粒度過(guò)大，會(huì)以致密精粉顆粒變成小球核心，不利于燒結(jié)過(guò)程傳熱傳質(zhì)；精粉粒度過(guò)小會(huì)導(dǎo)致混合料水分增加，燒結(jié)時(shí)熱耗增大，在同樣的燃料配比和較快的燒結(jié)速度下，易使燒結(jié)過(guò)程雖然氧化氣氛較強(qiáng)，但熱量卻不足。適當(dāng)提高料層以控制燒結(jié)速度，可以彌補(bǔ)以上不足。

2 試驗(yàn)設(shè)備與方案

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

采用傳統(tǒng)燒結(jié)杯試驗(yàn)方法，燒結(jié)杯內(nèi)徑為210 mm。按試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案配料，每次試驗(yàn)的原料總量為40 kg，混合料水分控制為4.5%～5.0%，燒結(jié)杯底層放置2.0 kg、直徑大于10 mm的成品燒結(jié)礦作為鋪底料。將混合料裝入燒結(jié)杯，并壓料，采用石油液化氣進(jìn)行燒結(jié)點(diǎn)火，燒結(jié)點(diǎn)火溫度控制為1 150 ℃，點(diǎn)火時(shí)間為2 min，燒結(jié)負(fù)壓控制為8 000 Pa，將燒結(jié)廢氣溫度開(kāi)始下降時(shí)定為燒結(jié)終點(diǎn)。

2.2 燒結(jié)燃料比試驗(yàn)方案

富礦粉燒結(jié)原料巴卡∶南非∶PMC尾礦的配比為9.55∶44.56∶9.55，改變?nèi)剂媳确謩e為4.5、5.0和5.5，研究不同燃料比對(duì)燒結(jié)工藝參數(shù)的影響，進(jìn)而改善燒結(jié)工藝參數(shù)。配礦方案如表5所示。燒結(jié)礦理論成分如表6所示。

表5 配礦方案(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

表6 燒結(jié)礦理論成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

2.3 燒結(jié)負(fù)壓試驗(yàn)方案

富礦粉燒結(jié)原料巴卡∶南非∶PMC尾礦的配比為9.55∶44.56∶9.55，改變燒結(jié)負(fù)壓分別為10 000、12 000和14 000 Pa，研究不同燒結(jié)負(fù)壓對(duì)燒結(jié)工藝參數(shù)的影響，進(jìn)而改善燒結(jié)工藝參數(shù)。配礦方案如表7所示。燒結(jié)礦理論成分如表8所示。

2.4 燒結(jié)料層高度試驗(yàn)方案

富礦粉燒結(jié)原料巴卡∶南非∶PMC尾礦的配比為9.55∶44.56∶9.55，改變燒結(jié)料層厚度分別為600、650、700和1 000 mm，研究不同燒結(jié)料層厚度對(duì)燒結(jié)工藝參數(shù)的影響，進(jìn)而改善燒結(jié)工藝參數(shù)。配礦方案如表9所示。燒結(jié)礦理論成分如表10所示。

表7 配礦方案(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

表8 燒結(jié)礦理論成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

表9 配礦方案(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

表10 燒結(jié)礦理論成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 燒結(jié)燃料比試驗(yàn)研究

燃料比與燒結(jié)利用系數(shù)及轉(zhuǎn)鼓指數(shù)的關(guān)系見(jiàn)圖1。由圖1(a)可知，當(dāng)燃料比為5.0%時(shí)，燒結(jié)利用系數(shù)最高為2.73 t/m2h，比燃料比為4.5%的高0.32 t/m2h，比燃料比為5.5%的高0.07 t/m2h。當(dāng)燃料比小于5.0%時(shí)，隨著燃料比增加，焦粉燃燒提供的熱量增多，液相得到充分發(fā)展，燒結(jié)利用系數(shù)提高。當(dāng)燃料比進(jìn)一步提高后，燃燒帶變寬[10]，燒結(jié)層阻力增加，從而使燒結(jié)產(chǎn)量降低，燒結(jié)利用系數(shù)有所降低。因此對(duì)燒結(jié)利用系數(shù)而言，燃料比并不是越大越好，而是有一個(gè)最佳值，由此試驗(yàn)結(jié)果得出當(dāng)燃料比為5.0%時(shí)，燒結(jié)利用系數(shù)最大。

由圖1(b)可知，隨燃料比的升高轉(zhuǎn)鼓指數(shù)呈升高的趨勢(shì)，當(dāng)燃料比為5.5%時(shí)，轉(zhuǎn)鼓指數(shù)最大為64.08%。燒結(jié)礦的黏結(jié)相強(qiáng)度是影響燒結(jié)礦強(qiáng)度的主要原因之一，隨著燃料比增加，燒結(jié)過(guò)程中產(chǎn)生的液相較充分，充足的液相將燒結(jié)礦有效黏結(jié)，使強(qiáng)度提高；另外，南非礦的粒度較大，很難與溶劑發(fā)生固相反應(yīng)生成低熔點(diǎn)物質(zhì)，一部分只在大顆粒表面由液相作為連接橋與其他大顆粒黏結(jié)，而大顆粒礦內(nèi)部未參與燒結(jié)反應(yīng)，增加燃料比有利于增大燒結(jié)過(guò)程溫度，有利于大顆粒內(nèi)部各種物理化學(xué)反應(yīng)充分進(jìn)行，以及黏結(jié)相礦物的結(jié)晶和再結(jié)晶，進(jìn)而增強(qiáng)燒結(jié)礦強(qiáng)度。

圖1 燃料比與燒結(jié)利用系數(shù)(a)和轉(zhuǎn)鼓指數(shù)(b)的關(guān)系

Fig.1 Variation of sintering utilization factor (a) and drum index (b) as a function of fuel ratio

3.2 燒結(jié)負(fù)壓試驗(yàn)研究

燒結(jié)負(fù)壓與利用系數(shù)及轉(zhuǎn)鼓指數(shù)的關(guān)系如圖2所示。由圖2(a)可知，燒結(jié)負(fù)壓為10 000 Pa時(shí)，燒結(jié)利用系數(shù)最低為1.82 t/m2h，燒結(jié)負(fù)壓為12 000 Pa時(shí)，燒結(jié)利用系數(shù)最高為2.73 t/m2h，增加燒結(jié)負(fù)壓使垂直燃燒速度增加，產(chǎn)量明顯提高。當(dāng)燒結(jié)負(fù)壓繼續(xù)增加到14 000 Pa時(shí)，燒結(jié)利用系數(shù)有所降低為2.49 t/m2h。原因是提高燒結(jié)負(fù)壓有利于提高燒結(jié)速度，進(jìn)而有利于提高利用系數(shù)。但燒結(jié)負(fù)壓過(guò)高會(huì)使燃燒帶移動(dòng)過(guò)快，大量的熱沒(méi)有被充分利用，影響了燒結(jié)礦的產(chǎn)量，從而導(dǎo)致燒結(jié)利用系數(shù)降低。

圖2 負(fù)壓與燒結(jié)利用系數(shù)(a)和轉(zhuǎn)鼓指數(shù)(b)的關(guān)系

Fig.2 Variation of sintering utilization factor(a) and drum index(b) as a function of negative pressure

由圖2(b)可知，隨著燒結(jié)負(fù)壓的升高，轉(zhuǎn)鼓指數(shù)由63.43%持續(xù)下降到61.19%。說(shuō)明燒結(jié)負(fù)壓過(guò)高對(duì)燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓指數(shù)不利，燒結(jié)負(fù)壓過(guò)大，導(dǎo)致燒結(jié)速度加快，燃燒帶移動(dòng)速度加快，而復(fù)合鐵酸鈣(SFCA)最佳生成的溫度區(qū)間為1 250～1 280 ℃，當(dāng)燒結(jié)速度過(guò)快，使SFCA無(wú)法充分生成長(zhǎng)大，導(dǎo)致燒結(jié)礦強(qiáng)度降低；另外負(fù)壓較高時(shí)，氧分壓較高[11]，SFCA轉(zhuǎn)變成赤鐵礦，進(jìn)而降低燒結(jié)礦強(qiáng)度。

3.3 燒結(jié)料層高度試驗(yàn)研究

料層厚度與利用系數(shù)及轉(zhuǎn)鼓指數(shù)的關(guān)系如圖3所示。由圖3(a)可知，當(dāng)料層厚度為600 mm時(shí)，燒結(jié)利用系數(shù)最高為2.73 t/m2h。隨著料層厚度增加，利用系數(shù)逐漸減小，當(dāng)料層厚度增加到1 000 mm時(shí)，利用系數(shù)又有所增加為2.55 t/m2h。原因是隨著料層厚度的增加，通過(guò)料層風(fēng)量的阻力增加，風(fēng)速降低，風(fēng)量減少，造成垂直燒結(jié)速度下降，燒結(jié)利用系數(shù)降低[7]。

由圖3(b)可知，隨著料層厚度增加，轉(zhuǎn)鼓指數(shù)增加，當(dāng)料層厚度增加到1 000 mm時(shí)，轉(zhuǎn)鼓指數(shù)最高為65.33%，比厚度為600 mm時(shí)的高2.52%。這說(shuō)明提高燒結(jié)料層的厚度，有利于提高燒結(jié)礦的質(zhì)量。原因是隨著料層厚度的增加，自動(dòng)蓄熱作用增強(qiáng)，料層內(nèi)高溫保持時(shí)間相對(duì)增加，有利于大顆粒南非礦各種物理化學(xué)反應(yīng)的充分進(jìn)行，以及黏結(jié)相礦物的結(jié)晶和再結(jié)晶，晶粒發(fā)育良好[7]，且厚料層燒結(jié)有利于鐵酸鈣和Fe2O3礦物相的生成[9]，使燒結(jié)礦的結(jié)構(gòu)得到改善，進(jìn)而燒結(jié)礦的強(qiáng)度得到提高。

圖3 料層厚度與燒結(jié)利用系數(shù)(a)和轉(zhuǎn)鼓指數(shù)(b)的關(guān)系

Fig.3 Variation of sintering utilization factor(a) and drum index(b) as a function of thickness of feed layer

3.4 灰色關(guān)聯(lián)度法確定工藝參數(shù)

優(yōu)化計(jì)算所選權(quán)重如表11所示。配礦方案的相關(guān)系數(shù)及優(yōu)化計(jì)算得到的結(jié)果排序如表12所示。

表11 優(yōu)化計(jì)算所選權(quán)重

表12 配礦方案的相關(guān)系數(shù)

由于燃料比、燒結(jié)負(fù)壓和料層厚度對(duì)富礦粉燒結(jié)均有一定的影響，為使巴卡∶南非∶PMC尾礦的配比為9.55∶44.56∶9.55的富礦粉燒結(jié)得到最大程度的改善，選擇灰色關(guān)聯(lián)度法對(duì)燃料比、燒結(jié)負(fù)壓和料層厚度加權(quán)考慮，據(jù)表12計(jì)算結(jié)果，優(yōu)化后應(yīng)選擇5號(hào)方案的燃料比、負(fù)壓和料層厚度。

4 結(jié)論

(1)隨著燃料比的增加，燒結(jié)利用系數(shù)先升高后降低，當(dāng)燃料比為5.0%時(shí)達(dá)到最大值為2.73 t/m2h；隨著燒結(jié)負(fù)壓的升高，燒結(jié)利用系數(shù)先升高后降低，當(dāng)燒結(jié)負(fù)壓為12 000 Pa時(shí)燒結(jié)利用系數(shù)達(dá)到最高值為2.73 t/m2h；隨著燒結(jié)料層厚度的增加，燒結(jié)利用系數(shù)先降低后升高，當(dāng)料層厚度為600 mm時(shí)，燒結(jié)利用系數(shù)最高為2.73 t/m2h。

(2)隨著燃料比的增加，轉(zhuǎn)鼓指數(shù)持續(xù)升高，當(dāng)燃料比為5.5%時(shí)達(dá)最大值64.08%；隨著燒結(jié)負(fù)壓的升高，轉(zhuǎn)鼓指數(shù)持續(xù)降低，當(dāng)燒結(jié)負(fù)壓為10 000 Pa時(shí)，轉(zhuǎn)鼓指數(shù)最大為63.43%；隨著料層厚度增加，轉(zhuǎn)鼓指數(shù)升高，當(dāng)料層厚度增加到1 000 mm時(shí)，轉(zhuǎn)鼓指數(shù)最高為65.33%。

(3)通過(guò)灰色加權(quán)關(guān)聯(lián)度法，對(duì)三種工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，最終選出對(duì)富礦粉燒結(jié)利用系數(shù)和轉(zhuǎn)鼓指數(shù)最有利的5號(hào)工藝參數(shù)，即燃料比為5.0%、燒結(jié)負(fù)壓為12 000 Pa、料層厚度為600 mm。

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收修改稿日期：2016- 06- 14

Study on Improving Sintering Process of Rich Ore Fines

Lyu Qing Tian Ye Qie Yana Liu Xiaojie Li Jianpeng

(College of Metallurgy and Energy Resources of North China University of Science and Technology, Hebei Key laboratory of Modern Metallurgy Technology, Tangshan Hebei 063009, China)

Fuel ratio、sintering suction and sinter thickness were studied through systematic experiments to improve the sintering process of rich ore fines. The results showed that with the increase of fuel ratio, sintering utilization factor first increased and then decreased, and drum index increased. With the increase of sintering section pressure, sintering utilization factor first increased and then decreased, and drum index decreased. With the material thickness increasing, sintering utilization factor first decreased and then increased, and drum index increased. According to the grey weighted related degree, the best technological parameters were chosen as follows: the fuel ratio is 5.0%,the sintering section pressure is 12 000 Pa, and the material thickness is 600 mm.

rich ore fines，sintering，process parameter，optimizing

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.U1360205)

田野，女，從事煉鐵理論與工藝研究，Email：519999272@qq.com

呂慶，男，博士，教授，Email：lq@ncst.edu.cn