張志超，夏明和，高 楊

（天津鋼管制鐵有限公司，天津300301）

優(yōu)化燒結(jié)礦粒度組成及強度指標(biāo)的實踐

張志超，夏明和，高 楊

（天津鋼管制鐵有限公司，天津300301）

燒結(jié)礦作為高爐冶煉的原料基礎(chǔ)，其粒度及強度指標(biāo)直接關(guān)系到高爐冶煉過程。為充分發(fā)揮燒結(jié)礦在煉鐵工藝中核心原料的作用，天津鋼管制鐵公司通過優(yōu)化原料結(jié)構(gòu)、強化燒結(jié)效果等方面提高燒結(jié)礦粒度及強度指標(biāo)，從而提高燒結(jié)礦質(zhì)量，使其在化學(xué)成分及冶金性能方面都能滿足高爐冶煉需要。

燒結(jié)礦；粒度；組成；強度；質(zhì)量

1 引言

燒結(jié)礦粒度及強度指標(biāo)直接影響高爐冶煉過程。粒度均勻，強度較好的燒結(jié)礦有助于提升冶煉過程中的透氣性指數(shù)、煤氣利用率等指標(biāo)，是高爐穩(wěn)定運行的必要條件。近年來國內(nèi)外的生產(chǎn)實踐證明：影響燒結(jié)礦粒度組成及強度指標(biāo)的因素是多方面的，既有原料的化學(xué)成分及所用鐵礦粉的礦物組成，也與燒結(jié)過程中配碳量、加水量、燒結(jié)料層厚度等操作參數(shù)密切相關(guān)。另外燒結(jié)點火設(shè)備方面也對燒結(jié)礦粒度組成及強度指標(biāo)產(chǎn)生一定影響。天津鋼管制鐵公司105 m2燒結(jié)機在建廠之初，由于對產(chǎn)能要求不大，燒結(jié)礦粒度組成及強度指標(biāo)一直處于較高水平，但近年來隨著燒結(jié)礦入爐比例逐漸增加及生產(chǎn)成本的限制，時常出現(xiàn)燒結(jié)礦粒度粉化及強度較差的問題，直接影響高爐冶煉過程。如何優(yōu)化燒結(jié)礦粒度組成，減小粗細(xì)粒級差別，提高強度指標(biāo)，是現(xiàn)階段提升燒結(jié)礦質(zhì)量的關(guān)鍵。

2 合理搭配原料結(jié)構(gòu)

2.1 提高燒結(jié)礦堿度，多選用低硅原料

含鐵原料、燃料及輔料熔劑通過配料、混合工序運送至燒結(jié)機，經(jīng)點火爐點火后，即進入抽風(fēng)燒結(jié)過程，其各成分之間開始發(fā)生燒結(jié)反應(yīng)。在生成的新化合物之間、原化合物成分之間以及新化合物與原物料之間，存在低共熔點物質(zhì)，使得在較低的溫度下生成液相反應(yīng)。含鐵原料及輔料熔劑中的SiO2成分在燒結(jié)反應(yīng)過程中易生成黏結(jié)相鈣鐵橄欖石，及少量的硅酸一鈣、硅酸二鈣、玻璃質(zhì)等，這些黏結(jié)相在冷卻過程中發(fā)生的晶體轉(zhuǎn)變，使正常反應(yīng)過程中生成的晶粒之間連接性下降，由此降低燒結(jié)礦強度。當(dāng)經(jīng)過冷卻、篩分工序中振動和運送過程后，成品燒結(jié)礦中粉礦比例增加。因此在配料礦粉過程中，盡量選擇SiO2含量較低的含鐵原料，同時通過提高燒結(jié)礦的堿度，增加燒結(jié)礦中針狀鐵酸鈣含量[1]。由表1可看出，SiO2含量逐漸降低，燒結(jié)礦二元堿度逐漸升高，成品礦中粉末含量（10 mm以下）粒級含量減少，而10～25 mm所占百分比增加。這主要是因為堿度增加，促使液相量相應(yīng)增多，SiO2含量的降低，減少了低共熔點物質(zhì)對鐵酸鈣粘結(jié)相的影響，鐵酸鈣不僅使燒結(jié)礦強度增加，而且其還原性也很好。

2．2 適量控制混合料中Al2O3和MgO含量

混合料是經(jīng)過配料和混合工序后進入燒結(jié)機前的物料統(tǒng)稱。其中不僅僅含有TFe、CaO、SiO2含量較多的成分，也含有鐵礦粉及熔劑中帶來的Mg、Al氧化物等其他成分。其中Al元素及其氧化物Al2O3在燒結(jié)過程形成多種鋁鐵酸鈣和鐵酸鈣的固溶體（CaO·Al2O3+CaO·Fe2O3），因為其大部分集中分布在鐵酸鈣和玻璃相中，在燒結(jié)反應(yīng)過程中促進了板狀鐵酸鈣的生成。板狀鐵酸鈣在低溫下就開始還原產(chǎn)生應(yīng)力，降低了燒結(jié)礦抵御裂紋擴展的能力，同時造成玻璃相的斷裂，破壞正常反應(yīng)的鐵酸鈣相，加劇了粉化的產(chǎn)生。

若增加MgO含量，則可有效降低燒結(jié)礦粉化率，增加燒結(jié)礦強度，進一步優(yōu)化粒度組成。原因是MgO加入后形成了一系列新的含鎂礦物，在燒結(jié)過程中形成的礦物，其生成的新礦物如鈣鎂橄欖石等有助于穩(wěn)定硅酸二鈣等易發(fā)生晶體轉(zhuǎn)變的礦物，并且含MgO的硅酸鹽熔點高，結(jié)晶能力強，可減少玻璃質(zhì)含量，從而起到抑制鋁鐵酸鈣等破壞鐵酸鈣相的化合物的形成。如圖1所示，MgO含量增加，燒結(jié)礦中10 mm以下粒度所占百分比不斷減少，但MgO含量不易過高，否則生成的含MgO逐漸增加，也會破壞鐵酸鈣相，同時MgO含量增加必然導(dǎo)致高燒損的白云石等熔劑用量的增加，增加燒結(jié)反應(yīng)過程中固體燃耗。

表1 燒結(jié)礦SiO2含量及堿度對燒結(jié)礦粒度組成及強度指標(biāo)的影響/%

圖1 燒結(jié)礦Al2O3和MgO含量與燒結(jié)礦小于10 mm所占比例的關(guān)系

2.3 選用指標(biāo)穩(wěn)定的燃料

燒結(jié)過程中固體燃料決定著燃燒層厚度，即反應(yīng)時間和反應(yīng)環(huán)境。天津鋼管制鐵公司燒結(jié)所用燃料之前為外購無煙煤和高爐焦炭篩下粉末。燒結(jié)所用無煙煤，因制造工藝所限，孔隙度較小，反應(yīng)能力和可燃燒性較差，而高爐篩下焦粉在存放和運輸過程中，對成分和粒度組成產(chǎn)生變化，尤其灰分含量較多，不能滿足燒結(jié)過程熱量需要[2]。為保證燒結(jié)質(zhì)量，通過直接外購焦粉，保證燃料成分穩(wěn)定，能夠滿足工藝操作要求。表2為三種燃料成分對比，表3為相同原料條件下使用三種燃料燒結(jié)粒度組成分別，可以看出使用指標(biāo)穩(wěn)定的外購焦粉相對其他燃料，可使燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓強度相對于使用無煙煤平均提高1．5%，＜10 mm所占百分比相對于無煙煤降低4．83%。

3 強化燒結(jié)質(zhì)量

表2 不同燒結(jié)燃料主要成分列表/%

表3 燒結(jié)燃料成分對燒結(jié)礦粒度組成及強度指標(biāo)的影響/%

表4 不同料層厚度對燒結(jié)礦粒度組成及強度指標(biāo)的影響/%

3．1 低溫?zé)Y(jié)并合理控制燒結(jié)礦中FeO含量

采用低溫?zé)Y(jié)工藝，增加燒結(jié)礦中高還原性、高強度的復(fù)合鐵酸鈣（SFCA）含量，合理控制燒結(jié)礦中FeO含量。當(dāng)混合料被點燃后，隨著溫度的升高，至700～800℃發(fā)生固相反應(yīng)，開始生成少量鐵酸鈣；當(dāng)溫度接近1 200℃時，低熔點物料開始熔化，CaO等化合物開始與氧化鐵反應(yīng)，生成復(fù)合鐵酸鈣，達到最適宜的反應(yīng)條件。而當(dāng)溫度超過1 300℃，復(fù)合鐵酸鈣開始分解，內(nèi)部連接晶粒被破壞。因而低溫?zé)Y(jié)要求燒結(jié)溫度控制在1 300℃以下，并且合理控制燒結(jié)礦中FeO含量。同一堿度條件下，燒結(jié)礦中鐵酸鈣和硅酸鈣隨FeO含量變化而變化。FeO含量升高，鐵酸鈣降低，硅酸二鈣顯著升高，使燒結(jié)礦強度下降，細(xì)粒級所占百分比增加。

3.2采用厚料層燒結(jié)

厚料層燒結(jié)主要是利用燒結(jié)過程中料層的自動蓄熱作用，能夠?qū)l2O3、SiO2大部分固溶在鐵酸鈣中，減少硅酸鹽，特別是鐵橄欖石和硅酸二鈣的形成。自動蓄熱增加高溫帶寬度，減慢燒結(jié)速度，使物料保持較高溫度，利于礦物結(jié)晶，并且有利于Fe3O4的氧化和CaO-Fe2O3黏結(jié)相的生成，料層溫度更趨于均勻，避免了下層溫度過高而引起的過熔現(xiàn)象，使得燒結(jié)礦強度和粒度組成得到改善。如表4所示：在其他條件相同的情況下，隨著料層厚度增加,料層阻力加大，蓄熱作用增強，料層中氧化氣氛增加，溫度分布均勻，有利于提高燒結(jié)礦強度指標(biāo)，優(yōu)化粒度組成。

3.3 改造點火設(shè)備，提高點火質(zhì)量

天津鋼管制鐵公司105 m2燒結(jié)機建廠之初受單高爐工藝布局影響，用天然氣作為燒結(jié)點火介質(zhì)。天然氣的主要成分是甲烷，也有少許乙烷、丙烷和丁烷，此外一般還含有硫化氫、二氧化碳、氮和水汽，以及微量的惰性氣體，在充分燃燒時發(fā)生CH4+ 2O2=CO2+2H2O反應(yīng)，每立方米產(chǎn)生CO質(zhì)量約為1．964 kg，瞬間熱量在30 000～38 000 kJ/Nm3，點火溫度偏高，造成料面因嚴(yán)重過熔，必須采取降低燒結(jié)機速的辦法降低垂直燃燒速度，方可使整個料層反應(yīng)完全。隨著天然氣價格的提高，產(chǎn)能不斷擴大，原有點火設(shè)備已不能滿足生產(chǎn)需要。利用2009年高爐大修機會對點火爐進行工藝改造，將高爐煤氣用于燒結(jié)點火，將廠內(nèi)部分放散高爐煤氣回收利用，并將原有幕簾式天然氣點火爐改為套筒式高爐煤氣點火爐，點火爐面積由之前6．6 m2增加至12．6 m2，點火時間由之前的1．52 min增加至2．9 min，點火溫度由之前的（1 250±50）℃降至（1 050±50）℃，同時結(jié)合廠內(nèi)單高爐單燒結(jié)機工藝布置實際，保留單排幕簾式天然氣燒嘴備用。表5所示為高爐煤氣和天然氣燒結(jié)時燒結(jié)礦強度指標(biāo)，高爐煤氣發(fā)熱值約2 900～3 800 kJ/m3，燃燒速度較天然氣慢，點火時間較長且均衡穩(wěn)定,爐膛積蓄熱量保持時間長,使整個料層保持良好的透氣效果，保證燒結(jié)質(zhì)量。

表5 不同點火介質(zhì)對燒結(jié)礦粒度組成及強度影響

3.4 延長冷卻時間

冷卻時間決定燒結(jié)礦出燒結(jié)機后粒度組成和強度指標(biāo)的變化。冷卻速度過快，導(dǎo)致燒結(jié)礦體積膨脹，破壞了已生成的晶粒連接，并且由于溫度驟降產(chǎn)生相變，使成品燒結(jié)礦強度下降，粉末增加。為了將此影響降到最低程度，通過調(diào)整環(huán)冷機機速，使燒結(jié)礦的冷卻時間由原來的 20 min延長到 40min，達到均勻冷卻的效果。燒結(jié)礦在不同冷卻時間粒度組成及強度指標(biāo)見表6。

表6 不同冷卻時間對燒結(jié)礦粒度組成及強度指標(biāo)的影響/%

4 結(jié)論

（1）將合理搭配原料結(jié)構(gòu)，控制燒結(jié)礦中SiO2、 MgO、Al2O3及FeO含量，適當(dāng)提高燒結(jié)礦堿度，減小燒結(jié)礦成分對粒度組成的影響。

（2）工藝上采用低溫?zé)Y(jié)，并且適當(dāng)增加燒結(jié)料面厚度，同時改造點火設(shè)備，用高爐煤氣作為點火介質(zhì)，增加點火時間，并且保證燒結(jié)礦出燒結(jié)之后充分冷卻，使粒度組成和強度指標(biāo)符合高爐冶煉需要。

[1]尤紅明．鐵礦粉燒結(jié)原理與工藝[M]．北京：冶金工藝出版社，2010．

[2]王躍祥．燒結(jié)礦與球團礦生產(chǎn)[M]，北京：冶金工業(yè)出版社，2008．

Practice of Optimizing Sinter Size Composition and Strength Indices

ZHANG Zhi-chao,XIA Ming-he and GAO Yang
(Iron-making Subsidiary,Tianjin Pipe[Group]Corporation,Tianjin 300301,China)

As the raw material basis,sinter is directly related to blast furnace smelting process in size and strength index．To bring the function of sinter as core raw material in iron-making process into full play,TPCO Iron-making Subsidiary improves the size and strength of sinter through optimizing raw material structure and enhancing sintering effect,and thus improves sinter quality,enabling the sinter to meet the requirements of blast furnace smelting in chemical composition and metallurgical properties．

sinter;size composition;strength

10．3969/j．issn．1006-110X．2014．02．015

2013-09-13

2013-10-10

張志超（1985—），男，主要從事鋼鐵冶煉方面的研究工作。