吳 迪

釩鈦燒結(jié)礦冶煉工藝雖復(fù)雜、參數(shù)多變量、生產(chǎn)工況難以控制，但是經(jīng)過數(shù)十年如一日的實踐與探索，加之各種先進(jìn)燒結(jié)工藝與自動化控制技術(shù)的提升，在高產(chǎn)量、低消耗、綠色環(huán)保燒結(jié)前提下高質(zhì)量釩鈦燒結(jié)礦的冶煉有其必然內(nèi)在的運(yùn)行規(guī)律。本文詳實論述冶煉釩鈦燒結(jié)礦過程中科學(xué)評價體系，在國家產(chǎn)業(yè)與環(huán)保政策要求下指導(dǎo)實際操作過程在清潔高效條件下生產(chǎn)出高質(zhì)量釩鈦燒結(jié)礦并滿足世界上最大釩鈦高爐（2500m3）所需“精料”的嚴(yán)格要求。

1 燒結(jié)過程的五個階段

冶煉普通燒結(jié)礦與釩鈦燒結(jié)礦的工藝相差不太多。在燒結(jié)過程中的物化反應(yīng)均在5個燒結(jié)層級間進(jìn)行。燒結(jié)機(jī)臺車混合料經(jīng)過點火爐點燃燃料，燃料中無煙煤和焦粉隨抽入的空氣繼續(xù)燃燒，于是料層的表面形成了燃燒層，當(dāng)這一層的燃料燃燒完畢后，燒結(jié)機(jī)主抽風(fēng)機(jī)提供16Kpa負(fù)壓使其下部料層中的燃料繼續(xù)燃燒，于是燃燒層向下移動形成了燒結(jié)礦層。

（1）燒結(jié)礦層：燒結(jié)礦層在料層的最上部，抽入的空氣首先要穿過燒結(jié)礦層，而燒結(jié)礦層中已無燃料的燃燒，所以被抽入的空氣所冷卻，發(fā)生熔融礦物的結(jié)晶和新相的形成過程，并將自身的熱量傳遞給空氣，使空氣溫度升高（稱為自動蓄熱作用）。由于氣流作用和來不及逸出的氣泡及冷卻時的體積收縮，熔融物冷卻后成為多孔狀塊礦，使料層透氣性增加，負(fù)壓降低。在與空氣接觸的燒結(jié)礦表面層，還可能發(fā)生低價氧化物的再氧化反應(yīng)，主抽風(fēng)機(jī)壓力損失不多。下層產(chǎn)生的高溫廢氣進(jìn)入燃燒層以下的料層之后，很快將熱量傳遞給燒結(jié)混合料，使料溫急劇上升。隨著溫度的升高，到100℃以上，首先出現(xiàn)混合料中的水分蒸發(fā)，達(dá)到300℃～400℃，水分蒸發(fā)完畢，繼續(xù)升高到800℃，混合料中的燃料著火，進(jìn)入燃燒層。

（2）燃燒層：預(yù)熱的空氣和燃料作用產(chǎn)生1300℃～1550℃的高溫。燃燒速度一般控制30mm/min～50mm/min.這樣高的溫度使一些低熔點物質(zhì)軟化熔融，生成30mm～50mm厚的液相，此時發(fā)生很多化學(xué)反應(yīng)，碳素的燃燒：C+O2=CO2，部分燒結(jié)料熔化，碳酸鹽的分解，硫化物和磁鐵礦被氧化，4FeS2+8O2=Fe3O4+6SO2和4FeS2+11O2=2Fe3O4+8SO2等 一 系 列反應(yīng)，使礦粉粘結(jié)成塊。生成液相的多少，直接影響著燒結(jié)礦的產(chǎn)量和質(zhì)量。液相的產(chǎn)生是燒結(jié)混合料生成燒結(jié)礦的過程，并且由于溫度高，使氣體體積膨脹，使氣體通過時阻力增加，氣體通過料層的阻力增加，透氣性變壞，不利于提高產(chǎn)量，因此，生產(chǎn)中要求燃燒層的厚度不要太大，一般在15mm～50mm之間。

（3）預(yù)熱層：溫度由1300℃～1350℃逐漸下降400℃～800℃之間的預(yù)熱層，此處焦粉溫度700℃～800℃，煤粉溫度400℃～500℃。預(yù)熱層溫度較高，料球被破壞（容易發(fā)生炸裂），透氣性較差，惡化料層透氣性。發(fā)生化學(xué)反應(yīng)是有部分碳酸鹽的分解MeCO3=MeO+CO2，有結(jié)晶水分解，有部分Fe3O4被 還 原。固 相 反 應(yīng)：CaO和SiO2，MgO和SiO2，CaO和Fe2O3，CaO和Al2O3化合，生成一些低熔點物質(zhì)。

（4）干燥層：由于燒結(jié)過程的氣流速度很快，燒結(jié)料又是細(xì)粒散料，所以，燒結(jié)料溫度能迅速提高，預(yù)熱層中焦粉溫度還在降低，預(yù)熱層下面部形成了100℃～400℃之間以水分蒸發(fā)為主的10mm～30mm厚干燥層。此處大量水分蒸發(fā)，料球被破壞，透氣性很差。

（5）過濕層：干燥層以下的料層，溫度在60℃～65℃，當(dāng)溫度下降到水蒸氣的露點（大約60℃）以下時，在干燥層中蒸發(fā)進(jìn)入廢氣的水分在這里重新凝結(jié)，形成了過濕層。水氣的凝結(jié)，料球被破壞，透氣性很差，為消除過濕層，把料預(yù)熱到露點以上。

隨著燒結(jié)過程的進(jìn)行，燃燒層、預(yù)熱層和干燥層逐漸下移，燒結(jié)礦層逐漸擴(kuò)大，濕料層逐漸減小，最后全部燒結(jié)料變?yōu)闊Y(jié)礦層。

2 厚料層燒結(jié)技術(shù)冶煉釩鈦燒結(jié)礦的探索

釩和鈦在自然界主要存在釩鈦磁鐵礦中，兩種元素在鋼鐵、化學(xué)、航空航天、國防等領(lǐng)域的作用巨大。我國釩鈦磁鐵礦主要分布在攀西（四川攀枝花-西昌）和河北省承德地區(qū)。釩鈦燒結(jié)礦特點是易發(fā)生“三高”氧化鎂、三氧化二鋁、二氧化鈦含量高，“三低”燒結(jié)礦含鐵、氧化鐵、二氧化硅含量低。給高爐冶煉造成渣稠、粘罐和難控制，釩鈦燒結(jié)礦在高爐還原鐵水的過程中流動性能差，是造成高爐爐礦產(chǎn)生波動的主要原因，甚至給后序煉鋼生產(chǎn)和提取釩鈦造成很大困難。在節(jié)能、環(huán)保、高產(chǎn)量要求下采用厚料層燒結(jié)技術(shù)是有效的操作工藝。厚料層操作有利于降低FeO含量和提高強(qiáng)度。由于料層有自動蓄熱作用，為低配碳提供了條件，一般料層每提高100mm，固體燃耗可下降10kg/t。

燒結(jié)料層的厚薄對燒結(jié)礦強(qiáng)度有著重要的影響，當(dāng)燒結(jié)料層薄時，由于燒結(jié)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度比較快，使燒結(jié)過程中高溫保持時間短，導(dǎo)致燒結(jié)礦強(qiáng)度降低。隨著燒結(jié)料層的加厚，在保持垂直燒結(jié)速度不變的情況下，因機(jī)速減慢，點火時間與高溫保持時間延長，有利于提高燒結(jié)礦的強(qiáng)度。提高料層厚度，能夠降低表層燒結(jié)礦所占比重，提高成品率，降低返礦率，減少FeO含量，提高燒結(jié)礦的還原性，并可充分利用燒結(jié)過程中的自動蓄熱作用達(dá)到降低固體燃耗的目的。

360平燒結(jié)機(jī)冶煉釩鈦燒結(jié)礦的設(shè)備最佳狀況是：主抽風(fēng)機(jī)流量18500m3/min，風(fēng)箱負(fù)壓16Kpa以上，機(jī)速基本控制在1.35m/min左右。經(jīng)過料層550mm逐漸增加800mm，由于料層厚度對垂直燒結(jié)速度和成品率都有影響，因此其產(chǎn)量是兩種影響共同的結(jié)果。利用系數(shù)先是隨料層的厚度增加而提高，當(dāng)料層厚度提高到700mm后，又會開始下降，結(jié)合固定能耗、轉(zhuǎn)鼓指數(shù)等要素，最佳范圍控制在750mm左右，燒結(jié)機(jī)的利用系數(shù)最高。固體燃耗由50kg/t降低到48kg/t，轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度提高了0.12%，F(xiàn)eO降低了0.37%，返礦率降低1.6%，成品率提高約2.2%。

3 燃燒層對釩鈦燒結(jié)礦的影響

燃燒層是燒結(jié)生產(chǎn)過程中最重要的部分，固體碳的燃燒為液相的生成和一切反應(yīng)提供了熱量和氣氛。這里發(fā)生很多各種反應(yīng)，并直接影響燒結(jié)礦產(chǎn)量與質(zhì)量。燃燒層是燒結(jié)料層中溫度最高的區(qū)域，因此也稱高溫區(qū)。該溫度是固體碳燃燒放出的熱量占燒結(jié)總熱量的90%以上。高溫區(qū)溫度水平和厚度對燒結(jié)過程的影響非常顯著。

高溫區(qū)移動速度，即垂直燃燒速度，是決定燒結(jié)礦產(chǎn)量的主要因素。產(chǎn)量同垂直燒結(jié)速度成正比關(guān)系，而垂直燒結(jié)速度和風(fēng)速成0.77～1.05次方的關(guān)系。因此，增加風(fēng)速即可提高垂直燒結(jié)速度，提高產(chǎn)量。固體碳燃燒的好壞，決定了燒結(jié)礦的質(zhì)量和產(chǎn)量。燒結(jié)料層中固體碳含量低，并且分散，只占總料量3%～5%。燃料少、分散，使空氣和燃料接觸困難，為保證碳完全燃燒，需要較大空氣過剩系數(shù)。一般為：1.4～1.5。系數(shù)大：O2多，有利于完全燃燒，而且生成的CO有更多機(jī)會接觸O2，因此，廢氣中CO2、O2數(shù)量多。系數(shù)小：則廢氣中CO2、O2數(shù)量少，CO多。

但是垂直燒結(jié)速度也不能過快，過快會引起燒結(jié)礦強(qiáng)度下降，成品率低。混合料的熱容量大，導(dǎo)熱性好，粒度小，以及吸熱反應(yīng)發(fā)展，都能增加混合料從廢氣中吸熱的能力，從而使燒結(jié)速度減小，降低燒結(jié)礦產(chǎn)量。而適當(dāng)增加混合料的水分和溶劑用量時，由于改善了燒結(jié)料層的透氣性，有利于提高燒結(jié)速度。

高溫區(qū)溫度高，生成的液相多，可以提高燒結(jié)礦強(qiáng)度，但溫度過高會造成過溶現(xiàn)象，降低燒結(jié)礦的還原性，同時，液相過多，增加氣流阻力，降低燒結(jié)速度，影響產(chǎn)量。

高溫區(qū)厚度過大，也會增加氣流阻力，降低燒結(jié)速度，但厚度過小，又不能保證各種高溫反應(yīng)所必需的時間，影響燒結(jié)礦質(zhì)量。因此，必須有一個合適的高溫區(qū)溫度和厚度，才能使燒結(jié)生產(chǎn)過程得到改善。

經(jīng)過反復(fù)試驗，釩鈦礦冶煉特點，燃料投產(chǎn)初期燃料配比最高達(dá)到11.2%，燃料配比平均達(dá)到5.2%～5.5%生產(chǎn)逐步進(jìn)入正常期后固定碳逐步下調(diào)現(xiàn)在一般控制在4.7%～4.3%。

4 水分的冷凝、蒸發(fā)

水分影響造球的質(zhì)量，影響燒結(jié)的透氣性。同時水分蒸發(fā)時消耗熱量，會影響到燃料用量。因水分導(dǎo)熱系數(shù)大（126KJ/m2h℃～419KJ/m2h℃），礦石導(dǎo)熱系數(shù)?。?.63KJ/m2h℃）。水分主要作用是提高燒結(jié)混合料的傳熱能力使燃料在較窄的范圍內(nèi)燃燒，燃燒層較薄，透氣性好。由于燒結(jié)料的性質(zhì)和組成的差異，一般混合料含水在6%～8%，投產(chǎn)初期，參照老燒的水分（6.9±0.2）加以控制，結(jié)果混合料粒度組成差，料層難以提高。后經(jīng)探索逐步提高水分，由7.0±0.2逐漸提高到7.5±0.2%，混合料粒度組成與燒結(jié)狀況大為改善，水分7.5為適宜水平。

5 碳酸鹽的分解和CaO的礦化

燒結(jié)中加入的熔劑和礦石本身都帶入一定的碳酸鹽石灰石（CaCO3）。白云石（MgCO3和菱鐵礦（FeCO3）。菱錳礦（MnCO3）這些碳酸鹽如果分解不完全，就會影響燒結(jié)礦的質(zhì)量，因此我們要研究碳酸鹽的分解過程，掌握控制其分解的因素，以保證燒結(jié)過程順利進(jìn)行。CaCO3720℃開始分解，在880℃激烈分解CaCO3＝CaO+CO2，在料中存在SiO2、Fe2O3，要進(jìn)行固相反應(yīng)。

CaO+SiO2=CaO·SiO2，CaO+Fe2O3=CaO·Fe2O3時開始溫度降低，在550～650℃開始分解。

以上反應(yīng)作用是，可提高燒結(jié)礦的強(qiáng)度。實驗證明：加5%的CaO，能降低燃燒層溫度，縮短燒結(jié)時間，可提高產(chǎn)量。CaO在預(yù)熱帶與Fe2O3礦化生成CaO·Fe2O3，其熔點低，產(chǎn)生液相多，能提高結(jié)礦強(qiáng)度（即質(zhì)量）。

影響CaO礦化的因素：

（1）石灰石粒度有關(guān)石灰石粒度小，接觸面積多，反應(yīng)數(shù)量就多。粒度為：1mm～0mm時，在1250℃，礦化程度為80%～95%。粒度為：3mm～0mm時，在1250℃，礦化程度為55%～74%。（時間都是10min）。

（2）溫度升高，有利于CaO的礦化。1200℃，粒度為〈0.6mm，只有50%礦化。1350℃，粒度為1.7mm～3.0mm，則100%礦化。礦粉的粒度越小，礦化的數(shù)量越多（一分鐘）。

6 液相生成與冷卻結(jié)晶

液相的形成是各種物理化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果?；旌狭项w粒之間在高溫作用下產(chǎn)生的低熔點物質(zhì)變成熔融的液體狀態(tài)，這些液體通過對周圍物料浸潤、熔解、粘附和填充空隙使相互間粘結(jié)起來，經(jīng)過冷卻而成為燒結(jié)礦，因而液相的數(shù)量、組成和性質(zhì)在很大程度上決定燒結(jié)礦的還原性和強(qiáng)度。液相數(shù)量增加可以增加物料顆粒之間的接觸面積，進(jìn)而提高燒結(jié)礦的強(qiáng)度。但是液相過多不利于鐵礦物的還原，因而需要根據(jù)原料及操作條件來確定合適的液相量。燒結(jié)過程中繞結(jié)料生成部分液相，是燒結(jié)礦固結(jié)成型的基礎(chǔ)。

影響液相生成量的主要因素隨著燒結(jié)溫度升高，液相增加液相生成量都是隨溫度的升高而增加的，尤其是溫度升到1400，液相生成量幾乎隨溫度的升高而直線增加。

燒結(jié)礦堿度，在相同的溫度下，堿度越高，液相量越大。也就是說堿度高，易燒結(jié)，并且強(qiáng)度好當(dāng)FeO升高時，熔點下降，易于生成液相。

隨著焦炭用量增加，燒結(jié)料層將會由氧化性氣氛變成弱還原性氣氛，鐵的高價氧化物將還原成低價氧化物，使Fe0增多。燒結(jié)料中SiO2含量越高，燒結(jié)過程中產(chǎn)生的液相就越多。SiO2含量低于5%時，在燒結(jié)生產(chǎn)中就會覺得液相不足。高品位的鐵礦石燒結(jié)時，往往遇到這種情況。

7 影響燒結(jié)礦礦物組成和顯微結(jié)構(gòu)的因素

（1）燃料用量：燒結(jié)料中的配碳量決定燒結(jié)溫度、燒結(jié)速度和氣氛條件，燒結(jié)速度和氣氛條件對燒結(jié)礦物組成影響很大。

在正常燃料用量下，燒結(jié)礦礦物主要是磁鐵礦和鐵橄欖石，還有少量浮士體，磁鐵礦結(jié)晶程度提高，粘結(jié)相主要是鐵橄欖石，孔洞少，燒結(jié)礦強(qiáng)度提高。當(dāng)燃料消耗量過多時（＞7%），燒結(jié)溫度升高還原氣氛增加，生成大量的浮士體和鐵橄欖石，磁鐵礦減少，可能出現(xiàn)金屬鐵·燒結(jié)礦，因過熔造成大孔薄壁或氣孔度少的燒結(jié)礦，使強(qiáng)度和還原性都變壞。生產(chǎn)熔性燒結(jié)礦時，隨著含碳量增加，磁鐵礦結(jié)晶程度提高，生成大粒結(jié)晶，粘結(jié)相主要是鈣鐵橄欖石，孔洞少，燒結(jié)礦強(qiáng)度提高，但用碳量過多時，浮士體和鈣鐵橄欖石增加，磁鐵礦減少，易生成過熔燒結(jié)礦。同時，高溫下易生成正硅酸鈣，在冷卻時發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變，使燒結(jié)礦粉化，強(qiáng)度和還原性都變壞。

（2）燒結(jié)礦堿度：在燃料用量一定的條件下，燒結(jié)礦的最終礦物組成主要取決于燒結(jié)礦堿度，堿度為1.5～2.5的熔劑性燒結(jié)礦，含鐵礦物與上面基本相同，粘結(jié)相主要為鈣鐵橄欖石、鐵酸鈣、硅酸鈣及玻璃體等，隨著堿度升高，鈣鐵橄欖石和玻璃體含量急劇下降，鐵酸鈣和硅酸鈣含量明顯增加。由于粘結(jié)相礦物的強(qiáng)度較差，并且冷卻時發(fā)生正硅酸鈣由B--r晶型轉(zhuǎn)變，造成燒結(jié)礦嚴(yán)重粉化，燒結(jié)礦質(zhì)量下降。同時過量的CaO起了穩(wěn)定B-2CaO·SiO2的作用，所以此類燒結(jié)礦不發(fā)生粉化現(xiàn)象、強(qiáng)度和還原性均好，高堿度燒結(jié)礦具有上述特點，是由于燃料用量一定時，隨著堿度的提高，熔劑量逐漸增多，放出CO2，降低了燒結(jié)料層溫度和還原氣氛，有利于提高燒結(jié)礦的氧化度，所以磁鐵礦減少，以至消失。而過量的CaO有利于生成CaO·Fe2O3和CaO-SiO2體系礦物

8 燒結(jié)過程中有害雜質(zhì)的去除

在燒結(jié)過程中，燒結(jié)料中的硫沿料層高度會發(fā)生再分布現(xiàn)象。在燃燒層氣化的硫，以S、SO2和SO3的形式逐漸進(jìn)入預(yù)熱層和過濕層，氣體中含硫量向下逐漸降低，燒結(jié)料中的含硫量則向下逐漸增加。這是因為在較低溫度下硫蒸汽能沉積下來，SO2和SO3溶于水，以及SO2與石灰作用生成CaSO4的結(jié)果。但因燒結(jié)過程逐漸向下推移，預(yù)熱層和過濕層最終消失，硫再分布對產(chǎn)品的影響就不大了。

9 建立科學(xué)釩鈦燒結(jié)礦評價體系內(nèi)涵

綜上一至八項從釩鈦燒結(jié)工藝過程的角度進(jìn)行大致論述，簡要揭示冶煉釩鈦燒結(jié)礦各種粉狀含鐵原料，配入一定數(shù)量的燃料和熔劑，均勻混合制粒，然后放到燒結(jié)設(shè)備上點火燒結(jié)。在燃料燃燒產(chǎn)生高溫和一系列物理化學(xué)反應(yīng)的作用下，混合料中部分易熔物質(zhì)發(fā)生軟化、熔化，產(chǎn)生一定數(shù)量的液相，并潤濕其它未熔化的礦石顆粒。當(dāng)冷卻后，液相將礦粉顆粒粘結(jié)成塊狀燒結(jié)礦。燒結(jié)工藝包括配料、混勻、造粒、布料、點火和燒結(jié)、燒結(jié)礦的破碎、成品礦得的篩分、冷卻和輸送7個過程。在這多過程多變量連續(xù)大生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境中，構(gòu)建真實客觀重量、水分、溫度、壓力、速度、料層厚度6個參數(shù)測量體系是科學(xué)評價燒結(jié)礦生產(chǎn)的基礎(chǔ)支撐。

下面僅以重量配料法為例論述：

（1）過程控制掌握趨勢。釩鈦燒結(jié)礦使用重量配料并實現(xiàn)配料自動化，配料過程采用趨勢法進(jìn)行控制。

（2）數(shù)據(jù)追溯溯源，保證數(shù)據(jù)真實可靠。每天供應(yīng)1#、5#、新2#、新3#燒結(jié)機(jī)混合鐵料約28500噸。承擔(dān)混料72臺配料工藝秤的計量設(shè)備對混勻配料的質(zhì)量產(chǎn)生決定性影響。72臺配料工藝秤進(jìn)行實物校準(zhǔn)。依據(jù)《JJG195-2002_連續(xù)累計自動衡器（皮帶秤）》和《JJG+560-1988懸臂式電子皮帶秤試行檢定規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定，對物料進(jìn)行實物校準(zhǔn)。

（3）構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，比對驗證結(jié)果。除此之外，構(gòu)建物料進(jìn)出比對網(wǎng)絡(luò)，班產(chǎn)配料實際過程。

（4）數(shù)據(jù)追溯，當(dāng)化驗燒結(jié)礦理化指標(biāo)發(fā)生變化。查看燒結(jié)原燃料化學(xué)成分檢測數(shù)據(jù)

10 結(jié)語

釩鈦燒結(jié)礦生產(chǎn)是個復(fù)雜、多種因素互相影響作用的結(jié)果，構(gòu)建科學(xué)的評價體系要素要齊全，對原料化學(xué)成分、生產(chǎn)過程、設(shè)備穩(wěn)定性能、崗位操作標(biāo)準(zhǔn)化四個方面都有影響。本文篇幅限制無法詳實展開論述，只按本文思路對燃料、容積、溫度、壓力進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)，精心操作，合理探索實踐，使釩鈦燒結(jié)礦生產(chǎn)達(dá)到高產(chǎn)高效節(jié)能環(huán)保的一流水準(zhǔn)。