劉龍海,楊百順,楊琦鑫,柳 浩,孟 飛

(四川德勝集團釩鈦有限公司,四川 樂山 614900)

中國的鋼鐵工業(yè)是以焦化、燒結(jié)造塊、高爐煉鐵、轉(zhuǎn)爐煉鋼為主的長流程,2021年我國鋼鐵產(chǎn)量達到10.33億噸,高爐作為目前世界上單體容積最大、配套最成熟、壽命最長,冶煉效率最高的煉鐵設備,在長時間內(nèi)仍會居于主導地位[1]。我國高爐含鐵爐料燒結(jié)礦占比為70%左右,燒結(jié)礦承擔著提供優(yōu)質(zhì)爐料的作用[2,3]。

生石灰作為燒結(jié)礦生產(chǎn)的常用熔劑,能強化混合制粒效果,提高制粒小球的強度,改善原始混合料的透氣性;活性度高的生石灰能提高混合料的初始溫度;調(diào)整燒結(jié)礦堿度,改善燒結(jié)礦礦相組成的作用,同時提高燒結(jié)礦質(zhì)量[4-8]。

焦粉是鐵礦燒結(jié)的主要燃料,其粒度是影響焦粉燃燒特性的重要因素,一些學者通過調(diào)控焦粉粒度的組成,實現(xiàn)了燒結(jié)礦強度、冶金性能等指標的優(yōu)化[10-14]。

厚料層燒結(jié)作為20世紀80年代發(fā)展起來的燒結(jié)技術(shù),普遍認為厚料層能改善燒結(jié)礦質(zhì)量,提高燒結(jié)礦強度,優(yōu)化冶金性能并降低固體燃耗,行業(yè)較先進的企業(yè)已經(jīng)取得厚料層燒結(jié)良好效果[15-17]。

為了提升燒結(jié)礦的質(zhì)量,德勝集團燒結(jié)廠測量了在不同自產(chǎn)灰和外購灰的配比條件下的活性度,并研究了生石灰活性度、焦粉粒度和不同料層厚度對燒結(jié)礦性能的影響研究,達到為德勝集團生產(chǎn)燒結(jié)礦提供理論指導作用和降低燒結(jié)能耗的作用。

1 試驗

1.1 試驗原料

本試驗所用礦料、燃料、自產(chǎn)生石灰和外購生石灰均由德勝集團燒結(jié)廠提供,原料的化學成分見表1。

表1 原料化學成分 單位:%

1.2 試驗部分

1.2.1 生石灰活性度檢測

生石灰質(zhì)量的優(yōu)劣常采用“活性度”來衡量,活性度體現(xiàn)了石灰與其它物質(zhì)的反應能力。本試驗通過改變自產(chǎn)灰與外購灰的配比,做了7種比例組合的試驗,同時為了減少試驗誤差,各組均安排了對照試驗,試驗方案見表2。本試驗采用溫升速率法,試驗裝置如圖1所示,將225 ml溫度為24 ℃的去離子水倒入容量為1000 ml的保溫容器內(nèi),開動攪拌器,轉(zhuǎn)速控制在300 r/min進行攪拌,然后將按照試驗方案配好的75 g粒度小于1 mm的石灰式樣倒入容器內(nèi),同時開始計時、測溫,每隔10 s讀取一次溫度值,直至溫度降低為止。記錄首次出現(xiàn)最高溫度的時間t以及達到的最高溫度Tmax,按照式(1)計算得到溫升速率,即為石灰活性度。每組樣品設置對照組,活性度取均值,不同生石灰配比的樣品活性度結(jié)果如表3所示。

1.JJ-A精密增力電動攪拌器顯示儀 2. 支架 3. JJ-A精密增力電動攪拌器電機 4. 熱電偶 5. 容器 6. 85-2數(shù)顯溫度儀圖1 溫升法測定石灰活性度試驗裝置示意圖

表2 活性度試樣配比

表3 德勝石灰活性度檢測試驗數(shù)據(jù)

(1)

1.2.2 焦粉粒度燒結(jié)杯試驗

為了研究不同焦粉粒度對燒結(jié)礦質(zhì)量的影響,本試驗設定料層厚度為750 mm,具體試驗方案見表4,通過改變不同焦粉粒徑的占比進行研究,總的焦粉占比不變,試驗方案見表5。由于試驗的規(guī)模較小(每杯100 kg混合料),因此石灰、石灰石、白云石的少量變化都使得水分難于控制,因此試驗采用定量加水。布料時先在燒結(jié)杯底部首先加入3 kg,粒度l0～16 mm的燒結(jié)礦作為鋪底料鋪平,以保護燒結(jié)杯爐蓖,測量料面高度。點火溫度為1150 ℃±50 ℃,調(diào)整點火抽風負壓到8 kPa,點火完畢移開點火器。將抽風負壓調(diào)整到基本控制在16 kPa左右;當廢氣溫度達到最高值時,燒結(jié)結(jié)束記錄時間即為燒結(jié)時間。測量料面到燒結(jié)杯口的高度,將燒結(jié)礦倒出、稱重。

表4 燒結(jié)試驗配比 單位:%

表5 不同焦粉粒度試驗方案 單位:%

燒結(jié)礦性能檢驗包括,燒結(jié)礦成品率、利用系數(shù)、成品礦粒度組成的指標。低還原粉化指數(shù)RDI+3.15表示鐵礦石的粉化程度,其計算公式見式(2)。

RDI+3.15=mD1+mD2×100%

(2)

其中:m0——轉(zhuǎn)鼓前試樣的質(zhì)量,g;mD0——轉(zhuǎn)鼓后試樣的質(zhì)量,g;mD1——留在6.3mm篩上的試樣質(zhì)量,g;mD2——留在3.15 mm篩上的試樣質(zhì)量,g。

1.2.3 不同料層厚度燒結(jié)杯試驗

為了研究不同生石灰活性度對料層厚度的影響,本試驗設置了料層厚度分別為700 mm和750 mm的燒結(jié)杯試驗,具體配料方案見表4。燒結(jié)礦質(zhì)量檢測指標和方式與1.2.2小節(jié)相同。

2 結(jié)果與討論

2.1 生石灰活性度對燒結(jié)礦性能的影響

2.1.1 生石灰活性度檢測

由圖2、圖3可知,溫升速率呈現(xiàn)先快速上升,達到反應終了時,溫度上升速率明顯減緩,直至達到最高溫度,且最高溫度基本上不隨著自產(chǎn)灰與外購灰的配比變化而變化。由圖4和圖5可知,隨著自產(chǎn)灰添加比例的降低,達到最高溫度的時間由最開始的107 s增加到了251 s,活性度也由29.1 ℃/min減少到13.6 ℃/min,因此,自產(chǎn)灰中的生石灰活性度比外購灰中的生石灰活性度高。這主要是自產(chǎn)灰中的活性氧化鈣比外購灰中的含量高。

圖2 1組生石灰升溫曲線

圖3 2組生石灰升溫曲線

圖4 自產(chǎn)灰與外購灰配比對最高溫時間的影響

圖5 自產(chǎn)灰與外購灰配比對石灰活性度的影響

2.1.2 生石灰活性度對燒結(jié)礦技術(shù)指標的影響

生石灰活性度對燒結(jié)礦質(zhì)量的影響結(jié)果見表6和圖6。

圖6 生石灰活性度對燒結(jié)礦技術(shù)指標的影響

表6 生石灰活性度對燒結(jié)礦的影響

(1)對燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓強度的影響

由表6和圖6可知,隨著自產(chǎn)灰比例的上升(或者外購灰比例的下降),燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓強度整體上呈現(xiàn)上升趨勢,說明生石灰活性度越大轉(zhuǎn)鼓強度越好。燒結(jié)礦的強度主要與鐵酸鈣的形成有關(guān),自產(chǎn)灰的活性度大,有利于細針狀和針狀鐵酸鈣的形成,導致燒結(jié)礦的轉(zhuǎn)鼓強度呈現(xiàn)一個整體上升趨勢。當自產(chǎn)灰占比80%和100%時,轉(zhuǎn)鼓強度下降,應是冷卻速度因素占主導地位,鐵酸鈣的析出量主要取決于冷卻速度,冷卻速度越快,則鐵酸鈣析出量越少。

(2)對燒結(jié)礦垂直燒結(jié)速度和成品率的影響

由表6和圖6可知,隨著自產(chǎn)灰比例的上升(或者外購灰比例的下降),燒結(jié)礦的成品率和垂直燒結(jié)速度都呈現(xiàn)增大趨勢,燒結(jié)礦在自產(chǎn)灰占比60%時達到最高成品率90.76%,并在自產(chǎn)灰占比100%時垂直燒結(jié)速度達到最大值30.30 mm/min?；钚远雀叩氖乙话闶揖ЯＰ?其比表面積大,孔隙多,化學反應性好,加水消化速度快,消化程度高,遇水后生成的Ca(OH)2微粒具有極強的粘結(jié)性,可以改善混合料的成球性,提高生球的強度,改善料層的透氣性,強化燒結(jié)過程使垂直燒結(jié)速度提高、成品率增加。

(3)對低溫還原粉化指數(shù)的影響

由表6和圖6可知,隨著自產(chǎn)灰比例的上升(或者外購灰比例的下降),低溫還原粉化指數(shù)RDI+3.15呈現(xiàn)出上升的趨勢,在自產(chǎn)灰占比100%時達到最大值79.03%。這主要是跟生成的鐵酸鈣的粘結(jié)相的多少有關(guān),活性度高的生石灰生成的液相鐵酸鈣多,有利于改善低溫還原粉化指數(shù),并對厚料層效果更加明顯。

2.2 焦粉粒度對燒結(jié)礦性能的影響

2.2.1 焦粉粒度對燒結(jié)成分的影響

不同焦粉粒度的燒結(jié)礦成分見表7,通過表7可以看出,焦粉粒度的變化對燒結(jié)礦整體的成分的影響不大,基本保持不變。這也間接說明,本次試驗配礦準確,過程控制良好,試驗參考性高。

表7 焦粉燃燒燒結(jié)杯試驗礦種成分 單位:%

2.2.2 焦粉粒度對燒結(jié)礦技術(shù)指標的影響

不同焦粉粒度燒結(jié)杯試驗結(jié)果見表8。由圖可知,隨著焦粉粒度小于1 mm的占比的減少(或1～3 mm占比增加)轉(zhuǎn)鼓強度呈現(xiàn)下降的趨勢。焦粉粒度變粗帶來了垂直燒結(jié)速度的增加,垂直燒結(jié)速度的增加帶來燒結(jié)礦結(jié)晶不充分,液相產(chǎn)生量以及流動性的變差會帶來燒結(jié)礦整體強度的下降,導致燒結(jié)礦小于0.5 mm粉末量增加,造成燒結(jié)礦抗磨指數(shù)的增加。隨著焦粉粒度小于1 mm的占比的減少(或1～3 mm占比增加),利用系數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢。隨著焦粉粒度小于1 mm的占比的減少(或1～3 mm占比增加),燒成率與成品率呈現(xiàn)上升趨勢,可見粗焦粉粒級的提升對加快生產(chǎn)效率的作用是非常明顯的。隨著焦粉粒度小于1 mm的占比的減少(或1～3 mm占比增加),RDI+3.15出現(xiàn)略微下降,但是基本維持穩(wěn)定,變化區(qū)間較小。

燃料粒度大于3 mm與小于0．5 mm是燒結(jié)所不希望的,燃料粒度過粗過細,都不利于燃燒速度與傳熱速度,降低燃料利用率,進而影響產(chǎn)質(zhì)量與固體燃耗。燒結(jié)燃燒反應速度主要受燒結(jié)溫度與燃料粒度燃燒氣氛控制,在高溫區(qū)反應速度受燃料粒度與透氣性控制。

由圖7可知,德勝燒結(jié)廠使用焦粉原料粒級小于0.5 mm所占比例較高達到36.73%。建議適當減少小于1 mm,尤其小于0.5 mm的粒級范圍,增大1～3 mm的焦粉粒級,可提高生產(chǎn)效率增加產(chǎn)量,降低碳耗,但是會帶來垂直燒結(jié)速度加快,轉(zhuǎn)鼓強度略微下降,這一點可通過增加料層厚度的方式來平衡。

圖7 德勝燒結(jié)廠焦粉粒級分布

3 結(jié)論

本文通過研究不同生石灰活性度,焦粉粒度和不同料層厚度對燒結(jié)礦質(zhì)量的影響,得到以下結(jié)論:

(1)自產(chǎn)灰的活性度大于外購灰,燒結(jié)中增大自產(chǎn)灰的比例,有助于提升燒結(jié)礦的強度和優(yōu)化冶金性能。

(2)減少小于1 mm焦粉粒度,尤其小于0.5 mm的粒級范圍,增大1～3 mm的焦粉粒級,可提高生產(chǎn)效率增加產(chǎn)量,降低碳耗,但是會帶來垂直燒結(jié)速度加快,轉(zhuǎn)鼓強度略微下降。

(3)料層厚度從700 mm提高750 mm,燒結(jié)礦的轉(zhuǎn)鼓強度有所提高,冶金性能得到一定提升。改變焦粉粒度造成的燒結(jié)礦強度下降可通過增加料層厚度的方式來平衡。