關(guān)鍵詞：雙層預(yù)燒結(jié)；支撐燒結(jié)；透氣性指數(shù)；氧含量；超厚料層

0 引言

2015年鞍鋼集團(tuán)開發(fā)了雙層預(yù)燒結(jié)新工藝技術(shù)，并開展了工業(yè)性探索，工藝過程如圖1所示。為了分析雙層預(yù)燒結(jié)出現(xiàn)問題的原因，對(duì)超厚料層支撐技術(shù)進(jìn)行了基礎(chǔ)性研究，以期為雙層預(yù)燒結(jié)技術(shù)提供新的工藝思路。

1 試驗(yàn)原料與方法

1.1 試驗(yàn)原料

原料直接取自現(xiàn)場(chǎng)的二次混合料，其化學(xué)成分見表1。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用燒結(jié)杯尺寸為300 mm（直徑）×110 mm（高度），試驗(yàn)的第1次布料高度為650 mm（含鋪底料），第2次布料的高度為350 mm。在第1次布料650 mm結(jié)束后，采用單層燒結(jié)方式進(jìn)行點(diǎn)火、保溫和燒結(jié)，其中點(diǎn)火時(shí)間為90 s，點(diǎn)火負(fù)壓為8000 Pa， 抽風(fēng)負(fù)壓為10000 Pa； 在第1次點(diǎn)火后9 min時(shí)，進(jìn)行第2次350 mm料層布料，在第1次點(diǎn)火后10 min時(shí)，進(jìn)行第2次點(diǎn)火，點(diǎn)火時(shí)間60 s。最后，從燒結(jié)杯中靠自重卸出燒結(jié)餅，并經(jīng)單齒輥破碎，得到待檢測(cè)燒結(jié)產(chǎn)品。

2 試驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1 支架對(duì)雙層預(yù)燒結(jié)技術(shù)指標(biāo)的影響

在試驗(yàn)過程中，加入支架前后以及不同支架型號(hào)所對(duì)應(yīng)的燒結(jié)技術(shù)指標(biāo)結(jié)果見表2和表3。

由表2可知，支架提高了底部料層的透氣性，加快了冷風(fēng)的流量和流速，熱量損失增大，導(dǎo)致最高溫度下降，高溫持續(xù)時(shí)間縮短，燒結(jié)杯和支架周邊的邊緣效應(yīng)增大，影響了轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度指標(biāo)。但以上情況的出現(xiàn)與實(shí)驗(yàn)室燒結(jié)杯的大小和構(gòu)造等有關(guān)，在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)時(shí)應(yīng)會(huì)有較大幅度的改善。

雖然燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度出現(xiàn)一定下降，但加入支架后燒結(jié)礦的成品率顯著提升。雙層預(yù)燒結(jié)加入支架可以進(jìn)一步提高利用系數(shù)和成品率，釋放雙層預(yù)燒結(jié)的提產(chǎn)優(yōu)勢(shì)，但一定程度上會(huì)降低燒結(jié)礦的轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度。

由表3可知，雙層預(yù)燒結(jié)加入支架后，[10，40] mm的合理粒度級(jí)別比例提高，尤其是[5，10）mm的準(zhǔn)粉末級(jí)別比例平均下降了2.1個(gè)百分點(diǎn)，有效解決了雙層預(yù)燒結(jié)實(shí)際應(yīng)用時(shí)出現(xiàn)的關(guān)鍵質(zhì)量問題；并且小于5 mm的返礦部分也有所下降，可見雙層預(yù)燒結(jié)配加支架能起到預(yù)期的作用，可以改善成品燒結(jié)礦的粒度組成，降低返礦和準(zhǔn)粉末含量。從以上結(jié)果綜合分析可得，使用350 mm支架較400 mm支架能取得更好的燒結(jié)技術(shù)指標(biāo)。

2.2 支架對(duì)雙層預(yù)燒結(jié)透氣性的影響

在料層底部加入350 mm和400 mm的支架后，按照E.W.Voice公式（式（1））對(duì)整個(gè)料層的透氣性進(jìn)行檢測(cè)。

（1）

式中：P為料層透氣性；Q為單位時(shí)間內(nèi)通過料層的風(fēng)量；F為抽風(fēng)面積；H為料層高度；Δp為料層的壓力降。

燒結(jié)過程的透氣性變化如圖3所示，整個(gè)透氣性指數(shù)的變化可清晰地分為3個(gè)過程。

1）第1次布料并點(diǎn)火后的10 min內(nèi)，此時(shí)實(shí)際為650 mm厚的單層燒結(jié)。隨著過程的進(jìn)行，料層透氣性指數(shù)總體呈上升趨勢(shì)。在加入支架后，料層透氣性指數(shù)進(jìn)一步提高，加350 mm支架比常規(guī)雙層預(yù)燒結(jié)透氣性指數(shù)提高9.29%，加400 mm支架透氣性指數(shù)較常規(guī)雙層預(yù)燒結(jié)提高11.45%。

2）第2次布料并點(diǎn)火的20 min內(nèi)，此時(shí)總料層厚度達(dá)到1000 mm， 料層的總透氣性指數(shù)急劇升高。較常規(guī)的雙層預(yù)燒結(jié)，加350 mm支架后，透氣性指數(shù)提高11.80%，加400 mm支架透氣性指數(shù)提高13.42%。

3）在燒結(jié)總時(shí)間30 min后，上部350 mm厚的料層接近燒結(jié)終點(diǎn)，料層透氣性指數(shù)整體急劇下降。在料層透氣性指數(shù)最低點(diǎn)，不加支架時(shí)最低透氣性指數(shù)為0.38，加350 mm支架時(shí)最低為0.50，提高了31.6%，加 400 mm支架時(shí)最低為0.48，提高了26.3%。隨著上部燒結(jié)料層燃燒結(jié)束，只有底部料層仍在繼續(xù)燃燒，此時(shí)又發(fā)展為單層燒結(jié)，所以料層的透氣性又得到大幅提升。

通過3個(gè)雙層預(yù)燒結(jié)過程的進(jìn)行，加入支架可以顯著改善料層的透氣性指數(shù)，提高料層的透氣性，降低燒結(jié)終點(diǎn)時(shí)間段內(nèi)氧含量急劇下降的趨勢(shì)，有助于改善下部料層的燃燒環(huán)境。

2.3 雙層預(yù)燒結(jié)煙氣成分的變化

在不加支架進(jìn)行雙層預(yù)燒結(jié)時(shí)，燒結(jié)煙氣成分的典型變化如圖4所示，在第2次布料和點(diǎn)火前的10 min內(nèi)（預(yù)燒結(jié)時(shí)間10 min），煙氣中O2體積分?jǐn)?shù)由21%降低到12%～13%，CO2體積分?jǐn)?shù)則在9%～11%內(nèi)波動(dòng)，CO在0～2%內(nèi)波動(dòng)，O2體積分?jǐn)?shù)明顯高于CO2體積分?jǐn)?shù)。由于第1次布料的底層料層厚度只有650 mm， 較常規(guī)單層燒結(jié)750 mm的設(shè)計(jì)高度低了100 mm。在較薄的料層燒結(jié)條件下，料層阻力減小，有效風(fēng)量增加，通過料層的空氣過剩系數(shù)更高，料層燃燒速度更快，所以煙氣中的O2體積分?jǐn)?shù)較一般的單層燒結(jié)（高比例精礦）高1～2個(gè)百分點(diǎn)，燒結(jié)礦質(zhì)量不會(huì)出現(xiàn)較為明顯的變化。

在第2次布料并點(diǎn)火后，上層的料層高度在350 mm， 總高度達(dá)到1000 mm。此時(shí)，上下兩個(gè)料層有兩個(gè)燒結(jié)工藝過程在同時(shí)進(jìn)行，尤其兩個(gè)燃燒帶的存在導(dǎo)致空氣過剩系數(shù)急劇下降。所以圖4中煙氣的O2體積分?jǐn)?shù)有明顯降低的趨勢(shì)，平均下降約7～9個(gè)百分點(diǎn)，最低體積分?jǐn)?shù)達(dá)到4%左右，CO2體積分?jǐn)?shù)則升高約9～13個(gè)百分點(diǎn)，最高體積分?jǐn)?shù)達(dá)到22%左右，CO體積分?jǐn)?shù)也有升高趨勢(shì)?？梢?，底部混合料層轉(zhuǎn)變?yōu)榈脱跎踔脸脱醯臍夥杖紵?，燃燒不充分，最高燃燒溫度下降，礦化作用減弱，最終導(dǎo)致雙層預(yù)燒結(jié)的燒結(jié)礦質(zhì)量變差。

2.4 支架對(duì)雙層預(yù)燒結(jié)煙氣氧含量的影響

通過以上研究，雙層預(yù)燒結(jié)加入支架后，燒結(jié)熱態(tài)透氣性明顯得到改善，為了對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證，對(duì)燒結(jié)最終煙氣中的氧含量進(jìn)行了分析，主要變化如圖5所示。

由圖5可知，在雙層預(yù)燒結(jié)第2次點(diǎn)火前，是否加入支架對(duì)燒結(jié)煙氣中的O2體積分?jǐn)?shù)未有明顯影響。在第2次點(diǎn)火后，無論是否加入支架，煙氣中O2體積分?jǐn)?shù)的總體趨勢(shì)都是先下降后升高。不加支架時(shí)，O2體積分?jǐn)?shù)在35 min時(shí)達(dá)到最低，為8%左右；加入支架后，O2體積分?jǐn)?shù)達(dá)到最低點(diǎn)的時(shí)間不僅提前了7 min， 在28 min時(shí)達(dá)到最低，而且最低O2體積分?jǐn)?shù)提高了2.5個(gè)百分點(diǎn)，達(dá)到10.5%左右?？梢姡诹蠈又屑尤胫Ъ苊黠@提高了料層下部的O2含量，改善了燃燒氣氛和成礦環(huán)境。為此，對(duì)料層高度方向進(jìn)行了成品燒結(jié)礦的FeO取樣分析，主要數(shù)據(jù)見表4。

在最上層200 mm處，料層供氧充足，是否加支架對(duì)燒結(jié)礦FeO含量沒有影響；在中層500 mm處（第1次布料的150 mm高度處），實(shí)際為單層燒結(jié)，在第1次點(diǎn)火后10 min內(nèi)燒結(jié)完成，料層供氧充足，但受實(shí)驗(yàn)室燒結(jié)杯第1次點(diǎn)火強(qiáng)度的影響，燒結(jié)礦的FeO含量略低于200 mm處的FeO含量，但仍在試驗(yàn)控制范圍內(nèi)；在料層850 mm處，F(xiàn)eO含量急劇升高，均在9.5%以上，不加支架時(shí)達(dá)到了11.17%，這也充分的證明了雙層預(yù)燒結(jié)底部料層的低氧環(huán)境。為進(jìn)一步探索支架對(duì)低氧環(huán)境成礦規(guī)律的影響，對(duì)850 mm處的燒結(jié)礦進(jìn)行礦相分析，結(jié)果如圖6～圖8所示。

圖6所示為常規(guī)雙層預(yù)燒結(jié)礦的礦相結(jié)構(gòu)，可見礦物組成中有大片的磁鐵礦存在，部分區(qū)域硅酸二鈣存在于磁鐵礦晶粒之間，鐵酸鈣多呈條狀和熔蝕狀與磁鐵礦和部分橄欖石交織在一起；再生的赤鐵礦含量較多，多呈粒狀和魚脊?fàn)?，互相之間連接不充分，燒結(jié)礦中含有較大的裂紋存在，一定程度上影響燒結(jié)礦的還原性和粉化性能。

在加入350 mm支架后礦相結(jié)構(gòu)如圖7所示，鐵酸鈣較常規(guī)雙層預(yù)燒結(jié)時(shí)明顯增加，且鐵酸鈣為主要黏結(jié)相，玻璃相減少，磁鐵礦與鐵酸鈣呈熔蝕結(jié)構(gòu)。礦物組成中，鐵酸鈣多數(shù)為針狀，少部分為片狀和柱狀。赤鐵礦呈板狀和粒狀，一部分固相被鐵酸鈣和磁鐵礦包裹，另一部分赤鐵礦呈棱形和魚脊?fàn)?，但含量明顯減少。

在加入400 mm支架后，礦相結(jié)構(gòu)如圖8所示，相比于圖6和圖7的結(jié)構(gòu)，燒結(jié)礦薄壁和蜂窩狀結(jié)構(gòu)明顯增加，鐵酸鈣和磁鐵礦數(shù)量有所減少，鐵酸鈣多呈條狀，部分和磁鐵礦互相連接，大片的赤鐵礦呈粒狀疏松地連接在一起。在燒結(jié)礦中大量的孔洞呈現(xiàn)穿孔和連孔狀，會(huì)嚴(yán)重影響燒結(jié)礦的冷態(tài)強(qiáng)度和粉化性能。

3 結(jié)論

1）在精礦配比70%的原料條件下，采用常規(guī)的雙層預(yù)燒結(jié)工藝時(shí)，在第1次點(diǎn)火后的預(yù)燒結(jié)時(shí)間內(nèi)，由于為薄料層的單層燒結(jié)工藝，空氣過剩系數(shù)高，煙氣中的O2體積分?jǐn)?shù)在12%～13%，CO2體積分?jǐn)?shù)在9%～11%，CO體積分?jǐn)?shù)在0～2%；在第2次點(diǎn)火后，兩個(gè)燃燒帶同時(shí)存在，煙氣中O2體積分?jǐn)?shù)最低達(dá)到4%，CO2體積分?jǐn)?shù)最高達(dá)到22%，底部混合料層為低氧甚至超低氧氣氛燃燒，不利于燒結(jié)成礦。

2）采用常規(guī)雙層預(yù)燒結(jié)工藝時(shí)，料層透氣性有3個(gè)變化過程：第1次布料并點(diǎn)火后的10 min內(nèi)，第2次布料并點(diǎn)火的20 min內(nèi)，燒結(jié)總時(shí)間30 min后。在加入350 mm和400 mm支架后，透氣性指數(shù)在第1個(gè)過程平均提高了10.37%，第2個(gè)過程平均提高了12.61%，第3個(gè)過程最低處透氣性指數(shù)平均提高了28.95%。

3）加入支架后，雙層預(yù)燒結(jié)過程O2體積分?jǐn)?shù)最低點(diǎn)時(shí)間提前了7 min， O2體積分?jǐn)?shù)提高了2.5個(gè)百分點(diǎn)，可以達(dá)到單層燒結(jié)時(shí)的O2體積分?jǐn)?shù)水平，并且不同料層部位的燒結(jié)礦FeO含量明顯降低，礦物結(jié)構(gòu)也明顯改善，其中加入350 mm支架時(shí)，礦物結(jié)構(gòu)最佳。

4）加入支架后，雙層預(yù)燒結(jié)礦的轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度下降，但成品率和利用系數(shù)顯著提高，可以進(jìn)一步釋放雙層預(yù)燒結(jié)的提產(chǎn)優(yōu)勢(shì)；加入支架后，[5， 10） mm的準(zhǔn)粉末級(jí)別比例明顯下降，有效解決了雙層預(yù)燒結(jié)實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中存在的關(guān)鍵問題。綜合評(píng)價(jià)，加入350 mm支架時(shí)，燒結(jié)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)最優(yōu)，雙層預(yù)燒結(jié)支架工藝在實(shí)驗(yàn)室證明是可行的。

本文摘自《中國冶金》2024年第10期