潘建磊 趙立偉 安志偉 劉玉龍 張潤芝

（承德建龍?zhí)厥怃撚邢薰荆?/p>

摘  要：為了優(yōu)化燒結(jié)工序的熔劑結(jié)構(gòu)，提高企業(yè)效益，對石灰石粉替代白灰進行了實驗研究。結(jié)果表明：不同石灰石粉配比下具有各自的適宜燃料比。利用石灰石粉替代白灰時，適當提高燃料比可以改善燒結(jié)礦的粒級組成和轉(zhuǎn)鼓強度，同時縮短燒結(jié)時間和維持一定的燒結(jié)負壓。對于過大的石灰石粉配比，單一的提高燃料比措施已不能夠保證燒結(jié)礦質(zhì)量和燒結(jié)指標。綜合考慮燒結(jié)礦質(zhì)量、燒結(jié)指標、燃料比和企業(yè)綜合效益等，在當前生產(chǎn)條件下，石灰石粉替代白灰的最佳比例為1.5%，燃料比為4.3%。

關(guān)鍵詞：燒結(jié)工序；石灰石粉；白灰；燃料比

承德建龍?zhí)厥怃撚邢薰镜臒Y(jié)工序以當?shù)氐拟C鈦磁鐵礦為主要礦石原料，為了保證混料時的制粒性和燒結(jié)過程的透氣性，一直利用白灰+白云石粉的熔劑結(jié)構(gòu)進行配料。白灰為燒結(jié)生產(chǎn)中較好的熔劑，但由于使用石灰石粉的成本遠低于白灰，所以在面對原材料價格上漲、鋼材供大于求和鋼鐵企業(yè)利潤下降的現(xiàn)狀下，考慮使用石灰石粉替代白灰對于燒結(jié)工序降本增效具有很好的實際意義^[1]，目前已經(jīng)有了一定研究^[2-4]。白灰和石灰石粉具有不同的基礎(chǔ)特性和燒結(jié)特性，對燒結(jié)過程會產(chǎn)生不同的影響，所以將白灰和石灰石粉合理搭配，尋求合適的熔劑結(jié)構(gòu)，既能提高燒結(jié)礦質(zhì)量，又能夠降低原料成本^[5,6]。但由于石灰石粉在高溫下需要吸熱分解，所以在石灰石粉加入后需要額外增加燃料比例。

在當前承德建龍燒結(jié)機生產(chǎn)條件下，本文旨在通過對石灰石粉替代白灰的燒結(jié)杯試驗研究，在綜合分析燒結(jié)礦質(zhì)量、燒結(jié)指標、企業(yè)效益的基礎(chǔ)下確定合適的石灰石粉替代白灰比例和燃料比，為下一步的工業(yè)試驗提供參數(shù)指導(dǎo)。

1  試驗

1.1  試驗原料

本次試驗所使用的燒結(jié)原料均取自承德建龍原料場，其化學(xué)成分見表1。

表1 燒結(jié)原料的化學(xué)成分

Table.1  Chemical composition of sintering raw materials

1.2  試驗方案與方法

燒結(jié)正常生產(chǎn)時的熔劑結(jié)構(gòu)為白灰+白云石粉?？紤]到2做白灰窯生產(chǎn)白灰富余，對單白灰窯生產(chǎn)燒結(jié)用熔劑進行平衡，不足部分用石灰石粉補充。

表2為單白灰窯生產(chǎn)期間的白灰平衡，主要用作燒結(jié)和煉鋼的生產(chǎn)原料。在回轉(zhuǎn)窯單獨生產(chǎn)時，燒結(jié)所用的白灰配比達到了最低，為1.5%。在實際生產(chǎn)情況，熔劑結(jié)構(gòu)為白灰3.3%+白云石粉6.0%、燃料4.3%。以此作為基準，在白灰1.5%+白云石粉6.0%+石灰石粉3.0%的熔劑結(jié)構(gòu)條件下，石灰石粉按0.5%步調(diào)進行調(diào)整，最大為5.5%（即石灰石粉全部替代白灰），最小為1.5%，同時燃料按照每次增加0.1%步調(diào)進行調(diào)整，最終使得燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓強度達到或優(yōu)于基準水平。試驗過程中石灰石粉由低向高逐步提高配比，燃料按照上一次試驗合適的燃料配比進行調(diào)整。試驗方案見表3，其中鐵礦粉配比為金布巴粉、遠通釩鈦礦和天寶釩鈦礦的配比總和，白灰記為SA，白云石粉記為SB，石灰石粉記為SC。

表2 燒結(jié)所用白灰平衡

Table.2  Lime balance for sintering

表3 燒結(jié)杯試驗方案

Table.3  Sintering pot test scheme

燒結(jié)杯試驗開始時，先按表3配比進行人工稱料，然后將配好的混合料裝入筒式混料機中進行一次混合，時間為3 min。然后將混合料裝入二次混料機中進行制粒3 min，轉(zhuǎn)速為17 r/min，同時根據(jù)原料含水率加入適量水，控制混合料最終含水率約為7.4%。在布料前，在燒結(jié)杯底部加入10~25 mm粒級的燒結(jié)礦作為鋪底料，厚度約為40 mm，然后將制粒后的混合料裝入燒結(jié)杯（見圖1）中，料面與燒結(jié)杯杯口齊平，并在表層混合料中均勻摻入100 g燃料。之后啟動除塵風(fēng)機、助燃風(fēng)機、煤氣閥等設(shè)備，待助燃風(fēng)壓力穩(wěn)定后開始點火，點火負壓控制為8 KPa，點火時間為90 s。點火結(jié)束后，開始抽風(fēng)燒結(jié)，控制燒結(jié)負壓在12 KPa，當燒結(jié)廢氣溫度開始下降時，燒結(jié)結(jié)束。待廢氣溫度低于250 ℃時，啟動破碎機，并提升燒結(jié)杯倒料。

燒結(jié)結(jié)束后根據(jù)國標GB/T 24531，利用轉(zhuǎn)鼓及搖擺篩等設(shè)備對燒結(jié)礦的粒級組成、轉(zhuǎn)鼓強度等質(zhì)量指標進行檢測；燒結(jié)過程的燒結(jié)時間、廢氣溫度、燒結(jié)負壓等指標由計算機自動記錄并獲取。

圖1 燒結(jié)杯試驗平臺

Fig. 1  Sintering pot test platform

2  結(jié)果與討論

2.1  燒結(jié)礦粒級組成

不同石灰石粉和燃料配比條件下的燒結(jié)礦粒級組成見圖2。從方案1看，在石灰石粉配比1.5%條件下，在與基準料相同4.3%燃料配比時，粒級＞40 mm的燒結(jié)礦比例明顯上升，當燃料配比增加到4.4%時，粒級在16~40 mm的比例上升，粒級＞40 mm的比例下降。從整體看，在石灰石粉配比1.5%條件下，＞10 mm粒級的燒結(jié)礦比例一直維持在58%左右，對粒徑組成影響不大，燃料配比的影響程度較低。

從方案2看，在石灰石粉配比2.0%條件下，與基準料相比，在燃料配比為4.3%時，粒級＜10 mm的燒結(jié)礦比例明顯上升，粒級組成變差。隨著燃料配比的上升，粒級＞25 mm的比例上升，＜10 mm的比例下降，在燃料配比為4.4%時，粒級組成已優(yōu)于基準料。

從方案3看，在石灰石粉配比2.5%條件下，隨著燃料配比的上升，10~40mm中間粒級的燒結(jié)礦占比上升，＞40 mm和＜10 mm粒級的比例下降。與基準料相比，在燃料配比為4.4%和4.5%時，＞10 mm粒級的燒結(jié)礦比例一直維持在58%左右，沒有太大影響。當燃料配比為4.6%時，粒級組成有了較為明顯的改善，＞10 mm粒級的燒結(jié)礦比例達到了63.60%。

從方案4看，在石灰石粉配比3.0%條件下，隨著燃料配比的上升，＞25 mm和＜5 mm粒級的比例上升，中間粒級的比例下降。與基準料相比，在燃料配比為4.4~4.6%時，粒級組成均變好，＞10 mm粒級的比例分別由基準料的57.98%上升到59.60%、59.92%和62.03%。

從方案5看，在石灰石粉全部替代白灰條件下，除了燃料配比為4.6%時，＞10 mm粒級的比例為58.26%，其余燃料配比條件下的粒級組成均比基準料要差，并且燃料配比為4.8%時粒級組成最差。所以5.5%的石灰石配比并不適宜，而且會使得燃料成本有較大的上升。

圖2 燒結(jié)礦的粒級組成變化

Fig. 2  Change of particle composition of sinter

2.2  燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓指數(shù)

圖3為不同石灰石粉和燃料配比條件下的燒結(jié)礦的轉(zhuǎn)鼓強度測試結(jié)果。

圖3 燒結(jié)礦的轉(zhuǎn)鼓強度

Fig. 3  Drum strength of sinter

從圖3看，隨著石灰石粉配加量的增加，想要維持與基準料相同水平的轉(zhuǎn)鼓強度，配碳量需要增加。從方案1看，在不增加燃料配比時，轉(zhuǎn)鼓強度就已經(jīng)優(yōu)于基準料，說明在1.5%石灰石粉的配加比例下，相較全部使用白灰和白云石粉作為熔劑，燒結(jié)礦具有更好的強度。這主要是由于石灰石粉在高溫分解后產(chǎn)生的CaO活性要高于白灰中的CaO活性，使得在燒結(jié)過程中更容易生成鐵酸鈣等液相^[4,7]，在較低的石灰石粉優(yōu)化配比條件下，不需要提高燃料比即可實現(xiàn)提高燒結(jié)礦強度的效果。

隨著石灰石粉配比達到2.0%時，在基準料相同燃料配比條件下，轉(zhuǎn)鼓強度開始下降。在增加燃料配比后，轉(zhuǎn)鼓強度明顯上升，在燃料比為4.4%時，轉(zhuǎn)鼓強度達到最值為56.40%。當石灰石粉配比為2.5%和3.0%時，轉(zhuǎn)鼓強度的變化趨勢與石灰石粉配比為1.5%時的相同，都隨著燃料配比的增加而提高，并且較高的燃料配比下的轉(zhuǎn)鼓強度要由于基準料。當利用石灰石粉全部替代白灰時，在燃料比為4.6%時轉(zhuǎn)鼓強度達到最值為53.60%，之后隨著燃料配比的增加，轉(zhuǎn)鼓強度維持在與基準料相同的水平。這主要是燃料配比達到4.7%和4.8%時，由于燃料配比過量，燒結(jié)礦出現(xiàn)了大孔薄壁結(jié)構(gòu)，使得燒結(jié)礦強度下降。所以在利用石灰石粉替代白灰時，在一定石灰石粉配加比例下，具有一個合理的燃料配加量，并非燃料比越高越好。

2.3  燒結(jié)指標

圖4為不同石灰石粉和燃料配比條件下的燒結(jié)指標變化情況。從終點溫度看，隨著石灰石粉和燃料配比的改變，終點溫度沒有呈現(xiàn)明顯的變化規(guī)律，在基準料終點溫度的±40 ℃范圍內(nèi)變化。

從燒結(jié)負壓看，在添加石灰石粉后，燒結(jié)負壓基本上都大于基準料。當石灰石粉比例為1.5~2.5%時，在控制燃料配比條件下，仍然可以使得燒結(jié)負壓穩(wěn)定與基準料相同的水平，但當石灰石粉比例達到3.0%以上時，燒結(jié)負壓明顯惡化，并且提高燃料配比并不能使得負壓達到基準料的水平。從混料制粒情況看，推測是由于白灰配加量的降低會導(dǎo)致混合料制粒效果差，使得燒結(jié)負壓升高^[8]。

從燒結(jié)時間看，在配入石灰石粉后，適當提高燃料比例可以降低燒結(jié)時間。在石灰石粉配比小于2.5%時，燒結(jié)時間與基準料相差不大。在相同燃料配比條件下，在石灰石粉配比為2.0%時，燒結(jié)時間甚至要短于基準料。當石灰石粉配比達到3.0%以上時，燒結(jié)時間明顯增加，并且燃料消耗也隨之增大，對燒結(jié)指標產(chǎn)生很大影響，此時石灰石粉的配比量明顯過大。

圖4 燒結(jié)指標變化

Fig. 4  Change of sintering index

2.4  最優(yōu)參數(shù)確定

通過對燒結(jié)礦質(zhì)量和燒結(jié)指標的研究分析，確定了在不同石灰石粉替代白灰比例下的適宜燃料比，如圖5所示。燒結(jié)配加1.5%石灰石粉時，合適的燃料配比為4.3%；配加2.0%石灰石粉時，合適的燃料配比為4.4%；配加2.5%石灰石粉時，合適的燃料配比為4.5%；配加3.0%石灰石粉時，合適的燃料配比為4.5%；全部配加石灰石粉（5.5%）時，合適的燃料比為4.6%。

圖5 不同石灰石粉配比下的合理燃料比

Fig. 5  Reasonable fuel ratio under different ratio of limestone powder

在合理的燃料比下，在考慮配加石灰石粉后，白灰窯產(chǎn)量降低對白灰成本影響以及燒結(jié)全配石灰石粉時高爐生產(chǎn)需增加0.5%返礦率的基礎(chǔ)上，對不同石灰石粉替代白灰比例下的公司效益進行了核算，結(jié)果見表4。從表4看，在石灰石粉配加比例為1.5%時，企業(yè)效益達到最高，為56.34萬元/月。隨著石灰石粉配比的繼續(xù)提高，綜合效益下降，甚至出現(xiàn)了負增長。所以綜合燒結(jié)礦質(zhì)量、燒結(jié)指標、燃料配比和企業(yè)綜合效益等分析，在當前生產(chǎn)條件下，石灰石粉替代白灰的最佳比例為1.5%，燃料比為4.3%。

表4 不同石灰石粉配比下的企業(yè)效益

Table.4  Enterprise benefit under different limestone powder ratio

3  討論

圖6為石灰石礦物的X射線衍射結(jié)果，其中主要成分為CaCO₃（方解石）和Ca_3.24Mg_2.76CO₃（白云石）。CaCO₃分解反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，，其熱化學(xué)反應(yīng)方程式為：

在煅燒過程中，石灰石在高溫下分解，其晶體結(jié)構(gòu)遭受破壞，離子鍵斷裂，產(chǎn)生的CaO活性相較于生石灰更高，這有利于鐵酸鈣的形成。然而，在添加石灰石進行燒結(jié)時，必須特別留意其分解后與水的隔離，因為游離的CaO遇水會迅速反應(yīng)，體積膨脹一倍，可能導(dǎo)致燒結(jié)礦因內(nèi)應(yīng)力而破碎，進而影響燒結(jié)的透氣性和燒結(jié)礦的轉(zhuǎn)鼓強度。

圖6 石灰石X射線衍射結(jié)果

如圖6所示，當石灰石粉在白灰中的替代比例增加時，在恰當?shù)娜剂吓浔认?，燒結(jié)礦的轉(zhuǎn)鼓強度呈現(xiàn)上升趨勢。燒結(jié)礦的礦相構(gòu)成主要包括赤鐵礦、磁鐵礦、鐵酸鈣、鈣鈦礦、硅酸鹽、玻璃質(zhì)，而其粘結(jié)相則主要由硅酸鹽、玻璃質(zhì)和鐵酸鈣構(gòu)成。這些粘結(jié)相通過自身的粘結(jié)特性以及磁鐵礦的連晶作用，共同確保了燒結(jié)礦的穩(wěn)固性。值得注意的是，隨著燒結(jié)混合料中石灰石配比的增加，燒結(jié)礦中高強度的赤鐵礦和鐵酸鈣的含量也相應(yīng)增加。

石灰石的分解反應(yīng)速度受多種因素影響，如溫度、石灰石的顆粒大小以及氧化鈣生成的擴散等。一般而言，較小的石灰石顆粒更容易分解，且煅燒溫度越高，反應(yīng)速度越快。此外，通風(fēng)和保溫條件也對煅燒反應(yīng)有重要影響。

再觀察圖4，隨著石灰石粉替代白灰的比例上升，燒結(jié)時間也相應(yīng)延長。石灰石的顆粒大小對其燒結(jié)性能有顯著影響，因為粒徑直接關(guān)系到石灰石的分解時間。除了主要成分CaCO₃外，石灰石中還含有Mg、Al、Si等雜質(zhì)元素，這些元素在同一塊石灰石中的分布并不均勻。熔劑中的SiO₂和Al₂O₃等雜質(zhì)可能與熔劑中的有效成分CaO發(fā)生反應(yīng)，降低熔劑的有效含量和活性度。當燒結(jié)料中強度較高的石灰石含量增加時，容易在燒結(jié)礦中形成活性CaO，進而在玻璃相中產(chǎn)生脆性點，降低燒結(jié)料的透氣性。

石灰石的煅燒分解是一個復(fù)雜的物理化學(xué)過程，涉及石灰石的結(jié)構(gòu)、化學(xué)性質(zhì)以及煅燒條件的控制等多個方面。理論上，石灰石在約700℃開始分解，920℃時分解劇烈。然而，在實際操作中，由于石灰石具有一定的塊度，其分解過程往往是從外到內(nèi)逐漸進行的。當分解到一定程度時，表面會形成一層導(dǎo)熱性能較差的CaO層，這會影響石灰石中心的加熱和分解速度。同時，內(nèi)層反應(yīng)產(chǎn)生的CO₂氣體需要通過反應(yīng)層向外擴散，因此石灰石的分解速度在很大程度上受到反應(yīng)層CO₂氣體擴散速度和CaO層導(dǎo)熱性能的影響。這表明石灰石的粒度對其分解速度具有顯著影響，因此，在高爐中加入較大粒度的石灰石時，部分CaCO₃可能進入900℃以上的高溫區(qū)進行分解。具體的分解溫度取決于石灰石的類型和所需的產(chǎn)物純度。較純的石灰石通常需要更高的溫度才能達到較完全的分解。

最后，圖5展示了石灰石粉替代白灰比例上升時，燒結(jié)合理燃料比的升高趨勢。石灰石的主要成分為碳酸鈣（CaCO₃），其晶體結(jié)構(gòu)由鈣離子（Ca²⁺）和碳酸根離子（CO3^2-）之間的離子鍵構(gòu)成。在高溫下，石灰石中的鈣離子和碳酸根離子熱運動加劇，開始發(fā)生煅燒反應(yīng)，分解為氧化鈣（CaO）和二氧化碳（CO₂）。由于碳酸鈣的分解是吸熱反應(yīng)，相較于白灰，石灰石在燒結(jié)時需要消耗更多的熱量，因此其燒結(jié)時的燃料比會相應(yīng)升高。

4  結(jié)論

（1）利用石灰石粉替代白灰時，適當提高燃料比可以改善燒結(jié)礦的粒級組成和轉(zhuǎn)鼓強度，同時降低燒結(jié)時間和維持一定的燒結(jié)負壓。對于過大的石灰石粉配比，單一的提高燃料比已不能夠保證燒結(jié)礦質(zhì)量和燒結(jié)指標。

（2）不同石灰石粉配比下的適宜燃料比為：配加1.5%石灰石粉時，燃料比為4.3%；配加2.0%石灰石粉時，燃料比為4.4%；配加2.5%石灰石粉時，燃料比為4.5%；配加3.0%石灰石粉時，燃料比為4.5%；全部配加石灰石粉（5.5%）時，燃料比為4.6%。

（3）綜合燒結(jié)礦質(zhì)量、燒結(jié)指標、燃料配比和企業(yè)綜合效益等分析，在當前生產(chǎn)條件下，石灰石粉替代白灰的最佳比例為1.5%，燃料比為4.3%。

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