（北京科技大學(xué)）  （銅陵市旋力特殊鋼有限公司）

摘要：本文論述了配碳量對(duì)燒結(jié)礦質(zhì)量（礦物組成和冶金性能）的影響，論述了燃料的燃燒性和燃料分加對(duì)燒結(jié)過程的影響，著重論述和分析討論了燃料粒度對(duì)燒結(jié)過程和燒結(jié)礦質(zhì)量的影響，並得出了幾點(diǎn)有價(jià)值的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：低配碳；燃料粒度；高質(zhì)量發(fā)展

1  配碳量對(duì)燒結(jié)礦質(zhì)量（礦物組成和冶金性能）的影響

燒結(jié)料中配碳量決定燒結(jié)溫度、燒結(jié)速度及氣氛，對(duì)燒結(jié)礦的性質(zhì)及礦物組成有很大的影響。 鞍鋼鐵精礦的燒結(jié)研究表明：當(dāng)燒結(jié)礦堿度固定在1.5, 燒結(jié)料含碳量由3.0%升高到4.5%時(shí)，對(duì)燒結(jié)礦中鐵氧化物總含量影響不大，而對(duì)黏結(jié)相的形態(tài)及礦物的結(jié)晶程度影響很大。當(dāng)燒結(jié)料中含碳低時(shí)，磁鐵礦的結(jié)晶程度差，主要黏結(jié)相是玻璃質(zhì)，多孔洞，還原性比較好，而強(qiáng)度差；隨著燒結(jié)料含碳量的增加，磁鐵礦的結(jié)晶程度改善，并生成大粒結(jié)晶，這時(shí)液相黏結(jié)物以鈣鐵橄欖石代替了玻璃質(zhì)，孔洞少，因此燒結(jié)礦強(qiáng)度變好。當(dāng)配碳過多時(shí)容易生成過量液相， 形成大孔薄壁或氣孔度低的燒結(jié)礦，此時(shí)燒結(jié)礦產(chǎn)量低，還原性差， 強(qiáng)度也不好。表 1-1 為某鋼鐵公司配碳量對(duì)燒結(jié)礦礦物組成及冶金性能的影響。

表1- 1 配碳量對(duì)燒結(jié)礦礦物組成及冶金性能的影響

對(duì)一般鐵礦粉燒結(jié)，燒結(jié)礦FeO含量隨配碳量的增加而有規(guī)律地增加。 因此燒結(jié)礦FeO含量通常被用來評(píng)定燒結(jié)礦冶金性能。表1-2為燒結(jié)礦 FeO 含量與冶金性能的關(guān)系，從表可以清晰地看出，隨著FeO含量的增加，燒結(jié)礦成品率、轉(zhuǎn)鼓指數(shù)和燒結(jié)利用系數(shù)均明顯增加，但燒結(jié)礦的還原度明顯變差。此外燒結(jié)礦FeO含量高，意味著燒結(jié)固體燃料消耗高。

              表1- 2 燒結(jié)礦 FeO 含量與冶金性能的關(guān)系

2  燃料的燃燒性及對(duì)燒結(jié)過程的影響

在燒結(jié)過程中，燃料（焦粉）為燒結(jié)提供熱量，通過抽風(fēng)燒結(jié)，這些熱量用于加熱干燥燒結(jié)料，對(duì)燒結(jié)料中的鐵礦粉和熔劑進(jìn)行焙燒，使其中的鐵礦物、脈石礦物和熔劑發(fā)生同化反應(yīng)并生成液相，從而形成燒結(jié)礦。因此，燃料的特性對(duì)燃料消耗、垂直燒結(jié)速度以及產(chǎn)、質(zhì)量指標(biāo)有著顯著的影響。燒結(jié)過程中的最高燒結(jié)溫度主要取決于燃料的著火點(diǎn)和燃燒性等特性，當(dāng)燃料的特性與燒結(jié)混合料的特性相匹配時(shí)，燃料的燃燒速度與傳熱速度相匹配，能夠獲得合適的高溫區(qū)寬度，這不但有利于燒結(jié)礦的充分結(jié)晶，還有利于改善燒結(jié)過程的熱態(tài)透氣性，能夠減少燒結(jié)料層底部的過熔 有利于燒結(jié)礦產(chǎn)、 質(zhì)量指標(biāo)的提高。

2.1 不同粒度燃料的燃燒性

為了解不同粒度燃料的燃燒規(guī)律，將燃料進(jìn)行篩分，選出大于 3mm、 1-3mm 以及小于 1mm 三種粒級(jí)的燃料，分別選取 50g 不同粒度的燃料試樣放人加熱爐內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，燃燒性（ 燃燒率）則由失重量與原始重量的比值表示。1~3mm 粒級(jí)燃料的失重率相對(duì)最高，其燃燒速度相對(duì)最快，燃燒效率相對(duì)高,燃燒性好；大于3mm 粒級(jí)燃料的失重率相對(duì)較髙，其燃燒性相對(duì)較好；小于 1mm 粒級(jí)燃料的失重率低，其燃燒性差；沒有經(jīng)過篩分的燃料的失重率較低，其燃燒性相對(duì)較差。 因此，為了提高燃料的燃燒性，可以選擇粒度為 1~3mm 的燃料作為主要燒結(jié)燃料；若要降低燒結(jié)燃料的燃燒性，可以選擇粒度小于 1mm 的燃料。

2.2燃料分加前后燃料的燃燒性

為了研究分加前后燒結(jié)燃料的燃燒規(guī)律，采用兩種方式進(jìn)行試驗(yàn)。 第一種是將鐵礦粉和燃料直接進(jìn)行混合制粒；第二種是先將 30%燃料與鐵礦粉混合制粒，再將 70%燃料后加入進(jìn)行制粒，使得燒結(jié)料的表面被固體燃料包裹。最后分別將100g 制好的試樣放入高溫爐內(nèi)進(jìn)行焙燒，分加前后燃料燃燒性的測(cè)定結(jié)果如圖2-1 所示。

從圖可以看出，分加后的燃料燃燒速率較高，燃燒性較好。這是因?yàn)闆]有分加時(shí)， 一些燃料包裹在鐵礦粉中， 影響了燃料的燃燒。 分加后，固體燃料包裹在燒結(jié)料的表面，在燒結(jié)過程中燃料與空氣的接觸增加，這有助于燃料燃燒性的提高。因此燃料分加能夠明顯地提高燃料的燃燒性。

但是由于單純?nèi)剂戏旨樱蠹拥娜剂喜灰坠跓Y(jié)料顆粒上，易使焦粉堵塞燒結(jié)料層空隙，對(duì)燒結(jié)成品率、粒度組成、熱態(tài)透氣性等均有影響，垂直燒結(jié)速度有所降低。

圖 2-1 燃料分加前后的燃燒性

基于上述原因，北京科技大學(xué)燒結(jié)技術(shù)團(tuán)隊(duì)提出了將鈣質(zhì)熔劑和燃料同時(shí)分加方案，使外裹燃料更好地黏結(jié)在燒結(jié)混合料表面，同時(shí)鈣質(zhì)熔劑對(duì)焦粉燃燒有催化作用，從而可加快混合料表面的焦粉燃燒速度，使垂直燒結(jié)速度增加，燒結(jié)礦產(chǎn)量提高。另外，在堿度較高時(shí)， 鈣質(zhì)熔劑分加有利于燒結(jié)料表層生成更多的鐵酸鈣，從而有利于提高燒結(jié)成品率。因此，熔劑燃料分加燒結(jié)的燒結(jié)礦成品率和粒度組成最好，熱態(tài)透氣性較好，固體燃耗最低。

3  燃料粒度對(duì)燒結(jié)指標(biāo)的影響

燃料在燒結(jié)生產(chǎn)過程中起著重要作用，不同粒度分布的燃料對(duì)燒結(jié)礦產(chǎn)、質(zhì)量有較大的影響。粒度過大，燃燒速度慢，燃燒帶變寬， 燒結(jié)透氣性變差，垂直燒結(jié)速度下降，利用系數(shù)會(huì)降低；而且粒度大小差異較大時(shí)，易發(fā)生偏析，大顆粒集中在料層下部，容易導(dǎo)致下部料過熔；小顆粒由于燃燒速度快，在其周圍不能保持一定的高溫時(shí)間， 不利于液相的形成，會(huì)導(dǎo)致成品率降低。粒度組成的改變，還會(huì)對(duì)氧化物的再結(jié)晶、高價(jià)氧化物的還原和分解、低價(jià)氧化物的氧化,液相的生成數(shù)量、燒結(jié)礦的礦物組成以及宏觀和微觀結(jié)構(gòu)等產(chǎn)生影響，尤其對(duì)燒結(jié)礦中鐵酸鈣的生成產(chǎn)生影響，將會(huì)直接影響到燒結(jié)礦的還原性等冶金性能。

鑒于此，沙鋼鋼鐵研究院和北京科技大學(xué)等專家在保證配礦結(jié)構(gòu)不變的條件下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，主要探究燃料中不同粒級(jí)量對(duì)燒結(jié)生產(chǎn)指標(biāo)及質(zhì)量的影響。

3.1  實(shí)驗(yàn)研究方案

混勻礦于料場(chǎng)配好，其他原輔料均為現(xiàn)場(chǎng)所用，焦粉、無煙煤分別取自燃料破碎后皮帶。在保證燒結(jié)熔劑、混勻礦結(jié)構(gòu)及無煙煤、焦粉總量不變的條件下,進(jìn)行 Ø300mmX750mm 燒結(jié)杯實(shí)驗(yàn)。原始燃料粒度見表 3-1，由表的數(shù)據(jù)可看出,目前所用燃料存在過粉碎的現(xiàn)象， 即小于 1mm 的粒級(jí)過多。燒結(jié)實(shí)驗(yàn)方案見表3-2,在改變某一種粒度含量時(shí)，固定其他兩種粒度的比例。通過燒結(jié)杯實(shí)驗(yàn),研究燒結(jié)混合料中改變?nèi)剂现行∮?1mm、1~3mm 及 3~5mm 含量對(duì)燒結(jié)指標(biāo)的影響。

表3-1 原始燃料粒度分布

燒結(jié)杯實(shí)驗(yàn)的工藝參數(shù)為.• 點(diǎn)火溫度 1050°C ，點(diǎn)火時(shí)間為 2min，點(diǎn)火負(fù)壓控制在 6kPa，燒結(jié)負(fù)壓控制在13kPa。當(dāng)燒結(jié)廢氣溫度達(dá)到最高并開始下降時(shí)，燒結(jié)杯實(shí)驗(yàn)結(jié)束。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，計(jì)算垂直燒結(jié)速度、成品率和檢測(cè)轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度。

表3-2 燃料中不同粒度比例對(duì)燒結(jié)礦質(zhì)量影響實(shí)驗(yàn)方案

3. 2 結(jié)果與討論分析

3. 2. 1 燃料的燃燒性能

動(dòng)力學(xué)分析表明，燒結(jié)過程中的燃料燃燒受擴(kuò)散環(huán)節(jié)控制。燒結(jié)混合料中燃料的燃燒速度及燃燒帶的寬度與燃料顆粒的直徑、氣流的流速及透氣性有關(guān)。在燒結(jié)條件一定時(shí)，燃料粒度成為燒結(jié)過程的決定因素，關(guān)系著燒結(jié)礦的成品率和燒結(jié)利用系數(shù)。為研究不同粒度燃料的燃燒規(guī)律， 把實(shí)驗(yàn)用燃料篩分為- 1mm、1 ~3mm、 +3mm 粒級(jí)， 進(jìn)行了 STA 差熱分析， 從結(jié)果可看出，各粒度的燃料均在接近 500T 時(shí)開始燃燒，在 800T 時(shí)均燃燒完畢；粒度越小，開始燃燒溫度相對(duì)越低，燃燒速度越快；燃料粒度越大，開始燃燒溫度相對(duì)稍高,燃燒速度越慢。由于粒度的差異，會(huì)造成燒結(jié)燃燒帶溫度的橫向分布不均，影響到料層中焦粉燃燒的動(dòng)力學(xué)條件及熱力學(xué)條件，造成燒結(jié)指標(biāo)及燒結(jié)礦質(zhì)量的差異。燃料粒度大，由于燃燒速度慢，會(huì)使得燃燒帶變寬，高溫停留時(shí)間變長(zhǎng)，液相產(chǎn)生量增加，有利于礦物的黏結(jié)，但會(huì)使燒結(jié)過程透氣性變差，垂直燒結(jié)速度及利用系數(shù)降低；反之，粒度小，燃燒速度快，高溫停留時(shí)間短 ，液相反應(yīng)不完全，燒結(jié)礦強(qiáng)度變差，成品率降低，利用系數(shù)也低。

3. 2. 2 燃料中小于 1mm 比例對(duì)燒結(jié)指標(biāo)的影響

燃料中小于 1mm 比例對(duì)燒結(jié)指標(biāo)和燒結(jié)礦粒度組成的影響。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，隨著小于1mm比例由15%提高到50%， 燒結(jié)速度提高，燒結(jié)礦成品率和轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度均顯著降低；小于1mm 量從15%提高到 50%后，轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度下降了8.72%，幅度較大，同時(shí)固體燃耗升高；粒級(jí)組成中 5～10mm 比例由18.56%急劇升髙到 26.36%, 燒結(jié)礦粒級(jí)組成指標(biāo)惡化。當(dāng)小于 1mm 比例增多時(shí)，從熱力學(xué)角度分析可知，由于粒度的減小，單位體積分布的燃料增多，碳的不完全反應(yīng)增加，會(huì)造成負(fù)壓的上升，料層顆粒之間O₂ 濃度下降，使混合料層的透氣性下降，影響燒結(jié)指標(biāo)。從動(dòng)力學(xué)角度分析，由于燃料粒度越小，碳的燃燒速度越快，在抽風(fēng)負(fù)壓的作用下，碳的燃燒速度進(jìn)一步加快，燃料燃燒后的熱量難以被有效利用，燒結(jié)過程中料層高溫停留時(shí)間變短，髙溫帶變窄，燒結(jié)液相反應(yīng)不完全，造成燒結(jié)礦質(zhì)量的下降，尤其是強(qiáng)度的下降，5～10mm 粒級(jí)的增加。同時(shí)，由于-1mm 粒級(jí)的燃料容易被氣流抽走，造成燃料的浪費(fèi)，使燃耗升高。因此， 為了保證燒結(jié)礦強(qiáng)度，必須控制燃料中小于1mm 的粒級(jí)量，改善燃料的整體粒度分布。在本實(shí)驗(yàn)的條件下，燃料中小于1mm 的比例不宜超過 35%。

3.2.3 燃料中 1- 3mm 比例對(duì)燒結(jié)指標(biāo)的影響

燃料中 1- 3mm 比例對(duì)燒結(jié)指標(biāo)和燒結(jié)礦粒度組成的影響。 從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看， 隨著 1 -3mm 燃料比例的增加， 燒結(jié)速度有所變慢， 固體燃耗也降低， 燒結(jié)礦成品率和轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度均有所增加； 1 -3mm 量從 29%提高到 55%后，轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度增加了 4%， 粒級(jí)組成中 5- 10mm 比例顯著降低， 由 26. 36%降低到23. 05%, 燒結(jié)礦粒級(jí)組成得到了改善。當(dāng)燃料中 1 3mm 比例增多時(shí)， 燃料粒度分布趨于均勻， 在料層中的偏析現(xiàn)象減少， 有利于燃料的充分燃燒利用， 碳的燃燒時(shí)間加長(zhǎng)， 燒結(jié)過程氧化性氣氛增強(qiáng)， 熱能利用效果好， 能夠增加高溫保持時(shí)間， 增寬高溫帶， 為液相反應(yīng)提供足夠的時(shí)間， 也能為鐵酸鈣的生成創(chuàng)造有利條件， 有利于提高燒結(jié)礦的強(qiáng)度， 同時(shí)也有利于固體燃耗的降低。 因此， 為了保證燒結(jié)礦強(qiáng)度， 需盡量控制燃料中1- 3mm 的粒級(jí)量在較高的水平， 以提高燃料的利用率。

3. 2. 4 燃料中大于 3mm 比例對(duì)燒結(jié)指標(biāo)的影響

燃料中大于 3mm 比例對(duì)燒結(jié)指標(biāo)和燒結(jié)礦粒度組成的影響。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看， 隨著大于 3mm 比例的提高， 燒結(jié)速度提高， 燒結(jié)礦成品率和轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度均顯著降低， 固體燃耗增加； 大于 3mm 量從 5%提高到 25%后， 轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度下降了 2%， 幅度較大； 粒度組成中 5- 10mm 比例由 21. 21% 急劇升高到23.52%，燒結(jié)礦粒級(jí)組成指標(biāo)趨于惡化。

燃料中大于 3mm 的量增加,布料后由于粒度偏析，大顆粒燃料容易落到下層，其自動(dòng)蓄熱性會(huì)造成下部高溫?zé)崃扛?，形成大塊，冶金性能變差；同時(shí)，由于大顆粒量增加，而燃料整體配加量未變，也會(huì)造成中上部燃料分布更加偏析。分布及其不均，部分生礦周圍無充足液相黏結(jié)，不易礦化，影響燒結(jié)礦粒度粒度指標(biāo)惡化，而且固體燃耗升高。燒結(jié)的根本是燃料燃燒，焦粉是提供燒結(jié)燃燒所需熱量的主要原料，而且焦粉用量少但可以發(fā)揮較大作用的原料。因此要著力控制焦粉粒度分布，避免其在布料過程中造成過分偏析，影響燃料的充分利用，同時(shí)影響燒結(jié)指標(biāo)。

3. 2.5 最佳燃料粒度燒結(jié)實(shí)驗(yàn)對(duì)比

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)，確定了焦粉的合適燃料粒度為：小于 1mm 30%、1-3mm 55%、大于3mm15%。釆用此焦粉粒度分布進(jìn)行了燒結(jié)礦實(shí)驗(yàn)，由于方案S-3中焦粉粒度與原始粒度最接近，因此此處對(duì)比 S-3。同時(shí)對(duì)燒結(jié)礦進(jìn)行了礦相組成鑒定，燒結(jié)指標(biāo)結(jié)果分別如表 3-3 與表 3-4所示，  

 表 3-3 最佳燃料粒度時(shí)燒結(jié)指

表3-4燒結(jié)礦化學(xué)成分與鐵酸鈣含量

由表 3-3 結(jié)果可看出， 焦粉粒度經(jīng)過優(yōu)化后， 各項(xiàng)燒結(jié)指標(biāo)明顯優(yōu)于未經(jīng)過優(yōu)化燃料。 焦粉粒度優(yōu)化后燒結(jié)， 燒結(jié)速度放緩， 有利于提高成品率和 轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度， 減少 5 -10mm 粒級(jí)量； 同時(shí)由于優(yōu)化后焦粉粒度分布合理， 偏析現(xiàn)象減少，焦粉燃燒利用效率提高， 固體燃耗降低。

由表 3-4 結(jié)果可看出， 焦粉粒度經(jīng)過優(yōu)化后進(jìn)行燒結(jié)， 燒結(jié)礦鐵酸鈣含量比未優(yōu)化時(shí)增加，說明對(duì)燃料焦粉進(jìn)行優(yōu)化后，燃燒較為充分，燒結(jié)料層上，中、下熱量分布均勻，有效提升燒結(jié)礦顯微結(jié)構(gòu)組織形態(tài)，提高質(zhì)量。從礦相結(jié)構(gòu)對(duì)比可看出， 燃料優(yōu)化前鐵酸鈣數(shù)量相對(duì)較低，鐵酸鈣呈團(tuán)塊狀形態(tài)，局部有少量針狀鐵酸鈣，在團(tuán)塊狀鐵酸鈣周圍夾雜著硅酸鹽。燃料優(yōu)化后的燒結(jié)礦鐵酸鈣數(shù)量增多，磁鐵礦和硅酸鹽含量減少；鐵酸鈣形態(tài)由團(tuán)塊狀變?yōu)獒槧?，且鐵酸鈣相互交織，結(jié)構(gòu)致密，其間有磁鐵礦填充在鐵酸鈣之間。

4   結(jié) 論

由以上實(shí)驗(yàn)研究和分析討論，可以得出如下結(jié)論：

1) 各粒度的燃料均在接近500度時(shí)開始燃燒，粒度越小，開始燃燒溫度相對(duì)越低，燃燒速度越快；粒度越大，開始燃燒溫度相對(duì)越高，燃燒速度越慢。

2) 焦粉是提供燒結(jié)燃燒所需熱量的主要原料，且用量少，可以發(fā)揮重大作用，因此要著力控制焦粉粒度分布，避免其在布料過程中造成偏析，影響燃料的充分利用，同時(shí)影響燒結(jié)指標(biāo)。

3) 從燒結(jié)生產(chǎn)原輔料條件考慮，燃料的合理粒度應(yīng)控制在小于 1mm比例小于 30%, 1～3mm比例控制在55%左右，大于3mm比例不宜超過15%。

4) 燃料粒度優(yōu)化后，燒結(jié)礦中鐵酸鈣數(shù)量增加，磁鐵礦和硅酸鹽含量減少，針狀鐵酸鈣明顯增多，且相互交織，形成較為致密的結(jié)構(gòu)，有利于提高燒結(jié)礦的強(qiáng)度。

5) 低配碳有利于改善燒結(jié)礦的礦物相和還原性，當(dāng)配碳≤2.5%實(shí)現(xiàn)均質(zhì)燒結(jié)后， RDI+3.15同時(shí)能得到改善。超低配碳是厚料層和超厚料層燒結(jié)生產(chǎn)高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵舉措。

參考文獻(xiàn)

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《鐵礦石燒結(jié)生產(chǎn)實(shí)用技術(shù)》冶金工業(yè)出版社出版2019.8.(28-29)