水鋼燒結(jié)工藝參數(shù)優(yōu)化的試驗(yàn)研究

楊大兵，江 劍，顧尚軍，敖萬(wàn)忠，許 光

（1.武漢科技大學(xué)冶金礦產(chǎn)資源高效利用與造塊湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢，430081；2.首鋼水城鋼鐵（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，貴州 六盤(pán)水，553028）

燒結(jié)工序能耗在噸鋼綜合能耗中約占10%，是鋼鐵生產(chǎn)的第二耗能大戶，僅次于高爐煉鐵，其中固體燃料消耗又占燒結(jié)工序能耗的75%～80%［1］。原料性質(zhì)、工藝流程、燒結(jié)過(guò)程和后續(xù)處理的不穩(wěn)定與不成熟等因素，都會(huì)導(dǎo)致燒結(jié)生產(chǎn)燃料消耗大、電耗高、燒結(jié)成品礦質(zhì)量低等問(wèn)題［2－3］。實(shí)際生產(chǎn)中可采取提高配碳和 SiO2／CaO比以加速局部還原反應(yīng)、加強(qiáng)制粒、提高料層透氣性等措施來(lái)改善燒結(jié)礦的質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本［4］。本溪鋼鐵（集團(tuán)）有限責(zé)任公司采取厚料層燒結(jié)、強(qiáng)化燒結(jié)制粒、燃料分加、生石灰加熱水消化并增加一道生石灰加水系統(tǒng)、配加高爐灰和煉鋼塵泥、熱風(fēng)燒結(jié)等一系列措施優(yōu)化燒結(jié)環(huán)境，使燒結(jié)工序能耗和生產(chǎn)成本不斷降低，燒結(jié)礦質(zhì)量得到改善［5］。濟(jì)南鋼鐵集團(tuán)公司燒結(jié)廠進(jìn)行了配加不同比例的輕燒白云石以替代生石灰的燒結(jié)試驗(yàn)，結(jié)果表明，與不配加輕燒白云石的燒結(jié)礦相比，配加40%輕燒白云石所得燒結(jié)礦的多項(xiàng)性能指標(biāo)得到提高［6］。

首鋼水城鋼鐵（集團(tuán)）有限責(zé)任公司（以下簡(jiǎn)稱水鋼）結(jié)合現(xiàn)有生產(chǎn)條件與原礦樣的特點(diǎn)，擬通過(guò)改變生產(chǎn)原料的結(jié)構(gòu)配比以達(dá)到合理利用二次資源、改善燒結(jié)礦質(zhì)量、降低生產(chǎn)能耗的目的。本文主要研究除塵灰添加量、燃料用量、燃料粒度組成以及原料溫度對(duì)水鋼燒結(jié)礦質(zhì)量的影響，采用單因素試驗(yàn)法確定各因素的最佳取值，以期為水鋼的燒結(jié)生產(chǎn)提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原料

主要原料及其化學(xué)成分如表1所示。所用燃料為煤粉和焦粉，其成分分析結(jié)果如表2所示。部分原料的粒度組成和堆積密度如表3所示。

表1 原料的化學(xué)成分Table1 Chemical compositions of raw materials

表2 燃料的工業(yè)分析結(jié)果Table2 Proximate analysis of fuels

表3 原料的粒度組成和堆積密度Table3 Grain composition and bulk density of raw materials

1.2 試驗(yàn)方法

將原料按一定比例經(jīng)過(guò)人工和混合機(jī)兩次混合后，測(cè)其水分和粒度。然后將混合料裝入燒結(jié)杯中，在1050℃下點(diǎn)火2min，控制點(diǎn)火負(fù)壓和燒結(jié)負(fù)壓分別為6.6kPa和9kPa。達(dá)到燒結(jié)終點(diǎn)的燒結(jié)礦依次經(jīng)過(guò)單輥破碎、4次落下和多層篩分。采用ISO轉(zhuǎn)鼓指數(shù)、成品率、落下強(qiáng)度和FeO含量等指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)燒結(jié)礦的質(zhì)量。

2 結(jié)果與討論

2.1 除塵灰添加量對(duì)燒結(jié)礦質(zhì)量的影響

原料中混勻料占56%、高爐返礦占7%、內(nèi)返礦占21%、煤粉和焦粉各占2.5%、石灰石占4%、生石灰占3%、白云石占4%。除塵灰添加量分別為原料總量的0、1%、2%和3%時(shí)所制燒結(jié)礦的各項(xiàng)指標(biāo)如圖1和圖2所示。

由圖1和圖2可見(jiàn)，隨著除塵灰添加量的增加，燒結(jié)礦的轉(zhuǎn)鼓指數(shù)、成品率和落下強(qiáng)度均先增后減，F(xiàn)eO含量則比較穩(wěn)定。當(dāng)除塵灰添加量為2%時(shí)，燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓指數(shù)、成品率和落下強(qiáng)度均達(dá)到 極大值，分別為70.83%、86.88%和67.68%，F(xiàn)eO含量為7.13%。

圖1 除塵灰添加量對(duì)燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓指數(shù)和FeO含量的影響Fig.1 Effect of dust content on drum index and FeO content of sinter

圖2 除塵灰添加量對(duì)燒結(jié)礦成品率和落下強(qiáng)度的影響Fig.2 Effect of dust content on yield and shatter strength of sinter

這是因?yàn)槌龎m灰粒度小、比表面積大，能增強(qiáng)原料的制粒效果，改善燒結(jié)料的粒度組成，從而增加燒結(jié)料的透氣性，強(qiáng)化燒結(jié)過(guò)程，提高燒結(jié)礦的產(chǎn)量和質(zhì)量。但除塵灰添加過(guò)量，混合料中造好的小球在燒結(jié)過(guò)程中會(huì)發(fā)生爆裂，產(chǎn)生較多的碎料，反而會(huì)影響料層的透氣性，進(jìn)而惡化燒結(jié)過(guò)程和燒結(jié)礦的質(zhì)量。除塵灰少量添加有利于資源再利用，過(guò)量添加則會(huì)嚴(yán)重影響燒結(jié)礦質(zhì)量，故選擇除塵灰添加量為2%。

2.2 燃料用量對(duì)燒結(jié)礦質(zhì)量的影響

原料中混勻料占58%、除塵灰占2%、高爐返礦占7%、內(nèi)返礦占22%、石灰石占4%、生石灰占3%、白云石占4%。燃料配加量分別為原料總量的6%、5%、4.5%、4.2%和4%時(shí)所制燒結(jié)礦的各項(xiàng)指標(biāo)如圖3和圖4所示。

圖3 燃料用量對(duì)燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓指數(shù)和FeO含量的影響Fig.3 Effect of fuel consumption on drum index and FeO content of sinter

圖4 燃料用量對(duì)燒結(jié)礦成品率和落下強(qiáng)度的影響Fig.4 Effect of fuel consumption on yield and shatter strength of sinter

由圖3和圖4可見(jiàn)，隨著燃料用量的增加，燒結(jié)礦的轉(zhuǎn)鼓指數(shù)、成品率和落下強(qiáng)度均先增后減，F(xiàn)eO含量則開(kāi)始比較穩(wěn)定，燃料含量超過(guò)5%時(shí)其迅速增大。當(dāng)燃料用量為5%時(shí)，燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓指數(shù)、成品率和落下強(qiáng)度均達(dá)到極大值，分別為71.23%、88.83%和70.04%，F(xiàn)eO含量為7.91%。

燃料用量會(huì)影響垂直燒結(jié)速度，從而影響燒結(jié)礦的產(chǎn)量。燃料用量過(guò)少，達(dá)不到必要的燒結(jié)溫度，燒結(jié)過(guò)程進(jìn)行不完全，反應(yīng)不充分，燒結(jié)礦強(qiáng)度下降；燃料用量過(guò)多，燃燒層溫度高，液相過(guò)多，當(dāng)料層較厚時(shí)，透氣性差，料層下部燒不透。綜合考慮燒結(jié)能耗降低和燒結(jié)礦質(zhì)量提高，確定合適的燃料用量為5%。優(yōu)化后的燃料用量小于原有燃料用量（5.6%）。

2.3 原料溫度對(duì)燒結(jié)礦質(zhì)量的影響

原料配比與2.2節(jié)中的相同，燃料用量為5%。混勻后分別加熱到20、40、50、60、70℃，然后進(jìn)行燒結(jié)試驗(yàn)。所制燒結(jié)礦的各項(xiàng)指標(biāo)如圖5和圖6所示。

由圖5和圖6可見(jiàn)，隨著原料溫度的升高，燒結(jié)礦的轉(zhuǎn)鼓指數(shù)、成品率和落下強(qiáng)度均先增后減，F(xiàn)eO含量則略微增加。當(dāng)原料溫度為60℃時(shí)，燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓指數(shù)、成品率和落下強(qiáng)度均達(dá)到極大值，分別為69.18%、85.66%和69.16%，F(xiàn)eO 含量為7.5%。

圖5 原料溫度對(duì)燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓指數(shù)和FeO含量的影響Fig.5 Effect of raw material temperature on drum index and FeO content of sinter

圖6 原料溫度對(duì)燒結(jié)礦成品率和落下強(qiáng)度的影響Fig.6 Effect of raw material temperature on yield and shatter strength of sinter

進(jìn)入燒結(jié)的原料起始溫度在一定程度上影響干燥速度。起始溫度高，干燥速度快，對(duì)燒結(jié)有利，不僅可以提高燒結(jié)礦的質(zhì)量，還可以節(jié)省碳耗。但起點(diǎn)溫度過(guò)高時(shí)，水分蒸發(fā)速度快于其擴(kuò)散速度，會(huì)導(dǎo)致部分球粒碎裂，造成料層透氣性下降。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，選擇原料溫度為60℃較為合適。

2.4 燃料粒度對(duì)燒結(jié)礦質(zhì)量的影響

原料配比與2.2節(jié)中的相同，燃料用量為5%。將燃料中粒度小于3mm的顆粒所占比例p分別控制在80%、83%、88%、92%、95%，原料混勻加熱到60℃后進(jìn)行燒結(jié)試驗(yàn)。所制燒結(jié)礦的各項(xiàng)指標(biāo)如圖7和圖8所示。

圖7 燃料粒度對(duì)燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓指數(shù)和FeO含量的影響Fig.7 Effect of fuel particle size on drum index and FeO content of sinter

圖8 燃料粒度對(duì)燒結(jié)礦成品率和落下強(qiáng)度的影響Fig.8 Effect of fuel particle size on yield and shatter strength of sinter

由圖7和圖8可見(jiàn)，隨著燃料中粒度小于3 mm顆粒所占比例的增加，燒結(jié)礦的轉(zhuǎn)鼓指數(shù)、成品率和落下強(qiáng)度均先增后減，F(xiàn)eO含量變化不大。當(dāng)燃料中粒度小于3mm的顆粒所占比例為88%時(shí)，燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓指數(shù)、成品率和落下強(qiáng)度均達(dá)到極大值，分別為76.07%、85.66%和72.18%，F(xiàn)eO含量為7.23%。

燃料粒度過(guò)小時(shí)，燃燒速度快，高溫時(shí)間短，燒結(jié)礦強(qiáng)度差。燃料粒度過(guò)小還會(huì)使料層透氣性變差，燒結(jié)礦產(chǎn)量低。燃料粒度較大（＞3mm）時(shí)，燃燒時(shí)間延長(zhǎng)，燃燒速度降低，燃燒層變厚，也會(huì)使料層透氣性變差。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，燃料中粒度小于3mm顆粒所占比例為88%時(shí)較為合適。

3 結(jié)論

（1）通過(guò)單因素試驗(yàn)法得出的最佳工藝參數(shù)是：除塵灰添加量為2%，燃料用量為5%、燃料中粒度小于3mm的顆粒所占比例為88%，原料溫度為60℃。

（2）在優(yōu)化工藝條件下，所制燒結(jié)礦質(zhì)量較好，其落下強(qiáng)度為72.18%，轉(zhuǎn)鼓指數(shù)為76.07%，F(xiàn)eO含量為7.23%，成品率為85.66%。

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