鐵礦石燒結(jié)焦粉粒度組成最佳化研究

周明順，韓淑峰

(1.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧鞍山114009；2.鞍鋼股份有限公司煉鐵總廠，遼寧鞍山114021)

專家論壇

鐵礦石燒結(jié)焦粉粒度組成最佳化研究

周明順1，韓淑峰2

(1.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧鞍山114009；2.鞍鋼股份有限公司煉鐵總廠，遼寧鞍山114021)

不同的固體燃料粒度導(dǎo)致炭粒燃燒速度發(fā)生變化，會(huì)直接影響鐵礦石燒結(jié)的礦化過(guò)程。在實(shí)驗(yàn)室條件下，運(yùn)用“混料回歸試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法”的“單形格子設(shè)計(jì)”，采用燒結(jié)杯實(shí)驗(yàn)及燒結(jié)礦物結(jié)構(gòu)分析方法，得到了不同焦粉粒度與鐵礦燒結(jié)重要指標(biāo)間的定量關(guān)系，并就優(yōu)化后的燃料粒度對(duì)燒結(jié)礦冷強(qiáng)度及生產(chǎn)率指標(biāo)改善的效果進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，通過(guò)優(yōu)化焦粉粒度組成（＜1 mm、1～3 mm、3～5 mm、＞5 mm），可滿足燒結(jié)生產(chǎn)對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)的側(cè)重要求，對(duì)降低燒結(jié)固體燃耗，提高燒結(jié)礦產(chǎn)質(zhì)量具有指導(dǎo)意義。

燒結(jié)；焦粉粒度；轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度；礦物結(jié)構(gòu)；冶金性能

鐵礦石燒結(jié)過(guò)程是一個(gè)氧化還原兼有的復(fù)雜過(guò)程，固體燃料的燃燒在這個(gè)過(guò)程中提供了主要的反應(yīng)動(dòng)力，了解燃料的反應(yīng)過(guò)程，就成為解決燒結(jié)中一系列問(wèn)題的關(guān)鍵。大量研究表明[1-2]，燃料的配加量、粒度組成和燃燒性質(zhì)直接影響燒結(jié)料層的溫度與熱量分布，燃燒帶的厚度以及料層的透氣性，燒結(jié)氣氛等各個(gè)方面，當(dāng)燃料的種類、配加量固定時(shí)，燃料粒度的大小就成為燒結(jié)過(guò)程的決定性因素。單一顆粒燃料粒度的研究，已多有報(bào)道[3]，但在實(shí)際燒結(jié)過(guò)程中，燃料并不是單獨(dú)存在的。許多研究認(rèn)為［4-5］，以粗顆粒形式存在的固體燃料，被鐵礦石和石灰石附著時(shí)，會(huì)降低燒結(jié)時(shí)的著火溫度，加快其燃燒速率；以細(xì)顆粒存在的固體燃料則不會(huì)發(fā)生變化；而以復(fù)合顆粒存在的固體燃料，尤其是與石灰石黏附在一起的，通常反應(yīng)性會(huì)更加活躍。可見，無(wú)論燃料在混合料中以什么形態(tài)存在，其對(duì)燒結(jié)的影響都非常重要。若粒度過(guò)大，燃燒速度慢，燃燒帶變寬，燒結(jié)最高溫度降低，燒結(jié)過(guò)程透氣性變差，垂直燒結(jié)速度和利用系數(shù)下降；反之，粒度過(guò)小，燃燒速度快，液相反應(yīng)進(jìn)行得不完全，燒結(jié)礦強(qiáng)度變差，成品率和利用系數(shù)也下降。所以,為了更好地研究燃料的不同粒度在燒結(jié)過(guò)程中所起的作用，探索出可以指導(dǎo)燒結(jié)燃料處理的方案，本文在鞍鋼燒結(jié)原料的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了焦粉粒度的優(yōu)化研究。

1　原料條件及實(shí)驗(yàn)方案

1.1原料條件

本實(shí)驗(yàn)所用原料均取自鞍鋼股份有限公司煉鐵總廠。燒結(jié)原燃料成分見表1所示，鐵礦石的粒度分布見表2。試驗(yàn)之前先把焦粉破碎，焦粉的粒度分布見表3，不同粒級(jí)焦粉的工業(yè)分析見表4所示。

表1　燒結(jié)原燃料成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）　%

表2　鐵礦石的粒度分布（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）　%

表3　焦粉的粒度分布（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）　%

表4　不同粒級(jí)焦粉的工業(yè)分析

燒結(jié)杯實(shí)驗(yàn)參數(shù)參照、模擬鞍鋼股份有限公司煉鐵總廠燒結(jié)生產(chǎn)的實(shí)際情況制定，燒結(jié)杯實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表5所示。

表5　燒結(jié)杯實(shí)驗(yàn)參數(shù)

1.2實(shí)驗(yàn)方案

采用最優(yōu)化理論與方法的 “混料回歸的設(shè)計(jì)方法”，進(jìn)行焦粉粒度的定量研究，試驗(yàn)水平編碼及方案見表6。

表6　試驗(yàn)水平編碼及方案

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

在以上實(shí)驗(yàn)原料及參數(shù)條件下，燒結(jié)使用單一粒度和復(fù)合粒度燃料的燒結(jié)杯實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

對(duì)于單一粒度級(jí)焦粉（No.1～4），焦粉粒度由-1 mm增加到+5 mm時(shí)，幾乎所有的燒結(jié)指標(biāo)都變差。例如，燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度由60.48%降低至38.28%，利用系數(shù)由1.52 t/（m2·h）降低至0.62 t/（m2·h），固體燃耗由56.75 kg/t增加至97.76 kg/t，成品率由62.48%降低至36.48%，垂直燒結(jié)速度由22.58 mm/min降低至16.33 mm/min，10～40 mm粒級(jí)的燒結(jié)礦比例由57.33%降低至23.98%，表明不同燃料粒級(jí)對(duì)燒結(jié)反應(yīng)過(guò)程有很大影響。

對(duì)于復(fù)合粒度級(jí)焦粉（No.6～10），不同粒級(jí)焦粉混合后對(duì)燒結(jié)指標(biāo)具有不同影響。例如，在-1 mm粒級(jí)與其它粒級(jí)混合使用效果中：當(dāng)-1 mm與1～3 mm混合時(shí)，燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度最高，但燒結(jié)杯利用系數(shù)最低，對(duì)固體燃耗和成品率沒(méi)有明顯影響；在1～3 mm粒級(jí)與其它粒級(jí)混合使用效果中，No.2，No.8，No.9的平均粒度大于No.1，No.6，No.7粒度，前者的燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度低于后者，但是前者的燒結(jié)杯利用系數(shù)高于后者；通常較粗的燃料粒度不利于提高燒結(jié)礦強(qiáng)度，但粗顆粒與細(xì)顆粒焦粉混合使用可以得到較好的效果，因此，No.10燒結(jié)礦的轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度和燒結(jié)杯利用系數(shù)大于No.4燒結(jié)礦。No.10和No.4燒結(jié)礦的轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度分別為42.65%和38.28%，燒結(jié)杯利用系數(shù)分別為0.74 t/（m2·h）和0.62 t/（m2·h）。

由以上燒結(jié)杯實(shí)驗(yàn)可知，不同的焦粉粒級(jí)對(duì)不同的燒結(jié)指標(biāo)具有不同的影響。-1 mm和+5 mm焦粉粒級(jí)分別為最細(xì)和最粗的粒級(jí)，其燒結(jié)指標(biāo)都不是最好的。因此，不同粒級(jí)的焦粉應(yīng)當(dāng)根據(jù)不同的指標(biāo)要求來(lái)進(jìn)行科學(xué)合理的搭配優(yōu)化。

表7　燒結(jié)杯實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3　焦粉粒度的優(yōu)化研究

3.1優(yōu)化方法

采用最優(yōu)化理論與方法，針對(duì)某個(gè)燒結(jié)指標(biāo)優(yōu)化出最佳的焦粉粒級(jí)配比，并通過(guò)燒結(jié)杯實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

根據(jù)最優(yōu)化理論的“單形格子法”，燒結(jié)指標(biāo)與焦粉粒級(jí)的數(shù)學(xué)關(guān)系可以用式（1）表示。

式中，Ym為燒結(jié)指標(biāo)（如轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度、燒結(jié)杯利用系數(shù)等）表示焦粉粒度；為各粒級(jí)的系數(shù)，其中≠

本實(shí)驗(yàn)條件下，No.1～10的燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度數(shù)值如表7所示，將這些數(shù)值帶入式（2）～（11）即可得到系數(shù)和（如表8所示），然后，將和帶入式（1），即得到轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度計(jì)算關(guān)系式（12）。

同樣，通過(guò)No.1～10的燒結(jié)利用系數(shù)的數(shù)值也可得到不同粒級(jí)配比時(shí)燒結(jié)利用系數(shù)的計(jì)算關(guān)系式（13）。

表8　不同燒結(jié)指標(biāo)的a值

針對(duì)轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度和利用系數(shù)關(guān)系式，采用步長(zhǎng)加速法對(duì)式（12）和式（13）求解［6-7］，即可得到針對(duì)燒結(jié)礦最大轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度或最大燒結(jié)利用系數(shù)時(shí)各焦粉粒級(jí)的比例。優(yōu)化前后焦粉粒度組成見表9所示。

表9　優(yōu)化前后焦粉粒度組成　%

3.2優(yōu)化驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證式（12）和式（13）計(jì)算結(jié)果的可靠性，即優(yōu)化焦粉粒度后的燒結(jié)礦強(qiáng)度或利用系數(shù)是否高于目前鞍鋼現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際焦粉所燒出的燒結(jié)礦，進(jìn)行了3組驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，即現(xiàn)場(chǎng)焦粉粒級(jí)、對(duì)應(yīng)最大轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度的焦粉粒級(jí)、對(duì)應(yīng)最大利用系數(shù)的焦粉粒級(jí)3種條件下的燒結(jié)杯實(shí)驗(yàn)。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表10。

表10　驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表10可見，針對(duì)最大轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度進(jìn)行焦粉粒度優(yōu)化后，燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度提高1.5個(gè)百分點(diǎn)，成品率提高1.7個(gè)百分點(diǎn)，10～40 mm的合理粒級(jí)燒結(jié)礦的比例提高2.1個(gè)百分點(diǎn)，固體燃料消耗降低0.6 kg/t，利用系數(shù)無(wú)明顯變化；針對(duì)最大利用系數(shù)進(jìn)行焦粉粒度優(yōu)化后，利用系數(shù)提高0.1 t/（m2·h），垂直燒結(jié)速度提高0.7 mm/min，成品率提高0.4個(gè)百分點(diǎn)，轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度和燒結(jié)礦粒度組成沒(méi)有發(fā)生明顯變化?？梢姡剑?2）和式（13）的計(jì)算結(jié)果有助于提高燒結(jié)礦強(qiáng)度或利用系數(shù)。

3.3礦物分析

燒結(jié)過(guò)程中形成液相粘結(jié)相，該液相在冷卻過(guò)程中將未熔的含鐵礦物粘結(jié)在一起，從而形成礦物分布不均勻的燒結(jié)礦?？梢?，礦物結(jié)構(gòu)的分析有助于了解燒結(jié)過(guò)程中的物理化學(xué)變化，從而解明燒結(jié)礦冶金性能變化的原因。因此，本文對(duì)現(xiàn)場(chǎng)燒結(jié)礦和最大轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度燒結(jié)礦的礦物結(jié)構(gòu)進(jìn)行了機(jī)理分析，燒結(jié)礦的礦物結(jié)構(gòu)見圖1（a）～（b）。

圖1所示的是兩種燒結(jié)礦的主體結(jié)構(gòu)，H點(diǎn)所代表的灰白色部分為赤鐵礦，M點(diǎn)所代表的白色部分為骸晶狀的磁鐵礦，深灰色部分（Point B和Point D）為針狀復(fù)合鐵酸鈣SFCA?？梢?，兩種燒結(jié)礦的主體礦物結(jié)構(gòu)類似，含鐵礦物主要為赤鐵礦和磁鐵礦，被針狀鐵酸鈣粘結(jié)而成，玻璃相較少。

以上兩種燒結(jié)礦礦物結(jié)構(gòu)的區(qū)別主要在于微孔分布，燒結(jié)礦的微孔分布見圖2。

由圖2可見，與優(yōu)化后的最大強(qiáng)度燒結(jié)礦相比較，實(shí)際燒結(jié)礦的微孔尺寸分布較寬，即包括一

些較大的孔隙也包括一些較小的孔隙。其原因是優(yōu)化前焦粉1～3 mm粒級(jí)占的比例較大，該粒級(jí)焦粉即不易于作為核顆粒，也不易于粘附在核顆粒周圍，從而導(dǎo)致燃料在燒結(jié)料中的不均勻分布，這種不均勻分布在燒結(jié)過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致燒結(jié)礦內(nèi)部孔隙的不均勻（有較多大孔和小孔），通常這種結(jié)構(gòu)的燒結(jié)礦強(qiáng)度較差。因此，優(yōu)化后的最高強(qiáng)度燒結(jié)礦內(nèi)部孔隙比較均勻，是提高其強(qiáng)度的原因所在。

4　結(jié)論

（1）在鞍鋼燒結(jié)配礦條件下，獲得燒結(jié)礦最大轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度時(shí)，合理的焦粉粒度應(yīng)為-1 mm粒級(jí)為57.20%，1～3 mm粒級(jí)為25.63%，3～5 mm粒級(jí)為11.17%，+5 mm粒級(jí)為6.00%，該條件下，燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度提高約1.5個(gè)百分點(diǎn)，成品率提高約1.7個(gè)百分點(diǎn)；獲得最大燒結(jié)利用系數(shù)時(shí)，合理的焦粉粒度應(yīng)為-1 mm粒級(jí)為47.22%，1～3 mm粒級(jí)為23.1%，3～5 mm粒級(jí)為28.68%，+5 mm粒級(jí)為1.0%，該條件下，燒結(jié)利用系數(shù)提高約0.1t/（m2h），垂直燒結(jié)速度提高約0.7 mm/min，成品率提高約0.4個(gè)百分點(diǎn)。對(duì)應(yīng)其它燒結(jié)指標(biāo)最優(yōu)的焦粉粒度組成也可計(jì)算獲得。

（2）當(dāng)轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度最大時(shí)，燒結(jié)礦的低溫還原粉化指標(biāo)得到改善，還原性能也有所提高。優(yōu)化焦粉粒度組成后獲得的燒結(jié)礦礦相結(jié)構(gòu)更趨合理。

（3）生產(chǎn)中，可根據(jù)對(duì)燒結(jié)礦產(chǎn)質(zhì)量的側(cè)重要求來(lái)調(diào)整焦粉粒度組成，若能符合或接近實(shí)驗(yàn)得出的燃料粒度組成范圍，將有助于提高燒結(jié)礦產(chǎn)質(zhì)量指標(biāo)和降低工序能耗。

［1］馮根生，吳勝利，趙佐軍.改善厚料層燒結(jié)熱態(tài)透氣性的研究［J］.燒結(jié)球團(tuán)，2011，36（1）:1-5.

［2］吳勝利.提高厚料層燒結(jié)燃料燃燒性的試驗(yàn)研究 ［J］.鋼鐵，2010，45（11）:16-21.

［3］Nakagawa Terushige,Nakano Masanori,Nakagawa Terushige.顆粒結(jié)構(gòu)對(duì)焦粉燃燒性能的影響［J］.世界鋼鐵，2012（1）：1-5.

［4］歐大明.焦粉粒度對(duì)鐵礦石燒結(jié)過(guò)程的影響 ［J］.鋼鐵，2008，43（10）：8-12.

［5］P.Hou,S.Choi,E.Choi.Improved distribution of fuel particles in iron ore sintering process［J］.Ironmaking and Steelmaking 2011,38（5）：379-385.

［6］錢頌迪.運(yùn)籌學(xué)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005.

［7］陳寶林.最優(yōu)化理論與算法 ［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1989.

（編輯 賀英群）

Study on Optimization of Particle-size Composition of Coke Breeze for Sintering Iron Ore

Zhou Mingshun1,Han Shufeng2
（1.Iron&Steel Institutes of Ansteel Group Corporation,Anshan 114009,Liaoning,China; 2.General Ironmaking Plant of Angang Steel Co.,Ltd.,Anshan 114021,Liaoning,China）

The different particle sizes of solid fuels make the changes of carbon particle combustion rate,so it can effect the mineralization of iron ore sintering directly.The quantitative relation between the different coke breeze particle size and the important indexes of the iron ore sintering was obtained in laboratory by using the simplex-lattice design of the mixture regression design method based on the sinter pot tests and analysis method of sintering mineral structure,and then the improved effect of optimized fuel particle size on the cold intensity and productivity idexes of sintering ore were vertified.The results show that changing and optimizing the proportion of different coke breeze particle sizes（＜1 mm，1～3 mm，3～5 mm，＞5 mm）can satisfy the need of sintering prodution indexes.It has important significance to reduce the solid fuel consumption and improve yield and quality of sinter.

sintering;coke breeze particle size;drum strength;mineral structure;metallurgical property

TQ134

A

1006-4613（2015）03-0001-05

周明順，工學(xué)博士，教授級(jí)高工,鞍山鋼鐵集團(tuán)公司一級(jí)專家。

E-mail:angangzms@163.com

2015-04-20