焦粉粒級(jí)分布對(duì)燒結(jié)過(guò)程及燒結(jié)礦質(zhì)量的影響

劉建波，張俊杰，裴元東，管振列，周 翔，牛 兵

(江蘇中天鋼鐵集團(tuán)有限公司鐵前管理中心，江蘇常州213000)

燃料是燒結(jié)過(guò)程中用量少、作用大的輔料之一[1]。燃料粒級(jí)分布對(duì)燒結(jié)過(guò)程有重要的影響，粒度過(guò)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[2-3]；粒度過(guò)小，燃燒速度快，在其周圍不能維持一定的高溫時(shí)間，不利于液相的形成，會(huì)導(dǎo)致成品率降低[4-5]。據(jù)統(tǒng)計(jì)[6-8]，燒結(jié)工序能耗占鋼鐵企業(yè)工序能耗的10%～15%，而燒結(jié)固體燃料消耗占燒結(jié)總能耗的75%～80%。因此探究適宜的燃料以用最少的燃料獲得所需的熱量，從而獲得較好的燒結(jié)效果得到了國(guó)內(nèi)外燒結(jié)工作者的廣泛關(guān)注。歐大明等[9]研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)降低細(xì)焦粉粒級(jí)(小于0.25 mm和小于1 mm)的占比來(lái)增大焦粉的平均粒徑可明顯提高燒結(jié)速度、成品率和生產(chǎn)率。韓淑峰等[10]研究發(fā)現(xiàn)：在鞍鋼燒結(jié)配礦條件下，燒結(jié)礦獲得最大冷強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的焦粉組成為粒徑＜1 mm的占57.20%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)、≥1～＜3 mm的占25.63%、≥3～＜5 mm的占11.17%、≥5 mm的占6.00%，獲得利用系數(shù)最大對(duì)應(yīng)的焦粉組成為粒徑＜1 mm 的占47.22%、≥1～＜3 mm 的占23.10%、在≥3～＜5 mm范圍的占28.68%、≥5 mm的占1.00%。武軼等[11]研究發(fā)現(xiàn)，在馬鋼燒結(jié)配礦條件下，粒徑在0～3 mm范圍的焦粉在85%左右有利于提高燒結(jié)成品率和改善燒結(jié)礦強(qiáng)度。以上研究均是各企業(yè)在自身燒結(jié)配礦條件下的成果，由于配礦結(jié)構(gòu)不同，燃料結(jié)構(gòu)、礦石粒級(jí)、產(chǎn)地、品位等因素也不同，故不能對(duì)已有研究成果生搬硬套，有必要針對(duì)性地研究自身燃料條件下燒結(jié)的最佳燃料分布。

中天鋼鐵目前沒(méi)有焦化工序，180 m2燒結(jié)機(jī)所用固體燃料以焦粉為主，由于外購(gòu)燃料來(lái)源不唯一，造成燒結(jié)用燃料變化較大。為此，以中天鋼鐵燒結(jié)機(jī)所用燃料焦粉為原料進(jìn)行燒結(jié)杯試驗(yàn)，研究焦粉粒級(jí)分布對(duì)燒結(jié)礦燒結(jié)性能的影響，以期在保證焦粉配比結(jié)構(gòu)不變的情況下，為現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整焦粉、控制燒結(jié)參數(shù)及改進(jìn)焦粉加工工藝提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)原料為中天鋼鐵180 m2燒結(jié)機(jī)的生產(chǎn)原料，鐵礦粉為巴西混合粉、楊迪粉、PB粉、麥克粉等4種，熔劑主要為生石灰、白云石；燒結(jié)固體燃料為焦粉及高爐和燒結(jié)兩種返礦。相應(yīng)原、輔料的化學(xué)成分如表1，焦粉工業(yè)分析與組成參數(shù)指標(biāo)如表2。

表1 原、輔料化學(xué)成分，w/%Tab.1 Chemical composition of raw and auxiliary materials,w/%

表2 焦粉工業(yè)分析及其粒徑組成分析,w/%Tab.2 Analysis of coke powder industry and particle size composition analysis,w/%

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)原料組成為燒結(jié)混勻礦(含質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的高爐返礦)質(zhì)量分?jǐn)?shù)84.8%、白云石質(zhì)量分?jǐn)?shù)6.2%、生石灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)4.5%、焦粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)4.5%。將焦粉篩分為粒徑＜0.5 mm、≥0.5～＜1 mm、≥1～＜2 mm、≥2～＜3 mm、≥3 mm等5個(gè)粒級(jí)，通過(guò)改變焦粉粒級(jí)分布組成進(jìn)行燒結(jié)杯試驗(yàn)，燒結(jié)杯工藝參數(shù)如表3。

表3 燒結(jié)杯工藝參數(shù)Tab.3 Process parameters of sintering cup

試驗(yàn)方案如表4，參考中天鋼鐵180 m2燒結(jié)機(jī)燒結(jié)的生產(chǎn)方案，堿度控制在2.1左右，水分控制在7.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))左右。方案1為基準(zhǔn)方案，即為現(xiàn)場(chǎng)原始焦粉粒級(jí)的組成分布，小于1mm粒級(jí)占比多，焦粉存在過(guò)粉碎現(xiàn)象。

表4 試驗(yàn)方案Tab.4 Test scheme

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 焦粉的燃燒性能

擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)分析表明，燃料燃燒在燒結(jié)過(guò)程中主要受擴(kuò)散環(huán)節(jié)控制[12]。燃料的燃燒速度與燃燒帶的寬度、氣流流速及燃料的分布、透氣性等有關(guān)，燒結(jié)過(guò)程中燃料的燃燒速度及其燃燒率會(huì)影響燒結(jié)氣氛和能量的利用，進(jìn)而影響燃料的利用效率。在中天鋼鐵現(xiàn)有燒結(jié)條件下，焦粉粒徑分布是影響燒結(jié)過(guò)程的主要因素，為研究不同粒徑焦粉的燃燒規(guī)律，采用同步熱分析儀對(duì)粒徑＜0.5 mm、≥0.5～＜1 mm、≥1～＜2 mm、≥2～＜3 mm、≥3 mm 等5 種粒級(jí)的焦粉進(jìn)行STA差熱分析，結(jié)果如圖1。

從圖1可看出：5種粒級(jí)焦粉均在490 ℃左右時(shí)開(kāi)始燃燒，820 ℃左右燃燒完畢；隨著焦粉粒級(jí)的逐漸增大，燒結(jié)速度降低；粒徑＜1 mm的焦粉，失重更明顯，其對(duì)燒結(jié)速度的影響更大。主要原因是焦粉平均粒徑的差異會(huì)造成燒結(jié)燃燒帶溫度的橫向分布不均，影響料層中焦粉燃燒的動(dòng)力學(xué)條件及熱力學(xué)條件。焦粉粒度大，燃燒速度變慢，焦粉高溫停留時(shí)間長(zhǎng)，燃燒帶整體變寬，透氣性變差，液相生成量增加；焦粉粒度小，燃燒速度快，提供熱量不足，焦粉高溫停留時(shí)間變短，液相生成量不足。

2.2 焦粉粒級(jí)分布對(duì)燒結(jié)速度的影響

焦粉燃燒性能的分析結(jié)果表明，焦粉粒徑的增加會(huì)導(dǎo)致燒結(jié)速度的降低，粒徑＜1 mm的焦粉對(duì)燒結(jié)速度的影響最大。故文中研究粒徑＜1 mm 的焦粉對(duì)燒結(jié)速度的影響，同時(shí)研究焦粉綜合平均粒徑對(duì)燒結(jié)速度的影響，試驗(yàn)結(jié)果分別如圖2，3。

由圖2 可見(jiàn)，粒徑＜1 mm 焦粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由20%增加到56%，燒結(jié)速度增加3.95 mm/min。因?yàn)闊Y(jié)過(guò)程中小粒級(jí)焦粉使用量大，燃燒快、停留時(shí)間短，致使燒結(jié)速度呈明顯上升趨勢(shì)。由圖3可知，隨著焦粉平均粒徑由1.72 mm 增加到2.31 mm，燒結(jié)速度呈明顯下降趨勢(shì)。平均粒徑的增加預(yù)示著大顆粒相對(duì)較多，焦粉燃燒時(shí)間變長(zhǎng)，高溫停留時(shí)間延長(zhǎng)，導(dǎo)致燒結(jié)速度下降。

進(jìn)一步分析圖2 可知，方案4 的燒結(jié)速度低于方案6。對(duì)比方案4，6 可知，方案6 中粒徑＜1 mm的焦粉占比低于方案4，且方案4 中粒徑＜0.5 mm的焦粉占比為0，粒徑均≥0.5～＜1 mm。故相比于方案6，方案4中焦粉粒級(jí)較大，燃燒速度相對(duì)慢，高溫停留時(shí)間相對(duì)更長(zhǎng)，燒結(jié)速度相對(duì)低。由此表明，在粒徑＜1 mm的焦粉占比一定時(shí)，控制≥0.5～＜1 mm的焦粉占比可適當(dāng)控制燒結(jié)速度，降低＜0.5 mm的焦粉占比可有效控制燃燒速度。

進(jìn)一步分析圖3可知，方案1與方案5中焦粉平均粒徑相同，但其燒結(jié)速度差異較大。方案5 中，粒徑＜0.5 mm 焦粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比方案1 低17%，粒徑≥1～＜3 mm的焦粉比方案1高11%。相較于方案1，方案5大顆粒的粒徑較多，隨著大顆粒焦粉的增加，燃燒帶變寬，垂直燒結(jié)速度降低。

圖1 不同粒級(jí)焦粉的差熱分析Fig.1 Differential thermal analysis of different particle size coke powders

圖2 粒徑小于1 mm的焦粉占比對(duì)燒結(jié)速度的影響Fig.2 Effect of proportion of coke powder with particle size less than 1 mm on sintering speed

圖3 焦粉平均粒徑對(duì)燒結(jié)速率的影響Fig.3 Effect of average particle size of coke powder on sintering rate

2.3 焦粉粒級(jí)分布對(duì)燒結(jié)轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度、燃耗、成品率的影響

焦粉粒級(jí)分布對(duì)燒結(jié)轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度、燃耗、成品率的影響如圖4。由圖4可知：隨著粒徑≥1～＜3 mm焦粉占比的增加，燒結(jié)轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度呈總體上升的趨勢(shì)，在其質(zhì)量分?jǐn)?shù)25%左右時(shí)燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度最低，只有59.47%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高到46%時(shí)燒結(jié)轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度逐漸增加至62.4%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高到61%時(shí)轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度沒(méi)有出現(xiàn)持續(xù)增加；成品率隨著粒徑≥1～＜3 mm焦粉占比的增加呈先增后降的趨勢(shì)，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為46%時(shí)燒結(jié)成品率最高，達(dá)到80%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高到61%，成品率有所下降；燃耗隨著粒徑≥1～＜3 mm焦粉占比的增加呈先降后升的趨勢(shì)，在其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為46%時(shí)燃料比最優(yōu)，降低到50.33 kg/t，質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)一步提高，燃耗大幅度惡化到54.76 kg/t。

出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是：隨著粒徑≥1～＜3 mm焦粉占比的提高，粒徑＞1 mm的焦粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)占到80%，整體平均粒徑達(dá)到2.34 mm，焦粉燃燒速度慢，燃燒帶變寬，燒結(jié)過(guò)程透氣性變差，垂直燒結(jié)速度降低，燒結(jié)利用系數(shù)降低。但燃燒帶過(guò)寬致使針狀鐵酸鈣含量降低，燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度也會(huì)變差，成品率下降，燃耗增加；同時(shí)，僅增加粒徑小的焦粉含量，不提高燃料配加量難以促進(jìn)正常燒結(jié)，致使燃耗大大提高，因此在燒結(jié)過(guò)程中應(yīng)當(dāng)適當(dāng)降低粒徑小的焦粉含量。本試驗(yàn)條件下，控制粒徑≥1～＜3 mm 的焦粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)在30%～50%、＜0.5 mm的在20%左右、≥0.5～＜1 mm的在20%～25%范圍時(shí)，燒結(jié)燃耗、轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度、成品率最優(yōu)。

焦粉平均粒徑對(duì)燒結(jié)轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度、燃耗、成品率的影響如圖5。由圖5 可看出，轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度、成品率隨著焦粉平均粒徑的增加呈總體先增后降的趨勢(shì)，燃耗呈現(xiàn)下降后上升的趨勢(shì)。主要原因?yàn)椋盒×＜?jí)焦粉燃燒速度過(guò)快，加快燒結(jié)速度，燃燒的熱量難以被有效利用，燒結(jié)過(guò)程中料層高溫停留時(shí)間變短，料層中的氧化氣氛被抑制，不利于燒結(jié)液相生成，造成燒結(jié)礦質(zhì)量下降；增加大粒級(jí)焦粉含量，在整體燃料配比保持不變的情況下，焦粉分布不均，部分區(qū)域焦粉配加不足，液相生成能力不足，導(dǎo)致燒結(jié)轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度、燃耗、成品率惡化。本試驗(yàn)條件下，焦粉平均粒徑控制在1.9～2.2 mm之間，燒結(jié)各項(xiàng)指標(biāo)處于最優(yōu)范圍。

2.4 焦粉粒級(jí)分布對(duì)燒結(jié)礦粒級(jí)分布的影響

焦粉平均粒徑對(duì)燒結(jié)礦粒級(jí)分布的影響如表5。由表5可知，當(dāng)焦粉平均粒徑為1.72 mm，小粒徑焦粉含量增加，燒結(jié)礦的粒級(jí)分布中返礦率上升，粒徑＜5 mm燒結(jié)礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到22.92%，整體偏低，≥5～＜10 mm的粒級(jí)也偏高，質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到15.93%。主要原因?yàn)樾×浇狗酆慷?，燃燒速度快，高溫停留時(shí)間短，液相反應(yīng)進(jìn)行不完全，燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度變差，成品率降低。但當(dāng)焦粉平均粒徑偏大，為2.31 mm時(shí)，大顆粒焦粉足夠多時(shí)，燒結(jié)礦粒級(jí)分布不合理，返礦率大幅上升，粒徑＜5 mm燒結(jié)礦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到22.09%，粒徑40 mm燒結(jié)礦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到12.90%，粒徑≥10～＜40 mm燒結(jié)礦總體質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅占48.93%。主要原因是焦粉粒徑過(guò)大，燃燒速度慢，部分區(qū)域燃燒帶變寬，高溫停留時(shí)間變長(zhǎng)，燒結(jié)過(guò)程透氣性變差，垂直燒結(jié)速度降低，并出現(xiàn)過(guò)燒現(xiàn)象；同時(shí)焦粉分布不均，部分區(qū)域焦粉配加不足，液相生成能力不足，共同導(dǎo)致燒結(jié)礦粒級(jí)分布不合理。燒結(jié)礦粒級(jí)分布再次表明，試驗(yàn)條件下，焦粉平均粒徑控制在1.9～2.2 mm之間，有利于燒結(jié)礦粒級(jí)合理分布。

圖4 粒徑≥1～＜3 mm級(jí)焦粉占比對(duì)燒結(jié)指標(biāo)的影響Fig.4 Effect of proportion of coke powder with particle size≥1～＜3 mm of coke powder on sintering index

圖5 焦粉平均粒徑對(duì)燒結(jié)指標(biāo)的影響Fig.5 Effect of average particle size of coke powder on sintering index

表5 焦粉平均粒徑對(duì)燒結(jié)礦粒級(jí)分布的影響Tab.5 Influence of average particle size of coke powder on size distribution of sinter

3 結(jié) 論

1)粒徑＜0.5 mm、≥0.5～＜1 mm、≥1～＜2 mm、≥2～＜3 mm、≥3 mm等5個(gè)粒級(jí)的焦粉均在490 ℃左右時(shí)開(kāi)始燃燒，在820 ℃左右燃燒完畢，隨著焦粉粒徑的逐漸增大，燒結(jié)速度降低。

2)在中天鋼鐵當(dāng)前燒結(jié)的原、輔料條件下，控制粒徑＜0.5 mm的焦粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)在20%左右、≥0.5～＜1 mm的在20%～25%、≥1～＜3 mm的在35%～50%、≥3 mm的在20%以內(nèi)，燒結(jié)燃耗、轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度、成品率等燒結(jié)指標(biāo)最優(yōu)，有利于燒結(jié)穩(wěn)產(chǎn)順產(chǎn)。

3)本試驗(yàn)條件下，控制焦粉平均粒徑在1.9～2.2 mm之間，燒結(jié)燃耗、轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度、成品率及燒結(jié)礦粒級(jí)分布指標(biāo)較好。