超厚料層燒結(jié)條件下熔劑結(jié)構(gòu)優(yōu)化實(shí)踐

李 軍，張士軍，康 健，董冠求，牛樂(lè)樂(lè)

（1.天津天鋼聯(lián)合特鋼有限公司，天津301500；2.北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院，北京100083）

0 引言

在燒結(jié)生產(chǎn)工藝過(guò)程中，將燒結(jié)所用的各種含鐵原料、熔劑以及燃料等按照適量配比進(jìn)行配料是不可或缺的一道工序。它是根據(jù)各燒結(jié)原料的儲(chǔ)備量、消耗量，以及燒結(jié)生產(chǎn)對(duì)燒結(jié)礦產(chǎn)質(zhì)量指標(biāo)的需求，與此同時(shí)，也要考慮燒結(jié)礦成本，以此來(lái)進(jìn)行燒結(jié)配料工序。這一工序?qū)Y(jié)礦產(chǎn)量、質(zhì)量有著重要的意義，它所產(chǎn)出燒結(jié)礦的物理性質(zhì)以及化學(xué)成分的穩(wěn)定與否對(duì)高爐生產(chǎn)產(chǎn)生直接影響。因此，燒結(jié)配料工序在整個(gè)鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中起到?jīng)Q定性作用[1]。

在含鐵原料燒結(jié)過(guò)程中，為得到符合高爐要求的一定條件的燒結(jié)礦，如適合的堿度和鎂含量等，必須在原料中配加如生石灰、石灰石以及白云石等一定量的熔劑[2]。這些含鐵原料與配加熔劑在燒結(jié)特定的環(huán)境下會(huì)發(fā)生一系列非常復(fù)雜的物理和化學(xué)反應(yīng)。熔劑結(jié)構(gòu)的不同都會(huì)對(duì)燒結(jié)礦的質(zhì)量產(chǎn)生直接影響，包括燒結(jié)礦各項(xiàng)性能指標(biāo)，如燒結(jié)礦強(qiáng)度、還原性和低溫還原粉化率、混勻料粒級(jí)分布以及燒結(jié)機(jī)的利用系數(shù)等。其中，燒結(jié)礦性能指標(biāo)將直接關(guān)系到高爐冶煉的穩(wěn)定順行，從而對(duì)生鐵產(chǎn)量及煉鐵成本產(chǎn)生影響[3]。另一方面，熔劑配料會(huì)直接影響到燒結(jié)礦的成分，如堿度等指標(biāo)，這些指標(biāo)又關(guān)系到熔劑消耗和燃料消耗，直接影響燒結(jié)礦的生產(chǎn)成本。當(dāng)下，在我國(guó)高爐爐料結(jié)構(gòu)中燒結(jié)礦配比達(dá)到70%以上的情況下，生產(chǎn)燒結(jié)礦的成本與高爐生產(chǎn)鐵水的成本有直接關(guān)系。因此，熔劑結(jié)構(gòu)對(duì)煉鐵工藝，尤其是燒結(jié)工序有非常顯著的影響。

1 生產(chǎn)現(xiàn)狀

天鋼聯(lián)合特鋼現(xiàn)有燒結(jié)機(jī)2 臺(tái)，于2011 年投產(chǎn)，總面積460 m2，年產(chǎn)燒結(jié)礦能力580 萬(wàn)t。2 臺(tái)燒結(jié)機(jī)的料層厚度均達(dá)到1 000 mm，能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定生產(chǎn)，天鋼聯(lián)合特鋼煉鐵廠采取了一系列措施，來(lái)保證在超厚料層燒結(jié)條件下滿足當(dāng)前的生產(chǎn)需求，其中包括設(shè)備改造，加熱水混料以及通入蒸汽預(yù)熱料溫等。在此基礎(chǔ)上，煉鐵廠燒結(jié)工序還在熔劑結(jié)構(gòu)上加以優(yōu)化，提高熔劑質(zhì)量，采用高活性全生石灰作熔劑，所使用的套筒窯白灰合格率為93%。不僅保證了燒結(jié)過(guò)程所需要的溫度條件，也降低了該過(guò)程中的熔劑用量，使燒結(jié)礦的產(chǎn)質(zhì)量得到了提升。

冶金石灰高活性度很高，天鋼聯(lián)合特鋼目前使用的生石灰粉和冶金石灰均為外購(gòu)石灰，生石灰粉粒度在0~3 mm，冶金石灰是塊狀石灰，粒度在10~80 mm，經(jīng)破碎至0~3 mm 粒徑占比90%以上后供燒結(jié)使用，自產(chǎn)灰也是破碎至0~3 mm 粒徑占比90%以上后供燒結(jié)使用。

2 熔劑的成分對(duì)含鐵原料燒結(jié)特性的影響

高爐對(duì)燒結(jié)礦的入爐品位要求越來(lái)越高，石灰屬于燒結(jié)礦生產(chǎn)過(guò)程中的一種燒結(jié)強(qiáng)化劑，作為熔劑結(jié)構(gòu)中必不可少的一部分，被煉鐵工作者進(jìn)行廣泛研究。當(dāng)石灰在混合料中與水接觸消化時(shí)，會(huì)放出大量的熱，透過(guò)燒結(jié)料層提高料層溫度，減小過(guò)濕層，從而改善燒結(jié)料層透氣性。這一過(guò)程中會(huì)生成具有凝聚作用的消石灰膠體顆粒，促進(jìn)混合料制粒，提高了混勻料的制粒效果，也增大了燒結(jié)制粒準(zhǔn)顆粒的強(qiáng)度，改善了燒結(jié)料層熱態(tài)透氣性，為煉鐵工藝中超厚料層燒結(jié)打下了基礎(chǔ)[4]。在燒結(jié)生產(chǎn)過(guò)程中，鐵礦粉與生石灰會(huì)發(fā)生反應(yīng)，生成鐵酸鈣液相，這種液相的流動(dòng)性會(huì)直接影響到粘結(jié)相質(zhì)量，從而對(duì)燒結(jié)礦的產(chǎn)量和質(zhì)量產(chǎn)生影響。

在熔劑中配加生石灰相比于石灰石的優(yōu)勢(shì)主要是強(qiáng)化制粒和提升料溫[5]，其中高活性生石灰作用最為明顯。而活性石灰是燒結(jié)生產(chǎn)中所需要的熔劑中重要的輔助原料之一，具有粒度分布與造渣能力好、反應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)。鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程和生鐵質(zhì)量的好壞與石灰質(zhì)量有直接關(guān)系[6]?；钚远仁窃u(píng)價(jià)活性石灰質(zhì)量非常重要的指標(biāo)。

在石灰中，氧化鈣分為兩種形態(tài)存在，分別是游離氧化鈣和結(jié)合氧化鈣，形式如圖1 所示[7]。其中游離氧化鈣又分為活性氧化鈣和非活性氧化鈣，活性游離氧化鈣含量的多少?zèng)Q定了石灰活性的高低。在一般消化條件下，非活性氧化鈣雖然不能直接與水反應(yīng)，但是在研磨到一定的小粒度后，也是有可能轉(zhuǎn)化為活性氧化鈣的。而在這種條件下，另一部分游離氧化鈣是可以與水發(fā)生反應(yīng)的，這就是活性氧化鈣。因此簡(jiǎn)單來(lái)講，石灰的反應(yīng)能力，從根本上可以從看作是所有游離氧化鈣中活性氧化鈣所占的比例。

圖1 石灰中氧化鈣存在的形式

表1 為目前天鋼聯(lián)合特鋼燒結(jié)機(jī)所用的冶金石灰成分表?？梢钥闯?，不僅活性度很高，而且CaO含量高，屬優(yōu)質(zhì)燒結(jié)用熔劑。

表1 天鋼聯(lián)合特鋼燒結(jié)機(jī)用冶金石灰成分

表2、表3 和表4 分別為天鋼聯(lián)合特鋼2 臺(tái)燒結(jié)機(jī)2017 年、2018 年和2019 上半年的熔劑結(jié)構(gòu)。2017年與2018 年熔劑結(jié)構(gòu)差別不大，冶金石灰使用比例，生石灰粉使用比例下降了。2019 年與2018 年相比，白云石使用比例降低，生石灰粉和冶金石灰比例提高，而且2019 年已棄用石灰石粉。通過(guò)每噸燒結(jié)礦所消耗的各物料質(zhì)量情況可以得出，2017 年熔劑單耗133.9 kg/t；2018 年熔劑單耗146.8 kg/t；2019 年熔劑單耗72.9 kg/t，2019 年熔劑單耗大幅下降。

在冶金過(guò)程中，石灰作為熔劑會(huì)與熔渣接觸，它與其它物質(zhì)的反應(yīng)能力也可以稱之為石灰的活性，用石灰在熔渣中的反應(yīng)速度，也可以說(shuō)熔化速度來(lái)表示。通常采用直接測(cè)定石灰在熔渣中的熔化速度來(lái)評(píng)價(jià)石灰與其它物質(zhì)的反應(yīng)能力，但是由于對(duì)測(cè)定方法的要求較高，很難實(shí)現(xiàn)，因此通常用石灰與水的反應(yīng)速度來(lái)表示石灰的活性。石灰質(zhì)量可以用石灰的水活性表示，這已經(jīng)通過(guò)大量的試驗(yàn)得到了驗(yàn)證，而石灰與水的反應(yīng)能力也能夠理想地反映石灰在混勻料中與其他物質(zhì)的反應(yīng)能力。

表2 天鋼聯(lián)合特鋼燒結(jié)機(jī)2017 年熔劑結(jié)構(gòu)

表3 天鋼聯(lián)合特鋼燒結(jié)機(jī)2018 年熔劑結(jié)構(gòu)

表4 天鋼聯(lián)合特鋼燒結(jié)機(jī)2019 年上半年熔劑結(jié)構(gòu)

3 各項(xiàng)典型指標(biāo)分析

天鋼聯(lián)合特鋼燒結(jié)機(jī)熔劑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化主要包括這幾個(gè)方面：減少了熔劑單耗，即每噸燒結(jié)礦成品所消耗的熔劑質(zhì)量；提高了高活性生石灰的配比；簡(jiǎn)化了熔劑結(jié)構(gòu)，目前熔劑主要組成是生石灰、冶金石灰與鎂石小粒。其中冶金石灰CaO 含量高、雜質(zhì)少，屬優(yōu)質(zhì)熔劑原料。由上文的熔劑結(jié)構(gòu)表中可以發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)變化時(shí)鎂石小粒仍然保證一定配比。這是因?yàn)椴还苁呛畏N熔劑，都是CaO 與MgO 含量的多少對(duì)燒結(jié)的各種特性起主要作用[8]。燒結(jié)礦的堿度一般用CaO/SiO2計(jì)算，在燒結(jié)料中控制一定的SiO2含量，作為主要物質(zhì)的CaO 含量多少會(huì)直接影響堿度的大小，而燒結(jié)礦的堿度對(duì)燒結(jié)礦成品的礦物組成和結(jié)構(gòu)起決定作用[9]。

高活性石灰消化速度快，能在一次混合滾筒中2 min 混合時(shí)間內(nèi)消化較為完全，避免燒結(jié)礦出現(xiàn)較多未礦化的熔劑（白點(diǎn)），影響燒結(jié)礦強(qiáng)度，同時(shí)也利于生成更多的液相[10]。高活性石灰的加入，會(huì)在燒結(jié)生產(chǎn)過(guò)程中與混勻料中配加的水反應(yīng)放熱，熱量隨高溫廢氣穿透整個(gè)燒結(jié)料層，減小了過(guò)濕帶的范圍。其作用大小可以通過(guò)混合料混勻后得到的準(zhǔn)顆粒粒級(jí)分布來(lái)反映。由圖2 中可以看出，混合料的小球粒級(jí)分布中，優(yōu)化熔劑結(jié)構(gòu)后大于1 mm 的制粒小球比例增加，因此高活性石灰燒結(jié)過(guò)程成球有促進(jìn)作用。

圖2 混合料中小球粒級(jí)比較

圖3 中對(duì)比了天鋼聯(lián)合特鋼2 臺(tái)燒結(jié)機(jī)優(yōu)化熔劑結(jié)構(gòu)前后的利用系數(shù)。2017 年與2018 年熔劑結(jié)構(gòu)差別不大，這兩年的燒結(jié)機(jī)利用系數(shù)也幾乎相等。2019 年熔劑結(jié)構(gòu)發(fā)生變化后，燒結(jié)機(jī)利用系數(shù)增長(zhǎng)明顯。

圖3 利用系數(shù)對(duì)比

天鋼聯(lián)合特鋼產(chǎn)出燒結(jié)礦的堿度提高了約5%，這是因?yàn)樘岣吡烁呋钚允冶壤螅欣谏设F酸鈣礦物，燒結(jié)礦強(qiáng)度有了一定提升。堿度是影響燒結(jié)礦礦相組成和質(zhì)量的重要因素。當(dāng)堿度高時(shí)，表示熔體中CaO 含量高，當(dāng)燒結(jié)反應(yīng)的升溫速度與各物相之間反應(yīng)速度相同時(shí)，生成更多的低熔點(diǎn)化合物。當(dāng)降溫冷卻時(shí)，鐵酸鈣液相能快速地以針狀或板狀結(jié)晶，這種燒結(jié)礦強(qiáng)度最好[11]。2019 年上半年相較于2018 年全年燒結(jié)礦成品的CaO 含量也由11.07%增加到了11.30%。總之，提高燒結(jié)礦堿度有利于低熔點(diǎn)的鐵酸鈣礦物生成，而鐵酸鈣液相在燒結(jié)過(guò)程中生成的液相中所得到燒結(jié)礦相強(qiáng)度最好，使強(qiáng)度得到了提高。

4 結(jié)論

燒結(jié)熔劑結(jié)構(gòu)中提高高活性生石灰配比，對(duì)于超厚料層燒結(jié)生產(chǎn)起到有利作用，天鋼聯(lián)合特鋼在基于高活性生石灰的配比優(yōu)化熔劑結(jié)構(gòu)后，使燒結(jié)混勻料制粒效果得到了改善。在實(shí)行超厚料層燒結(jié)后，燒結(jié)機(jī)利用系數(shù)由原來(lái)的1.6 t/m2·h-1左右提高到平均1.87 t/m2·h-1，燒結(jié)礦成品堿度也得到一定提高，保證了燒結(jié)生產(chǎn)穩(wěn)定順行。