鞍鋼鲅魚(yú)圈厚料層燒結(jié)燃料和混合料分布特征研究與應(yīng)用

馬賢國(guó) ，劉杰 ，王小強(qiáng) ，顏慶雙 ，藤雪亮 ，張輝 ，徐禮兵

（1.鞍鋼股份有限公司鲅魚(yú)圈鋼鐵分公司，遼寧 營(yíng)口 115007；2.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山114009）

鞍鋼股份有限公司鲅魚(yú)圈鋼鐵分公司煉鐵部（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“鲅魚(yú)圈煉鐵部”）于2008年開(kāi)工生產(chǎn)，有兩臺(tái)405 m2燒結(jié)機(jī)，一臺(tái)200萬(wàn)t鏈篦機(jī)回轉(zhuǎn)窯，兩座4038 m3的大型高爐。鲅魚(yú)圈煉鐵部燒結(jié)立足沿海區(qū)位優(yōu)勢(shì)［1］，為了降低燃耗、穩(wěn)定產(chǎn)質(zhì)量、減少污染排放，長(zhǎng)期實(shí)行850～900 mm的厚料層燒結(jié)。近期，在鐵礦原料質(zhì)量未出現(xiàn)明顯變化的情況下，燒結(jié)礦質(zhì)量指標(biāo)出現(xiàn)了明顯下滑，燃耗升高，熱態(tài)冶金性能變差。為了掌握燒結(jié)機(jī)厚料層下混合料的分布狀態(tài)，以及分布狀態(tài)對(duì)燒結(jié)礦產(chǎn)質(zhì)量的影響，開(kāi)展了燒結(jié)固體燃料賦存狀態(tài)、混合料粒度和堿度分布等基礎(chǔ)性研究，為工業(yè)生產(chǎn)調(diào)整提供了技術(shù)依據(jù)，并提出了相應(yīng)改進(jìn)措施，解決了存在的問(wèn)題。

1 燒結(jié)固體燃料賦存狀態(tài)的研究

1.1 燃料粒度級(jí)別分布

隨著燒結(jié)料層厚度的提高，燃料粒度的偏析和分布對(duì)料層燃燒過(guò)程的影響越來(lái)越大。鲅魚(yú)圈煉鐵部燒結(jié)采用全粉礦，固體燃料主要為焦粉和煤粉，常規(guī)生產(chǎn)焦煤比約為2:1。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)采樣，并對(duì)焦粉和煤粉進(jìn)行篩分，得到典型燃料粒度級(jí)別分布，具體如表1所示。

由表1可以看出，焦粉和煤粉的粒度均呈“啞鈴”型分布，均有＞8 mm的超大顆粒存在，焦粉1～5 mm粒級(jí)占比為52.72%，煤粉 1～5 mm粒級(jí)占比僅為37.69%，兩者的平均粒徑在2.0～2.5 mm之間，＜3 mm的粒度分別為67.76%和76.51%，均未達(dá)到工藝規(guī)程中＜3 mm燃料粒度要求80%以上的指標(biāo)紅線?？梢?jiàn)，固體燃料粒度過(guò)粗，粒級(jí)組成也不合理。

表1 典型燃料粒度級(jí)別分布Table 1 Typical Particle Size Class of Fuels

1.2 混合料粒度級(jí)別分布

對(duì)入臺(tái)車(chē)混合料進(jìn)行取樣分析，得到典型混合料粒度級(jí)別分布，具體如表2所示。

表2 典型混合料粒度級(jí)別分布Table 2 Typical Particle Size Class of Mixtures

由表2可以看出，燒結(jié)混合料的水分控制在8.00%，燒結(jié)混合料中＞3 mm粒級(jí)占比為60.41%，平均粒徑為4.29 mm，滿足生產(chǎn)要求，但混合料中＞8 mm粒級(jí)占比偏高，3～5 mm占比偏低，如果沒(méi)有適宜的燃料匹配，透過(guò)燒結(jié)料層的風(fēng)量和風(fēng)速都會(huì)顯著提高，造成燃燒速度和傳熱速度不匹配，使液相量減少，粗顆粒不足以熔化和被包裹，降低燒結(jié)礦的成品率和強(qiáng)度。

1.3 固體燃料賦存狀態(tài)

通過(guò)對(duì)鲅魚(yú)圈燒結(jié)混合料的構(gòu)成進(jìn)行解剖分析，發(fā)現(xiàn)固體燃料的賦存狀態(tài)主要有四種：① 作為混合料的核顆粒；②作為混合料的粘附部分；③與熔劑和鐵料等混合形成的小球；④少數(shù)單獨(dú)存在的大顆粒燃料（＞8 mm，煤粉居多）。由于第④種燃料存在形式既不是小球核心，也不是粘附部分，為了便于分析，以下數(shù)據(jù)不包含此種存在形式。不同粒度級(jí)別混合料中粘附粉比例和含碳量如表3所示，不同粒度級(jí)別混合料中核顆粒比例和含碳量如表4所示。

表3 不同粒度級(jí)別混合料中粘附粉比例和含碳量Table 3 Proportion of Adhesive Powder and Content of Carbon in Mixtures with Different Classes of Particle Sizes%

由表3可以看出，混合料中各粒度級(jí)別粘附粉的比例差別較大，1～8 mm粒度級(jí)別粘附粉比例為30.71%～34.66%，＜1 mm粒度級(jí)別 100%為粘附粉。其中1～3 mm粒度級(jí)別粘附粉比例最低，分析原因認(rèn)為，其形態(tài)分布皆為熔劑和鐵料、燃料等形成的聚合顆粒，因此無(wú)明顯的粘附粉形態(tài)。各粒度粘附粉中的含碳量也有較大差別，其中5～8 mm粒度級(jí)別粘附粉含碳量最低，1～3 mm的含碳量最高，這與偏析布料要達(dá)到的效果基本一致。

由表4可以看出，混合料中各核心顆粒比例比較接近，分布均勻。由于1～3 mm中有部分聚合顆粒，在此默認(rèn)均為核顆粒，＜1 mm粒度級(jí)別中無(wú)核顆粒存在?？梢?jiàn)，固體燃料因粒度粗，作為核顆粒在各粒級(jí)中分布相對(duì)均勻，含量在0.68%～1.37%范圍。

由于鲅魚(yú)圈煉鐵部鐵礦石本身粒度粗，足以保證燃燒過(guò)程中的透氣性，當(dāng)燃料大量作為核顆粒時(shí)［2］，一方面會(huì)阻礙燃料與氧氣的接觸，使成品燒結(jié)礦中殘?zhí)剂吭黾?，另一方面?huì)延長(zhǎng)燃料的燃燒時(shí)間，加寬燒結(jié)的燃燒帶厚度，降低料層透氣性，使碳的燃燒效率降低；而當(dāng)燃料大量的以過(guò)細(xì)的粘附粉（＜0.5 mm）存在時(shí)，燃料會(huì)被高負(fù)壓風(fēng)抽走，導(dǎo)致燃燒帶的最高溫度低，燒結(jié)高溫時(shí)間短；當(dāng)燃料作為超大顆粒單獨(dú)存在時(shí)，與周?chē)F料接觸性差，燃燒時(shí)還原性氣氛增強(qiáng)，且大多數(shù)為無(wú)效燃燒。因此，燃料粒度的控制對(duì)鲅魚(yú)圈煉鐵部燒結(jié)生產(chǎn)非常重要，應(yīng)適當(dāng)提高細(xì)顆粒（0.5～3 mm）的燃料粒度比例，盡量減少大于8 mm的比例［3］，促進(jìn)燃料的燃燒和熱量的分布。

2 厚料層燒結(jié)料層結(jié)構(gòu)研究

為了考察900 mm厚料層下混合料層布料結(jié)構(gòu)，為工業(yè)改造提供基礎(chǔ)依據(jù)，在正常生產(chǎn)條件下，將一臺(tái)不點(diǎn)火并布滿混合料的臺(tái)車(chē)（寬5 m）提出，對(duì)臺(tái)車(chē)不同位置的燒結(jié)混合料進(jìn)行取料分析，實(shí)際取樣臺(tái)車(chē)如圖1所示。

圖1 實(shí)際取樣臺(tái)車(chē)Fig.1 Actual Sampling Trolley

2.1 混合料粒徑、含碳量分析

在燒結(jié)臺(tái)車(chē)高度方向（垂直由上至下方向），通過(guò)實(shí)際測(cè)量，鋪底料平均厚度為100 mm，而表層0～100 mm樣品經(jīng)過(guò)已關(guān)閉的點(diǎn)火器時(shí)，被余熱烘干，且在臺(tái)車(chē)調(diào)取過(guò)程中，表層混合料出現(xiàn)滑料，部分位置表層混合料缺失，因此，料層實(shí)際能完整取得的高度為100～800 mm，為了保證對(duì)比的精準(zhǔn)性，分為7段，每隔100 mm為一個(gè)取樣段。將臺(tái)車(chē)寬度方向（水平由西向東方向）分為6段，每隔1 m為一個(gè)取樣段（寬度在100～150 mm）。料層高度方向混合料平均粒徑和固定碳含量如表5所示，料層水平方向混合料平均粒徑和固定碳含量如圖2所示。

表5 料層高度方向混合料平均粒徑和固定碳含量Table 5 Average Particle Size and Content of Fixed Carbon in Mixtures in Direction of Bed Height

由表5可以看出，隨著料層從燒結(jié)表面到料層底部，混合料平均粒徑呈增大趨勢(shì)，但在300～600 mm高度位置范圍內(nèi)基本無(wú)偏析效果，可見(jiàn)目前的布料方式存在較大缺陷，會(huì)影響燒結(jié)料層的透氣性。另外，表面100 mm處與底層800 mm處混合料平均粒徑差值達(dá)到2.25 mm,說(shuō)明混合料顆粒過(guò)粗，會(huì)嚴(yán)重影響液相產(chǎn)生量，降低燒結(jié)礦的成品率和強(qiáng)度［4］?；旌狭掀骄潭ㄌ己吭?00～500 mm范圍內(nèi)最低，在200～300 mm時(shí)最高，燃料分布無(wú)規(guī)律性。初步分析認(rèn)為，燒結(jié)水分控制標(biāo)準(zhǔn)過(guò)高，有混合料粘結(jié)聚大團(tuán)現(xiàn)象；同時(shí)，布料九輥傾角過(guò)大，制約了九輥的布料偏析作用。

圖2 料層水平方向混合料平均粒徑和固定碳含量Fig.2 Average Particle Size and Content of Fixed Carbon in Mixtures in Horizontal Direction

由圖2可以看出，燒結(jié)機(jī)臺(tái)車(chē)西側(cè)和東側(cè)混合料粒度極不均衡，兩側(cè)擋板處粒度最大，平均粒徑達(dá)到5.34～5.38 mm，靠近臺(tái)車(chē)中間位置粒度逐漸變小。距西側(cè)擋板1～3 m混合料粒度最小，與兩側(cè)擋板差值達(dá)到1 mm以上，整體呈“U型”分布?？梢?jiàn)，東西布料不均勻，邊緣處漏風(fēng)嚴(yán)重，且臺(tái)車(chē)中間透氣性差，易造成燒結(jié)燃燒帶不均勻。不同料層水平方向取樣位置的固定碳含量呈“波浪型”分布，在臺(tái)車(chē)中心區(qū)域含碳量最低，與擋板處差值約為1.4個(gè)百分點(diǎn)?？梢?jiàn)，燃料分布不合理，會(huì)造成燒結(jié)機(jī)機(jī)尾過(guò)燒或欠燒［5-6］，紅火層呈“花臉”狀，如圖 3所示。初步分析認(rèn)為，燒結(jié)機(jī)布料礦槽兩邊壓力不一致，兩邊存料粒度不均勻，臺(tái)車(chē)兩側(cè)漏風(fēng)嚴(yán)重。

圖3 機(jī)尾紅火層變化Fig.3 Changes in Red Fire Layer at Tail of Sintering Machine

2.2 混合料堿度分析

料層高度、水平方向混合料堿度分別如圖4、圖5所示。

圖4 料層高度方向混合料堿度Fig.4 Alkalinity of Mixtures in Direction of Bed Height

由圖4可以看出，在料層高度方向100～700 mm范圍內(nèi)混合料的平均堿度基本在2.0左右；但在底料以上100 mm范圍內(nèi)，堿度急劇下降，僅為1.68。結(jié)合前文分析，鲅魚(yú)圈煉鐵部用鐵礦石粒度過(guò)粗，底料以上100 mm范圍內(nèi)混合料多數(shù)以粗顆粒礦石單獨(dú)存在，顆粒外裹熔劑特別少，導(dǎo)致這部分混合料礦化效果差，液相少，粘結(jié)部分強(qiáng)度差。

圖5 料層水平方向混合料堿度Fig.5 Alkalinity of Mixtures in Horizontal Direction

由圖5可以看出，在水平方向，東西兩側(cè)擋板處堿度最低，這與兩側(cè)混合料粒度粗，大顆粒單獨(dú)礦石占比大相一致；西側(cè)擋板1～3 m處堿度最高，這與該部分粒度最細(xì)，熔劑和燃料多相一致。但兩側(cè)的堿度低、粒度粗會(huì)嚴(yán)重影響燒結(jié)礦的產(chǎn)量和質(zhì)量［7］。

3 改進(jìn)措施及實(shí)施效果

3.1 改進(jìn)措施

為了解決以上料層高度和水平方向偏析不合理、布料不均勻、燃料粒度差大等影響燒結(jié)生產(chǎn)的問(wèn)題，鲅魚(yú)圈煉鐵部采取了工藝改進(jìn)措施。

（1）合理調(diào)整礦槽布料小車(chē)的移動(dòng)距離和停留時(shí)間，控制料槽中的料面形狀由不對(duì)稱(chēng)的“凸型”向微“凹型”轉(zhuǎn)變，加重礦槽邊緣的混合料，使粗粒度級(jí)別顆粒向礦槽中間滾動(dòng)，降低礦槽中間部位的料位壓力，引導(dǎo)臺(tái)車(chē)的布料形式“遺傳”礦槽的料面形式，從而實(shí)現(xiàn)臺(tái)車(chē)料面的平整均勻，改善臺(tái)車(chē)中間混合料的透氣性，降低擋板兩側(cè)的混合料粒度。

（2）采用降低料門(mén)、提高泥輥轉(zhuǎn)速控制方式控制給料速率，提升九輥布料機(jī)粒度偏析效能，均衡臺(tái)車(chē)中部料層的透氣性。

（3）通過(guò)增加預(yù)篩分工藝，減少燃料過(guò)粉碎。采用四輥破碎機(jī)破碎焦粉、錘式破碎機(jī)破碎煤粉等方式，降低燃料中的粗顆粒比例，＞5 mm的比例控制在5%以下，＜3 mm的比例控制在80%以上，以滿足工藝規(guī)程的要求，匹配混合料的粒度，實(shí)現(xiàn)各燃料粒度在混合料中的合理分配，達(dá)到料層中熱量的梯階分布，發(fā)揮900 mm厚料層 “自動(dòng)蓄熱”低溫?zé)Y(jié)的優(yōu)勢(shì)。

（4）采取嚴(yán)格控制混合料水分、中間平料和邊緣壓料相結(jié)合的布料方式，控制點(diǎn)火強(qiáng)度，平實(shí)料層，抑制邊緣效應(yīng)等措施，提高燒結(jié)成品率，降低固體燃料燃耗。

3.2 實(shí)施效果

采取上述改進(jìn)措施后，燃料的粒度級(jí)別分布如表6所示，料層高度、水平方向混合料平均粒徑和固定碳含量分別如圖6、圖7所示，改進(jìn)前后燒結(jié)指標(biāo)對(duì)比情況如表7所示。

表6 改進(jìn)后燃料粒度級(jí)別分布Table 6 Particle Size Class of Fuels after Improvement

由表6可以看出，燃料中的粗顆粒比例顯著降低，＞5 mm的比例均在5%以下，＜3 mm的比例達(dá)到了80%以上，能夠滿足工藝規(guī)程要求。

圖6 改進(jìn)后料層高度方向混合料平均粒徑和固定碳含量Fig.6 Average Particle Size of Mixtures and Content of Fixed Carbon in Mixtures in Direction of Bed Height after Improvement

圖7 改進(jìn)后料層水平方向混合料平均粒徑和固定碳含量Fig.7 Average Particle Size of Mixtures and Content of FixedCarbon in Mixtures in Horizontal Direction after Improvement

由圖6可以看出，綜合優(yōu)化后，料層高度方向混合料布料偏析明顯改善，平均粒徑呈線性變化，從臺(tái)車(chē)表層到底層，平均固定碳含量也呈線性下降，與粒徑變化的相關(guān)性加強(qiáng)，能夠起到厚料層燒結(jié)的效果，但鲅魚(yú)圈煉鐵部燒結(jié)用鐵礦粒度仍較粗，粒徑最大差值仍在2 mm以上。

由圖7可以看出，在料層水平方向，粒徑變化達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期，混合料粒徑由優(yōu)化前的兩側(cè)粗、中間細(xì)，變成了中間略粗、兩端均勻的形式，平均固定碳含量也趨向均勻，最高與最低值相差僅0.74個(gè)百分點(diǎn)，使料層燃燒時(shí)能夠保持各帶的連貫、均勻下移。

表7 改進(jìn)前后燒結(jié)指標(biāo)對(duì)比Table 7 Comparison of Sintering Indexes before and after Improvement

由表7可以看出，通過(guò)采取各項(xiàng)技術(shù)措施，燒結(jié)機(jī)指標(biāo)顯著提高，與改進(jìn)前相比，燒結(jié)礦成品率提高了3.4個(gè)百分點(diǎn)，燃料消耗下降了5.54 kg/t,高爐返礦率下降了0.7個(gè)百分點(diǎn)，轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度提高了0.5個(gè)百分點(diǎn)，篩分指數(shù)下降了0.3個(gè)百分點(diǎn)，主抽電流下降了33 A，直接降低生產(chǎn)成本1 500多萬(wàn)元，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

4 結(jié)語(yǔ)

鞍鋼股份有限公司鲅魚(yú)圈鋼鐵分公司煉鐵部通過(guò)進(jìn)行燒結(jié)固體燃料賦存狀態(tài)、厚料層燒結(jié)料層結(jié)構(gòu)研究，針對(duì)混合料料層高度和水平方向偏析不合理、布料不均勻、燃料粒度差大等影響燒結(jié)生產(chǎn)的問(wèn)題，提出采取優(yōu)化燃料粒度、改變布料槽布料形式等改進(jìn)措施。改進(jìn)后，燃料中＜3 mm粒徑比例高于80%，符合工藝規(guī)程要求；布料偏析效果加強(qiáng)，兩側(cè)布料均勻，固體燃料的分布與粒徑的變化相匹配。同時(shí)，燒結(jié)礦成品率提高了3.4個(gè)百分點(diǎn)，燃料消耗下降了5.54 kg/t,高爐返礦率下降了0.7個(gè)百分點(diǎn)，轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度提高了0.5個(gè)百分點(diǎn)，篩分指數(shù)下降了0.3個(gè)百分點(diǎn)，主抽電流下降了33 A，直接降低生產(chǎn)成本1 500多萬(wàn)元，燒結(jié)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)顯著提高。