基于凌鋼燒結(jié)原燃料優(yōu)化配礦研究

馬曉勇，張建良，張寶付，王桂林，王耀祖，劉征建

（1.凌源鋼鐵股份有限公司,遼寧122500;2.北京科技大學(xué)，冶金與生態(tài)工程學(xué)院，北京100083；3.北京科技大學(xué)，人工智能研究院，北京100083）

0 引言

隨著近幾年鐵礦石價格的波動，如何通過優(yōu)化燒結(jié)配礦實現(xiàn)低成本煉鐵和提高燒結(jié)礦質(zhì)量成為各鋼鐵企業(yè)的研究重點，因此業(yè)內(nèi)專家對不同配礦下燒結(jié)礦的性能進行了大量和廣泛的研究[1-4]。 王峰等人研究表明，尋找鐵礦粉基礎(chǔ)性能與燒結(jié)產(chǎn)量和質(zhì)量的耦合聯(lián)系，是實現(xiàn)鋼鐵企業(yè)優(yōu)化配礦的關(guān)鍵因素[5]。 王喆等人通過燒結(jié)杯實驗，探討了不同高溫基礎(chǔ)特性的鐵礦粉對燒結(jié)礦產(chǎn)量和冶金性能的影響[6]。 邯鋼基于鐵礦粉的基礎(chǔ)物性，依據(jù)高溫特性互補原理，通燒結(jié)杯實驗為改善燒結(jié)礦質(zhì)量提供了依據(jù)[7]。 王桂林等人通過實驗，制備了低鎂燒結(jié)礦并研究了基于低鎂燒結(jié)礦和熔劑性球團的熔滴性能[8]。張琦等人針對鋼鐵企業(yè)富礦粉燒結(jié)，調(diào)節(jié)南非富礦粉、南非精粉和巴西卡粉的配比，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)鼓指數(shù)63.39%，熔滴特性1419 kPa·℃[9]。 承強等人對煉鋼污泥在燒結(jié)生產(chǎn)中的應(yīng)用進行了研究，探究了煉鋼污泥對燒結(jié)礦相結(jié)構(gòu)及冶金性能的影響[10]。 王耀祖等人通過調(diào)節(jié)鐵礦粉配比改變燒結(jié)礦的TiO2含量，探究了其對燒結(jié)液相量、固體燃耗及熔滴性能的影響規(guī)律[11]。 牛樂樂等人對混勻礦的礦物組成進行了研究，混合配礦后混勻礦的針鐵礦FeO（OH）更有利于燒結(jié)過程中生成良好針狀鐵酸鈣結(jié)構(gòu)，提高燒結(jié)礦質(zhì)量[12]。

本文主要以凌鋼燒結(jié)原燃料為基礎(chǔ)，在不改變燒結(jié)礦堿度和鐵精粉配比的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整凌鋼燒結(jié)所用進口礦粉的種類和配比，形成7 種適宜的燒結(jié)配礦方案，并結(jié)合燒結(jié)杯實驗和冶金性能研究分析確定適合凌鋼的燒結(jié)配礦方案，以提升凌鋼燒結(jié)生產(chǎn)技術(shù)水平和燒結(jié)礦產(chǎn)質(zhì)量。

1 實驗原料和方法

1.1 實驗原料

本實驗研究所使用的鐵礦粉為凌鋼燒結(jié)所用的鐵礦粉，主要為外礦OB、OP、ON、OR、OF、OC、金布巴礦粉、鐵谷粉及地方礦，其化學(xué)成分如表1 所示。 由表1 可以看出，外礦中OB、OP、ON 和OR 四種礦粉的TFe 較高，均大于59.70%，OB 礦粉的Al2O3含量相對較低，為1.42%，且其燒損較低。 OF和OC 礦粉的燒損較高，為半赤、半褐鐵礦粉。

表1 燒結(jié)杯所用鐵礦粉化學(xué)成分分析 /wt%

1.2 燒結(jié)實驗方法

1.2.1 燒結(jié)實驗方案

實驗主要研究了在半赤、 半褐鐵礦粉高配比下，不同鐵礦粉配比對燒結(jié)礦性能的影響，其燒結(jié)杯實驗方案進口礦配比設(shè)計如表2 所示。 方案A 系列主要通過調(diào)整OB、OP、ON 和OR 礦粉的配比；方案B 系列主要通過OF 與OC 礦粉的互相替換進行研究，其余礦粉及含鐵原料配比固定。 實驗所用的燃料為焦粉，熔劑為石灰石和白云石。 燒結(jié)杯燃料配比5.30%，燒結(jié)礦堿度設(shè)計為2.31。各原料配比均為濕料配比。

表2 燒結(jié)杯實驗方案進口礦配比設(shè)計

1.2.2 燒結(jié)杯實驗

實驗所使用的燒結(jié)杯尺寸為Φ230 mm×700 mm，點火溫度1050 ℃，點火負壓控制在6 kPa，燒結(jié)負壓10 kPa，以廢氣溫度最高時為燒結(jié)終點。 燒結(jié)杯結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

1.2.3 燒結(jié)礦還原性實驗

本次燒結(jié)礦的還原性實驗，是按照國標(biāo)（GB13241－91） 檢驗方法規(guī)定的裝置及工藝參數(shù)進行。 將一定粒度范圍（10～12.5 mm）的燒結(jié)礦試樣置于中溫管式爐的固定床上，用由CO 和N2組成的還原氣體，在900 ℃的溫度下進行等溫還原。每隔一定時間稱試樣質(zhì)量。 還原氣體成分（體積分數(shù)）為30%CO、70%N2，整個實驗期間，還原氣體標(biāo)態(tài)（0 ℃和101.325 kPa）流量保持15±0.5 L/min。

1.2 .4 燒結(jié)礦低溫還原粉化實驗

低溫還原粉化實驗的還原溫度為500±10 ℃，還原時間為60 min，還原氣體成分為20%CO，20%CO2，60%N2。 還原后試樣通入N2冷卻，然后全部裝入小轉(zhuǎn)鼓（φ130 mm×200 mm）內(nèi)，以30 r/min 的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動10 min，然后進行篩分，以≥3.15 mm 粒級的質(zhì)量與還原后入鼓的試樣總質(zhì)量之比的百分數(shù)作為還原粉化指數(shù)。

圖1 燒結(jié)杯主體實驗裝置示意圖

1.2.4 燒結(jié)礦荷重軟化熔滴實驗

荷重軟化熔滴實驗工藝流程為： 爐料荷重為1 kg/cm2，升溫速度、煤氣成分均模擬高爐實際生產(chǎn)情況制定。

升溫制度為：20 ℃～900 ℃區(qū)間升溫速度5 ℃/min；900 ℃恒溫30 min；900℃～1600 ℃區(qū)間升溫速度5 ℃/min。

通氣制度為：20 ℃～100 ℃區(qū)間還原氮氣3L/min，100 ℃～500 ℃區(qū)間還原氮氣5 L/min；500 ℃開始通入還原氣體，CO:3 L/min，N2:7 L/min。

爐料的S 特性值為熔融開始溫度和熔融終了溫度之間的壓差積分。

1.2.5 燒結(jié)礦礦物組成觀察

實驗過程將10.0～12.5 mm 燒結(jié)礦進行磨樣和剖光，然后進行SEM-EDS 電鏡觀察，以確定不同燒結(jié)礦的礦物組成。

2 實驗結(jié)果分析研究

2.1 不同配礦對燒結(jié)經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)的影響

燒結(jié)經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)是反應(yīng)燒結(jié)礦生產(chǎn)過程中的重要技術(shù)參數(shù)，通過2 種不同配礦系列（7 組燒結(jié)杯實驗）得出了不同燒結(jié)杯實驗方案下的燒結(jié)經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)，主要為垂直燒結(jié)速度、成品率、利用系數(shù)、轉(zhuǎn)鼓強度和固體燃耗。 不同實驗方案下的垂直燒結(jié)速度、利用系數(shù)、成品率和固體燃耗如圖2 所示。 圖中：（a）為A 系列方案垂直燒結(jié)速度；（b）為A系列方案利用系數(shù)；（c） 為A 系列方案成品率；（d）為A 系列方案固體燃耗；（e） 為B 系列方案垂直燒結(jié)速度；（f）為B 系列方案利用系數(shù)；（g）為B 系列方案成品率；（h）為B 系列方案固體燃耗。

2.1.1 不同配礦對燒結(jié)利用系數(shù)的影響

圖2 不同配礦方案下燒結(jié)經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)變化

從圖2 中可看出，當(dāng)采用OP 和ON 礦粉替代OB 礦粉后，垂直燒結(jié)速度和燒結(jié)利用系數(shù)呈現(xiàn)增長趨勢，其中方案A-3 的垂直燒結(jié)速度為34.74 mm/min，利用系數(shù)為1.86 t/（m2·h）。 A-3 混合料的粒度分布的標(biāo)準(zhǔn)差相比A-1 降低1.49，因此其粒度分布較為均勻，燒結(jié)料層的透氣性較好，所以其垂直燒結(jié)速度和利用系數(shù)較高。

B 系列方案配礦中，B-2 方案的混合料平均粒度為3.76 mm，相比B-1 和B-3 都較高，因此垂直燒結(jié)速度和利用系數(shù)都較高。 三組燒結(jié)杯方案的成品率差異較小。

2.1.2 不同配礦對燒結(jié)轉(zhuǎn)鼓強度的影響

燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓強度是衡量燒結(jié)礦的冷態(tài)下強度的重要指標(biāo)，不同實驗方案下燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓強度指標(biāo)如圖3 所示。

由圖3（a）可以看出，A 系列燒結(jié)杯實驗中，方案A-1 燒結(jié)礦的轉(zhuǎn)鼓強度最好，為71.33%。 從礦粉角度分析，鐵礦粉OB 的液相流動性指數(shù)相比其他三種礦粉較好，有利于增強燒結(jié)過程中的液相流動，因此其轉(zhuǎn)鼓強度較好。

由圖3（b）可以看出，B 系列燒結(jié)杯實驗中，當(dāng)OC 礦粉配比增加后，燒結(jié)礦的冷態(tài)強度增強，方案B-3 燒結(jié)礦的轉(zhuǎn)鼓強度為68.00%。 OC 礦粉作為一種半赤半褐礦粉，其配比增加后一定程度上使得燒結(jié)的同化性溫度降低，有利于燒結(jié)過程的液相生成，促進固相的黏結(jié)，因此其轉(zhuǎn)鼓強度較高。

圖3 不同配礦方案下燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓強度變化

為探究不同配礦方案下燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓強度的變化，對不同方案燒結(jié)礦進行礦相結(jié)構(gòu)研究。 A、B 系列燒結(jié)礦礦相結(jié)構(gòu)如圖4、圖5 所示

由圖4 可以看出，A-1 燒結(jié)礦主要為赤鐵礦、磁鐵礦和硅酸鹽相，其固相反應(yīng)較為充分，因此其強度較好；A-2 礦相結(jié)構(gòu)中鐵酸鹽液相生成量較少，因此其轉(zhuǎn)鼓強度較差；A-4 相比A-3 的鐵酸鈣相較少，因此其轉(zhuǎn)鼓強度下降。

圖4 A系列配礦方案下燒結(jié)礦礦相結(jié)構(gòu)

由圖5 可以看出，B-1 燒結(jié)礦中存在一定的鐵酸鈣相；B-2 和B-3 燒結(jié)礦礦相主要為磁鐵礦和硅酸鹽相，礦相中孔隙較少，固結(jié)較為充分，因此其轉(zhuǎn)鼓強度較好。

圖5 B系列配礦方案下燒結(jié)礦礦相結(jié)構(gòu)

2.2 不同配礦對燒結(jié)礦冶金性能的影響

2.2.1 對燒結(jié)礦還原性和低溫還原粉化性的影響

燒結(jié)礦的還原性能和低溫還原粉化性能是評價燒結(jié)礦冶金性能的重要指標(biāo)。 燒結(jié)礦還原性強，則在高爐中溫區(qū)還原出來的金屬鐵相多，間接還原發(fā)展充分，有利于降低高爐的焦比。 低溫還原粉化性能反應(yīng)的是燒結(jié)礦在低溫還原過程中發(fā)生破碎粉化的特性。 不同配礦下燒結(jié)礦的還原度和低溫還原粉化指數(shù)（RDI+3.15）如圖6 所示。 圖中：（a）為A系列還原度；（b） 為A 系列低溫還原粉化指數(shù)；（c）為B 系列方案還原度；（d） 為B 系列方案低溫還原粉化指數(shù)。

由圖6（a）可以看出，由于A-3 燒結(jié)礦的礦相中存在較多的鐵酸鈣相，因此其還原性能優(yōu)于其余3組燒結(jié)礦。 由圖6（b）可以看出，A 系列4 組燒結(jié)礦的低溫還原粉化指數(shù)均高于85%，主要是受其堿度及磁鐵礦相影響。

由圖6（c）可以看出，由于B 系列增加OC 礦粉后，燒結(jié)礦相中磁鐵礦礦相較多，其還原性能略有降低，因此燒結(jié)生產(chǎn)過程中增加OC 礦粉配比后應(yīng)適當(dāng)調(diào)整燃料配比，避免在燒結(jié)過程中還原性氛圍較強。

圖6 不同配礦下燒結(jié)礦還原度和低溫還原粉化指數(shù)變化

2.2.2 對燒結(jié)礦荷重軟化性能的影響

燒結(jié)礦的軟熔性能影響到高爐生產(chǎn)過程中軟熔帶的位置和厚薄，對高爐的透氣性具有重要的影響。 實驗得出不同配礦下燒結(jié)礦的軟化熔滴實驗結(jié)果如表3 和圖7 所示。

由表3 可以看出，A-4 燒結(jié)礦軟化溫度與B-3燒結(jié)礦相比較高，A-2 燒結(jié)礦中高熔點物相較多，因此還原過程中不易滴落，B 系列中燒結(jié)礦均較難滴落。 從熔滴結(jié)果分析，增加ON 和OR 礦粉配比后燒結(jié)礦單礦的S 特性值分別為1228.90 kPa·℃和1133.28 kPa·℃，透氣性指數(shù)相對較好。表明還原過程中燒結(jié)礦的透氣性較好，有利于降低高爐軟熔帶的透氣性。

表3 燒結(jié)礦單礦荷重軟化熔滴實驗結(jié)果

圖7 優(yōu)化配礦方案下燒結(jié)礦熔滴曲線

3 結(jié)語

為適應(yīng)當(dāng)前鐵礦價格波動形勢，基于凌鋼燒結(jié)所用原燃料結(jié)構(gòu)，通過調(diào)整鐵礦粉配比，制定了2種系列燒結(jié)配礦方案（7 組燒結(jié)杯實驗）。 通過對不同配礦下燒結(jié)礦經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)和冶金性能指標(biāo)的分析，得出以下結(jié)論：

（1） 方案A 系列中采用10%OP 礦粉替換OB礦粉后，燒結(jié)利用系數(shù)提升至1.73 t/（m2·h），垂直燒結(jié)速度提高至33.46 mm/min，燒結(jié)礦的還原度提升至73.21%，低溫還原粉化指數(shù)為85.76%；

（2） 方案A 系列中采取10%ON 礦粉替換OB礦粉方案更為優(yōu)異，適合燒結(jié)生產(chǎn)。 燒結(jié)利用系數(shù)由1.65 t/（m2·h）增長至1.86 t/（m2·h）；轉(zhuǎn)鼓強度為70%，與A-1 實驗基本維持相同水平；燒結(jié)礦的還原度由72.68%增長至75.93%； 燒結(jié)礦單礦熔滴實驗S 特性值降低至1228.90kPa·℃，爐料透氣性改善，冶金性能較好。

（3） 方案B 系列中OC 礦粉配比由10%提升至17%后方案更為優(yōu)異。 燒結(jié)利用系數(shù)由1.50 t/（m2·h）增長至1.83 t/（m2·h）；轉(zhuǎn)鼓強度改善；燒結(jié)礦低溫還原粉化指數(shù)由84.23%增長至85.95%； 軟化開始溫度提升至1133 ℃，軟熔性能提升；熔滴壓差降低至7.77 kPa，熔融滴落溫度基本不變。