高比例釩鈦粉燒結(jié)技術(shù)研究及應(yīng)用

胡 熊

(四川省方大達(dá)州鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司， 四川 達(dá)州 635000)

攀西地區(qū)的高鈦型釩鈦磁鐵礦藏豐富，為了充分發(fā)揮地域優(yōu)勢(shì)、開(kāi)發(fā)釩鈦資源，公司開(kāi)始部署釩鈦冶煉戰(zhàn)略。在高爐冶煉當(dāng)中，將進(jìn)一步推行釩鈦礦冶煉技術(shù)，對(duì)燒結(jié)原料結(jié)構(gòu)進(jìn)行大幅度調(diào)整，以提高釩鈦粉比例。為了保證和提高釩鈦燒結(jié)礦的質(zhì)量，本次研究將根據(jù)釩鈦礦的基礎(chǔ)特性，分析其中的關(guān)鍵因素，并討論優(yōu)化措施。

1 釩鈦燒結(jié)礦的性能分析

1.1 釩鈦磁鐵礦資源特點(diǎn)

攀西地區(qū)釩鈦磁鐵礦資源受磨礦、選礦工藝限制，其中所含TFe僅約55%～56%，而TiO2可高達(dá)11%；此外，其中有含量較高的Al2O3和MgO，都屬于高熔點(diǎn)物質(zhì)。特別是TiO2，在燒結(jié)過(guò)程中極易與CaO結(jié)合而生成鈣鈦礦。鈣鈦礦的熔點(diǎn)較高，會(huì)使釩鈦燒結(jié)礦液相生成量不足，對(duì)燒結(jié)礦的生成質(zhì)量影響較大。表1所示為攀西地區(qū)釩鈦礦成分[1]。

攀西釩鈦磁鐵礦的粒級(jí)較粗，其中粒徑<0.074 mm的礦粒占比只有66%～70%，普遍穩(wěn)定在65%～69%， 粒徑≥70%的礦粒較少。其礦物主要由鈦磁鐵礦、鈦鐵礦、硅酸鹽相、尖晶石等物相組成(見(jiàn)表2)，從釩鈦磁鐵礦的粒級(jí)形態(tài)來(lái)看主要分為不規(guī)則三角形、四邊形、細(xì)條形、多邊形等外貌結(jié)構(gòu)[1]。

表1 攀西地區(qū)釩鈦礦成分(ω) 單位：%

由于釩鈦磁鐵礦中的SiO2含量較低，燒結(jié)時(shí)產(chǎn)生的液相量不足，燒結(jié)礦難以獲得良好的黏結(jié)性，使得燒結(jié)礦強(qiáng)度較差；又因?yàn)槠渲械腡iO2含量高、TFe含量較低，使得燒結(jié)過(guò)程所需的溫度較高，同一時(shí)刻生成的鈣鈦礦液相組織較多，致使釩鈦燒結(jié)礦脆性大、強(qiáng)度差、返礦率高。

1.2 釩鈦燒結(jié)礦的特點(diǎn)

1.2.1 釩鈦燒結(jié)礦的成礦機(jī)理

攀西釩鈦磁鐵礦的主要成分為鈦磁鐵礦，其熔點(diǎn)較高(1 495 ℃)，而燒結(jié)料中低熔點(diǎn)物質(zhì)的熔點(diǎn)一般為1 205～1 300 ℃。釩鈦磁鐵礦的加入，使得燒結(jié)料初熔、融化溫度升高，使用釩鈦磁鐵礦時(shí)燒結(jié)料的熔點(diǎn)提高到1 280～1 300 ℃，不利于早期液相的生成，影響混合料的燒結(jié)性能。此外，攀西釩鈦磁鐵礦是一種礦物組成復(fù)雜的礦石，由于TiO2、Al2O3含量較高，燒結(jié)液相流動(dòng)性和液相潤(rùn)濕性較差，要提高液相流動(dòng)性和潤(rùn)濕性，就要保持必要的高溫時(shí)間。對(duì)燒結(jié)機(jī)速度、料層厚度等操作參數(shù)的匹配和控制必須精確[1]。

表2 攀西地區(qū)釩鈦磁鐵礦主要礦物組成

根據(jù)鈣鈦礦的生成機(jī)理可知，燒結(jié)礦中鈣鈦礦的含量主要隨著混合料中TiO2含量和配碳量的增加而增加。當(dāng)原料結(jié)構(gòu)不變(釩鈦粉配比固定不變)的情況下，其直接與燒結(jié)溫度的高低(配碳量多少)有較大關(guān)系。

1.2.2 釩鈦燒結(jié)礦的轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度

通過(guò)控制合理的配碳量和適宜的燒結(jié)礦FeO含量，發(fā)展鐵酸鈣、鈦磁鐵礦和鈦赤鐵礦液相組織，抑制鈣鈦礦的生成，獲得有益于提高燒結(jié)礦物理性能的礦相組成。如何匹配燒結(jié)礦的冷卻制度，避免燒結(jié)礦急冷在礦相結(jié)晶界面形成應(yīng)力，而使燒結(jié)礦強(qiáng)度變差，是需要解決的主要問(wèn)題。

合理的釩鈦燒結(jié)礦冷卻制度，可避免燒結(jié)礦急冷造成晶界應(yīng)力從而導(dǎo)致燒結(jié)礦強(qiáng)度差。為了避免燒結(jié)礦急冷，停用了熱燒結(jié)礦下料點(diǎn)冷卻鼓風(fēng)機(jī)，將余熱發(fā)電的回風(fēng)接入高溫段煙道內(nèi)，利用150 ℃左右的余熱回風(fēng)對(duì)燒結(jié)礦進(jìn)行緩冷。這樣做不僅使燒結(jié)礦緩冷，還進(jìn)一步提高了進(jìn)入余熱回收系統(tǒng)的熱量。

增加環(huán)冷機(jī)料層的厚度，可使冷卻風(fēng)的透過(guò)阻力增大，從而減緩燒結(jié)礦的冷卻速度。燒結(jié)礦在高溫段冷卻到500～600 ℃時(shí)，其中的礦物結(jié)晶已完全形成。此時(shí)，再利用常規(guī)冷卻設(shè)施使燒結(jié)礦冷卻到100 ℃左右。通過(guò)合理的冷卻制度控制燒結(jié)礦的冷卻速率，使燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓指數(shù)穩(wěn)定在73.5%～74.5%的較好水平。

1.2.3 釩鈦燒結(jié)礦的還原性能

因釩鈦磁鐵精礦本身FeO含量較高，在燒結(jié)過(guò)程中FeO氧化為Fe2O3時(shí)會(huì)放出大量熱量，為減少釩鈦磁鐵礦混合料中的配碳率創(chuàng)造了條件，而釩鈦磁鐵礦混合料配碳率下降又為降低燒結(jié)礦中FeO含量創(chuàng)造了較好條件。因此，釩鈦燒結(jié)礦具有FeO含量低、氧化度高的特點(diǎn)，其還原性比普通燒結(jié)礦更佳。圖1所示為不同TiO2含量下的燒結(jié)礦還原性。

圖1 不同TiO2含量下的燒結(jié)礦還原性

1.2.4 燒結(jié)礦低溫還原粉化指數(shù)

鈦赤鐵礦具有多種形狀的晶型，不同晶型的還原粉化性能不同，其中骸晶狀菱形鈦赤鐵礦還原粉化最為嚴(yán)重。通過(guò)釩鈦燒結(jié)礦低溫還原粉化研究發(fā)現(xiàn)，釩鈦燒結(jié)礦的低溫還原粉化率遠(yuǎn)高于普通燒結(jié)礦：一般情況下為60%左右，較高可達(dá)到80%～85%。圖2所示為T(mén)iO2含量對(duì)燒結(jié)礦RDI的影響曲線[1]。

圖2 TiO2含量對(duì)燒結(jié)礦RDI的影響曲線

但生產(chǎn)實(shí)際中尚不能證明，是否因釩鈦礦的低溫還原粉化率高而引起高爐強(qiáng)化過(guò)程中塊狀帶阻力損失分布異常，從而導(dǎo)致冶煉行程失常。

1.3 攀西釩鈦磁鐵礦燒結(jié)的生產(chǎn)特點(diǎn)

攀西釩鈦磁鐵礦燒結(jié)主要有“兩高、兩低”的顯著特點(diǎn)。具體表現(xiàn)為：

(1) 利用系數(shù)低、工序能耗高。攀鋼研究資料表明，在沒(méi)有強(qiáng)化措施的情況下，燒結(jié)機(jī)利用系數(shù)僅1.0 t/(m2·h)。燒結(jié)機(jī)利用系數(shù)下降，產(chǎn)量不足，各種能源消耗較高[1]。

(2) 燒結(jié)礦強(qiáng)度低、返礦率高。由于釩鈦磁鐵礦液相量不足及脆性鈣鈦礦液相大量存在，燒結(jié)礦的強(qiáng)度較差，在生產(chǎn)、轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中產(chǎn)生大量返礦，使燒結(jié)總體返礦率上升[1]。

委托重慶科技學(xué)院對(duì)達(dá)州鋼鐵原料條件下不同的混合料配碳量進(jìn)行燒結(jié)杯實(shí)驗(yàn)，分析混合料含量對(duì)燒結(jié)礦相結(jié)構(gòu)的影響。根據(jù)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，考察了混合料配碳量調(diào)整對(duì)燒結(jié)礦 RDI 指標(biāo)的影響，具體實(shí)驗(yàn)礦粉配比如表3所示，其中混合料的焦粉配比分別為 3.2%、3.6%、4.0%。為了便于比較，除了進(jìn)行相應(yīng)的配比調(diào)整外，其余工況條件也均設(shè)為相同。礦粉配比實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表3 優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案的礦粉配比(φ) 單位：%

表4 礦粉配比實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由實(shí)驗(yàn)指標(biāo)柱狀圖(圖3)可以看出：隨著焦粉配比提高，轉(zhuǎn)鼓指數(shù)、垂燒速度呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)；成品率、燒結(jié)最高廢氣溫度、RDI+3.15 均呈上升趨勢(shì)；燒結(jié)礦單位燃耗呈下降趨勢(shì)。該系列的混合料水分穩(wěn)定在 6.80%，抗磨指數(shù)有一定波動(dòng)，燒結(jié)礦成品率穩(wěn)定在87.99%左右，混合料平均粒徑穩(wěn)定為3.76 mm，燒結(jié)礦平均粒徑穩(wěn)定為 22.65 mm。

通過(guò)配碳量?jī)?yōu)化實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在生產(chǎn)條件允許的范圍內(nèi)適當(dāng)提高混合料的焦粉配比，有利于成品燒結(jié)礦 RDI指標(biāo)的改善。這是因?yàn)椋涮剂吭黾雍?，?jīng)碳的不完全燃燒，所生成的CO含量增大，使得燒結(jié)生產(chǎn)氣氛處于一定的還原氣氛中，導(dǎo)致燒結(jié)過(guò)程中還原反應(yīng)加劇，且成品燒結(jié)礦中的 FeO 含量增大，而赤鐵礦的含量則會(huì)隨之減少。單就燒結(jié)礦的 RDI指標(biāo)而言，適當(dāng)提高燒結(jié)混合料中燃料的配比有利于提高燒結(jié)礦質(zhì)量。在當(dāng)前生產(chǎn)狀況下，宜將焦粉配比從3.2%提高至3.6%。

2 釩鈦燒結(jié)技術(shù)開(kāi)發(fā)

2.1 強(qiáng)化釩鈦磁鐵礦制粒，提高料層透氣性

釩鈦磁鐵精礦顆粒表面光滑，成球性較差，使得混合料制粒性能也較差，且其粒度比普通精礦粗，是造成混合料細(xì)粒級(jí)含量高、平均粒徑小、制粒小球偏離球形、小球表面粗糙的主要原因。這些都是導(dǎo)致燒結(jié)料層透氣性差，不利于燒結(jié)過(guò)程強(qiáng)化的主要原因。因此，應(yīng)強(qiáng)化混合料制粒，以提高混合料透氣性。

2.1.1 優(yōu)化原料結(jié)構(gòu)，改善釩鈦磁鐵礦成球條件

釩鈦磁鐵精礦比表面積小，其配比增加使得制粒后混合料的平均粒度降低，細(xì)粒級(jí)含量、制粒小球形狀系數(shù)減小導(dǎo)致混合料料層的透氣性變差。為了增大混勻礦粉比表面積，除釩鈦磁鐵礦外在用的鐵原料進(jìn)行了基礎(chǔ)特性研究(見(jiàn)表5[2])。

根據(jù)基礎(chǔ)特性研究，優(yōu)化原料結(jié)構(gòu)(見(jiàn)表6)。降低混合料中<0.5 mm粒級(jí)顆粒的含量， 提高其比表面積，以改善混合料的制粒性能。同時(shí)，針對(duì)上述要求，在保證燒結(jié)礦釩鈦比、TiO2含量、R2不變的條件下，調(diào)整其他礦種比例，以探索燒結(jié)料的粒級(jí)組成和平均粒徑[3]。

圖3 各方案實(shí)驗(yàn)指標(biāo)柱狀圖

優(yōu)化后的原料結(jié)構(gòu)對(duì)透氣性<0.5 mm料級(jí)的影響比例逐步降低。這說(shuō)明通過(guò)添加治理粉和調(diào)整其他進(jìn)口礦比例后，原料條件進(jìn)一步改善，優(yōu)化了強(qiáng)化制粒、增加料層透氣性的基礎(chǔ)條件。

2.1.2 增加混合料黏結(jié)劑，促進(jìn)混合料成球

提高混合料成球率，不僅要求混勻礦具有合理的粒級(jí)組成，還要求混合料中含有足夠的黏結(jié)劑?；旌狭现性黾羽そY(jié)劑，不僅能將黏附粉黏結(jié)成混合料小球，還能增強(qiáng)混合料小球及黏附粉的黏附強(qiáng)度。

生石灰經(jīng)打水消化后，就會(huì)生成粒度極細(xì)的Ca(OH)2膠體顆粒，它具有極大的比表面積。其平均比表面積可達(dá)3.0×105cm2/g，比消化前增大了100倍。此膠體顆粒具有較強(qiáng)的親水性和黏結(jié)性，可使成球核心更易吸附精礦微粒，從而有利于細(xì)顆粒的礦粉黏附在成球核心上形成混合料小球，提高混合料的成球率，并增大其平均粒徑。通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，探索了煉鐵廠同一原料條件下、不同生石灰配比的混合料成球率和平均粒徑的關(guān)系 。

研究發(fā)現(xiàn)，混合料的成球率和平均粒徑，分別隨著生石灰配比的提高而上升和加大。但當(dāng)生石灰配比超過(guò)4.0%時(shí)，混合料的成球率上升幅度和平均粒徑的增大速度趨緩。當(dāng)生石灰配比達(dá)到5.0%時(shí)，混合料的成球率達(dá)到73%，其平均粒徑達(dá)到4.5 mm。

表5 鐵礦粉基礎(chǔ)特性

表6 優(yōu)化的原料結(jié)構(gòu)(φ) 單位：%

2.1.3 優(yōu)化工藝裝備，強(qiáng)化制粒

按照混合料提前加水的原則，提前加水使返礦潤(rùn)濕，可避免返礦進(jìn)入混合料后大量吸水而破壞混合料小球的長(zhǎng)大過(guò)程。同時(shí)，加足生石灰消化水，使生石灰在消化器內(nèi)充分消化而生成具有較強(qiáng)黏結(jié)性能的消石灰，充分消化后均勻分布于混合料中起到物料“黏結(jié)劑”的作用。

除此之外，嚴(yán)格遵守“滴水成球、霧水長(zhǎng)大、水小球小、水大球大”的混合料成球規(guī)律，對(duì)混合機(jī)和制粒機(jī)的加水段進(jìn)行合理分段；同時(shí)，對(duì)制粒機(jī)的牙箱進(jìn)行降速改造，將原來(lái)8.5～9.0 r/min的制粒機(jī)牙箱改為6.5 r/min牙箱齒輪，大幅提高了混合料的成球率和混合料生球強(qiáng)度。

2.2 控制釩鈦燒結(jié)礦成礦過(guò)程，獲得理想的礦物組成

與普通燒結(jié)礦相比，釩鈦磁鐵燒結(jié)礦的成礦過(guò)程更加復(fù)雜，其中既有一般燒結(jié)過(guò)程的共同點(diǎn)，又有本身固有的特殊性。想要獲得物理強(qiáng)度和冶金性能較好的燒結(jié)礦，就要控制燒結(jié)過(guò)程中鈣鈦礦的形成，以生成更多的鈦磁鐵礦和鈦赤鐵礦。

3 釩鈦磁鐵礦燒結(jié)的工藝控制

3.1 大風(fēng)和減薄料層

大風(fēng)和減薄料層主要是為了保證燒結(jié)料層有足夠的風(fēng)量，以滿(mǎn)足燃料燃燒和物理化學(xué)反應(yīng)的需要。煉鐵廠燒結(jié)機(jī)設(shè)計(jì)之初，是按照75%的進(jìn)口礦品質(zhì)匹配風(fēng)機(jī)。為了增加透過(guò)料層的有效風(fēng)量，只能采取減少燒結(jié)機(jī)有害漏風(fēng)的方法，以增加透過(guò)料層的有效風(fēng)量。

對(duì)燒結(jié)機(jī)風(fēng)箱進(jìn)行噴涂，在燒結(jié)機(jī)風(fēng)箱上焊接錨釘，加掛龜甲網(wǎng)，用于固定高溫耐磨材料，利用噴涂材料封堵風(fēng)箱漏點(diǎn)，使漏風(fēng)率降低3.3%，從而增加透過(guò)料層的有效風(fēng)量，滿(mǎn)足釩鈦磁鐵礦燒結(jié)風(fēng)量較大的需求。

3.2 低水

釩鈦磁鐵礦燒結(jié)的適宜水分比普通精礦的適宜水分要低。這主要是因?yàn)?釩鈦磁鐵礦的礦物組成以磁鐵礦為主，其結(jié)構(gòu)致密，親水性差而濕容量小。

根據(jù)原料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合生石灰配比和水分高低與成球率的關(guān)系，將混合料水分控制在(8.0±0.2)%的標(biāo)準(zhǔn)下。這樣做，既能使成球率達(dá)到最佳，又能避免水分過(guò)大，不會(huì)增加下部混合料的水分。

混合料水分的穩(wěn)定控制是難點(diǎn)。在生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，制粒機(jī)蒸汽含水率波動(dòng)較大，容易造成混合料水分波動(dòng)。為此，在制粒機(jī)上設(shè)計(jì)安裝了蒸汽脫水裝置，使蒸汽中的水脫出，從而杜絕了制粒機(jī)蒸汽含水率的波動(dòng)，穩(wěn)定了混合料的水分。

3.3 低碳

根據(jù)釩鈦磁鐵礦的礦相研究結(jié)果，在生產(chǎn)中將混合料配碳率控制在2.9%～3.2%，將FeO控制在(8.8±1.0)%。這樣，可使燒結(jié)料層的氣氛分布更合理，有利于抑制鈣鈦礦的生成，從而發(fā)展鐵酸鈣、鈦磁鐵礦和鈦赤鐵礦等液相組織。

4 工藝流程和裝備優(yōu)化措施

優(yōu)質(zhì)釩鈦燒結(jié)礦的生產(chǎn)，不僅需要設(shè)置合理的操作參數(shù)，還需要良好的工藝設(shè)備工況來(lái)保證。

(1) 按使用壽命更換備件，確保燒結(jié)機(jī)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。嚴(yán)格按照備件的使用壽命進(jìn)行周期性維護(hù)和更換，燒結(jié)機(jī)不再因添加篦條和隔熱件而臨時(shí)停機(jī)。避免了臨時(shí)停機(jī)，可使燒結(jié)機(jī)連續(xù)作業(yè)率基本達(dá)到100%。

(2) 優(yōu)化造堆工藝流程，提高堿度合格率。燒結(jié)生產(chǎn)所使用的熔劑來(lái)自多個(gè)廠家，熔劑成分差異較大。為了穩(wěn)定燒結(jié)礦成分、提高堿度合格率，將熔劑廠的石灰石粉配入混勻礦粉中，利用混勻礦粉造大堆，以避免灰石粉成分對(duì)燒結(jié)礦成分穩(wěn)定性的影響。

(3) 改造布料系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)布料。在使用釩鈦磁鐵精礦前，燒結(jié)機(jī)混合料布料系統(tǒng)是按照普礦燒結(jié)進(jìn)行調(diào)整，使用釩鈦粉后布料系統(tǒng)滿(mǎn)足不了釩鈦燒結(jié)的布料要求。在對(duì)布料系統(tǒng)進(jìn)行徹底改造后，解決了混合料倉(cāng)懸料、布料料面不平、粒級(jí)與配碳量分布不合理等問(wèn)題，使燒結(jié)料液相的生成和燒結(jié)過(guò)程中的氣氛條件更加合理，有利于提高燒結(jié)礦質(zhì)量。

5 結(jié) 語(yǔ)

研究高比例釩鈦燒結(jié)技術(shù)，總結(jié)了釩鈦燒結(jié)礦的特點(diǎn)及影響因素。采取一系列優(yōu)化措施，提升了系統(tǒng)操作水平，使燒結(jié)礦質(zhì)量指標(biāo)滿(mǎn)足高爐需求。將燒結(jié)釩鈦磁鐵精礦比例穩(wěn)定在了理想水平，并通過(guò)控制合理的高爐機(jī)燒比，搭配一定比例的釩鈦球團(tuán)礦，使鐵水中的V含量保持較高水平。