燒結(jié)混合料制粒適宜水分預(yù)測模型研究

周 林

（山鋼股份萊蕪分公司技術(shù)中心，山東 濟南271104）

1 前 言

燒結(jié)混合料制粒的目的是以燒結(jié)返礦及粗大礦石顆粒為形核粒子，在水分的作用下潤濕粘附細(xì)粉，在滾動碰撞中不斷密實、長大，最終獲得具有一定粒度范圍、較好強度小球的混合料,從而改善燒結(jié)料層的透氣性，提高燒結(jié)礦產(chǎn)量和質(zhì)量。水分在制粒過程中形成橋液，起到粘結(jié)作用。一般來說，隨著物料含水量的增加，粉體顆粒間的水分存在狀態(tài)可以分作3 個類型，即結(jié)合水、毛細(xì)水以及重力水。結(jié)合水對顆粒粘結(jié)成球有一定影響；毛細(xì)水引起顆粒間的毛細(xì)管引力，對制粒成球速度和顆粒強度有利；當(dāng)含水量超過顆粒間最大毛細(xì)水含量時，即為重力水，會惡化顆粒制粒效果。要獲得較好的制粒效果，顆粒間的水分應(yīng)為毛細(xì)水，因此保證混合料具有適宜水分是制粒的關(guān)鍵。目前，適宜的制粒水分主要是通過制粒試驗來確定，然而燒結(jié)生產(chǎn)原料變換頻繁，這種工作量大、檢測時間長的方法難以應(yīng)對燒結(jié)原料的變化，一些燒結(jié)車間還處于依靠操作人員的生產(chǎn)經(jīng)驗來判斷混合料水分的適宜性，明顯缺乏準(zhǔn)確性及合理性；因此研究一種能夠準(zhǔn)確、快速和簡便預(yù)測燒結(jié)混合料制粒適宜水分的方法具有十分重要的意義。

2 試驗研究方法

混合料制粒過程的適宜含水量是與物料的吸水性質(zhì)相關(guān)的［1］。原料吸水能力受到化學(xué)成分、粒度組成等參數(shù)的影響不易測定和量化。一個有效表征物料吸水特性的參數(shù)，對制粒過程的加水操作有較大的指導(dǎo)意義。濕容量是物料吸水過程的重要參數(shù)，其定義為單位質(zhì)量的烘干物料在一定溫度和壓力下所能容納的最大水量。測試濕容量的基本原理是確保試樣管與水接觸過程中所受浮力與表面張力相抵消的條件下，讓試樣管中處于自然堆積狀態(tài)的物料依靠顆粒間的毛細(xì)作用力不斷地吸附水分，直至顆粒吸水飽和，物料增重百分比即為濕容量。已有研究表明，混合料濕容量越大，其制粒過程中所需的適宜加水量也較大［2］。

試驗首先配出濕容量差異化的9種混勻礦，見表1。根據(jù)表2的配比配加熔劑、焦粉、返礦以及生石灰等燒結(jié)物料進行人工混合，改變混合料含水量在混料機上制粒5 min。制粒完成后進行取樣，分別用于混合料水分和粒度組成的測定，制粒后混合料粒度篩析采用套篩分級成＋8 mm、3～8 mm、1～3 mm和-1 mm 四個粒級。同時檢測制粒后混合料的透氣性，方法是通過檢測氣體通過混合料料層的壓力降ΔP，壓力降ΔP 大，說明混合料料層透氣性差。以混合料料層透氣性作為評價標(biāo)準(zhǔn)來確定混合料制粒的適宜含水量。通過測定混合料的濕容量，分析制粒效果指標(biāo)確定適宜含水量，通過研究混合料濕容量與混合料適宜水分的關(guān)系，得到燒結(jié)混合料適宜制粒水分的預(yù)測模型。

3 燒結(jié)混合料制粒水分尋優(yōu)試驗

1#混合料制粒后制粒效果評價指標(biāo)如表3 所示，1#混合料制粒含水量為6.5%時，3～8 mm 顆粒含量已達到67.17%，＜3 mm 顆粒含量為11.44%；當(dāng)含水量增加到7.1%時，＜3 mm 降至8.41%，＞8 mm粒度的顆粒增加，抽風(fēng)負(fù)壓此時最低；繼續(xù)增大水分至7.3%時，＜3 mm顆粒含量繼續(xù)降低，但是3～8 mm顆粒也降低，＞8 mm粒度的顆粒大量增加，此時抽風(fēng)負(fù)壓增大，料層透氣性惡化。

混合料顆粒平均粒度隨含水量的增加呈上升趨勢，這表明在固定工藝條件下顆粒粒度隨含水量的增大而增大，如圖1所示。分析混合料制粒的結(jié)果可知有一最佳含水量使得燒結(jié)生料層的透氣性最好。依據(jù)料層透氣性可知1#混合料適宜制粒含水量為7.1%，對應(yīng)粒度組成＞3 mm 為90.7%，1～3 mm為8.41%，＜1 mm為0.90%.

表1 9種混勻料物化特性

表2 混合料配比

表3 1#混合料制粒效果指標(biāo)

圖1 1#混合料制粒效果

4 構(gòu)建混合料制粒適宜水分預(yù)測模型

按照同樣的方法對其他8 組燒結(jié)混合料進行制粒水分尋優(yōu)試驗，得到9組混合料制粒適宜水分及制粒效果參數(shù)如表4所示。

由表4可知，9組混合料在各自適宜含水量下，抽風(fēng)壓力最大值是8#在8.4%的含水量下取到（9.7 kPa），最小值是2#在7.1%含水量下取得（8.1 kPa）；3～8 mm粒級含量最大值是8#配比在9.1%的含水量下取到（70.62%），3～8 mm 粒級含量最小值為6#在9.0%含水量下取得（44.38%）。9組在化學(xué)成分、粒度組成等物化性質(zhì)有一定差異的混合料，其制粒適宜含水量在6.6%～10.1%范圍內(nèi)。綜合制粒效果各個參數(shù)，當(dāng)混合料濕容量越小，制粒所需含水量越少，3～8 mm粒級較高，抽風(fēng)負(fù)壓越小，料層透氣性越好。

表4 適宜制粒水分和制粒效果參數(shù)表

研究混合料濕容量與制粒適宜含水量的關(guān)系，如圖2 所示?？梢姖袢萘颗c適宜含水量之間存在較好的線性關(guān)系，對試驗數(shù)據(jù)進行線性擬合可以得到兩者的關(guān)系表達式為：

式中：Y為混合料制粒最佳含水量；X為該混合料的濕容量；二者相關(guān)系數(shù)R2=0.988。

圖2 混合料適宜制粒水分與濕容量的關(guān)系

可以認(rèn)為混合料濕容量對制粒適宜水分有很大影響，可以用于預(yù)測制粒適宜水分。

5 混合料制粒適宜制粒水分預(yù)測模型應(yīng)用

選取萊鋼股份燒結(jié)1#燒結(jié)生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)驗證混合料制粒適宜水分預(yù)測模型的有效性。首先測試生產(chǎn)所用燒結(jié)混合料的濕容量的大小，然后通過燒結(jié)大煙道風(fēng)箱負(fù)壓確定最佳水分，經(jīng)過一周時間內(nèi)的測量，當(dāng)燒結(jié)機大煙道2#風(fēng)箱負(fù)壓最小時對應(yīng)的水分就是混合料適宜制粒水分，經(jīng)過混合料制粒適宜水分預(yù)測模型計算適宜制粒水分，再與現(xiàn)場所測量的混合料制粒后水分進行對比，驗證預(yù)測模型的有效性。表5為驗證周期內(nèi)1#燒結(jié)機2#風(fēng)箱負(fù)壓統(tǒng)計表。

表5 1#燒結(jié)機2#風(fēng)箱負(fù)壓統(tǒng)計

如圖3 所示，在混合料水分為8.8%時，風(fēng)箱負(fù)壓最低，此時可以認(rèn)為混合料水分為適宜水分。此批混合料濕容量測量值為22.1%，帶入混合料制粒適宜水分預(yù)測模型Y＝-0.797＋0.430 1X 計算，可以得到適宜制粒水分為8.7%，與實際測得值相差0.1%，在水分控制要求±0.2%范圍內(nèi)，可以看出采用上述模型能獲得良好的預(yù)測效果，說明該模型具有普遍性。

圖3 1#燒結(jié)機2#風(fēng)箱負(fù)壓

6 結(jié) 論

6.1 燒結(jié)混合料制粒后平均粒徑隨著制粒水分的增加而變大，細(xì)粒徑顆粒減少；料層透氣性隨著水分的增加先大幅變好，到達最優(yōu)后會有所下降。

6.2 以混合料層透氣性達到最優(yōu)的水分點，作為混合料制粒適宜水分的判斷依據(jù)。

6.3 燒結(jié)混合料濕容量與混合料制粒適宜水分有十分顯著的線性關(guān)系，可以根據(jù)濕容量預(yù)測燒結(jié)混合料適宜水分構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，模型為：Y＝-0.797＋0.430 1X。

6.4 根據(jù)萊鋼股份燒結(jié)生產(chǎn)料層透氣性與水分的對比研究，測量此批混合料濕容量，帶入預(yù)測模型計算，與實際測得值相差0.1%，在水分控制要求±0.2%范圍內(nèi)，可以看出采用上述模型能獲得良好的預(yù)測效果，能滿足燒結(jié)生產(chǎn)的要求。