燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度的優(yōu)化研究

支建明，馬朋飛，張治杰，韓陽,3

(1.華北理工大學(xué) 冶金與能源學(xué)院，河北 唐山 063210；2.唐山市工程計(jì)算重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，華北理工大學(xué)理學(xué)院，河北 唐山 063210；3.華北理工大學(xué) 學(xué)科建設(shè)處，河北 唐山 063210)

燒結(jié)礦的轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度是燒結(jié)礦質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)中最重要的因素之一，直接影響燒結(jié)礦成品率的高低，高強(qiáng)度的燒結(jié)礦對煉鐵過程高爐的布料結(jié)構(gòu)以及料層上部透氣性等各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)都有著重要影響[1,2]。對于生產(chǎn)高強(qiáng)度燒結(jié)礦，國內(nèi)外進(jìn)行了大量實(shí)踐，研究不同實(shí)驗(yàn)條件下的改善燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度的方法[3-14]。M.I.Pownceby[15]在提高燒結(jié)礦強(qiáng)度的研究上采用控制粘結(jié)相化學(xué)性質(zhì)的關(guān)鍵成分以及熱力學(xué)參數(shù)等方式去改善燒結(jié)礦的強(qiáng)度指標(biāo)。韓闖闖等人[16]則通過研究堿度對轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度的影響得出堿度在1.6左右出現(xiàn)強(qiáng)度急劇下降的結(jié)果，主要原因在于此堿度下的礦相結(jié)構(gòu)不均勻，礦物組成多且復(fù)雜，同時(shí)燒結(jié)礦在冷卻過程中出現(xiàn)的內(nèi)應(yīng)力使其出現(xiàn)大量裂紋，最終導(dǎo)致強(qiáng)度的降低。T.Umadevi[17]更是在影響燒結(jié)礦強(qiáng)度的眾多參數(shù)中采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬燒結(jié)廠的過程機(jī)制進(jìn)行強(qiáng)度參數(shù)預(yù)測和改進(jìn)，最終預(yù)測結(jié)果與燒結(jié)廠實(shí)際數(shù)據(jù)相比誤差<3.5%。綜上所述，發(fā)現(xiàn)前人在研究燒結(jié)礦強(qiáng)度問題方面方法新穎但是可控參數(shù)不全面，不能更好地改善其強(qiáng)度指標(biāo)，該研究依托國內(nèi)某鋼廠的基本原料進(jìn)行燒結(jié)杯實(shí)驗(yàn)，研究不同配碳水平下，出現(xiàn)燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度急劇下降的區(qū)域以及原因，根據(jù)礦相分析得出結(jié)果并最終提出優(yōu)化方案，達(dá)到企業(yè)生產(chǎn)要求，進(jìn)而提高經(jīng)濟(jì)效益。

1 原料性能及實(shí)驗(yàn)方法

1.1 原料化學(xué)成分

本次實(shí)驗(yàn)原料由國內(nèi)某鋼鐵廠提供，其成分詳見表1、表2。

表1 燒結(jié)用原燃料化學(xué)成分/%

表2 燒結(jié)用燃料工業(yè)分析/%

由表1可知，作為主要原料的B粉和本地精粉中TFe品位均較高分別為62.92%、63.68%，熔劑中生石灰的堿度最高為17.37，其次是白云石14.34，熔劑堿度整體較高，可以在配料過程中適當(dāng)調(diào)節(jié)熔劑的量來改變燒結(jié)堿度。

由表2可知，對燃料(焦炭)進(jìn)行固定碳含量工業(yè)分析，在焦炭中固定碳含量為82.16%，揮發(fā)分為1.67%，灰分14.17%，燃料熱值29.52 MJ/kg，發(fā)現(xiàn)焦炭中固定碳含量較高，熱值較好，揮發(fā)分含量也較低，易于燃燒。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

以某燒結(jié)廠燒結(jié)用原燃料條件與配比為基礎(chǔ)，通過改變配碳量來測定燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度的燒結(jié)杯實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)用MgO含量固定為2.3%；以生石灰來調(diào)整堿度(1.3～2.4)；配碳量則用焦炭加以調(diào)整，共設(shè)3.25%、3.50%、3.75% 3個梯度水平。圖1所示為燒結(jié)生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)流程。

圖1 燒結(jié)生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)流程

經(jīng)圖1燒結(jié)生產(chǎn)流程將完成落下強(qiáng)度測試的燒結(jié)礦進(jìn)行篩分，把10～40 mm的燒結(jié)礦按其粒度組成的比例取樣，采用1/5ISO標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)鼓，按國標(biāo)GB8209-87進(jìn)行冷態(tài)強(qiáng)度指標(biāo)測定。隨后將燒結(jié)礦樣品分別制成光薄片，在德國蔡司Axioskop40偏/反兩用研究型顯微鏡下進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)分析。

2結(jié)果與分析

2.1 轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度降低范圍分析

(1)根據(jù)燒結(jié)廠燒結(jié)杯實(shí)驗(yàn)實(shí)際所得數(shù)據(jù)，得出如圖2所示堿度為1.3～2.4 時(shí)3個配碳水平的轉(zhuǎn)鼓指數(shù)變化的趨勢。

圖2 燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓指數(shù)變化趨勢圖

由圖2可知，當(dāng)配碳量為3.25%時(shí)，隨著堿度的升高，轉(zhuǎn)鼓指數(shù)以1.3～1.8為第一階段上升大約3%，第二階段在1.9之后大幅提高到2.0達(dá)到64%，繼續(xù)提高堿度2.0～2.4之間呈現(xiàn)緩慢增加的趨勢，這是因?yàn)殍F酸鈣形成速度快，熔體一旦形成，熔體中CaO與SiO2互熔性和SiO2與FeO的互熔性都比CaO與FeO的互熔性程度高的多，而最早形成的鐵酸鈣也容易分解成鈣鐵橄欖石，進(jìn)而影響燒結(jié)礦強(qiáng)度[18]，因此堿度小于2.4時(shí)，燒結(jié)礦強(qiáng)度隨堿度升高緩慢增加。對于配碳量分別為3.50%、3.75%時(shí)，在堿度逐漸提高的過程中，燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度在1.5～1.7范圍出現(xiàn)全部堿度范圍的強(qiáng)度下降區(qū)。

綜上整體分析，3個配碳水平下堿度在2.0～2.4的轉(zhuǎn)鼓指數(shù)呈現(xiàn)升高趨勢，這一結(jié)論與M.I.Pownceby[15]的研究中燒結(jié)礦的強(qiáng)度在高配碳-高堿度影響的機(jī)制中高于2.0時(shí)燒結(jié)礦的強(qiáng)度是逐漸提高的實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本相同。

(2)通過對轉(zhuǎn)鼓指數(shù)趨勢圖的分析，可以得到強(qiáng)度下降區(qū)域即堿度1.5～1.7范圍，根據(jù)圖3配碳量與轉(zhuǎn)鼓指數(shù)的關(guān)系圖可知，隨著配碳量的增加，堿度1.5、1.6和1.7的轉(zhuǎn)鼓指數(shù)均是在降低，而3.25%的配碳量是3個堿度轉(zhuǎn)鼓指數(shù)的最高值，說明此堿度條件下，配碳3.25%是達(dá)到強(qiáng)度要求的最優(yōu)值。堿度1.7在配碳量大于3.75之后轉(zhuǎn)鼓指數(shù)有所上升，說明以1.7為起點(diǎn)，隨著配碳量和堿度的同時(shí)升高，燒結(jié)礦的轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度是提高的[19]。

圖3 配碳量與轉(zhuǎn)鼓指數(shù)的關(guān)系

2.2 轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度下降原因分析

燒結(jié)礦在形成過程中強(qiáng)度較高的是鐵酸鈣、磁鐵礦、赤鐵礦和鐵橄欖石，其次是鈣鐵橄欖石和鐵酸二鈣，玻璃質(zhì)強(qiáng)度最差[20]。因此在燒結(jié)礦形成過程中鐵酸鈣和赤鐵礦生成越多，燒結(jié)礦強(qiáng)度越好。相反礦物組成中鐵酸鈣生成越少，玻璃質(zhì)和鐵酸二鈣等生成越多就會影響燒結(jié)礦強(qiáng)度和成品率。

將配碳水平為3.50%和3.75%的燒結(jié)礦在堿度1.5和1.6時(shí)的樣品分別制成光薄片，采用德國蔡司Axioskop 40偏/反兩用研究型顯微鏡觀察其礦相結(jié)構(gòu)如圖4～圖11所示。

圖4 交織熔蝕結(jié)構(gòu)(R=1.5) 圖5 熔蝕結(jié)構(gòu)(R=1.5)

(1)配碳量為3.50%的礦相結(jié)構(gòu)圖

由圖4和圖5可知，當(dāng)配碳量為3.50%，堿度在1.5時(shí)，此時(shí)為自熔性燒結(jié)礦，礦物組成多，并且復(fù)雜，礦相結(jié)構(gòu)表現(xiàn)得很不均勻，主要為交織熔蝕結(jié)構(gòu)，部分為熔蝕結(jié)構(gòu)。此時(shí)燒結(jié)礦以鐵酸鈣為主要粘結(jié)相，柱狀與他形晶相互固結(jié)，并且還可以清晰地觀察到分布較多、大小不一的氣孔，有趨勢形成疏松多孔的薄壁結(jié)構(gòu)，還伴有少量裂隙裂紋，故而轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度降低。

由圖6和圖7可知，當(dāng)堿度提高到1.6時(shí)，此時(shí)礦相結(jié)構(gòu)極不均勻，主要以交織熔蝕結(jié)構(gòu)、局部粒狀結(jié)構(gòu)為主，主要粘結(jié)相為鐵酸鈣、硅酸二鈣和玻璃質(zhì)相。較堿度1.5時(shí)的氣孔率低，多呈形狀不規(guī)則大氣孔分布，同時(shí)燒結(jié)礦中伴有明顯的裂隙裂紋存在，但因堿度的提高，鐵酸鈣相增多，玻璃質(zhì)相減少，故而轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度較1.5有所提高，但仍降低明顯。

圖6 交織熔蝕結(jié)構(gòu)(R=1.6) 圖7 局部粒狀結(jié)構(gòu)(R=1.6)

(2)配碳量為3.75%的礦相結(jié)構(gòu)圖

由圖8和圖9可知，當(dāng)配碳量升高至3.75%，堿度為1.5時(shí)，此時(shí)礦相結(jié)構(gòu)主要是熔蝕結(jié)構(gòu)，部分為交織熔蝕和斑狀結(jié)構(gòu)，其粘結(jié)相主要為鐵酸鈣、硅酸二鈣和玻璃質(zhì)，其中鐵酸鈣主要以他形晶、柱狀與硅酸二鈣集中分布在玻璃質(zhì)相中。由于配碳量的提高，燃料用量高，液相量明顯增多，因此導(dǎo)致燒結(jié)礦大小氣孔交叉分布，并出現(xiàn)裂紋，由此燒結(jié)礦強(qiáng)度急劇下降。

圖8 熔蝕結(jié)構(gòu)(R=1.5) 圖9 交織熔蝕結(jié)構(gòu)(R=1.5)

由圖10和圖11可知，當(dāng)堿度提高到1.6時(shí)，此時(shí)礦相結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)以熔蝕結(jié)構(gòu)為主，局部斑狀結(jié)構(gòu)的極不均勻現(xiàn)象，且鐵酸鈣為主要粘結(jié)相，多以他形晶和柱狀呈現(xiàn)，與1.5相比較可以發(fā)現(xiàn)，此時(shí)燒結(jié)礦的氣孔率明顯降低，大氣孔較多且形態(tài)不規(guī)則，同時(shí)斑狀結(jié)構(gòu)使得燒結(jié)礦脆性增加，還有大量裂紋出現(xiàn)，雖然堿度的提高使得玻璃質(zhì)相、鈣鐵橄欖石等明顯減少，但是燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度依舊降低明顯。

因此，在堿度為1.5～1.7區(qū)域時(shí)，配碳量3.50%～3.75%這個過渡階段，使得燒結(jié)過程所需燃料趨于飽和，此時(shí)燒結(jié)產(chǎn)生過量液相，形成大孔薄壁且氣孔率低的燒結(jié)礦[21]，同時(shí)冷卻時(shí)伴有內(nèi)應(yīng)力的作用，產(chǎn)生大量裂紋，使得燒結(jié)礦強(qiáng)度明顯下降。

3優(yōu)化方案

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度在高爐煉鐵入爐要求中占有很重要的一環(huán)，針對此鋼鐵廠的原料水平，要想保持燒結(jié)礦強(qiáng)度穩(wěn)定在一定的范圍，就必須避免強(qiáng)度急劇下降的情況出現(xiàn)，因此，對配碳為3.25%、3.50%和3.75%在堿度1.8以后的燒結(jié)礦樣品分別做了礦相分析并提出優(yōu)化措施。

3.1 優(yōu)化堿度

針對采用配碳為3.50%和3.75%時(shí)，根據(jù)燒結(jié)實(shí)驗(yàn)可以清晰地得到燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度隨堿度的變化趨勢，即總體呈現(xiàn)上升趨勢[22]。在出現(xiàn)強(qiáng)度下降的堿度1.5～1.7范圍內(nèi)，1.6和1.7時(shí)的轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度均比1.5時(shí)要有所提高，因此對堿度為1.8時(shí)2個配碳水平的燒結(jié)礦進(jìn)行礦相分析如圖12和圖13所示，此時(shí)燒結(jié)礦中強(qiáng)度較好的鐵酸鈣和磁鐵礦居多，僅含有少量的硅酸二鈣，因此鐵酸鈣和磁鐵礦等主要粘結(jié)相與粘結(jié)相礦物結(jié)晶過程中相互之間彼此發(fā)展形成強(qiáng)度較好的交織熔蝕結(jié)構(gòu)，由此可以說明提高堿度使得燒結(jié)礦中有效粘結(jié)相鐵酸鈣等增多，玻璃質(zhì)等相應(yīng)減少，同時(shí)強(qiáng)度得到提升。因此，適當(dāng)提高堿度是有效避免強(qiáng)度急劇下降的最優(yōu)措施，具體可以適當(dāng)增加生石灰和白云石的配加量來提高堿度，改善燒結(jié)礦強(qiáng)度指標(biāo)。

圖12 R1.8C3.50交織熔蝕結(jié)構(gòu) 圖13 R1.8C3.75交織熔蝕結(jié)構(gòu)

3.2 優(yōu)化配碳量

本著優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，減少資源浪費(fèi)的原則，在做配加3.50%～3.75%的燃料的實(shí)驗(yàn)時(shí)，出現(xiàn)強(qiáng)度下降的情況，原因均為在低堿度條件下燃料過剩，引起的燒結(jié)杯內(nèi)燃燒帶溫度超標(biāo)，過量液相生成，影響燒結(jié)氣氛，燒結(jié)料層透氣性變差，氣流分布不均，直接影響垂直燒結(jié)速度，出現(xiàn)燒不透的現(xiàn)象，不利于鐵酸鈣的生成，造成燒結(jié)礦強(qiáng)度指標(biāo)未能達(dá)到生產(chǎn)要求，因此如圖14和圖16所示，配碳為3.25%在高堿度的情況下，燒結(jié)礦各礦相結(jié)構(gòu)均主要為交織熔蝕結(jié)構(gòu)，且堿度2.0～2.2時(shí)礦相組分最好，主要粘結(jié)相為鐵酸鈣和磁鐵礦，均不見氣孔和裂紋的出現(xiàn)，在堿度為2.4時(shí)卻出現(xiàn)少量大氣孔和裂紋，因此在保持配碳量在3.25%左右的水平時(shí)，堿度最高可配至2.4(≤2.4)，這樣既降低了能源成本又可使燒結(jié)礦質(zhì)量達(dá)到最優(yōu)。

圖14 R2.0C3.25交織熔蝕結(jié)構(gòu) 圖15 R2.2C3.25交織熔蝕結(jié)構(gòu)

圖16 R2.4C3.25交織熔蝕結(jié)構(gòu)

4 結(jié)論

(1)配碳3.50%和3.75%出現(xiàn)強(qiáng)度急劇下降的樣本礦相圖研究表明：堿度1.5和1.6時(shí)礦相結(jié)構(gòu)的不均勻性達(dá)到峰值，且多以交織、熔蝕結(jié)構(gòu)為主，部分斑狀、粒狀結(jié)構(gòu)為輔。隨著配碳量的提高，燃燒帶過厚溫度高，液相流動性大而產(chǎn)生了大孔薄壁結(jié)構(gòu)的燒結(jié)礦，因此礦物組分中鐵酸鈣含量明顯減少，玻璃質(zhì)顯著增多。這也是強(qiáng)度急劇下降出現(xiàn)在此堿度范圍的主要原因。

(2)企業(yè)生產(chǎn)過程中，要避免此區(qū)域轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度急劇下降的現(xiàn)象出現(xiàn)，一方面采用配碳3.50%和3.75%時(shí)，應(yīng)在配料過程中適量增加堿性熔劑的配比份額來達(dá)到提高堿度的目的，進(jìn)而提高燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度；另一方面在堿度≤2.4的條件下，采用3.25%的配碳，減少燃料的使用，在降低成本的同時(shí)保證燒結(jié)礦高質(zhì)量生產(chǎn)。