大孤山球團(tuán)廠回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈機(jī)制與抑制措施研究

王興鋒 李鐵柱 孫孝東 張建良 劉征建 王耀祖 馬黎明

(1.鞍山鋼鐵集團(tuán) 大孤山球團(tuán)廠，2.北京科技大學(xué) 冶金與生態(tài)工程學(xué)院，3.北京科技大學(xué) 人工智能研究院)

近年來，由于國家節(jié)能減排政策的升級，鋼鐵企業(yè)節(jié)能減排壓力逐漸加大。鐵前原料中球團(tuán)礦相較于燒結(jié)礦在低碳節(jié)能方面更具優(yōu)勢，球團(tuán)礦迎來了發(fā)展契機(jī)，國內(nèi)新增多條超大型球團(tuán)生產(chǎn)線[1-2]。超大型球團(tuán)生產(chǎn)設(shè)備主要以鏈箅機(jī)—回轉(zhuǎn)窯和帶式焙燒機(jī)為主。鏈箅機(jī)—回轉(zhuǎn)窯具有球團(tuán)產(chǎn)量大且質(zhì)量均勻、燃料種類廣的優(yōu)點。但回轉(zhuǎn)窯設(shè)備常出現(xiàn)煤粉燃燒不充分，窯內(nèi)頻繁結(jié)圈等問題，回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈是限制鏈箅機(jī)—回轉(zhuǎn)窯制備球團(tuán)高效發(fā)展的主要因素。

國內(nèi)外諸多學(xué)者針對回轉(zhuǎn)窯的結(jié)圈問題進(jìn)行了較為廣泛的研究。范曉慧等人[3]將回轉(zhuǎn)窯分為窯頭、窯中和窯尾三段，根據(jù)每段回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈的特征分析發(fā)現(xiàn)：窯頭的結(jié)圈物主要由粉末和固相反應(yīng)產(chǎn)生，堿金屬在此段富集并加劇粉末固結(jié)；窯中結(jié)圈主要受焙燒溫度和低熔點物質(zhì)影響；窯尾結(jié)圈物主要由球團(tuán)脫落的粉末堆積固結(jié)導(dǎo)致。黃柱成等人[4]研究回轉(zhuǎn)窯冶煉低品位鐵礦金屬化球團(tuán)結(jié)圈物的特征及形成機(jī)制發(fā)現(xiàn)，鐵橄欖石和鈣鐵輝石等低熔點物相是造成結(jié)圈的主要原因。王耀祖等人[5]研究了預(yù)還原回轉(zhuǎn)窯內(nèi)結(jié)圈物的層狀結(jié)構(gòu)和形成機(jī)制，發(fā)現(xiàn)結(jié)圈物可分為致密層和松散層，焙燒溫度的不穩(wěn)定和低熔點物質(zhì)的生成是回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈的主要因素。前人學(xué)者的研究[6-10]多集中在窯內(nèi)結(jié)圈物的形成機(jī)理解析，但不同企業(yè)的資源條件和熱工制度導(dǎo)致窯內(nèi)結(jié)圈機(jī)制存在差異，因此有必要針對特定企業(yè)進(jìn)行回轉(zhuǎn)窯熱工制度優(yōu)化與結(jié)圈抑制的研究。

文章針對鞍鋼大孤山球團(tuán)廠200萬t級鏈箅機(jī)—回轉(zhuǎn)窯進(jìn)行了熱工制度優(yōu)化和結(jié)圈抑制研究。通過XRD和SEM-EDS分析了窯頭球、窯尾球、成品球和結(jié)圈物的物相組成和微觀結(jié)構(gòu)，結(jié)合大孤山球團(tuán)廠回轉(zhuǎn)窯內(nèi)部溫度制度，分析優(yōu)化鏈箅機(jī)—回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)熱工制度和結(jié)圈抑制技術(shù)，可提高球團(tuán)產(chǎn)量和質(zhì)量，為大孤山球團(tuán)廠和其他類似資源結(jié)構(gòu)的企業(yè)提供參考。

1 各工序球團(tuán)基礎(chǔ)性能分析

1.1 化學(xué)成分分析

為探究大孤山球團(tuán)廠頻繁結(jié)圈時各工序球團(tuán)的基礎(chǔ)性能，通過斷點取樣獲取窯尾球、窯頭球和成品球樣品，采用XRF熒光分析測定了各工序球團(tuán)的化學(xué)成分見表1。窯尾球TFe含量為64.66%，F(xiàn)eO含量為4.10%略高于國標(biāo)要求的4%，SiO2含量為6.54%。成品球品位較高，TFe含量為64.56%，F(xiàn)eO含量為0.14%，SiO2含量為6.39%。與國內(nèi)諸多企業(yè)氧化性球團(tuán)相比，大孤山球團(tuán)廠成品球團(tuán)SiO2含量相對較高，S、K和Na等有害雜質(zhì)元素的含量較低。

表1 大孤山各工序球團(tuán)化學(xué)成分分析 %

1.2 抗壓強(qiáng)度分析

為測定回轉(zhuǎn)窯頻繁結(jié)圈期間球團(tuán)的強(qiáng)度變化，采用球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度測量裝置測定了回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)異常期間各工序球團(tuán)的抗壓強(qiáng)度。窯尾球、窯頭球和成品球抗壓強(qiáng)度均較低，其中窯尾球強(qiáng)度僅有199 N，窯頭球強(qiáng)度僅有1 431 N，成品球強(qiáng)度為1 341 N。結(jié)合誤差棒分析發(fā)現(xiàn)，成品球強(qiáng)度極不均勻，窯內(nèi)焙燒狀態(tài)較差。球團(tuán)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)要求1 000 m3以上大型高爐使用的氧化焙燒球團(tuán)礦的抗壓強(qiáng)度應(yīng)大于2 000 N。回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)異常期間各工段球團(tuán)強(qiáng)度普遍較低，無法滿足大型高爐生產(chǎn)要求，需對窯內(nèi)異常結(jié)圈和溫度制度進(jìn)行系統(tǒng)分析。

1.3 物相組成分析

對各工序球團(tuán)內(nèi)部物相組成進(jìn)行分析，結(jié)合Jade軟件對成品球物相進(jìn)行定量分析，各工序球團(tuán)物相組成如圖1所示。大孤山球團(tuán)廠窯尾球主要物相為Fe2O3、Fe3O4和SiO2，窯頭球和成品球中Fe3O4含量較低。對成品球進(jìn)行物相精修發(fā)現(xiàn)，成品球中Fe2O3占比為88.6%；脈石元素主要以石英形式存在，占比為4.03%；部分SiO2以莫來石形式存在，占比約為1.7%。

圖1 各工序球團(tuán)物相組成

1.4 微觀結(jié)構(gòu)分析

通過SEM掃描電子顯微鏡對窯尾球、窯頭球和成品球進(jìn)行觀察，各工序球團(tuán)微觀結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 各工序球團(tuán)微觀結(jié)構(gòu)

窯尾球內(nèi)部顆粒棱角分明，焙燒效果較差，未達(dá)到磁鐵礦固相充分連晶擴(kuò)散的溫度，因此窯尾球內(nèi)部未氧化完全的磁鐵礦顆粒較多。

窯頭球內(nèi)部未發(fā)現(xiàn)明顯的磁鐵礦顆粒，主要相為氧化生成的新生赤鐵礦，其中可明顯觀測到較大顆粒的深灰色脈石相和硅酸鹽相，脈石相和新生赤鐵礦顆粒緊密交織[11]。新生赤鐵礦邊界棱角逐漸變得圓潤，單一顆粒逐漸和周邊的顆粒相互聚合成片狀，顆粒尺寸逐漸增加。球團(tuán)內(nèi)部空隙減小，球團(tuán)密度增加，抗壓強(qiáng)度逐漸提高。

成品球顆粒內(nèi)部新生的赤鐵礦顆粒尺寸相較于窯頭球增加不明顯，微觀結(jié)構(gòu)與窯頭球相近。

為進(jìn)一步解析成品球團(tuán)內(nèi)部元素分布規(guī)律，通過SEM-EDS對大孤山成品球團(tuán)進(jìn)行了面掃。分析發(fā)現(xiàn)，在球團(tuán)內(nèi)部，SiO2多以石英形式存在，Ca、Mg則多與Si以硅酸鹽的形式存在。大孤山球團(tuán)廠造球用鐵礦粉SiO2含量較高，球團(tuán)在焙燒的過程中主要以固相反應(yīng)為主，同時球團(tuán)中的脈石也產(chǎn)生固相反應(yīng)。脈石類反應(yīng)產(chǎn)物多為低熔物或共熔化合物，因此在較高的焙燒溫度下熔化會出現(xiàn)液相。當(dāng)SiO2偏高時，如果磁鐵礦氧化不完全或生成的赤鐵礦再次分解，就可能產(chǎn)生較多的硅酸鹽渣相，這時會出現(xiàn)較多液相[12]。渣相中的鐵橄欖石(2FeO·SiO2)很容易與Fe2O3、FeO及SiO2形成熔化溫度更低的熔體，液相將礦粒包圍，冷卻時液相凝固使球團(tuán)固結(jié)。但鐵橄欖石不易結(jié)晶，常以玻璃相形式存在，使球團(tuán)強(qiáng)度降低[13]。

2 回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈機(jī)制研究

2.1 回轉(zhuǎn)窯煤粉燃燒特性分析

回轉(zhuǎn)窯設(shè)備作為超大型球團(tuán)焙燒裝置，相較于帶式焙燒機(jī)，最大的優(yōu)點在于適用于各類固液氣燃料。我國能源結(jié)構(gòu)為多煤少氣，大多數(shù)球團(tuán)企業(yè)均采用煤粉作為燃料。煤粉作為回轉(zhuǎn)窯熱源，發(fā)揮了資源優(yōu)勢，降低了成本，但需嚴(yán)格把控煤粉質(zhì)量。首先需保證煤粉品質(zhì)，應(yīng)當(dāng)選用灰分含量低，熱值較高的富煤。其次需保證煤粉粒度足夠細(xì)，并且匹配窯內(nèi)適宜的氧含量，保證窯內(nèi)煤粉充分燃燒。對大孤山球團(tuán)廠回轉(zhuǎn)窯煤粉進(jìn)行工業(yè)分析，結(jié)果如表2所示。煤粉灰分含量較低，而煤粉粒度偏大對結(jié)圈影響較大，需要將煤粉進(jìn)一步細(xì)磨，減少因煤粉燃燒不充分導(dǎo)致的回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈。

表2 大孤山回轉(zhuǎn)窯煤粉化學(xué)成分 %

2.2 回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈物基礎(chǔ)性能分析

回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈物中TFe含量為62.72%，略低于球團(tuán)礦的TFe含量。煤粉燃燒產(chǎn)生的灰分(主要成分為SiO2和Al2O3)增加了結(jié)圈物中的SiO2含量使之達(dá)到了8.46%。結(jié)圈物具體化學(xué)成分如表3所示。

表3 大孤山回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈物化學(xué)成分 %

為探究結(jié)圈物的微觀特征，采用掃描電子顯微鏡對結(jié)圈物進(jìn)行分析。相較于成品球團(tuán)，結(jié)圈物致密化程度明顯變差。通過元素分析可發(fā)現(xiàn)，含鐵原料粉末、灰分及堿金屬等在高溫下經(jīng)過一系列物理化學(xué)反應(yīng)后形成液相，以同心圓形式不斷生長，造成窯內(nèi)結(jié)圈。鐵礦石粉末中的SiO2與FeO等形成鐵橄欖石等液相。煤粉等燃燒形成的灰分和未燃盡的煤粉加劇了窯內(nèi)的結(jié)圈。在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)部堿金屬K+、Na+的增加可提高液相的流動性，在熔融液相中，橋氧通常會增加網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的聚集程度，而非橋氧通常會降低網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的聚集程度，堿金屬加劇了結(jié)圈問題。

3 大孤山球團(tuán)廠回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈防治技術(shù)研究

針對大孤山球團(tuán)廠回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈問題，綜合分析現(xiàn)場各工序球團(tuán)和結(jié)圈物特征，從以下幾個方面進(jìn)行熱工制度的改善和結(jié)圈的抑制[14-15]。

(1)優(yōu)化資源的采選技術(shù)和配礦結(jié)構(gòu)，減少含鐵原料中的SiO2含量和赤鐵礦含量，有效降低窯內(nèi)低熔點硅酸鹽液相的生成；

(2)適當(dāng)提高鏈箅機(jī)預(yù)熱二段溫度及生球預(yù)熱球強(qiáng)度，降低全流程球團(tuán)脫粉，減少因含鐵礦物粉末導(dǎo)致的結(jié)圈加??；

(3)有條件的情況下，采用熱值較高、溫度更穩(wěn)定的氣態(tài)燃料改善煤粉燃燒效率，降低由煤粉燃燒不充分和灰分導(dǎo)致的窯內(nèi)結(jié)圈，并且針對高硅礦粉，窯內(nèi)溫度不宜過高；

(4)控制回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)的穩(wěn)定性，穩(wěn)定原燃料的輸入，減少堿金屬及其他雜質(zhì)的輸入；

(5)優(yōu)化操作制度，控制窯內(nèi)風(fēng)量、氧分壓和噴煤量等。

4 結(jié)論

文章分析了大孤山球團(tuán)廠回轉(zhuǎn)窯窯內(nèi)工況異常期間各工序球團(tuán)性能變化和結(jié)圈物性能，可得出如下結(jié)論：

(1)結(jié)圈異常期間成品球TFe含量為64.56%，SiO2含量為6.39%，各工序球團(tuán)強(qiáng)度較低，球團(tuán)氧化固結(jié)效果較差；

(2)結(jié)圈物主要是由含鐵礦物粉末、灰分和部分未燃盡煤粉組成，其中脈石主要以橄欖石和鈣鎂輝石液相存在，窯尾球強(qiáng)度較低和窯內(nèi)煤粉燃燒不充分會加劇結(jié)圈；

(3)通過優(yōu)化原燃料資源質(zhì)量、改善配礦結(jié)構(gòu)、提高各工序球團(tuán)強(qiáng)度、穩(wěn)定窯內(nèi)熱狀態(tài)等技術(shù)，可有效優(yōu)化回轉(zhuǎn)窯熱工制度并抑制結(jié)圈。