燒結(jié)混合料制粒與布料效果研究

張開發(fā)，劉益勇，熊大林，余正偉

(1.江蘇沙鋼集團淮鋼特鋼股份有限公司, 江蘇 淮安 223002； 2.馬鞍山鋼鐵股份有限公司，安徽 馬鞍山 243032； 3.安徽工業(yè)大學冶金工程學院, 安徽 馬鞍山 243032)

0 引言

隨著高爐向大型化發(fā)展，高爐對燒結(jié)礦的產(chǎn)量、轉(zhuǎn)鼓強度、還原粉化性能的要求逐年提高[1-4]，成為推動燒結(jié)生產(chǎn)技術(shù)進步的動力。影響燒結(jié)礦質(zhì)量指標的因素包括原料條件、制粒效果、布料工藝、燒結(jié)操作等諸多方面。其中，原料條件是影響燒結(jié)礦質(zhì)量的本質(zhì)因素，使用高品位、低有害雜質(zhì)元素、制粒性能和高溫反應性能優(yōu)良的鐵礦石原料、減少含鐵塵泥和細粒復雜礦配加量，是提高燒結(jié)礦產(chǎn)質(zhì)量指標的有效方法[5-9]，但實際生產(chǎn)過程中受到優(yōu)質(zhì)資源供應、配礦成本和燒結(jié)消納固廢任務的影響，難以得到一以貫之的執(zhí)行。強化燒結(jié)點火保溫、優(yōu)化燒結(jié)風量分布、精準控制燒結(jié)終點、厚料層/超厚料層操作、熱風/煙氣循環(huán)技術(shù)、料面噴吹燃氣/蒸汽技術(shù)等等燒結(jié)操作和新技術(shù)[10-16]，能夠在較大程度上提高燒結(jié)的產(chǎn)量和質(zhì)量，并減少污染物排放，但通常需要對工藝流程和設(shè)備進行較大規(guī)模的改造。在燒結(jié)原料條件和工藝操作相對穩(wěn)定的前提下，通過優(yōu)化制粒水分、添加活性石灰、提高混合機填充率、延長制粒時間、采用多輥布料器等改善制粒和布料的措施，是強化燒結(jié)過程、提高燒結(jié)礦質(zhì)量指標的另一有效途徑。

為了提高燒結(jié)混合料的制粒性能、改善料層透氣性、提高燒結(jié)生產(chǎn)率，本文擬通過研究混合料水分和生石灰用量對制粒、布料效果的影響，以及混合料粒度分布規(guī)律，為生產(chǎn)實踐中強化制粒和布料效果提供支撐。

1 原料性能與研究方法

1.1 原料性能

燒結(jié)配料車間的原料種類包括混合料、熔劑、返礦和雜料，對單品種原料進行粒度分析和水分含量檢測，結(jié)果見表1。

表1 燒結(jié)原料粒度組成與水分含量

燒結(jié)原料中，混勻礦平均粒徑3.89 mm，+8 mm粒級含量達到16.37%，粗粒度礦粉含量偏高。燃料中+3 mm粒級含量34.63%，按燃料粒度-3 mm粒級含量高于85%的標準，此燃料粒度偏粗。白云石、生石灰和石灰石的-3 mm粒級含量均大于90%，符合燒結(jié)熔劑原料使用基本要求。內(nèi)返礦平均粒徑為2.94 mm，粒度較細；外返礦平均粒徑4.47 mm、+5 mm粒級含量50.84%，粒度較粗。

1.2 研究方法

1.2.1 混合料粒度檢測方法

燒結(jié)一次混合、二次混合和料層中的混合料均為生料，僅依靠水分和部分消石灰膠體的粘結(jié)相形成“準顆?！?，其特點是顆粒強度較小，熱穩(wěn)定性差，在自然干燥和篩分過程中容易破碎，影響粒度檢測的結(jié)果，通常采用液氮冷凍后篩分的方法檢測。

混合料取樣分別在一次、二次混合機后皮帶及圓輥給料器落料點?；旌狭蠘悠凡捎盟姆址s分出兩組500 g左右混合料，置于隔熱容器內(nèi)，倒入500 ml液氮冷凍；立即進行5個標準篩組合篩分，篩孔直徑為8、5、3、1 mm和0.5 mm，將標準篩組固定于振動篩分器上，振動篩分3 min，逐級對篩上原料進行稱重，計算各粒級所占百分數(shù)和加權(quán)平均粒徑，兩組實驗平均粒徑偏差不超過5%時，去平均值作為實驗結(jié)果，偏差超過5%時，重新取樣分析。

混合料加權(quán)平均粒徑計算公式如公式(1)所示：

(1)

式中：x1—混合料中+8 mm粒級含量；x2—混合料中5～8 mm粒級含量；x3—混合料中3～5 mm粒級含量；x4—混合料中1～3 mm粒級含量；x5—混合料中0.5～1 mm粒級含量；x6—混合料中-0.5 mm粒級含量。

1.2.2 燒結(jié)機混合料布料效果研究方法

燒結(jié)機混合料布料效果研究方法具體步驟如下：

1)制作規(guī)格為φ500 mm×200 mm×4層(如圖1)圓筒取料器3套和盲板實驗臺車(如圖2)1架。

圖1 燒結(jié)混合料取樣筒

圖2 燒結(jié)盲板實驗臺車

2)停機從燒結(jié)機中后部吊取臺車一架(如圖3)，換上盲板實驗臺車，并顯著標記；待實驗臺車前序1個臺車運行到點火爐前時，關(guān)閉點火器，待實驗臺車后序1個臺車運行出點火爐，重新開啟點火器，在燒結(jié)臺車上形成一段長約4.5 m的未點火區(qū)域，將取樣筒按左、中、右擺放于實驗臺車中心(如圖4)，以行車吊取重錘將取樣筒壓入料層；然后，待實驗臺車運行至機尾，將試驗臺車吊出，換上備用臺車或另一架實驗臺車；最后，對取樣筒內(nèi)混合料進行分層取樣，每層厚度5～7 cm，分析各層混合料的粒度組成并計算各層混合料的平均粒徑及-0.5 mm、+3 mm粒級含量的標準差。

圖3 吊取燒結(jié)礦樣及更換實驗臺車

圖4 取樣筒位置分布

標準差的計算公式如公式(2)所示，標準差值越大，說明偏析越顯著。

(2)

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 混合料制粒效果與優(yōu)化

為了了解生產(chǎn)過程混合料粒度組成的變化規(guī)律，研究了一次混合后(一混后)、二次混合后(二混后)和圓輥布料器下料處(布料處)混合料粒度組成，并考查了二次混合料水分及生石灰用量對其的影響。

2.1.1 混合料制粒效果評價

在正常生產(chǎn)條件下，對燒結(jié)一混后、二混后和布料處的混合料進行取樣、液氮冷凍、粒度篩分試驗，結(jié)果見表2。

表2 不同位置燒結(jié)混合料的粒度組成與水分含量

從一混后到布料處，燒結(jié)混合料水分含量由5.25%提高到5.70%，混合料平均粒徑經(jīng)過二次混合僅由3.16 mm提高到3.22 mm，到布料處又降至3.04 mm。說明二混后混合料“準顆粒”強度較差，經(jīng)轉(zhuǎn)運、混合料倉儲存后遭到一定程度破壞。特別的，由一混后到布料處，混合料-0.5 mm粒級含量由9.91%提高到14.04%，呈單調(diào)遞增趨勢，對燒結(jié)料層透氣性非常不利。因此，為了提高燒結(jié)料層透氣性，需要加強混合料制粒操作，提高“準顆粒”強度，減少混合料中-0.5 mm粒級含量。

2.1.2 水分含量對燒結(jié)混合料制粒效果的影響

一次混合加水量不變，二次混合料水分5.5%～6.7%，水分含量與透氣性的關(guān)系見圖5～6。一混水分含量介于5.1%～5.9%之間，波動較大，且與透氣性指數(shù)無明顯的對應關(guān)系，說明不同原料之間水分差異較大，一次混合尚不充分，原料的均勻程度較低，混合料制粒的效果尚未體現(xiàn)。二混水分與透氣性指數(shù)呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，其關(guān)系式為：y=0.067x-0.212。透氣性指數(shù)隨著混合料水分的提高而增大，混合料透氣性明顯改善。

圖5 一混水分對混合料透氣性指數(shù)的影響

圖6 二混水分對混合料透氣性指數(shù)的影響

2.1.3 生石灰用量對燒結(jié)混合料制粒效果的影響

生石灰用量2.75%～4.0%范圍內(nèi)，其與一次混合料、二次混合料制粒效果的關(guān)系，見圖7～8?？梢婋S著生石灰用量的提高，CaO消化消耗水分量增加，混合料中游離水含量降低，混合料水分呈緩慢降低趨勢。生石灰用量2.75%～3.25%范圍內(nèi)，透氣性指數(shù)隨生石灰用量的提高呈增大趨勢，說明混合料中生石灰充分消化后，仍有較多的游離水分用于制粒。隨著生石灰用量由3.25%提高到4.0%，能夠用于制粒的游離水減少，導致混合料制粒效果變差。因此，在調(diào)整生石灰用量時，混合料水分需要相應調(diào)整，既保證生石灰能夠充分消化成Ca(OH)2凝膠充當粘結(jié)劑，還要需要保證后續(xù)混合料制粒水分充足。

圖7 生石灰對一次混合料水分和透氣性指數(shù)的影響

圖8 生石灰對二次混合料水分和透氣性指數(shù)的影響

2.2 布料參數(shù)對混合料粒度偏析效果的影響

燒結(jié)布料采用的是圓輥布料器+多輥布料器組合，在燃料配比3.3%，生石灰配比3.5%，石灰石配比1.1%，白云石配比5.1%，圓輥給料量540 t/h，臺車運行速度1.56 m/min的條件下，研究了燒結(jié)機寬度方向、混合料水分、九輥轉(zhuǎn)速和傾角對混合料粒度偏析的影響。

2.2.1 燒結(jié)機寬度方向粒度偏析的差異

在混合料水分6.5%，九輥傾角42°，九輥轉(zhuǎn)速45 Hz條件下，研究了混合料沿燒結(jié)機寬度方向南、中、北三個位置混合料沿料層高度方向平均粒度和+3 mm、-0.5 mm粒級分布，結(jié)果見圖9～11。

圖9 燒結(jié)機南側(cè)高度方向混合料粒度分布

圖10 燒結(jié)機北側(cè)高度方向混合料粒度分布

圖11 燒結(jié)機中間位置高度方向混合料粒度分布

由表3可知，燒結(jié)機寬度方向南、中、北三個位置料層混合料的平均粒徑和+3 mm粒級含量從上至下逐層增大，-0.5 mm粒級含量從上至下呈逐層減小趨勢，符合混合料布料垂直方向粒度分布的要求。但是南、中、北三個位置混合料的平均粒徑分別為2.832 mm、3.293 mm和3.595 mm，說明燒結(jié)寬度方向混合料布料不均勻，極有可能是圓輥和九輥的安裝位置、磨損程度及運轉(zhuǎn)狀態(tài)的差異導致的，應及時排查并解決，盡可能減小甚至消除混合料粒度沿燒結(jié)機寬度方向偏析，以保證寬度方向燒結(jié)速度的一致和燒結(jié)礦質(zhì)量的穩(wěn)定。料層北側(cè)和中間位置混合料平均粒徑的標準差分別為0.679和0.686，混合料粒度偏析程度相當；南側(cè)混合料平均粒徑的標準差達到0.876，料層南側(cè)混合料粒度的偏析程度明顯強于中間和北側(cè)。

表3 燒結(jié)機混合料層高度方向粒度偏析的標準差

2.2.2 混合料水分對粒度偏析的影響

在九輥傾角42°，九輥轉(zhuǎn)速45 Hz條件下，研究了混合料水分對布料效果的影響，結(jié)果見圖12～13、表4。

圖12 水分-0.5%方案中間位置粒度分布

圖13 水分+0.5%方案中間位置粒度分布

表4 混合料水分對料層中部偏析效果比較

不同混合料水分條件下，料層混合料的平均粒徑和+3 mm粒級含量由料層上部至料層下部整體呈增大趨勢，-0.5 mm粒級含量從上至下整體呈減小趨勢。混合料水分-0.5%、基準接+0.5%的混合料平均粒徑分別為3.228 mm、3.293 mm和3.455 mm，隨著混合料水分的提高，混合料平均粒徑呈增大趨勢。從平均粒徑的偏析程度來看，隨著水分含量的提高，料層中間位置分層樣品平均粒徑的標準差增大，說明混合料平均粒徑的偏析程度增強。

2.2.3 九輥轉(zhuǎn)速對粒度偏析的影響

在混合料水分6.5%，九輥傾角42°條件下，研究了九輥驅(qū)動電機頻率對布料效果的影響，結(jié)果見圖14～15、表5。

圖14 九輥轉(zhuǎn)速35 Hz方案中間位置粒度分布

圖15 九輥轉(zhuǎn)速25 Hz方案中間位置粒度分布

表5 九輥轉(zhuǎn)速對料層中部偏析效果比較

不同九輥驅(qū)動電機頻率條件下，料層混合料的平均粒徑和+3 mm粒級含量從上至下整體呈增大趨勢，但最后一層略有減小，-0.5 mm粒級含量從上至下整體呈減小趨勢。九輥基準轉(zhuǎn)速驅(qū)動電機頻率45 Hz、35 Hz和25 Hz時，料層平均粒徑分別為3.293 mm、3.455 mm和3.790 mm，隨著九輥轉(zhuǎn)速驅(qū)動電機頻率的提高，混合料平均粒徑呈增大趨勢。

從平均粒徑的偏析程度來看，隨著驅(qū)動電機頻率的降低，料層中間位置分層樣品平均粒徑的標準差減小，說明混合料平均粒徑的偏析程度減弱。驅(qū)動電機頻率降低，料層-0.5 mm粒級含量的偏析程度明顯減小。

2.2.4 九輥傾角對粒度偏析的影響

在混合料水分7.6%，九輥驅(qū)動電機頻率45 Hz條件下，研究了九輥傾角對布料效果的影響，結(jié)果見圖16、表6。

圖16 九輥傾角38°方案中間位置粒度分布

表6 九輥角度對料層中部偏析效果比較

不同九輥傾角條件下，料層混合料的平均粒徑和+3 mm粒級含量從上至下整體呈增大趨勢，-0.5 mm粒級含量由料層上部至料層下部整體呈減小趨勢。九輥基準傾角從42°降低至38°，混合料平均粒徑分別為3.293 mm和 3.275 mm，無顯著差別。

從平均粒徑的偏析程度來看，隨著傾角的減小，料層中間位置分層樣品平均粒徑的標準差減小，說明混合料平均粒徑的偏析程度減弱。九輥傾角降低4°料層的+3 mm粒級含量偏析程度變小，料層-0.5 mm粒級含量的偏析程度略有增大。

根據(jù)上述研究，料層垂直方向的平均粒徑和+3 mm粒級含量由料層上部至料層下部逐層增大，-0.5 mm粒級含量由料層上部至料層下部呈逐層減小趨勢，料層垂直方向粒度分布規(guī)律上符合混合料布料垂直方向粒度分布的要求。但燒結(jié)混合料水平方向布料存在較大偏析，需對圓輥和九輥的安裝位置、磨損程度及運轉(zhuǎn)狀態(tài)進行仔細觀測，查明造成混合料水平方向布料偏析的原因。混合料水分含量對提高混合料粒度、增大垂直方向平均粒徑的偏析有利；減小九輥驅(qū)動電機頻率和傾角對強化垂直方向粒度偏析不利。

3 結(jié)語

1)燒結(jié)二次混合料經(jīng)轉(zhuǎn)運及在混合料倉中的堆儲，混合料“準顆粒”遭到一定程度破壞、-0.5 mm粒級含量提高，對燒結(jié)過程非常不利。通過提高“準顆?！睆姸?，減少混合料在轉(zhuǎn)運和料倉中的破碎，是改善燒結(jié)生產(chǎn)過程的有效手段。

2)采用圓輥給料器與九輥布料器組合布料，料層混合料的平均粒徑和+3 mm粒級含量從上至下逐層增大，-0.5 mm粒級含量逐層減小，符合燒結(jié)垂直方向布料的粒度分布要求。通過提高混合料水分、九輥轉(zhuǎn)速和九輥布料器傾角可以強化混合料在料層中的粒度偏析。