雙層預(yù)燒結(jié)新工藝

劉杰　張輝　徐禮兵　鐘強(qiáng)　周明順　姜濤

關(guān)鍵詞：雙層預(yù)燒結(jié);預(yù)燒結(jié)時(shí)間;上下層厚度;燒結(jié)時(shí)間;礦物結(jié)構(gòu)

0 引言

雙層預(yù)燒結(jié)工藝是一種可顯著提高單臺(tái)燒結(jié)機(jī)產(chǎn)能的技術(shù)，其突破了原料條件等的根本性限制，料層厚度可以輕易增加到900 mm以上，是對(duì)現(xiàn)有燒結(jié)工藝體系的升級(jí)和補(bǔ)充。其中，預(yù)燒結(jié)時(shí)間和上下層的料層厚度是該工藝的核心要素，決定了第2個(gè)點(diǎn)火器的位置以及料層厚度和提產(chǎn)幅度等，所以有必要全面研究和評(píng)價(jià)預(yù)燒結(jié)時(shí)間對(duì)雙層燒結(jié)工藝的影響，從而完善雙層燒結(jié)工藝的理論體系，為該工藝的推廣應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)方法

為使研究結(jié)果能指導(dǎo)生產(chǎn)應(yīng)用，以同期鞍鋼股份煉鐵總廠某燒結(jié)機(jī)的生產(chǎn)條件為參數(shù)，設(shè)定燒結(jié)料層總厚度（下層布料厚度+上層布料厚度）為1 000 mm。實(shí)驗(yàn)室研究用燒結(jié)杯尺寸為

300 mm×1 100 mm， 燒結(jié)杯本體高度方向上呈螺旋式設(shè)置有可檢測溫度和氣體成分的孔道，燒結(jié)杯示意圖如圖1所示。

主要試驗(yàn)步驟如下：1）按常規(guī)單層燒結(jié)進(jìn)行第1次布料，布料高度根據(jù)試驗(yàn)設(shè)定，并定義為下層料層厚度；2）布料后，設(shè)定點(diǎn)火負(fù)壓為

8 kPa， 點(diǎn)火時(shí)間為90 s， 燒結(jié)抽風(fēng)負(fù)壓為10 kPa； 3）在第1次點(diǎn)火后9 min時(shí)，進(jìn)行第2次布料，時(shí)間控制在1 min內(nèi)，布料厚度定義為上層料層厚度，然后進(jìn)行時(shí)間為60 s的第2次點(diǎn)火；4）在第1次布料與第2次布料的交界處和燒結(jié)杯底部分別設(shè)置溫度檢測電偶，兩個(gè)電偶檢測到的最后一個(gè)到達(dá)最高溫度的時(shí)間可認(rèn)定為整個(gè)料層燒結(jié)的終點(diǎn)時(shí)間。試驗(yàn)用原料為生產(chǎn)車間經(jīng)過混勻和制粒的混合料，混合料中的鐵精礦配比為60%左右，主要化學(xué)成分見表1。

2 試驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1 料層高度的影響

在燒結(jié)生產(chǎn)中，保證燒結(jié)料層燒透的前提下，燒結(jié)時(shí)間長短直接決定了燒結(jié)機(jī)產(chǎn)量。試驗(yàn)以雙層預(yù)燒結(jié)燒結(jié)機(jī)運(yùn)行速度2.0 m/min為目標(biāo)條件，當(dāng)預(yù)燒結(jié)時(shí)間為10 min時(shí)，上層和下層料層的實(shí)際燒結(jié)時(shí)間如圖2所示，技術(shù)指標(biāo)變化如圖3所示。

由圖可知，在總料層厚度和預(yù)燒結(jié)時(shí)間確定情況下，料層上層和下層實(shí)際燃燒狀態(tài)互相影響和制約，單一某部分料層厚度并不能決定總的燒結(jié)時(shí)間，故兩者的厚度比例有最佳匹配范圍，這與傳統(tǒng)單層燒結(jié)工藝有非常大的差別，也是雙層燒結(jié)工藝的顯著特點(diǎn)。

由圖3可知，在預(yù)燒結(jié)時(shí)間和料層總厚度確定的條件下，適宜的上下層厚度分配可以顯著縮短燒結(jié)時(shí)間、大幅提高燒結(jié)利用系數(shù)，并且轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度和成品率呈規(guī)律性變化。由于雙層預(yù)燒結(jié)新工藝的研發(fā)初衷主要為提高燒結(jié)礦的產(chǎn)量，雖然在下層和上層的厚度分配為650 mm和350 mm時(shí)成品率和轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度不是最高，但此方案下利用系數(shù)最高，燒結(jié)礦質(zhì)量基本滿足高爐的入爐要求，所以建議方案為下層厚度為650 mm、上層厚度為350 mm。

2.2 預(yù)燒結(jié)時(shí)間的影響

預(yù)燒結(jié)時(shí)間直接影響雙層燒結(jié)工藝中第2個(gè)點(diǎn)火器的位置，并影響上下層燒結(jié)礦的產(chǎn)量和質(zhì)量變化，因此是雙層燒結(jié)工藝的核心影響因素。按照上下層料層厚度分別為350 mm和650 mm的情況分配，不同的預(yù)燒結(jié)時(shí)間下總燒結(jié)時(shí)間及上下層時(shí)間的變化如圖4所示。

分析圖4可知，由于料層的上層和下層互相影響，在預(yù)燒結(jié)時(shí)間小于10 min時(shí)下層料層的燒結(jié)時(shí)間較長，所以下層料層的燒結(jié)時(shí)間決定了總的燒結(jié)時(shí)間，并且總時(shí)間達(dá)到48 min以上。在預(yù)燒結(jié)時(shí)間大于10 min后，上層料層和下層料層的燒結(jié)時(shí)間均大幅縮短，所以總的燒結(jié)時(shí)間呈線性下降，此時(shí)上層料層的燒結(jié)時(shí)間與預(yù)燒結(jié)時(shí)間的總和決定了總的燒結(jié)時(shí)間。故預(yù)燒結(jié)時(shí)間在10～12 min時(shí)，總的燒結(jié)時(shí)間出現(xiàn)谷底區(qū)間，為38～39 min。同時(shí)，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證，在預(yù)燒結(jié)時(shí)間為10～12 min時(shí)，上層料層和下層料層基本可以同時(shí)達(dá)到燒結(jié)終點(diǎn)，此種情況下，可以充分發(fā)揮上層和下層料層的空間優(yōu)勢，并且與單層燒結(jié)的終點(diǎn)判斷方法相一致，有利于實(shí)際燒結(jié)生產(chǎn)時(shí)的操作管控。

在不同的預(yù)燒結(jié)時(shí)間條件下，燒結(jié)主要技術(shù)指標(biāo)如圖5所示。由圖5分析知，在預(yù)燒結(jié)時(shí)間為10～12 min時(shí)，雖然成品率和轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度不是最高，但總的燒結(jié)速度最快、利用系數(shù)最高，故預(yù)燒結(jié)時(shí)間應(yīng)該控制在10～12 min。

2.3 燒結(jié)過程模型的建立

以燒結(jié)礦產(chǎn)量最高時(shí)的方案為基準(zhǔn)（預(yù)燒結(jié)時(shí)間為10 min），針對(duì)雙層預(yù)燒結(jié)工藝特點(diǎn)，在料層高度方向以150 mm處為起點(diǎn)，每隔200 mm對(duì)料層熱狀態(tài)進(jìn)行檢測，料層熱狀態(tài)和燒結(jié)礦殘?zhí)假|(zhì)量分?jǐn)?shù)的主要變化過程如圖6所示。

由圖6可知，0～350 mm為第2次布料和點(diǎn)火后的燒結(jié)熱狀態(tài)。從150 mm和350 mm處熱狀態(tài)分析，隨著燒結(jié)進(jìn)行，燒結(jié)最高溫度升高，均可以達(dá)到1 200 ℃以上；高溫區(qū)延長，除表層燒結(jié)礦的殘?zhí)己枯^高外，其他部位燃燒充分，但燃燒過程不僅受本身透氣性的影響，還與下層的燒結(jié)狀態(tài)密切相關(guān)。350～950 mm為第1次布料和點(diǎn)火后的燒結(jié)熱狀態(tài)，根據(jù)燒結(jié)時(shí)間進(jìn)行測算，在350～550 mm為常規(guī)的單層燒結(jié)，由于此時(shí)整體料層厚度只有650 mm， 透氣性好、燃燒和冷卻速度快、殘?zhí)己肯鄬?duì)較低，在降溫段后期會(huì)受上部料層燃燒余熱的影響，出現(xiàn)二次升溫，對(duì)提高該段燒結(jié)礦質(zhì)量有益。在750～950 mm上層和下層存在兩個(gè)燃燒過程的狀態(tài)，相比于550 mm

處的熱狀態(tài)，在750 mm處的最高溫度以及高溫區(qū)時(shí)間出現(xiàn)明顯降低，圖6（b）中該位置的殘?zhí)假|(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)0.3%左右，可見此處燃燒非常不充分，是影響雙層燒結(jié)礦質(zhì)量的關(guān)鍵部位；在

950 mm處已接近料層底部（含有40～50 mm底料），最高燃燒溫度升高，但高溫區(qū)較窄，部分存在燃燒不充分現(xiàn)象（殘?zhí)假|(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.10%～0.06%）。從真空室的熱狀態(tài)可以發(fā)現(xiàn)，在該料層分配比例下，上部料層和下部料層的最高溫度幾乎在同一時(shí)刻到達(dá)，這與單層燒結(jié)終點(diǎn)的判斷方法保持一致，便于生產(chǎn)操作人員的辨別和設(shè)備控制。

針對(duì)不同時(shí)間下的溫度變化規(guī)律建立了雙層預(yù)燒結(jié)過程模型，如圖7所示。

由圖7可知，雙層燒結(jié)自上而下分為上層燒結(jié)礦帶、上層燃燒帶、上層干燥預(yù)熱帶、上層濕料帶、下層燒結(jié)礦帶、下層燃燒帶、下層干燥預(yù)熱帶、下層濕料帶。雙層燒結(jié)過程熱量在空間上分布更為均勻，上層熱物料對(duì)下層物料的保溫和二次加熱作用會(huì)強(qiáng)化下層表面的燒結(jié)礦質(zhì)量。但如果抽風(fēng)能力不足時(shí)，兩個(gè)燃燒帶同時(shí)存在，也會(huì)影響下層的燃燒氣氛，進(jìn)而影響下部的燒結(jié)礦質(zhì)量。

2.4 燒結(jié)礦礦物結(jié)構(gòu)的研究

為更全面評(píng)價(jià)雙層預(yù)燒結(jié)礦的變化規(guī)律，對(duì)料層高度分別為150～250 mm（上部）、500～550 mm（中部）和700～800 mm（下部）處的燒結(jié)礦進(jìn)行礦物結(jié)構(gòu)研究，主要結(jié)果如圖8～圖10所示。

由圖8可知，在150～250 mm處的料層上部，燒結(jié)礦礦相主要以鐵酸鈣、針狀鐵酸鈣與磁鐵礦和次生赤鐵礦的交織結(jié)構(gòu)為主，但部分位置也存在磁鐵礦和次生赤鐵礦的連晶結(jié)構(gòu)，前者使燒結(jié)礦具有較好強(qiáng)度，而后者導(dǎo)致燒結(jié)礦質(zhì)量較差。由于上部料層的透氣性低于常規(guī)的單層燒結(jié)，且其料層較薄，局部溫度較低處成礦反應(yīng)差，僅發(fā)生了磁鐵礦的氧化和次生赤鐵礦的連晶；由于沒有液相的生成，連晶結(jié)構(gòu)孔洞較多，會(huì)嚴(yán)重降低燒結(jié)礦的強(qiáng)度，在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，可以通過在第2次布料點(diǎn)火后通熱風(fēng)和增加保溫的措施來解決。

由圖9可知，在500～550 mm處的料層中部為透氣性非常好的單層燒結(jié)過程，由于燃料燃燒充分、料層厚度適中、熱量充裕、氧化性氣氛強(qiáng)，且會(huì)經(jīng)歷上層高溫廢氣帶來的二次高溫，成礦效果良好，所以燒結(jié)礦主要物相為鐵酸鈣、針狀鐵酸鈣和次生赤鐵礦以及少量磁鐵礦，不存在赤鐵礦的連晶結(jié)構(gòu)。

由圖10可知，在700～800 mm處的料層下部，燒結(jié)礦含有大量骸晶結(jié)構(gòu)，還伴有部分馬蹄形狀未完全還原成富氏體的磁鐵礦顆粒出現(xiàn)，在其邊緣是富氏體環(huán)以及大量混勻狀小顆粒富氏體。由此可見下部料層是在弱氧化氣氛甚至還原氣氛下進(jìn)行的燃燒反應(yīng)，燒結(jié)成礦過程發(fā)生了還原，導(dǎo)致了液相性質(zhì)的變化，并由此產(chǎn)生了大量骸晶結(jié)構(gòu)。此外，部分赤鐵礦和磁鐵礦被還原成了富氏體，而富氏體結(jié)構(gòu)疏松，影響?zhàn)そY(jié)強(qiáng)度而惡化了下層燒結(jié)礦的質(zhì)量。但是在下部仍有部分鐵酸鈣和針狀鐵酸鈣在此條件下生成。在抽風(fēng)能力不能足的條件下，要解決下部料層的弱氧化性氣氛，一方面可以通過延長預(yù)燒結(jié)時(shí)間，在犧牲部分產(chǎn)量的條件下，改善下部料層的成礦環(huán)境，提高燒結(jié)礦的強(qiáng)度；另一方面可以通過富氧燒結(jié)的手段，改善下部料層的燃燒氣氛。

3 結(jié)論

1）在總料層厚度和預(yù)燒結(jié)時(shí)間確定時(shí)，雙層預(yù)燒結(jié)的總燒結(jié)時(shí)間呈先縮短再延長的趨勢，在上層料層厚度為350 mm、下層料層厚度為

650 mm時(shí)總燒結(jié)時(shí)間最短。

2）在上層和下層料層厚度確定時(shí)，隨著預(yù)燒結(jié)時(shí)間的增加，燒結(jié)總時(shí)間呈先縮短后延長趨勢，燒結(jié)利用系數(shù)隨預(yù)燒結(jié)時(shí)間的增加則先升高后降低，轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度隨預(yù)燒結(jié)時(shí)間的增加保持增大，適宜的預(yù)燒結(jié)時(shí)間應(yīng)控制為10～12 min。

3）不同料層位置最高溫度均可達(dá)到1 200 ℃以上，由于在下部750～950 mm料層處同時(shí)存在兩個(gè)燃燒過程，受抽風(fēng)能力和透氣性的影響，會(huì)出現(xiàn)燃燒不充分現(xiàn)象，降低下層部分燒結(jié)礦的質(zhì)量，但雙層燒結(jié)的熱量在空間上分布更加均勻，會(huì)一定程度上彌補(bǔ)燃燒不充分導(dǎo)致的質(zhì)量變差

問題。

4）不同料層位置燒結(jié)礦所處燃燒環(huán)境不同，造成礦物結(jié)構(gòu)有較大差別，尤其在700～800 mm處，燒結(jié)礦含有大量骸晶結(jié)構(gòu)，并伴有部分馬蹄形磁鐵礦顆粒和小顆粒富氏體。

本文摘自《中國冶金》2023年第9期