富礦粉燒結配礦優化研究

張琦 ^{1a， 1b}，劉然^{1a ， 1b} ，王小艾 ² ，孫艷芹 ^{1a ， 1b} ，劉小杰^{1a ， 1b}，呂慶^{1a ， 1b}

（1．華北理工大學a．冶金與能源學院； b．教育部現代冶金技術重點實驗室，河北 唐山063009 ；2．河北鋼鐵集團，石家莊050000 ）

摘要：為了降低燒結成本，減少燒結過程能源的消耗，同時提高燒結礦質量，針對某鋼鐵公司富礦粉燒結進行優化配礦實驗研究。選用南非富礦粉、巴西卡粉與南非精礦粉1 、 2進行了燒結配礦優化研究。結果表明：最優配礦方案為 6＃ ，其中巴西卡粉、南非富礦粉、南非精礦粉 1 配比為15∶70∶15 。其利用系數為2.66t ／（ m² · h ），轉鼓指數為63．39％ ， RI 、 RDI_＋3.15 分別為70.06％和51.30％ ，熔滴性能總特性 S 值為1419kPa · ℃ 。

關鍵詞：富礦粉燒結；燒結測試；優化方案

目前，中國鋼鐵行業面臨著環保和能源壓力越來越大、上游資源缺乏保障等問題，而且自2009年后，中國鋼鐵行業進入微利甚至局部虧損的時代，因此，節能降耗成了鋼鐵行業關注的話題^［1-4］ 。燒結作為高爐原料供應工序能耗較大，降低燒結工序能耗，能夠降低鋼鐵生產的綜合能耗、節約生產成本。外礦以其較高的性價比在國內鋼鐵企業被廣泛使用，根據國外富礦粉性質，增大富礦粉使用量能進一步節約能源，降低燒結成本，提高企業競爭力。

由于不同外礦的性能差異較大，因此，在使用新外礦之前需要針對性地研究其配礦方案，以穩定燒結礦質量。筆者在某鋼鐵公司全外礦燒結原料條件下，對配加高比例富礦粉進行燒結優化實驗研究。以燒結利用系數、燒結礦轉鼓指數、低溫還原粉化性能和還原性為主要考察指標，并考慮到熔滴性能總特性 S 值、燒結料中 TiO₂ 含量、堿負荷以及燒結料中南非精礦粉使用量對富礦粉燒結實驗的影響，最終通過加權灰色關聯度法確定出最佳燒結配礦方案，為富礦粉燒結生產提供參考指導。

1　 實驗材料

采用某鋼鐵公司全外礦富礦粉為燒結原料，分別為南非富礦粉、巴西卡粉、南非精礦粉1和南非精礦粉2 ，其化學成分見表1 。

通過對2種富礦粉進行篩分稱量得出的粒度組成如表2所示，同時對精礦粉利用庫爾特 LS － 230型激光粒度分析儀（貝克曼庫爾特商貿有限公司）進行了粒度分析，其粒度組成如表3所示。利用蔡司偏光顯微鏡（Axioskop40Pol  ，上海蔡康光學儀器有限公司）對4種燒結礦的礦相結構進行觀測，其結果如表4所示。同時運用 TSJ －3型微型燒結機（北京科技大學研制）對4種礦粉的燒結基礎特性進行檢測，其結果如表5所示。

燒結一般要求鐵礦粉的同化溫度在1275～1315℃比較合適，由表4可知，4種礦粉中同化溫度相對較好的為巴西卡粉，其同化溫度為1270℃ ，在配礦過程中應將同化性能較好的礦粉與較差的礦種搭配使用，從而提高鐵礦粉燒結過程中的液相量，改善燒結礦的質量；南非精礦粉1 、南非精礦粉2的液相流動性指數為0 ，液相流動能力很差，而南非富礦粉、巴西卡粉液相流動性指數較好分別為1.42和0.24 ，因此，南非精礦粉可與南非富礦粉、巴西卡粉配合使用，改善富礦粉燒結過程中的液相流動能力；巴西卡粉的黏結相強度最高為4257N ，在使用南非精礦粉時適當配加巴西卡粉是比較合理的選擇；巴西卡粉金屬相組成中赤鐵礦含量最多，最高可達25％ ；另外燒結礦的優質黏結相為鐵酸鈣，鐵酸鈣越多燒結礦質量越好，南非富礦粉、巴西卡粉黏結相組成較理想，最高都可達45％ ；而且南非富礦粉、巴西卡粉粒度大于5mm 的占30％～45％ ，大粒度的礦偏多，燒結過程中液相量少，大粒度礦爆裂現象嚴重，會導致燒結礦強度下降，大量使用時會影響燒結礦產量和質量。

通常要求燒結混勻礦的同化性、液相流動性在適宜區間，而單種鐵礦粉的同化性、液相流動性很難滿足這一需求，故需要依據不同鐵礦粉的同化性、液相流動性差異，通過互補配礦方式予以解決 ^［5-13］ 。因此，對南非富礦粉、巴西卡粉與南非精礦粉1和南非精礦粉2進行燒結配礦優化研究具有重要意義，為降低燒結能耗提供理論依據。

2　 實驗方案及設備

2.1　 實驗方案

為了提高燒結礦性能，針對配加高比例富礦粉進行燒結優化實驗研究，以堿度1.9 ，燃料配比5.0％ ，混合料水分控制在6.2％左右，對４種鐵礦粉進行燒結配礦。以生產現場給定的最高燒結礦堿金屬、TiO₂ 含量為標準，經計算得到7種配礦方案即1＃～7＃ 。燒結配礦具體方案如表6所示。

2.2　 燒結杯實驗及設備

燒結杯內徑為210mm ，各次實驗用料按實驗設計方案配料，然后加入Ø600mm×1200mm 的小型圓筒混料機內進行混勻造球、補水，混勻造球的時間控制為7min 。燒結杯底層放置2.0kg 、 10～16mm的成品燒結礦作為鋪底料，燒結料層厚度控制為600mm ，燒結負壓控制為1200Pa 。采用石油液化氣進行燒結點火，燒結點火溫度控制為1150℃ ，燒結點火時間為2.0min ，燒結點火負壓控制為8000Pa ，將燒結廢氣溫度開始下降時定為燒結終點。燒結實驗裝置如圖1所示。

燒結礦的轉鼓強度根據（ YB ／ T5166 — 2005 ）燒結礦轉鼓強度檢測方法進行；低溫還原粉化實驗根據《鐵礦石低溫粉化實驗靜態還原后使用冷轉鼓的方法》（ GB ／ T13242 — 1991 ）進行；還原性采用國家標準（GB ／T13241 — 1991 ）進行測定。

3　 實驗結果與分析

3.1　 配礦方案與燒結利用系數的關系

配礦方案與利用系數的關系如圖2所示，燒結成品率及垂直燒結速度見表7 。燒結利用系數與燒結成品率及垂直燒結速度有關，從圖2中1＃ 、2＃ 、3＃ 的對比可以發現，隨著南非精礦粉2配比的減少，燒結利用系數基本趨于降低，這主要是由于南非精礦粉２的粒度基本均小于0.15mm ，該粒級作為黏附細粒使得南非精礦粉2的成球性得到改善。隨著南非精礦粉2配比降低，混合礦粉的成球性和燒結礦強度下降，成品率也隨之下降，同時使料層透氣性惡化和垂直燒結速度下降，從而導致燒結利用系數降低。從3＃ 、4＃ 、5＃ 的對比發現，隨著南非富礦粉配比提高，燒結利用系數顯著減小。這主要是由于南非富礦粉的粒度過大，燒結過程中易崩裂，使燒結礦成品率及垂直燒結速度降低，進而嚴重影響燒結利用系數。從 5＃ 、6＃ 、7＃ 的對比發現隨著非精礦粉1的增加，燒結利用系數呈下降趨勢。這主要是由于南非精礦粉１顆粒粒徑多數處于0.15～1mm ，處于該粒徑范圍的顆粒既不能成為制粒小球的核心，也不能構成黏附層，最終成為混合料中不能成球的粉末，成球性能極差。 7種配礦方案對比發現，1＃ 配礦的利用系數最佳，其次為 6 ＃ ，兩者差別不大。

3.2　 配礦方案與燒結礦轉鼓指數的關系

圖3為配礦方案與燒結礦轉鼓指數的關系。由圖3可知，燒結礦的轉鼓指數相差較小，基本在62％左右。說明不同的配礦方案對轉鼓指數影響不大。造成這一現象的原因主要有3方面：從粒度的角度考慮，南非富礦粉、南非精礦粉1的增加均會使燒結礦強度下降；其次，南非精礦粉中的 MgO 抑制了 β － 2CaO · SiO₂向 γ －2CaO · SiO₂ 轉變，可以減輕或防止燒結礦粉化；另一方面，燒結礦的轉鼓指數主要與鐵礦粉燒結基礎特性中黏結相強度和連晶強度有關。轉鼓指數是隨著鐵礦粉黏結相強度和連晶強度的增大而升高，原因是燒結礦的固結主要是依靠黏結相對周圍核狀礦石的黏結完成，高強度的黏結相會增大黏結相對周圍核狀礦石的固結作用，進而提高燒結礦的轉鼓指數。燒結過程由于物料偏析不能產生足夠液相時，鐵礦粉通過單元或多元系的固相擴散形成固溶體產生連接，即鐵礦粉的連晶對燒結礦固結又起到了主要作用。綜合三方面作用燒結礦的強度無明顯變化 ^［14 ］ 。

3.3　 配礦方案與燒結礦冶金性能的關系

3.3.1　 配礦方案對低溫還原粉化性能的影響

配礦方案下的燒結礦低溫粉化性能如圖4所示。對比方案1＃ 、2＃ 、3＃ 發現隨著南非精礦粉２粉的減少，燒結礦的低溫還原粉化性總體呈現出降低趨勢；對比3＃ 、4＃ 、5＃ 發現隨南非富礦粉配比增加，燒結礦的低溫還原粉化性能得到改善；5＃ 、6＃ 、7＃ 的對比則發現隨著南非精礦粉1的增加，燒結礦低溫還原粉化性顯著降低。整體來看2＃ 配礦方案的低溫還原粉化性更好，6＃ 次之。南非精礦粉2的成球性要優于南非精礦粉1，這導致南非精礦粉2含量的降低影響了燒結礦的低溫還原粉化性能。另一方面， MgO 含量也是影響燒結礦低溫還原粉化性能的一個因素， MgO 具有穩定燒結礦低溫還原粉化性的作用，南非精礦粉1的 MgO 含量要高于南非精礦粉2 ，這一因素導致了在降低南非精礦粉2配比的過程中，其低溫還原粉化性指數提高。南非富礦粉和巴西卡粉礦物組成相差不大，而南非富礦粉大粒徑顆粒所占比例比巴西卡粉的小，燒結過程中要生成相對更多的液相，且大顆粒爆裂現象更少，因此，南非礦的增加使得燒結礦低溫還原粉化性得到改善。南非精礦粉1的成球性能極差，其配比的增加惡化了料層的透氣性，抑制了液相的生成與發展，優質黏結相鐵酸鈣生成減少，燒結礦強度降低。

3.3.2　 配礦方案對還原性能的影響

配礦方案與燒結礦還原性能的關系如圖5所示。由圖5可知，所有配礦方案的燒結礦還原性能較差。不同配礦條件下，燒結礦還原性在64.80％～70.06％ 之間變化，配礦方案 6＃ 的還原性能最高。從方案 1 ＃ 、2＃ 、3＃ 的對比可以發現隨著南非精礦粉2配比的減少，燒結礦還原性能降低；3＃ 、4＃ 、5＃ 的對比說明隨著南非富礦粉配比的增加燒結礦還原性能降低，5＃ 、6＃ 、7＃ 則說明隨著南非精礦粉 1 配比的增加而降低。影響燒結礦還原性的因素主要有礦粉的液相流動指數、氣孔率、礦物組成及結構等。燒結礦物組成中赤鐵礦和鐵酸鈣有利于增強燒結礦的還原性，從表4中可以發現南非精礦粉1 、南非富礦粉、南非精礦粉2的赤鐵礦含量均相對較少，南非精礦粉 2 中的赤鐵礦含量要多于南非精礦粉 1 ，黏結相中的鐵酸鈣含量表現出了同樣的規律，另外鐵礦粉液相流動能力越強，燒結過程中生成的低熔點物質增多，燒結礦易形成薄壁多孔結構，氣孔率升高，還原性氣體與反應界面的接觸面積增大^［15］ ，因此，在適當減少南非精礦粉2 、巴西卡粉配比的同時增加南非富礦粉和南非精礦粉1 時，燒結礦的還原性降低。

3.3.3　 配礦方案對軟熔滴落性能的影響

熔滴性能總特性 S 值是 Ts 與Td 間曲線的積分面積，是一個綜合性指標，與Ts、 Td和 Δ Pmax 有關，一般認為總特性值越小越好。由表8可知，總特性值（S ／ kPa · ℃ ）由低到高的順序為3＃ 、7＃ 、2＃ 、1＃ 、4＃ 、6＃ 、5＃ 配礦方案。 5＃ 配礦方案 S值最高，為1497kPa · ℃ ， 3＃ 配礦方案最低，為930kPa · ℃ 。因此，參考 S值， 3＃配礦方案的軟熔滴落性最好。

3.4　 不同配礦方案的綜合分析

由于不同配礦方案的各項指標差異明顯，因此，需要綜合考慮各項指標，根據選取燒結利用系數、轉鼓強度、 RI 、RDI _＋3.15 、熔滴性能總特性 S 值、燒結料中 TiO₂ 含量、堿負荷、燒結料中南非精礦粉1使用量作為選擇配礦方案依據如表 9 所示。

利用加權灰色關聯度分析法 ^［16-17］ 對所采用的參數進行處理，該分析法是一種多因素統計分析法，根據各影響因素的樣本數據以及影響因素所占權重，計算出各影響因素的關聯度。該方法思路清晰，對數據要求較低，在許多領域得到了廣泛的應用 ^［18-19］ 。根據某鋼鐵公司要求的實際生產情況，對燒結參數和燒結礦性能評價指標賦予權重，所選權重如表10所示。利用該分析法得出７種方案的關聯度，并利用得出的關聯度評價各個方案的優劣，最終確定最優方案。計算各個方案的關聯度結果，如表11所示。

 表9可知，6＃ 方案的關聯度最高，配礦方案最好；1＃ 方案次之；2＃ 、3＃ 方案相差很小；4＃ 方案較好；5＃ 方案較差；最差配礦方案為7＃ 。

4 結 　 論

1 ）通過對 4 種礦粉的基礎分析，同化溫度相對較好的為巴西卡粉，其同化溫度為 1270 ℃ ；南非富礦粉、巴西卡粉液相流動性指數較好，分別為1.42和0.24 ；巴西卡粉的黏結相強度最高為4257N ；巴西卡粉金屬相組成中赤鐵礦含量最多，最高可達25％ ；南非富礦粉、巴西卡粉黏結相組成較理想，優質黏結相鐵酸鈣含量最高都可達45％ ，因此，應將4種礦粉配合使用。

2）通過對不同燒結配礦方案的燒黏性能比較， 1＃ 方案的利用系數最高，為2.72t ／（ m² · h ），6＃ 次之，為2.66t ／（ m² · h ）。 6＃ 方案的還原性最優，為70.06％ ， 7＃ 方案的最差，為64.8％ 。 2＃ 方案的低溫還原粉化性能最好，6＃ 次之。5 ＃ 配礦方案的轉鼓指數最佳，為62.67％ ， 2＃ 方案的最差，為61.91％ ，各方案的差別很小。3＃ 配礦方案的軟熔滴落性最好，熔滴性能總特性 S值為930kPa · ℃ ， 5＃ 最差為1497kPa · ℃ 。

3 ）在富礦粉燒結實驗中，通過對７種優化配礦方案的綜合分析得出：最優配礦方案為6＃ ，其中巴西卡粉、南非富礦粉、南非精礦粉1配比為15∶70∶15 。富礦粉燒結實驗方案 6＃ 在保證燒結性能的基礎上，能夠降低燒結能耗和燒結過程成本。

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