郝樂(lè)1   ， 趙晉1    ，  姚春強(qiáng)1 ，趙建峰1

（1. 首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司煉鐵部燒結(jié)作業(yè)區(qū)，河北 唐山063210）

摘要：本文以京唐500m²燒結(jié)機(jī)為研究對(duì)象，從焦粉粒度、混合料水分、上料量、燒結(jié)布料、燒結(jié)煙道溫度、終點(diǎn)位置以及冷卻制度等操作角度分析了影響返礦率的因素。研究表明，焦粉<3mm比例控制在74 %、實(shí)施低水燒結(jié)、上料量在1050t/h左右、平整布料、煙道溫度控制在160℃、終點(diǎn)位置控制在92m-93m、勻速冷卻燒結(jié)礦，有利于降低燒結(jié)返礦率。

關(guān)鍵詞：燒結(jié)；返礦率；影響因素

1   前言

鐵礦粉、熔劑、焦粉等經(jīng)過(guò)燒結(jié)，供給高爐成分及粒度合適的物料，<6.3mm的燒結(jié)礦，作為返礦，繼續(xù)參與到燒結(jié)配料中。返礦量的多少，即返礦率，直接影響燒結(jié)礦的成本、固體燃耗和產(chǎn)量。因此，降低返礦率意義重大。

文獻(xiàn)表明^[1-2]，返礦大部分來(lái)自表層強(qiáng)度較差的燒結(jié)礦，部分返礦在料層中、下部產(chǎn)生；返礦產(chǎn)生的根源在于燒結(jié)高溫過(guò)程中形成的液相未能充分流動(dòng)粘結(jié)到小粒度的物料，或者燒結(jié)礦在破碎、冷卻、轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中由于強(qiáng)度不高而粉碎。前人主要通過(guò)原料配礦結(jié)構(gòu)^[3]、點(diǎn)火溫度^[4]、料面壓料,、整粒制度等等進(jìn)行了降低燒結(jié)返礦率的攻關(guān)。

本文結(jié)合京唐燒結(jié)500m²燒結(jié)機(jī)，從焦粉粒度、混合料水分、上料量、燒結(jié)布料、燒結(jié)煙道溫度、終點(diǎn)位置以及冷卻制度等操作角度對(duì)影響返礦率的因素進(jìn)行了分析，以期能夠?yàn)榻档途┨茻Y(jié)返礦率提供技術(shù)依據(jù)。

2   影響返礦率的因素

2.1  燃料粒度影響

燃料用量對(duì)返礦的產(chǎn)生起著重要作用，也與燒結(jié)礦FeO含量直接相關(guān)。為此，改變?nèi)剂狭６冉M成，成為影響燒結(jié)過(guò)程和返礦量的主要因素。對(duì)單一粒徑焦粉顆粒，氣體擴(kuò)散率和燃燒反應(yīng)能力與顆粒粒度成反比。顆粒越小，燃燒越快，燃燒時(shí)間越短。但是燒結(jié)中的燃燒復(fù)雜，焦粉可以嵌入混合料顆粒中去，限制氧氣與碳的接觸。隨著焦粉粒度減小反而會(huì)使燃燒效率下降，尤其是小于1mm的粉末對(duì)燒結(jié)有明顯的負(fù)面影響^[5]。過(guò)細(xì)的焦粉不能形成足夠的高溫區(qū)域，料層中的熱量很快被氣流帶走，難以在自身周圍建立起成塊燒結(jié)礦，并且會(huì)被氣流從上層吹到下層，損害燒結(jié)礦強(qiáng)度，使粉末增多;當(dāng)焦粉粒度過(guò)大時(shí)，燃料在料層中分布不均勻，同樣的用量，使碳在料層中的分布點(diǎn)減少；另一方面，布料時(shí)大粒度燃料易于偏析在料層下部，使燃燒速度變慢，燃燒層加厚，在燃料集中的部分產(chǎn)生過(guò)熔，影響燒結(jié)礦產(chǎn)質(zhì)量。

據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐和現(xiàn)有設(shè)備能力的條件下， <3mm的燃料粒度對(duì)返礦量的形成有很大的決定作用。根據(jù)燃料粒度與燒結(jié)返礦率關(guān)系統(tǒng)計(jì)，返礦率最低的條件為：小于3mm焦粉的粒度在74.2%，小于3mm焦粉的粒度過(guò)多或過(guò)少都會(huì)使返礦率增加。

圖1 焦粉粒度、混合料水分與燒結(jié)返礦率的關(guān)系

2.2混合料水分影響

燒結(jié)料中保持一定水分是保證燒結(jié)順行的必要條件，混合料水分大小對(duì)料層透氣性和燒結(jié)礦粒度組成有較大影響^[1-2]。水分過(guò)小會(huì)使料層透氣性變差，從而使燒結(jié)過(guò)程的熱傳遞變差，燒結(jié)時(shí)間長(zhǎng)，燃料燃燒不完全，燒結(jié)料得不到充分的熔化而使液相不充分，致使燒結(jié)礦品質(zhì)變差；水分過(guò)大會(huì)使料層中蒸發(fā)吸熱，增加熱流失，燒結(jié)時(shí)間短，得不到充足的時(shí)間粘結(jié)，導(dǎo)致結(jié)礦物理性能下降，使散料增多。

隨著我廠礦粉中粗粒度的增加，粗粒度的表面積相對(duì)較小，其顆粒吸收的水分變少，因此混合料水分應(yīng)適當(dāng)減小。根據(jù)生產(chǎn)數(shù)據(jù)顯示，水分由7.0%逐步降到6.0%時(shí)，返礦呈下降趨勢(shì)。

圖2 混合料水分與返礦率的關(guān)系

由圖2可知，在不同上料量下混合料水分降低均不同程度地促使返礦率降低。尤其是上料量較高時(shí)，在風(fēng)機(jī)能力允許的條件下，低水燒結(jié)作用更加明顯。平均返礦率下降2個(gè)百分點(diǎn)。

2.3上料量的影響

在一定條件下，燒結(jié)機(jī)產(chǎn)量與垂直燒結(jié)速度成正比^[1]，而垂直燒結(jié)速度隨通過(guò)料層的風(fēng)量增加而增快。若提高燒結(jié)上料量必然就要加大風(fēng)量，加快垂直燒結(jié)速度。而垂直燒結(jié)速度的快慢影響著燒結(jié)礦的粒度組成^[6]。隨著垂直燒結(jié)速度加快，料層中的高溫保持時(shí)間將變短，液相形成不充分。料層上部的結(jié)礦也會(huì)隨著風(fēng)量的增加，加快凝結(jié)速度，最終使粉末量增加。表1是實(shí)際生產(chǎn)時(shí)在不同上料量中對(duì)應(yīng)的平均垂燒速度。

表1 上料量對(duì)應(yīng)的垂直燒結(jié)速度

隨著上料量不斷增加，致使垂直速度也加快，利用系數(shù)提高的同時(shí)返礦量逐漸上升。圖3是不同上料量對(duì)應(yīng)的返礦率波動(dòng)區(qū)間，可以直觀看出，上料量越大，返礦率越高。

圖3 燒結(jié)在不同上料量下的平均返礦率比較

而對(duì)于燒結(jié)出礦率及成本，在上料量較低時(shí)增加上料量有利于燒結(jié)利用系數(shù)提高，但隨著上料量逐漸增大時(shí)，燒結(jié)返礦率上升，出礦率開(kāi)始明顯降低（見(jiàn)圖4）。當(dāng)上料量超過(guò)1100t/h時(shí)，每提高50t/h上料量，則成品礦產(chǎn)量只能增加不足5t/h，尤其是當(dāng)料量超過(guò)1200t/h，成品礦則會(huì)出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)。既要保持燒結(jié)產(chǎn)能，又要結(jié)合出礦成品量，將上料量維持在1050 t/h左右，比較適宜。

圖4 燒結(jié)不同上料量下的出礦率和成品率的比較

2.4燒結(jié)布料厚度及布料偏析的影響

2.4.1布料厚度

厚料層燒結(jié)早已經(jīng)是業(yè)界成熟的工藝，大量生產(chǎn)實(shí)踐均能證明布料厚度增加可以提高轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度，降低返礦的產(chǎn)生^[7]。但實(shí)施厚料層燒結(jié)的制約條件比較苛刻，需要從原料準(zhǔn)備、改善料層透氣性、風(fēng)機(jī)能力、電耗綜合成本等多個(gè)因素考慮，適宜的布料厚度需要綜合考慮。目前我廠布料厚度浮動(dòng)在900±20mm之間。

表2 850mm和900mm布料厚度下返礦率的對(duì)比

表2數(shù)據(jù)分別反映了不同上料量時(shí)，布料厚度850mm和900mm時(shí)返礦率的情況，兩者相差約1.5個(gè)百分點(diǎn)。也說(shuō)明了燒結(jié)機(jī)料層厚度增加，可以降低燒結(jié)礦粉末含量。

2.4.2布料厚度偏析  

燒結(jié)機(jī)布料平面如圖5所示，通過(guò)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)在布料雷達(dá)反饋出現(xiàn)偏差、環(huán)境惡劣的情況下，讓5m寬的臺(tái)車在六個(gè)小閘門作用下，實(shí)現(xiàn)均勻布料是比較困難的。平均布料厚度在900mm時(shí)，1#、2#、3#閘門任何一個(gè)厚度偏差10mm都會(huì)影響左側(cè)煙道溫度變化5℃，相反4#、5#、6#的料厚波動(dòng)，將會(huì)影響到右側(cè)煙道溫度。若出現(xiàn)卡塊拉溝等形況，薄料呈“V”形出現(xiàn)在料面上，拉溝的部位是整個(gè)料面最低的地方，兩個(gè)側(cè)面是最疏松的部位，透氣性最好的區(qū)域^[8]。使臺(tái)車橫向氣流分布不均勻，造成出現(xiàn)不同的垂直燒結(jié)速度，而料層中不同是垂直燒結(jié)速度又會(huì)反過(guò)來(lái)加重氣流的不均勻性，勢(shì)必出現(xiàn)欠燒和過(guò)燒，使返礦量增加。

圖5 布料平面圖

2.5 終點(diǎn)位置影響

終點(diǎn)位置是燒結(jié)機(jī)操作的主要依據(jù)，直接關(guān)系到燒結(jié)礦各項(xiàng)物化指標(biāo)及技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。我廠控制要求在92m±2m之間，目的是將燒結(jié)終點(diǎn)控制在最優(yōu)位置附近，保證燒結(jié)終點(diǎn)的穩(wěn)定和整個(gè)燒結(jié)面積的合理有效利用。終點(diǎn)位置靠前，會(huì)使風(fēng)機(jī)能耗浪費(fèi)、過(guò)大的風(fēng)量給除塵系統(tǒng)帶來(lái)壓力、篦條燒損嚴(yán)重；終點(diǎn)位置滯后，機(jī)尾斷面的燒齊程度不好判斷，會(huì)有部分未燒結(jié)的生料進(jìn)入環(huán)冷機(jī)，使粉末量增加。

圖6 燒結(jié)礦返礦率與終點(diǎn)位置位置關(guān)系

經(jīng)生產(chǎn)實(shí)踐證明，終點(diǎn)位置變化會(huì)引起返礦波動(dòng)，并且終點(diǎn)位置控制在92m-93m之間能夠使返礦率維持在低點(diǎn)。圖6是1000t/h上料量終點(diǎn)位置位置與返礦率的對(duì)應(yīng)關(guān)系。可見(jiàn)，隨著終點(diǎn)位置向93m靠近，返礦率呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，然而，終點(diǎn)位置過(guò)于靠前，返礦率又有所升高。

分析原因認(rèn)為：（1）終點(diǎn)位置位置靠前，部分燒結(jié)礦實(shí)現(xiàn)了“機(jī)上冷卻”。機(jī)上冷卻與環(huán)冷的冷卻原理不同。環(huán)冷時(shí)，氣流通過(guò)燒結(jié)礦表面，主要以對(duì)流換熱方式進(jìn)行冷卻，冷卻速度取決于塊度較大的燒結(jié)礦從中心向外傳熱的速度，使周圍造成急冷，結(jié)礦應(yīng)力增加，導(dǎo)致結(jié)礦破裂，粉末增加；機(jī)上冷卻時(shí)，熾熱燒結(jié)礦存在的大量氣孔，使冷卻氣流與燒結(jié)礦接觸的面積增大而且均勻。另外，到達(dá)下部高溫區(qū)的空氣是已被加熱的，冷卻過(guò)程中溫度緩慢下降，而且又是循序漸進(jìn)的，因此燒結(jié)礦的粒度均勻，粉末較少。文獻(xiàn)表明^[2]，機(jī)上冷卻燒結(jié)礦強(qiáng)度好，粒度較均勻，燒結(jié)礦返礦率比其它機(jī)外冷卻低2%-3%。（2）然而，終點(diǎn)位置過(guò)于靠前，燒結(jié)時(shí)間縮短，高溫保持時(shí)間短，不利于液相的充分生成和流動(dòng)粘結(jié)，使料層中下部結(jié)晶不完全，粉末增多，從而造成返礦升高。兩種因素共同作用，造成返礦率的最優(yōu)值和終點(diǎn)位置呈現(xiàn)“U”型形狀。

2.6燒結(jié)煙道溫度影響

我廠每臺(tái)煙道溫度控制在140℃-160℃。正常生產(chǎn)中，煙道溫度變化規(guī)律是和燃料燃燒和料層透氣性有關(guān)，它的高低主要取決于燒結(jié)終點(diǎn)前后位置的高溫區(qū)域。煙道溫度不同于終點(diǎn)溫度僅能代表一個(gè)點(diǎn)的情況，而是將終點(diǎn)溫度縱深拉開(kāi)，以線代點(diǎn)。更能夠反映整個(gè)燒結(jié)過(guò)程的變化。煙道溫度的高低變化直觀地反映了當(dāng)前燃料用量、水分情況、布料等燒結(jié)參數(shù)。

生產(chǎn)實(shí)踐證明，一定條件下，煙道溫度的高低對(duì)返礦量的變化影響較大。圖7是1號(hào)機(jī)120小時(shí)的小時(shí)煙道溫度與返1皮帶小時(shí)累積量關(guān)系，其中上料量為1000t/h（返1皮帶流量高出的異常點(diǎn)為每班集中放灰所致）。從圖中可以看出煙道溫度160℃左右時(shí)，返1量為270t；而煙道溫度低于140℃時(shí)返1量則大于290t。相差20t折合返礦率為2%。

煙道溫度高（160℃左右）說(shuō)明：在燃料、水分用量合適的情況下，燒結(jié)過(guò)程在臺(tái)車上的完成度要高，機(jī)尾出現(xiàn)欠燒的現(xiàn)象要少，有較好的燃燒固結(jié)過(guò)程，粉末量較少。煙道溫度低（<140℃）說(shuō)明：燒結(jié)燃燒速度和傳熱速度不匹配，燒結(jié)終點(diǎn)滯后，高溫區(qū)向后移動(dòng)，甚至部分燒結(jié)過(guò)程被拖到環(huán)冷機(jī)二次燒結(jié)，機(jī)尾燒齊度不一，勢(shì)必出現(xiàn)欠燒和夾生物料。

圖7 1號(hào)燒結(jié)礦煙道溫度與返礦量變化情況

上圖說(shuō)明的僅是在參數(shù)規(guī)定范圍內(nèi)的變化情況，如果打破條件制約讓煙道溫度上升到180℃或下降到120℃時(shí)，還以1000t/h的上料量計(jì)算，那么兩者的小時(shí)返礦量將相差100t左右。所以說(shuō)煙道溫度的變化從操作角度來(lái)講是影響返礦量的重要因素。

2.7冷卻速度的影響

我廠環(huán)冷機(jī)面積為580㎡，冷燒比為1.05:1，布料厚度1400mm，可用6臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)分段冷卻燒結(jié)礦。

冷卻速度過(guò)快，燒結(jié)礦中結(jié)晶速度極小的礦物容易凝結(jié)成玻璃相，且燒結(jié)礦中熱應(yīng)力增加，致使燒結(jié)礦的強(qiáng)度變差，粉末增多，返礦率上升；若燒結(jié)礦的冷卻速度降低，有利于改善燒結(jié)礦中各種礦物的結(jié)晶過(guò)程和再氧化過(guò)程，提高燒結(jié)礦中赤鐵礦、鐵酸鈣和硅酸鹽的含量，同時(shí)降低燒結(jié)礦中的熱應(yīng)力，從而有利于改善燒結(jié)礦的冷態(tài)機(jī)械強(qiáng)度；若燒結(jié)礦冷卻速度太慢，對(duì)燒結(jié)礦質(zhì)量也是不利的。冷卻時(shí)間太長(zhǎng)，對(duì)于結(jié)晶速度極小的礦物已完成結(jié)晶，而相反燒結(jié)礦中其他各種礦物結(jié)晶溫度與晶粒長(zhǎng)大的速度相差太大，熱膨脹系數(shù)也各不相同，再加上各種礦物晶粒在燒結(jié)礦體中分布不均勻，因此當(dāng)燒結(jié)礦冷卻速度太慢時(shí)，燒結(jié)礦強(qiáng)度反而有下降的趨勢(shì)，也會(huì)使粉末增多^[9]。

圖8 環(huán)冷機(jī)冷卻溫度曲線

對(duì)環(huán)冷機(jī)冷卻速度進(jìn)行分析，存在著“前快后慢”的現(xiàn)象。在5次環(huán)冷機(jī)冷卻溫度檢測(cè)中，曲線整體都呈下凹式曲線。燒結(jié)礦經(jīng)過(guò)余熱循環(huán)風(fēng)機(jī)冷卻后，欄板溫度在300℃左右，依次全開(kāi)啟各鼓風(fēng)機(jī)，測(cè)得欄板溫度在2號(hào)、3號(hào)鼓風(fēng)機(jī)上每分鐘下降15℃，而經(jīng)過(guò)4號(hào)鼓風(fēng)機(jī)后欄板溫度下降到每分鐘5℃。從圖8可以明顯的看出溫度拐點(diǎn)。在環(huán)冷機(jī)布料厚度為1400mm的情況下，這就使得2、3號(hào)鼓風(fēng)機(jī)之間，下部的結(jié)礦冷卻強(qiáng)度過(guò)大，造成急冷，使粉末增多。

通過(guò)調(diào)整環(huán)冷鼓風(fēng)量，減小前段結(jié)礦的冷卻強(qiáng)度，尤其是下調(diào)2#、3#風(fēng)機(jī)風(fēng)量，將前段冷卻強(qiáng)度放緩。并增大后段鼓風(fēng)量，以保證冷卻效果達(dá)標(biāo)。使“前后”冷卻速度趨于一致，達(dá)到溫度勻速下降每分鐘12℃左右。急冷現(xiàn)象得到有效抑制，同時(shí)燒結(jié)返礦率有明顯降低趨勢(shì)，操作調(diào)整前后返礦率相差0.5個(gè)百分點(diǎn)（見(jiàn)圖9）。但是此操作方法局限于在冷卻效果良好的情況下使用，若出礦溫度過(guò)高，還需依次全開(kāi)各鼓風(fēng)機(jī)。

圖9 環(huán)冷鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)門調(diào)整前后返礦量變化

3 京唐燒結(jié)降低返礦率的綜合效果

通過(guò)對(duì)上述影響返礦因素的總結(jié)，并在生產(chǎn)過(guò)程中不斷地實(shí)踐調(diào)整，在不同上料量的同期對(duì)比中均有所降低。2019年我廠返礦率平均為21.85%，2020年為18.78%。相同上料量的分析比較（見(jiàn)圖10），同比下，各段的返礦率均有所下降。

圖10  2019年與2020年不同上料量下返礦率對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

（1）根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)的總結(jié)和返礦率影響因素分析，發(fā)現(xiàn)燒結(jié)上料量變化對(duì)返礦率影響最大。

（2）基于目前原料條件，建議厚料低水操作，避免臺(tái)車?yán)瓬希O(shè)備允許下，提高煙道溫度、穩(wěn)定燒結(jié)終點(diǎn)在93m，控制好前段環(huán)冷速度，積極協(xié)調(diào)高爐倉(cāng)存情況，減少頻繁調(diào)整上料量，穩(wěn)步生產(chǎn)，以降低燒結(jié)返礦率。

（3）從生產(chǎn)操作角度來(lái)講影響返礦率的因素還不止如上這些，其他如各礦槽料位掌握情況、混合制粒效果、加水潤(rùn)濕時(shí)機(jī)以及人為因素的影響等，還需要進(jìn)一步的摸索、研究。

參考文獻(xiàn)

[1]   周取全.鐵礦石造塊理論及工藝[M].冶金工業(yè)出版社,1989.

[2]   王振龍.燒結(jié)原理與工藝[M].冶金工業(yè)部工人視聽(tīng)教材編輯部,1995.

[3]   裴生謙.降低燒結(jié)礦返礦率攻關(guān)實(shí)踐[J]. 2011.

[4]   魏宏亮.燒結(jié)機(jī)返礦率影響因素探討[J].燒結(jié)球團(tuán)，2010, 2: 10.

[5]   歐大明.焦粉粒度對(duì)鐵礦石燒結(jié)過(guò)程的影響[J].鋼鐵，2008, 10.

[6]   許斌.合理垂直燒結(jié)速度的研究[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)，2007, 4.

[7]   王洪江.首鋼京唐1號(hào)燒結(jié)機(jī)800mm厚料層燒結(jié)生產(chǎn)實(shí)踐[J]. 燒結(jié)球團(tuán), 2010, 6.

[8]   旺成.燒結(jié)臺(tái)面拉溝對(duì)生產(chǎn)的影響[J].馬鋼職工大學(xué)學(xué)報(bào), 2003, 10.

[9]   王素平.冷卻制度對(duì)燒結(jié)礦質(zhì)量影響的研究[C].2012年度全國(guó)燒結(jié)球團(tuán)技術(shù)交流年會(huì)論文集.