钟强, 高梓朔, 姜文政, 项思敏, 姜涛

 (中南大学 资源加工与生物工程学院，湖南 长沙，410083)

摘要：针对以细粒铁精矿为主的厚料层烧结，采用燃料分加强化技术，研究了二次焦粉比例、焦粉-0.5mm粒级含量等对细粒铁精矿烧结矿产、质量的影响，探明烧结产品矿物组成和显微结构的变化。结果表明：烧结所用焦粉-0.5mm粒级达51.85%，粒度偏细；基于制粒水分8.0%、焦粉配比5.3%的优化条件下，通过适宜的焦粉分加，提高了烧结矿产、质量指标，当二次焦粉比例为50%时，烧结矿成品率、转鼓强度、利用系数提升了1.68%、1.16%、3.64%，固体燃耗降低了1.42%；适宜的焦粉分加改善了烧结矿微观结构，提高了结晶良好的针、条状铁酸钙含量；每吨烧结矿减少2.5 kg的CO排放。

关键词：铁精矿烧结；燃料分加；烧结指标；铁酸钙

目前，我国烧结矿生产规模高达10亿吨/年，烧结矿在高炉含铁炉料中比例达80%左右，因此铁矿烧结承担着为钢铁冶炼提供优质炉料的重要任务。烧结技术推陈出新带动烧结矿产质量提高、固体燃耗降低和污染物排放减少，对钢铁行业低碳绿色转型具有重要的现实意义^[1-4]。

燃料分加技术是一种将部分燃料在二混过程中加入的技术，使得部分燃料粘附在制粒小球的表面，改善烧结混合料中燃料的燃烧活性^[5-6]。通过燃料分加技术，可有效从动力学上改善烧结料层中燃烧前沿与传热前沿的匹配问题，保证烧结料层高温区的集中，进而提高烧结速度、成品率和利用系数，降低烧结燃耗^[7-8]。已有文献研究了燃料分加技术中燃料粒度、熔剂含量、搭配、无烟煤与焦粉的搭配顺序以及焦粉种类对铁矿烧结的影响。固体燃料分加技术将一部分燃料与混合料混合，另一部分燃料在制粒过程中加入，使之覆盖在制粒小球的表面，从而提高燃料烧结的反应活性面。莱钢等钢铁厂有使用该技术可降低燃料消耗，但应用效果有限，且没有关注其对CO排放的影响 ^[9-12]。

本文通过优化焦粉配比、焦粉分加比例以及-0.5mm细粒级含量，系统研究了燃料分加技术对烧结指标及其微观结构、矿物组成的影响，以及燃料分加对烧结烟气CO排放的影响行为。

1 试验原料与方法

1.1 试验原料

铁精矿烧结试验所用含铁原料包括三种精矿（精矿A、B和C）和粉矿，配比为精矿A：精矿B：精矿C：粉矿=37.5%：12.5%：37.5%：12.5%，熔剂包括白云石、石灰石和生石灰，其主要化学成分和粒度组成分别如表1和表2所示。

表1 含铁原料及熔剂的化学成分 /％

由表1和表2可知，磁铁精矿与赤铁粉矿的TFe品位均高于64%，精矿B的SiO2含量较高。三种精矿的粒度过细，无核颗粒导致制粒性能差，特别是精矿A与精矿C的-0.074mm含量高达97.79％与95.00%，而粉矿的粒度分布较均匀。因此，适当增加部分粉矿提供制粒核心，从而改善制粒效果。石灰石和生石灰中的氧化钙含量符合烧结要求，白云石和石灰石的粒度分布均匀，0.5~3mm粒级的比例分别为40.4%和33.5%，为精矿制粒提供部分核颗粒。

表2 含铁原料及熔剂的粒度组成 /％

烧结试验所用燃料为焦粉，其灰分的化学成分和粒度组成见表3和表4。可知，焦粉灰分的氧化硅和氧化铝含量较高，焦粉-3mm粒级的含量达到92.63%，但-0.5mm粒级的含量达51.85%，焦粉中细粒级含量偏高。

表3 焦粉灰分的化学成分 /％

表4 焦粉的粒度组成 /％

1.2 试验方法

常规烧结与燃料分加烧结试验工艺流程图如图1所示，常规烧结中焦粉一次性由人工混匀再制粒，而燃料分加烧结中一部分焦粉由人工完成一次混匀，剩余焦粉在圆筒混合机中完成二次混匀与制粒，制粒时间均为5min。制粒后烧结混合料的烧结操作参数如表5所示。烧结指标包括烧结速度、成品率、转鼓强度、利用系数、固体燃耗，计算方法见相关文献^[13]。烧结矿的矿相结构借助Leica DMI4500P型光学显微镜，进行矿相鉴定和显微结构分析。

表5 烧结操作参数

图1 燃料分加烧结试验流程示意图

2 结果与讨论

2.1 常规烧结工艺参数优化

开展细粒铁精矿的常规烧结试验，分别研究了制粒水分和焦粉配比对烧结指标的影响，结果如图2所示。

（a）焦粉配比5.5%；（b）混合料水分含量8.0%左右

图2 混合料水分和焦粉配比对烧结指标的影响

由图2可知，随着制粒水分的增加，因细精矿混合料的制粒效果改善，使得烧结速度显著提升，同时适宜的水分强化了烧结过程的气-固传热效率，使得烧结矿的成品率、转鼓强度、利用系数都明显提升，反之，固体燃耗逐步减低，因此适宜的制粒水分为8.0%。

基于适宜的制粒水分，继续提高焦粉配比，所有烧结指标有所恶化，反而焦粉配比降低至5.3%，烧结矿的成品率与利用系数提升，固体燃耗处于最低值。因此，适宜的焦粉配比为5.3%。

2.2 燃料分加强化细粒铁精矿烧结

基于焦粉配比5.3%，保持焦粉原始粒度不变，采用燃料分加技术强化细粒精矿烧结，提升烧结产、质量。将一次焦粉与二次焦粉的比例由100%:0%调整至0%:100%，考察其对烧结指标的影响，结果如图3所示。

图3 燃料外配对烧结指标的影响

由图3可知，随着二次焦粉比例由0%提升至50%，进一步提升了烧结矿的产质量指标，成品率和转鼓强度分别提升，固体燃烧明显降低。然而，随着二次焦粉比例继续增大，烧结指标呈山体滑坡式下降，是因外配焦粉比例过高，焦粉全都裹附于制粒小球表面，在烧结过程中焦粉与气流中氧气充分接触，燃烧速率过快，从而导致传热前沿与燃烧前沿差距增大，导致料层最高温度较低，影响烧结成矿。因此，适宜的一次焦粉与二次焦粉比例控制在50%:50%以内。

因焦粉中-0.5mm粒级含量高达51.85%，考虑到焦粉外配时，细粒级焦粉相对于粗粒级更易被气流带走，更易燃烧，从而对燃料分加烧结产生不利影响。因此，在燃料内外配比为50%：50%的前提下，降低-0.5mm粒级含量并以+0.5mm粒级补充，考察其对烧结指标的影响，结果如图4所示。

 图4 -0.5mm粒级含量对烧结指标的影响

由图4可知，随着焦粉中-0.5mm粒级含量的提高，烧结速度在30%时达到最高值，烧结矿成品率和利用系数在40%时最高，转鼓强度在50%时最高，固体燃耗在50%时最低。总体而言，全部烧结指标随-0.5mm粒级含量提升有所改善，适宜的-0.5mm粒级含量为40%~50%，其原因是基于燃料分加，降低-0.5mm粒级含量使得二次焦粉中粗颗粒增多，其在混合料中主要以单一焦粉形式存在，在烧结中独自燃烧，释放的化学热与气流发生对流传热并随烟气向下传递，而辐射给附近铁矿颗粒的热量减少，导致燃烧带热量减少，温度降低，不利于局部混合料的烧结成矿。  

2.3 烧结矿化学成分及矿物组成

为进一步考察燃料分加技术对烧结的积极作用，选取3种优化条件下的烧结矿样品，对比分析主要化学成分、矿物组成及微观结构的变化。3种条件分别为：条件1为常规烧结，条件2为一次焦粉：二次焦粉=50：50，焦粉-0.5mm含量50%，条件3为一次焦粉：二次焦粉=50：50，焦粉-0.5mm含量30%三种烧结矿的主要化学成分结果如表6所示。

表6 不同烧结矿的主要化学成分

由表6可知，因烧结混合料配矿方案相同，3种烧结矿的主要化学组成基本相同，其中，焦粉-0.5mm含量为30%时，烧结矿的FeO含量略有提高，是因为燃料粗颗粒含量提高，在局部出现了弱还原性气氛，阻碍了FeO的充分氧化。三种烧结矿的铁氧化物、铁酸钙粘结相及孔隙结构如图5所示。基于多点的微观结构照片，以色差统计分析烧结矿主要矿物的含量，如图6所示。

由图5可知，由于在常规烧结中焦粉被细粒铁精矿裹附，其燃烧释热产生高温状态，样品1^#存在更多不规则、熔蚀状铁酸钙包裹磁铁矿，并与少量针状铁酸钙互联。适宜的燃料分加改善了料层热状态，利于烧结成矿，使得样品2^#出现结晶形态良好的针、条状铁酸钙，与磁铁矿相互交织，同时孔隙中嵌布着少量的硅酸盐液相，提高了烧结矿的整体结构强度。样品3^#的微观构造变差，以细小针状铁酸钙连接磁铁矿、次生赤铁矿，孔隙较多。

由图6可知，主要矿物均为铁酸钙、赤铁矿、磁铁矿、硅酸盐和玻璃相，与普通烧结矿比较，采用燃料分加获得烧结矿的铁酸钙含量增加，赤铁矿、磁铁矿和硅酸盐的总含量有减少。

（a）样品1^#；（b）样品3^#；（c）样品2^#；（d）样品3^#

图5 烧结矿的微观结构

图6 烧结矿的矿物组成（质量分数）

2.4 烧结烟气CO的排放行为

为进一步考察燃料分加技术对烧结烟气CO的减排作用，对比研究了条件1（常规烧结）和条件2（一次焦粉：二次焦粉=50：50，焦粉-0.5mm含量50%）的烧结烟气CO_x排放行为，其结果分别如图7和图8所示。

由图7可知，常规烧结过程和燃料分加烧结过程的CO₂和CO烟气排放规律基本一致。在烧结点火阶段，CO₂和CO大量排放，点火结束后CO₂和CO排放趋于平缓。另外，烧结过程中CO₂排放量远大于CO排放量。烧结烟气CO₂主要为燃料燃烧和石灰石等物质分解反应产生的，CO主要为局部区域燃料不充分燃烧产生的。根据图8计算的CO排放量，常规烧结过程和燃料分加烧结过程每吨烧结矿CO排放量分别为40.92 kg和38.42 kg，采用燃料分加方式，每生产一吨烧结矿能减少2.5 kg的CO排放，烧结烟气CO减排效益明显。

图7 常规烧结和燃料分加烧结过程的COx排放行为

图8 燃料分加对烧结烟气CO的减排效应

3 结论

（1）细粒铁精矿烧结所用焦粉-0.5mm粒级达51.85%，粒度偏细。制粒水分8.0%、焦粉配比5.3%的优化条件下，烧结矿的成品率、转鼓强度、利用系数和固体燃耗分别为69.60%、66.03%、1.65 t∙(m²∙h)^-1和54.95 kg∙t^-1；

（2）通过适宜的燃料分加强化细粒铁精矿烧结，提高烧结矿产、质量指标，当二次焦粉比例为50%时，烧结矿成品率、转鼓强度、利用系数分别为70.77%、66.80%、1.71 t∙(m²∙h)^-1，提升了1.68%、1.16%、3.64%，固体燃耗为54.17 kg∙t^-1，降低了1.42%。

（3）相对细粒铁精矿常规烧结，采用燃料分加技术，改善了烧结矿微观结构，提高了结晶良好的针、条状铁酸钙含量，铁酸钙与磁铁矿相互交织，结构致密。采用燃料分加方式，每生产一吨烧结矿能减少2.5 kg的CO排放，烧结烟气CO减排效益明显。

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