裴元东1, 史凤奎2, 3, 安 钢2, 赵志星1, 程铮明2, 3, 王洪江2, 石江山2

( 11 首钢技术研究院, 北京 100043; 21 首钢京唐公司, 河北 唐山 063200; 31 北京科技大学冶金与生态工程学院, 北京 100083)

摘 要: 通过在烧结现场吊取正常生产的烧结机台车, 对台车上物料和烧结矿进行分区域研究, 考察料层各区域烧结物料和烧结矿性能, 发现京唐两台 550 m2烧结机台车上物料分布存在以下问题: 1 粒度方面, 1 号机料层下部物料粒度过粗、偏析过大, 导致熔剂粘附少; 2 号机台车横向上物料分布不均匀, 从一侧到另一侧粒度差异较大。成分方面, 1 号机熔剂主要偏析分布在料层上层, 下层的物料粒度粗、熔剂少, 物料化学成分和C 含量的偏析均加剧; 2 号机上物料化学成分和C 含量在第二层出现异常, 表现出非线性偏析, 仅在SiO2和 Al2O3含量偏析上具有单调性。这些问题的存在, 制约了烧结矿质量的提高。

关键词: 铁矿烧结; 料层; 分区研究; 粒度偏析; 成分偏析

摘 要: 检测表明, 京唐550 m2烧结机料层各层各区烧结矿存在的问题为: 1 高温带宽度和移动速度沿台车宽度方向呈现一定的不均匀性; o除表层外, 沿料层高度往下, 烧结矿的转鼓指数和成品率等指标并不一定增高, 粒度降解程度反而越往下越大。基于以上研究, 提出了优化措施。实施后, 使得物料在台车宽度和高度方向上分布得到改善, 尤其是高度方向上偏析趋于合理, 烧结矿质量有所改善, 转鼓指数提高01 2~ 01 49 个百分点, 5~ 10 mm 比例降低 01 2~ 01 69 个百分点, 成品率提高 11 67% 。

关键词: 铁矿烧结; 分区研究; 高温料层; 粒度降解; 强度; 火焰前锋

1 前 言

随着铁矿资源的劣化, 以及烧结设备的逐步大型化, 台车上物料的分布状态不可避免地对烧结矿产质量产生影响。物料的性能, 如粒度分布和平均粒径等, 既影响烧结料层的透气性, 也在很大程度上影响烧结过程中的反应和烧结矿质量[1]; 料层内的粒度分布、燃料偏析状况等, 还对烧结过程和成品矿的均匀性产生较大影响。反之, 台车上各区域烧结矿的质量, 也是反映物料烧结效果的重要指针。

在强调设备大型化的同时, 如何精确操作,发挥大型设备的优势, 也是烧结工作者面临的一项任务。研究烧结料层内物料的分布状态及其对烧结矿质量的影响, 并寻找合理的应对措施, 成为当前的一项重要工作[ 2]。

本文采取吊出正常生产的烧结机台车, 对台车上物料和烧结矿进行分区域研究的方法,考察了料层各区域烧结物料和烧结矿性能[ 3],据此分析各层烧结矿质量的变化, 并提出应对措施。

2 研究方法

2、1 取样方法

在烧结停机检修时, 用天车将烧结机台车吊出轨道, 对台车上物料分区域取样分析。台车分为/ 不点火料层和/ 点火料层, 吊取示意图见图 1。其中, / 不点火料层为台车布料后在经过点火炉时将火关掉, 通过点火炉后取出分析; / 点火料层为台车正常行进到某一位置后停机, 取出分析。

取出后的/ 不点火料层分 64 个区域(4 层、每层 8 个区域) , 见图 2;/ 点火料层及分区域检测示意图见图 3。

2、2 常温态( 不点火) 混合料分析方法

对于常温态( 不点火) 混合料, 主要检测各区域(64 个区域从 A1、A2 , 到 D16) 的粒度分布、平均粒径、化学成分和含 C量。

粒度检测采用普通方孔筛, 进行人工筛分。统一筛分时间为20 s, 以免混合料破碎程度不同影响结果的比较。C含量检测采用碳硫分析仪。

根据检测结果, 分别计算混合料平均粒径和含 C 量的偏析度, 计算式如下:

2、3 高温态( 点火) 烧结矿分析方法

2、3、1 烧结矿粒度降解程度、摔落后产生粉末量和转鼓指数

烧结矿粒度降解程度的检测方法为: 1 在停机台车上每个区域取> 20 kg 烧结矿样;对烧结矿样筛分( 分级点为 40 mm、25 mm、16mm、10 mm、5 mm) , 得到烧结矿样的初始粒度分布; 将< 5 mm 粒级筛除, 计算出平均粒径(不包含< 5 mm 的部分) X1;   用筛分一次后的烧结矿样进行落下试验, 摔落 2 次后进行第二次筛分, 得到烧结矿样的粒度分布, 计算出平均粒径( 包含< 5 mm 的部分)X2;   对各区域烧结矿的粒度降解程度和转鼓指数进行比较、分析。

烧结矿粒度降解程度和摔落后产生粉末量的计算式如下:

2、3、2 火焰前锋迁移规律分析

首先对台车上物料进行拍照, 参考照片中烧结高温带的位置, 按比例计算出烧结高温带的位置和高温带的厚度, 并结合台车速度( 行走时间) 进一步计算出烧结高温带的迁移速度, 即火焰前锋移动速度。

2、3、3 化学成分与物相分析

化学成分检测同常温态。对各区域烧结矿进行 X 射线衍射, 分析不同区域烧结矿在物相上的差别。

3 台车上物料和烧结矿分区域研究

3、1 常温态料层物料性能测定研究

对烧结各层、各区域混合料的粒度分布进行了测定。A、B、C、D 分别为第一至第四层, 由于 1 号机吊取台车取样时半边料塌落, 故仅取另一侧完整的料进行测定分析。

3、1、1 各区域物料粒度分布

1) 横向分布

图 4、图 5 分别为 1 号机和 2 号机各层烧结料中各区域的粒度分布。由图可知, 两台机上物料在粒度方面分别存在以下问题:1 号机: 第三层和第四层的物料粒度沿台车横向上波动较大;2 号机: 第一层和第三层< 1 mm 粒级的分布沿台车横向上波动较大; 料层局部区域存在粒度分布不均匀, 有大粒度聚集现象, 不利于在此处的液相生成, 影响最终烧结矿成品率。

从图 6 可见, 就混合料的横向分布而言, 1号机在靠近台车边缘和中心区域混合料粒度增大, 即各层的混合料粒度呈现 / V形分布; 2 号机南北两侧粒度则存在一定偏差, 从南到北粒度逐渐增大。分析认为, 台车上物料的粒度分布与梭式布料器的限位和行走有关。如 1 号机中心区域粒度增大, 可能与梭式布料器在边缘停留时间偏长有关。为改善粒度分布, 应对布料车的限位和行走时间进行调整, 以确保台车横向上料层粒度分布尽量一致。

2) 纵向分布

图 7 为 1 号、2 号烧结机各层物料平均粒径比较。由图可见, 越往下层, 烧结混合料粒度越粗。随着> 10 mm 粒级更多布到料层下部, 1 号机上混合料平均粒度从上到下逐层增大( 从3118 mm 增加到 5104 mm) ; 而且, 1 号机上混合料粒度较 2 号机粗, 尤其在第四层, 二者平均粒径相差近 1 mm。

从整体上看, 1 号机存在料层下部粒度偏大及波动较大问题, 而 2 号机存在表层粒度偏小及南北侧粒度差异较大的问题。

3、1、2 混合料的化学成分与含 C 量分布

与台车横向、纵向上混合料粒度波动相似,混合料的化学成分和含 C 量也存在波动。由图8 和台车上每层各区烧结物料化学成分波动图( 略) 可知:

( 1) 料层横向上, 混合料化学成分和 C 的分布存在不均匀性, 尤其是在料层下部的第三层和第四层, 波动较大。

( 2) 料层纵向上, 物料化学成分和 C 含量分布存在一定偏析。但 1 号机基本为线性偏析, 2号机则在第二层出现异常(仅在 SiO2和 Al2O3含量的偏析上具有单调性)。

( 3) 料层纵向上, 1 号机的化学成分和 C 偏析较大, 第四层物料的碱度竟然不到 117; 而 2号机的问题, 是在第二层出现了偏析异常现象。

( 4) 2 号机成分在第二层未单调偏析, 说明熔剂在第二层突然过于减少, 而如前所述, 2 号机的粒度是单调地偏析。究其原因, 可能是由于第三层物料大多为制粒后颗粒, 而第二层物料大多为原始颗粒( 制粒不太好) )) 本质上它应该经过制粒后落入第四层) 的缘故。这也反映出 2 号机在制粒效果方面有所欠缺, 不如 1号机, 制粒效果不好, 则必然影响到物料的透气性。

从整体上看, 1 号机的熔剂偏析分布在料层上层, 下层物料粒度粗、熔剂少, 这使得物料化学成分和 C含量的偏析均加剧; 2 号机上物料化学成分和 C 含量在第二层出现偏析异常,仅在 SiO2 和Al2O3 含量偏析上具有单调性。

3、2 高温态料层烧结矿性能测定研究

3、2、1 各区域烧结矿粒度降解和强度分析

分别取 1号机台车上部二层 6 个区域烧结矿、台车四层 12 个区域的烧结矿进行研究。下面以改造前的检测数据进行分析。

图9 为表层和高温区烧结矿粒度降解程度和转鼓指数的比较。可见, 表层烧结矿的减粒程度( 约 35%) 明显大于高温区( 12% ~ 19% )。但就转鼓指数而言, 并不一定都是高温区大于表层, 如 S5 区高温区的转鼓指数低于 S5 区表层。

3、2、2 烧结火焰前锋的迁移规律

根据台车截面上高温带的红亮程度和沿台车高度下降程度, 计算高温度宽度和火焰前锋移动速度, 见图 10。图 11为高温区宽度和火焰前锋移动速度沿台车宽度方向的分布。

根据图 11, 计算出取样的第 N 块台车的高温区宽度和火焰前锋移动速度分别为 157 mm和 2019 mm/ min。

可见, 沿台车宽度方向, 高温区的宽度和移动速度均呈现一定差异, 这必然影响到终点位置的齐整性。

4 基于台车物料分区域研究提出的优化措施及实施效果

4、1 优化措施

4、1、 1 号机优化措施

1 号机成品率较低的限制环节是混合料粒度整体过粗, 尤其是料层下部大颗粒矿粉富集。对此, 采取如下措施:

( 1) 降低> 10 mm 矿粉比例, 以改善制粒。控制杨迪矿粒度, 协同供应部门对进口矿粒度严格把关; 对> 10 mm(甚至> 20 mm) 的粒级考虑分级利用, 即使不筛分, 也应耙出大块( 可作为块矿用于高炉) , 一方面优化制粒, 另一方面尽量减弱其在烧结料层下部的偏析。通过多方努力, 高硅粗粒度扬迪粉的配比从超过 20% 降低到了 8% 以下。

( 2) 优化熔剂结构。适当放粗熔剂粒度、使用石灰石代替白灰+ 白云石, 这样既能改善烧结透气性, 又能在较粗熔剂条件下保持相对较低的水分, 充分发挥杨迪矿高反应性的特点; 但应注意, 熔剂也不能过粗,否则易加大其在料层中的偏析, 造成局部区域同化不够, 使返矿率升高。

图 12 为石灰石占熔剂比例和石灰石/ 白云石对烧结出矿率的影响。由图可见, 低出矿率区( < 60% )发生在它们的低比值区。

京唐烧结采取了使用石灰石替代白云石,白灰比例略微下调的方式。实践证明, 白云石配比从 311% 降到 216% ( 降低约 015 个百分点), 石灰石提高 012~ 014 个百分点, 同时调节白灰配比后, 烧结生产基本稳定, 出矿率提高约1% ; 而且熔剂成本降低。

4、1、2  2 号机优化措施

针对 2 号机在混合制粒和布料均匀性方面存在的问题, 采取了如下措施:

( 1) 优化二次混合机转速和九辊转速。将二次混合机转速由 88 Hz 降至 78 Hz, 以强化制粒效果; 九辊转速由 22 Hz 降至 18 Hz, 并在第九辊和第八辊之间增加挡料板。

( 2) 对 2 号机采取多配 5% 、10% 自返矿的措施, 增加返 3 料流, 让成品三次筛下料偏析时有更多的大粒度返矿进入 2 号机系统。实施后, 制粒效果增强, 混合料粒度组成改善, 3~ 5mm 比例增加 2114% , > 5 mm 比例增加 6142% 。

( 3) 调整梭式布料器限位和行走时间。将梭式布料器南测限位南移 40 mm, 使其在南侧的停留时间延长2 s; 北侧限位北移60 mm, 北侧停留时间延长 6 s, 以改善台车宽度方向的粒度分布。

4、2 优化前后分区测定对比及分析

实施优化调整后, 利用检修机会, 再次进行了物料分区域测定。

4、2、1 常温态物料对比

图13、图 14 分别为优化前后1 号、2 号烧结机横向和料层高度方向物料平均粒度的比较。

由图可见, 1 号机优化后: 1 横向上平均粒度波动减小, 尤其是第四层; o 由于> 10 mm 扬迪粉比例减少, 原先大粒度矿在第四层聚集的现象有所改观, 该层的平均粒度有所降低, 且整体上四层的粒度偏析有所减轻。

2 号机与优化前相比: 1 台车横向上物料粒度分布趋于均匀; 混合料粒度增大, 且粒度偏析也加大, 整体上粒度分布趋于合理。从优化前后台车宽度方向各区物料平均粒度标准方差(表 1) 可见, 1 号机各区平均粒度标准方差从 0132 降到 0116, 2 号机从 0126 降到0115, 从另一个侧面反映出横向上物料分布趋于均匀。

图 15 为优化前后 1 号、2 号烧结机沿料层高度方向物料含 C 量的比较。1 号机优化前 C含量分布趋势合理, 但偏析程度不合理; 优化后, 第四层含 C量偏析减轻。

表 2 列出了优化前后物料偏析度的变化。

图 16 为混合料粒度偏析度与烧结矿转鼓指数和 5~ 10 mm 比例的关系。

尽管受工艺参数和配矿变化影响, 从图 16中仍可看出: 京唐烧结混合料粒度偏析度适宜范围在 0126~ 0130 mm/ (100 mm); 以 0127~0128 mm/ ( 100 mm) 为最佳。分析认为, 当物料粒度分布合理时, 相应的化学成分、气体力学状态(如透气、透液性等) 才能与工艺和热工制度相匹配, 从而最大程度地发挥烧结过程的蓄热作用, 改善烧结矿质量。

从整体上看, 通过优化, 两台机的物料粒度和成分分布均得到改善, 这有助于烧结矿质量的提高。

4、2、2 高温态烧结矿对比

1) 烧结矿粒度降解程度、摔后产生粉末量和转鼓指数

图 17 列出了改造前后烧结矿转鼓指数、摔后产生粉末量和摔后粒度降解指标的比较。从中可见：

( 1) 除了优化前- 中间区域的烧结矿转鼓指数降低外, 第二层烧结矿转鼓指数均明显高于第一层, 这显然是由于第一层烧结料热量供给不足、冷却过快所致; 而第三层、第四层烧结矿转鼓指数并非都比第二层高: 如优化后- 中间、中心区域从第二层到第三层转鼓强度都降低, 前者第四层仍然降低。

( 2) 除优化前- 中间区域烧结矿外, 第二层烧结矿摔后产生粉末量均有所减少, 再次说明表层烧结矿质量相对较差。而第三层、第四层烧结矿摔后产生粉末量也不一定比第二层低, 如优化后- 中间、中心区域的烧结矿摔后产生粉末量从第二层到第三层均升高, 并且前者在第四层继续升高。

( 3) 第二层烧结矿摔后粒度降解均较第一层低, 但随料层加厚, 粒度降解程度并不是逐渐降低: 如优化后- 中心的第三层较第二层降解加大, 优化后- 中间的第四层也较第三层降解加大。

(4) 就各层烧结矿指标的平均值而言, 第二、三和四层均较第一层要好; 除去表层烧结矿质量较差, 单以第二层为基准来看, 转鼓指数是逐步提高, 但摔后产生粉末量在第三层最多, 摔后粒度降解是从第二到第四层逐渐增多。这些数据说明, 尽管经过优化, 但料层下部烧结矿质量仍令人担忧。

但整体上看, 优化后烧结矿质量是得到了改善。从 1 号机优化前后( 一、二层) 烧结矿指标的比较(表 3) 可见, 烧结矿转鼓指数提高了211% , 摔后产生粉末减少 4141% , 粒度降解降低 1173%, 这必然导致烧结矿质量改善。

2) 化学成分与物相分析

表 4 列出了优化前后各层各区烧结矿化学成分与物相组成检测结果。由表可见:

( 1) 烧结料层下层 F e2O3 含量较上层高, 而FeO 含量较上层低。分析认为, 随着料层厚度提高, 混合料粒度增大, Fe2O3与熔剂矿化反应后残余相对较多; 而下层 FeO 含量较低, 则可能是由于高温区烧结矿的氧化条件更好( 表层烧结矿冷却快) 。冷却速度过快是表层烧结矿质量较高温区差的重要原因。

( 2 ) 铁酸 钙 ( Ca2Fe15157 O25156 ) 、MgO 与Al2O3的复合物在三、四层的含量也较一、二层低。物相变化是烧结矿成分与原料所受热制度、气氛等综合作用的结果, 同时也反映了混合料沿料层高度分布的特点。铁酸钙含量沿料层高度降低与 Fe2O3含量增加和碱度降低(213 降到 211)有关, 而 MgO 与 Al2O3 复合物随料层高度降低则与原料中 Al2O3和 MgO 的降低有关。分析认为, 料层下部铁酸钙含量降低是造成下部烧结矿成品率改善幅度减小甚至降低的重要原因。

4、3 优化前后烧结矿质量比较

优化前后 1 号、2 号机烧结矿质量变化列于表 5。数据取停机检修前该料堆烧结矿的平均值。

从烧结矿成分来看, 优化后与优化前相比,原料成分有一定恶化, 表现在 SiO2含量提高到近 514% (与进口矿粉劣质化和烧结固废配加比例提高有关), 这对铁酸钙的生成明显不利。然而, 通过实施优化措施, 烧结矿转鼓指数略有提升, 粒度组成有所改善, 5~ 10 mm 比例降低。由此可认为, 基于料层分区域研究提出的优化措施, 取得了较好效果。

5 结 论

1) 本研究提出的分区域研究烧结物料和烧结矿质量的方法, 有利于定量分析大型烧结机上各区域物料性能; 基于分区测定提出的优化措施, 取得了较好的效果。

2) 厚料层烧结时( > 600 mm) , 烧结矿质量不一定沿料层高度越往下越好, 或者说下层烧结矿质量改善的程度有所减弱甚至变差。这是由于厚料层、高褐铁矿配比下, 料层 600 mm 以下物料的粒度和成分变差: 粒度过粗, 化学成分和 C含量偏析过大, 碱度降低( 012 以上), 导致液相数量、质量和高温粘结不足, 尽管沿料层高度方向可能表现出转鼓指数升高趋势, 但摔后产生粉末量和摔后粒度降解指标 却可能变差。

3) 对 1 号机而言, 主要问题是下部物料粒度过粗、偏析过大, 熔剂主要分布在上部, 物料化学成分和 C 含量偏析过大; 下层物料碱度过低, 从第二到第四层, 烧结矿粒度降解从 2119%升高到 2311% , 这说明料层下部烧结矿成品率存在问题。通过减少大粒度矿粉(20%) 和降低白云石配比(015% )等优化措施, 横向上物料分布趋于均匀, 平均粒度标准方差从 0132 降低到0116; 高温带宽度趋于平整; 物料粒度偏析度从0133 mm/ ( 100 mm) 降到 0127 mm/ ( 100 mm) ;转鼓指数平均提高了 211% , 摔后产生粉末平均减少 4141% , 粒度降解平均降低 1173% 。

4) 2 号机的主要问题是: 横向上物料分布不均匀, 从一侧到另一侧粒度差异较大; 粒度偏析过小; 物料化学成分和 C 含量分布不合理, 甚至在第二层出现非线性偏析。通过调整混合机和九辊转速, 横向上物料分布趋于均匀一致, 各区平均粒度标准方差从 0126 降到 0115; 物料平均粒度提高, 且粒度偏析度从 0123 mm/ (100 mm)提高到 0130 mm/ (100 mm); > 3 mm 比例提高815 个百分点, 物料透气性改善。

5) 经过优化后, 1 号机烧结矿转鼓指数提高012 个百分点, 5~ 10 mm 比例降低 012 个百分点; 2 号机转鼓指数提高 0149 个百分点, 5~ 10mm 比例降低 0169 个百分点。

6) 台车上的烧结物料在粒度、化学成分和 C含量等方面均需要一定的偏析, 但偏析超过合理范围时, 将对烧结矿性能和成分产生不利影响。京唐烧结混合料粒度的适宜偏析为 0126~0130 mm/ ( 100 mm) 。

7) 优化后, 京唐烧结机沿料层高度方向, 转鼓指数呈现逐渐升高趋势, 摔后产生粉末量在第三层最多, 摔后粒度降解则在第四层最多。今后, 除了表层和边缘部位, 下层部位烧结矿质量的改善也将是提高烧结矿质量的重点。

参考文献

[ 1]   武轶, 李骞, 熊德怀, 等 1 进口粉矿粒度变化对其烧结性能的影响[J]1 钢铁研究, 2012, 40(2): 1- 3, 111

[ 2]   陈东峰, 胡夏雨, 黄发元, 等 1 不同厚度和不同部位烧结矿质量指标变化规律[J]1 中国冶金, 2012, 22( 8): 7- 10,211

[ 3]   赵志星, 安钢, 裴元东, 等 1 京唐大型烧结机料层结构物性参数和混合料性能测定[C]12012年全国炼铁生产技术会议暨炼铁年会文集, 2012: 720- 7271