韩淑峰1, 周明顺2, 夏铁玉1, 刘杰2, 翟立委2, 张辉2

( 11 鞍钢股份有限公司炼铁总厂, 辽宁 鞍山 114000; 2 1 鞍钢股份有限公司技术中心, 辽宁 鞍山 114009)

摘 要: 不同的固体燃料粒度, 导致炭粒燃烧速度发生变化, 会直接影响铁矿石烧结的矿化过程。在实验室条件下, 运用/ 混料回归试验设计方法0的/ 单形格子设计0, 采用烧结杯试验及烧结矿矿物结构分析方法, 得到了不同焦粉粒度与铁矿烧结重要指标间的定量关系, 并就优化后的燃料粒度对烧结矿冷强度及生产率指标改善的效果进行了验证。结果表明: 通过优化焦粉粒度组成, 可满足烧结生产对各项指标的侧重要求, 对降低烧结固体燃耗, 提高烧结矿产质量具有指导意义。

关键词: 烧结; 焦粉粒度; 转鼓强度; 矿物结构; 冶金性能

1 前 言

铁矿石烧结过程是一个氧化还原兼有的复杂过程, 固体燃料的燃烧在这个过程中提供了主要的反应动力, 了解燃料的反应过程, 就成为解决烧结中一系列问题的关键。大量研究表明[1, 2], 燃料的配加量、粒度组成和燃烧性质直接影响烧结料层的温度与热量分布, 燃烧带的厚度以及料层的透气性, 烧结气氛等各个方面,当燃料的种类、配加量固定时, 燃料粒度的大小就成为烧结过程的决定性因素。

单一颗粒燃料粒度的研究, 已多有报道[ 3],但在实际烧结过程中, 燃料并不是单独存在的。通常可以认为, 固体燃料在烧结混合料中主要以下面几种方式存在: 1 细颗粒或与其它熔剂紧密黏附在矿石颗粒外围; o 粗颗粒为核心, 被物料包裹在颗粒中;   与其它熔剂形成复合颗粒。许多研究认为[4, 5], 以粗颗粒形式存在的固体燃料, 被铁矿石和石灰石附着时, 会降低烧结时的着火温度, 加快其燃烧速率; 以细颗粒存在的固体燃料则不会发生变化; 而以复合颗粒存在的固体燃料, 尤其是与石灰石黏附在一起的,通常反应性会更加活跃。可见, 无论燃料在混合料中以什么形态存在, 其对烧结的影响都非常重要。若粒度过大, 燃烧速度慢, 燃烧带变宽, 烧结最高温度降低, 烧结过程透气性变差,垂速和利用系数下降; 反之, 粒度过小, 燃烧速度快, 液相反应进行得不完全, 烧结矿强度变差, 成品率和利用系数也下降。所以, 为了更好地研究燃料的不同粒度在烧结过程中所起的作用, 探索出可以指导烧结燃料处理的方案, 在鞍钢烧结原料基础上, 进行了焦粉粒度的优化研究。

2 试验原料及配比

本次试验所用的原燃料及熔剂均取自生产现场, 它们的化学成分列于表 1。其中, 精矿 1和精矿 2 为鞍钢自产精矿, 粉矿 3 为外购粉矿。

3 试验设计

3、1 编码设计

采用混料回归的设计方法, 进行焦粉粒度的定量研究, 试验设计代码如表 2。

试验中各种铁料配比及烧结条件均一致,只改变焦粉中各粒级所占比例, 并使混合料的配碳量相等。烧结矿碱度设计为 2120, MgO 为210% , 总配碳量为 412% 。四个粒级焦粉的化学成分及差异如图 1, 试验设计水平编码与试验方案见表 3。

随着焦粉粒度增大, 焦粉中固定碳含量逐渐降低, 但差异的绝对值较小, 灰分相应升高,挥发份无明显变化。总体来看, 不同粒度之间成分无太大变化, 对试验研究影响较小。

3、2 烧结杯试验

烧结杯试验料层厚度 700 mm( 含铺底料 2kg 约 20 mm) , 试验程序和烧结饼的处理以及指标的计算都按 GB 标准执行。试验工艺参数列于表 4。

4 结果与讨论

4、1 优化设计

根据鞍钢某烧结车间的原料条件按制定的试验方案, 得到试验结果如表 5。

由表 5 可见, 方案 1 到方案 4, 单一使用某个粒度范围的焦粉时, 随焦粉粒度变粗, 各项烧结指标全面下降; 方案 5 到方案 7, 各粒度配合使用, 在固定< 1 mm 焦粉用量的情况下, 随加入焦粉的粒度变粗, 各项指标有所变化, 但未呈现出规律性; 方案 8 到方案 10, 焦粉综合粒度进一步变粗, 各项指标也全面下降。相比之下, 方案 10 的各项指标还是优于方案 4。

图2 列出了方案 1、5、6、7 的各项指标对比。

由图 2 可见, 各粒级焦粉对各项烧结指标的贡献程度是不同的, 并不是粒度越小越好, 也不是越大越好。例如, 对转鼓强度而言, < 1 mm与 1~ 3mm 焦粉配合使用时(方案 5) 指标最好,相应的 1~ 3 mm 焦粉给予的贡献最大; 对固体燃耗而言, 方案 6 最低, 相应 3~ 5 mm 粒级的焦粉对其贡献最大。所以, 焦粉的各粒度级别需要进行优化, 才能得到各烧结指标需要的结果。由于单一使用某粒级焦粉时, 随着焦粉粒度变粗, 烧结矿转鼓强度和利用系数等指标均不同程度地变差; 而当细焦粉与粗焦粉混合时,各项烧结指标又不同程度地得到改善, 所以根据数学上的最优化理论, 焦粉各粒级之间一定存在一个最佳的比例关系, 能够使某项指标取得最优值。根据最优化方法, 本试验得到烧结矿转鼓强度、烧结利用系数等指标与焦粉不同

粒级的数学关系为

式中, X1~ X10为所得数学关系式的各项系数, 设 K1~ K10为方案 1 到方案 10 所对应的各项烧结指标的具体值, 则可以认为 K1~ K10是常数, 但需要根据试验结果来确定。根据优化方法的计算原理, 得到:

所以根据不同企业的原料情况, 烧结所得到的指标 K1~ K10是不同的, 不具有广泛性。但是, 只要能根据原料情况确定各个企业的 K1~K10的值, 那么, 式( 1) 就具有很强的移植性, 从而得到广泛应用。

例如, 利用得到的转鼓强度结果( 见表 5),将指标带入式( 1) , 便可得到最大转鼓强度时的公式:

同理, 将利用系数指标代入式(1), 可得到最大利用系数时的公式:

为了更好地验证公式的准确性和实用性,采用/ 步长加速法0[ 8]对式(2)和式( 3) 进行最值求解。求解后, 得到转鼓强度和利用系数最大时相对应的优化后焦粉粒度组成的具体值, 它们与现场所用普通焦粉的粒度组成对比列于表 6。

由表 6 可见, 优化后焦粉的粒度组成与普通焦粉有很大区别。通常, 生产中只要求焦粉中< 3 mm 粒级> 85%, 但经过优化, 无论是对应转鼓强度最大, 还是利用系数最大, < 1 mm粒级的含量都要比常规焦粉提高, 而 1~ 3 mm粒级的含量则应降低( 现场焦粉 1~ 3 mm 的比例较大, 与前文 1~ 3 mm 的焦粉对转鼓强度贡献较大不相矛盾), 同样, 3~ 5 mm 的含量也应提高, 而> 5 mm 粒级的含量应该降低。这一规律与普遍的研究观点也是一致的。

4、2 验证试验

在优化设计的基础上, 对应转鼓强度最大时优化后焦粉进行了烧结验证试验, 试验条件与生产现场相同, 只改变焦粉的粒度组成。烧结杯验证试验结果列于表 7, 烧结矿冶金性能与化学成分列于表 8。

可见, 优化后, 在烧结矿成分差异不大的情况下, 转鼓强度确实得到了提高( 近 115 个百分点)。同时, 成品率和合格粒度含量也得到提高, 固体燃耗下降, 而利用系数和垂直烧结速度变化不大。从冶金性能检测结果来看, 转鼓强度最大化使得烧结矿低温还原粉化指标变好,还原率指标也相应提高。

4、3 矿相分析

为了进一步验证焦粉优化后取得的效果,进行了烧结矿矿相分析, 结果示于表 9。

从图 3 和表 9 可见, A 烧结矿组织结构较均匀, 主要为交织熔蚀结构, 少数粒状结构和共晶结构。铁酸钙为主要粘结相, 发展较好, 主要呈针状, 极少数柱状和片状。玻璃相很少。烧结矿中赤铁矿较多, 主要是原生赤铁矿, 再生赤铁矿只占 5%~ 7% 。原生赤铁矿多为大粒状(> 1mm) , 部分散粒状。大粒原生赤铁矿中部分内部较致密, 部分内部较疏松。较多的原生赤铁矿外部发生氧化再结晶, 形成菱形状。该结构烧结矿应有较好的强度和还原性。

B 烧结矿中多数交织熔蚀结构, 少部分共晶组织, 少数粒状结构, 交织结构和小粒状及蠕虫状硅酸二钙分布在磁铁矿晶粒之间。与 A 烧结矿相比, 赤铁矿减少, 再生赤铁矿为 4% ~ 5%,原生赤铁矿中有部分大粒, 部分散粒状。B烧结矿结构组织不是很均匀, 存在大片熔剂残余和镁质熔剂残余, 含量较高, 这些都对烧结矿强度和还原性不利, 影响烧结矿质量。

5 结 论

1) 在鞍钢烧结配矿条件下, 烧结矿获得最大冷强度所对应的焦粉粒度组成为< 1 mm 占57120% 、1 ~ 3 mm 占 25163% 、3 ~ 5 mm 占11117% 、> 5 mm 占 6100% ; 获得利用系数最大所对应的粒度组成为: < 1 mm占 47122%、1~ 3mm 占 23110% 、3~ 5 mm 占 28168% 、> 5 mm占 1100%。对应其它烧结指标最优的焦粉粒度组成也可计算获得。

2) 当转鼓强度最大时, 烧结矿的低温还原指标得到改善, 还原性能也有所提高。优化焦粉粒度组成后获得的烧结矿矿相结构更趋合理。

3) 生产中, 可根据对烧结矿产质量的侧重要求来调整焦粉粒度组成, 若能符合或接近实验得出的粒度组成范围, 将有助于提高烧结矿产质量指标和降低工序能耗。

参考文献

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