富礦粉燒結(jié)配礦優(yōu)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(xué)a．冶金與能源學(xué)院； b．教育部現(xiàn)代冶金技術(shù)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(jié)成本，減少燒結(jié)過程能源的消耗，同時提高燒結(jié)礦質(zhì)量，針對某鋼鐵公司富礦粉燒結(jié)進行優(yōu)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(jié)配礦優(yōu)化研究。結(jié)果表明：最優(yōu)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(shù)為2.66t ／（ m2 · h ），轉(zhuǎn)鼓指數(shù)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(guān)鍵詞：富礦粉燒結(jié)；燒結(jié)測試；優(yōu)化方案
目前，中國鋼鐵行業(yè)面臨著環(huán)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(yè)進入微利甚至局部虧損的時代，因此，節(jié)能降耗成了鋼鐵行業(yè)關(guān)注的話題［1-4］ 。燒結(jié)作為高爐原料供應(yīng)工序能耗較大，降低燒結(jié)工序能耗，能夠降低鋼鐵生產(chǎn)的綜合能耗、節(jié)約生產(chǎn)成本。外礦以其較高的性價比在國內(nèi)鋼鐵企業(yè)被廣泛使用，根據(jù)國外富礦粉性質(zhì)，增大富礦粉使用量能進一步節(jié)約能源，降低燒結(jié)成本，提高企業(yè)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(wěn)定燒結(jié)礦質(zhì)量。筆者在某鋼鐵公司全外礦燒結(jié)原料條件下，對配加高比例富礦粉進行燒結(jié)優(yōu)化實驗研究。以燒結(jié)利用系數(shù)、燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓指數(shù)、低溫還原粉化性能和還原性為主要考察指標(biāo)，并考慮到熔滴性能總特性 S 值、燒結(jié)料中 TiO2 含量、堿負(fù)荷以及燒結(jié)料中南非精礦粉使用量對富礦粉燒結(jié)實驗的影響，最終通過加權(quán)灰色關(guān)聯(lián)度法確定出最佳燒結(jié)配礦方案，為富礦粉燒結(jié)生產(chǎn)提供參考指導(dǎo)。
1 實驗材料
采用某鋼鐵公司全外礦富礦粉為燒結(jié)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(xué)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(mào)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(xué)儀器有限公司）對4種燒結(jié)礦的礦相結(jié)構(gòu)進行觀測，其結(jié)果如表4所示。同時運用 TSJ －3型微型燒結(jié)機（北京科技大學(xué)研制）對4種礦粉的燒結(jié)基礎(chǔ)特性進行檢測，其結(jié)果如表5所示。
燒結(jié)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(yīng)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(jié)過程中的液相量，改善燒結(jié)礦的質(zhì)量；南非精礦粉1 、南非精礦粉2的液相流動性指數(shù)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(shù)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(jié)過程中的液相流動能力；巴西卡粉的黏結(jié)相強度最高為4257N ，在使用南非精礦粉時適當(dāng)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(jié)礦的優(yōu)質(zhì)黏結(jié)相為鐵酸鈣，鐵酸鈣越多燒結(jié)礦質(zhì)量越好，南非富礦粉、巴西卡粉黏結(jié)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(jié)過程中液相量少，大粒度礦爆裂現(xiàn)象嚴(yán)重，會導(dǎo)致燒結(jié)礦強度下降，大量使用時會影響燒結(jié)礦產(chǎn)量和質(zhì)量。
通常要求燒結(jié)混勻礦的同化性、液相流動性在適宜區(qū)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(jù)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(jié)配礦優(yōu)化研究具有重要意義，為降低燒結(jié)能耗提供理論依據(jù)。
2 實驗方案及設(shè)備
2.1 實驗方案
為了提高燒結(jié)礦性能，針對配加高比例富礦粉進行燒結(jié)優(yōu)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(jié)配礦。以生產(chǎn)現(xiàn)場給定的最高燒結(jié)礦堿金屬、TiO2 含量為標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)計算得到7種配礦方案即1?！?＃ 。燒結(jié)配礦具體方案如表6所示。
2.2 燒結(jié)杯實驗及設(shè)備
燒結(jié)杯內(nèi)徑為210mm ，各次實驗用料按實驗設(shè)計方案配料，然后加入Ø600mm×1200mm 的小型圓筒混料機內(nèi)進行混勻造球、補水，混勻造球的時間控制為7min 。燒結(jié)杯底層放置2.0kg 、 10～16mm的成品燒結(jié)礦作為鋪底料，燒結(jié)料層厚度控制為600mm ，燒結(jié)負(fù)壓控制為1200Pa 。采用石油液化氣進行燒結(jié)點火，燒結(jié)點火溫度控制為1150℃ ，燒結(jié)點火時間為2.0min ，燒結(jié)點火負(fù)壓控制為8000Pa ，將燒結(jié)廢氣溫度開始下降時定為燒結(jié)終點。燒結(jié)實驗裝置如圖1所示。
燒結(jié)礦的轉(zhuǎn)鼓強度根據(jù)（ YB ／ T5166 — 2005 ）燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓強度檢測方法進行；低溫還原粉化實驗根據(jù)《鐵礦石低溫粉化實驗靜態(tài)還原后使用冷轉(zhuǎn)鼓的方法》（ GB ／ T13242 — 1991 ）進行；還原性采用國家標(biāo)準(zhǔn)（GB ／T13241 — 1991 ）進行測定。
3 實驗結(jié)果與分析
3.1 配礦方案與燒結(jié)利用系數(shù)的關(guān)系
配礦方案與利用系數(shù)的關(guān)系如圖2所示，燒結(jié)成品率及垂直燒結(jié)速度見表7 。燒結(jié)利用系數(shù)與燒結(jié)成品率及垂直燒結(jié)速度有關(guān)，從圖2中1＃ 、2＃ 、3＃ 的對比可以發(fā)現(xiàn)，隨著南非精礦粉2配比的減少，燒結(jié)利用系數(shù)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(xì)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(jié)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(jié)速度下降，從而導(dǎo)致燒結(jié)利用系數(shù)降低。從3＃ 、4＃ 、5＃ 的對比發(fā)現(xiàn)，隨著南非富礦粉配比提高，燒結(jié)利用系數(shù)顯著減小。這主要是由于南非富礦粉的粒度過大，燒結(jié)過程中易崩裂，使燒結(jié)礦成品率及垂直燒結(jié)速度降低，進而嚴(yán)重影響燒結(jié)利用系數(shù)。從 5＃ 、6＃ 、7＃ 的對比發(fā)現(xiàn)隨著非精礦粉1的增加，燒結(jié)利用系數(shù)呈下降趨勢。這主要是由于南非精礦粉１顆粒粒徑多數(shù)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(gòu)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(fā)現(xiàn)，1＃ 配礦的利用系數(shù)最佳，其次為 6 ＃ ，兩者差別不大。
3.2 配礦方案與燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓指數(shù)的關(guān)系
圖3為配礦方案與燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓指數(shù)的關(guān)系。由圖3可知，燒結(jié)礦的轉(zhuǎn)鼓指數(shù)相差較小，基本在62％左右。說明不同的配礦方案對轉(zhuǎn)鼓指數(shù)影響不大。造成這一現(xiàn)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(jié)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(zhuǎn)變，可以減輕或防止燒結(jié)礦粉化；另一方面，燒結(jié)礦的轉(zhuǎn)鼓指數(shù)主要與鐵礦粉燒結(jié)基礎(chǔ)特性中黏結(jié)相強度和連晶強度有關(guān)。轉(zhuǎn)鼓指數(shù)是隨著鐵礦粉黏結(jié)相強度和連晶強度的增大而升高，原因是燒結(jié)礦的固結(jié)主要是依靠黏結(jié)相對周圍核狀礦石的黏結(jié)完成，高強度的黏結(jié)相會增大黏結(jié)相對周圍核狀礦石的固結(jié)作用，進而提高燒結(jié)礦的轉(zhuǎn)鼓指數(shù)。燒結(jié)過程由于物料偏析不能產(chǎn)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(chǎn)生連接，即鐵礦粉的連晶對燒結(jié)礦固結(jié)又起到了主要作用。綜合三方面作用燒結(jié)礦的強度無明顯變化 ［14 ］ 。
3.3 配礦方案與燒結(jié)礦冶金性能的關(guān)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(jié)礦低溫粉化性能如圖4所示。對比方案1＃ 、2＃ 、3＃ 發(fā)現(xiàn)隨著南非精礦粉２粉的減少，燒結(jié)礦的低溫還原粉化性總體呈現(xiàn)出降低趨勢；對比3＃ 、4＃ 、5＃ 發(fā)現(xiàn)隨南非富礦粉配比增加，燒結(jié)礦的低溫還原粉化性能得到改善；5＃ 、6＃ 、7＃ 的對比則發(fā)現(xiàn)隨著南非精礦粉1的增加，燒結(jié)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(yōu)于南非精礦粉1，這導(dǎo)致南非精礦粉2含量的降低影響了燒結(jié)礦的低溫還原粉化性能。另一方面， MgO 含量也是影響燒結(jié)礦低溫還原粉化性能的一個因素， MgO 具有穩(wěn)定燒結(jié)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(dǎo)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(shù)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(jié)過程中要生成相對更多的液相，且大顆粒爆裂現(xiàn)象更少，因此，南非礦的增加使得燒結(jié)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(fā)展，優(yōu)質(zhì)黏結(jié)相鐵酸鈣生成減少，燒結(jié)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(jié)礦還原性能的關(guān)系如圖5所示。由圖5可知，所有配礦方案的燒結(jié)礦還原性能較差。不同配礦條件下，燒結(jié)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(fā)現(xiàn)隨著南非精礦粉2配比的減少，燒結(jié)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(jié)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(jié)礦還原性的因素主要有礦粉的液相流動指數(shù)、氣孔率、礦物組成及結(jié)構(gòu)等。燒結(jié)礦物組成中赤鐵礦和鐵酸鈣有利于增強燒結(jié)礦的還原性，從表4中可以發(fā)現(xiàn)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(jié)相中的鐵酸鈣含量表現(xiàn)出了同樣的規(guī)律，另外鐵礦粉液相流動能力越強，燒結(jié)過程中生成的低熔點物質(zhì)增多，燒結(jié)礦易形成薄壁多孔結(jié)構(gòu)，氣孔率升高，還原性氣體與反應(yīng)界面的接觸面積增大［15］ ，因此，在適當(dāng)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(jié)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(biāo)，與Ts、 Td和 Δ Pmax 有關(guān)，一般認(rèn)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(biāo)差異明顯，因此，需要綜合考慮各項指標(biāo)，根據(jù)選取燒結(jié)利用系數(shù)、轉(zhuǎn)鼓強度、 RI 、RDI ＋3.15 、熔滴性能總特性 S 值、燒結(jié)料中 TiO2 含量、堿負(fù)荷、燒結(jié)料中南非精礦粉1使用量作為選擇配礦方案依據(jù)如表 9 所示。
利用加權(quán)灰色關(guān)聯(lián)度分析法 ［16-17］ 對所采用的參數(shù)進行處理，該分析法是一種多因素統(tǒng)計分析法，根據(jù)各影響因素的樣本數(shù)據(jù)以及影響因素所占權(quán)重，計算出各影響因素的關(guān)聯(lián)度。該方法思路清晰，對數(shù)據(jù)要求較低，在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用 ［18-19］ 。根據(jù)某鋼鐵公司要求的實際生產(chǎn)情況，對燒結(jié)參數(shù)和燒結(jié)礦性能評價指標(biāo)賦予權(quán)重，所選權(quán)重如表10所示。利用該分析法得出７種方案的關(guān)聯(lián)度，并利用得出的關(guān)聯(lián)度評價各個方案的優(yōu)劣，最終確定最優(yōu)方案。計算各個方案的關(guān)聯(lián)度結(jié)果，如表11所示。
表9可知，6＃ 方案的關(guān)聯(lián)度最高，配礦方案最好；1＃ 方案次之；2＃ 、3＃ 方案相差很??；4＃ 方案較好；5＃ 方案較差；最差配礦方案為7＃ 。
4 結(jié) 論
1 ）通過對 4 種礦粉的基礎(chǔ)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(shù)較好，分別為1.42和0.24 ；巴西卡粉的黏結(jié)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(jié)相組成較理想，優(yōu)質(zhì)黏結(jié)相鐵酸鈣含量最高都可達45％ ，因此，應(yīng)將4種礦粉配合使用。
2）通過對不同燒結(jié)配礦方案的燒黏性能比較， 1＃ 方案的利用系數(shù)最高，為2.72t ／（ m2 · h ），6＃ 次之，為2.66t ／（ m2 · h ）。 6＃ 方案的還原性最優(yōu)，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(zhuǎn)鼓指數(shù)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(jié)實驗中，通過對７種優(yōu)化配礦方案的綜合分析得出：最優(yōu)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(jié)實驗方案 6＃ 在保證燒結(jié)性能的基礎(chǔ)上，能夠降低燒結(jié)能耗和燒結(jié)過程成本。
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