燒結生產新工藝的簡介及對比

郭會良，胡自明，亓振寶，李 鐵，谷國華

（山東泰山鋼鐵集團有限公司，山東 濟南271100）

1 前 言

鐵礦粉的燒結其目的就是為煉鐵提供優質的塊礦原料，現階段由于選礦技術的進步，貧細雜的鐵礦石很容易精選富集，但是帶來的負面影響是整體粒度的下降，燒結很好地解決了這一難題，現成為煉鐵原料處理的最重要途徑。隨著對燒結工藝的研究，燒結礦正朝著品位高、成分穩定、粒度適中、冶金性能良好的方向發展。燒結工藝根據生產條件、設備類型、控制因素等可分為低溫燒結工藝、富氧燒結工藝、厚料層燒結工藝、熱風燒結工藝等，每種工藝都有其優缺點和適用范圍，不同工藝間也能相互配合，研究各工藝的特點，有助于全面推進燒結產業的發展。

2 燒結工藝的分類及特點

2.1 低溫燒結工藝

低溫燒結工藝與傳統的燒結工藝類似，它是一種在較低溫度下（＜1 300 ℃）進行的，生產以強度高、還原性好的發針狀鐵酸鈣為主要黏結相，同時使燒結礦中含有較高比例的赤鐵礦殘余的燒結方法。在工藝操作上，溫度的控制是低溫燒結工藝的核心，要求在較低的溫度下進行，防止溫度升高增加磁鐵礦的生成量，而且要求在1 250～1 300 ℃保持較長的時間，以穩定針狀鐵酸鈣和赤鐵礦殘余的形成條件，使其產生足夠的黏結反應。此外，將溫度穩定在一定的范圍也能使Ca、Al、Si 等物質完全熔融，并與赤鐵礦反應生成針狀鐵酸鈣，使針狀鐵酸鈣能夠包裹未反應的赤鐵礦粉末，達到一定的赤鐵礦殘余。

低溫燒結與高溫熔融型燒結工藝相對比，燒結指標如表1所示。

表1 燒結指標的對比

低溫燒結3個顯著的特點：

1）燒結溫度低，高溫保持時間長。低溫燒結工藝的最佳燒結溫度為1 230～1 270 ℃，最高不超過1 300 ℃。1 100 ℃以上的高溫保持時間在3～5 min以上，比高溫熔融型燒結工藝要長1～3 min。

2）燒結礦的黏結相以針狀鐵酸鈣為主，其數量超過30%～40%，而高溫熔融型燒結礦，由于燒結溫度超過1 300 ℃，針狀鐵酸鈣變為柱狀或分解，其數量將急劇減少。

3）燒結礦的顯微結構為交織熔蝕結構。理想的燒結礦結構是由兩種礦相組成的非均質結構：一種屬于多元體系的針狀膠結相；另一種是被上述黏結相所膠結的殘留礦石顆粒，未熔礦石約占30%～40%。以赤鐵礦為主的燒結料，其殘余結構礦石為赤鐵礦；以磁鐵礦為主的燒結料，其殘余結構礦石為磁鐵礦。

目前，我國低溫燒結工藝的占有率較低，其發展的瓶頸為工藝過程控制的困難性，尤其是對于溫度的控制，要保證嚴格的升降溫制度，如最高溫度控制在1 250～1 280 ℃，1 100 ℃以上的時間控制在5 min 左右等。另外，對于燒結過程中的溫度梯度也有要求：溫度梯度越大、產品性脆，粉狀顆粒較多；溫度梯度越小，液相越多，固體燃耗增加。此外，對于燒結過程中固相、液相反應原理研究的較少，尤其是與高溫熔融燒結的異同點沒有原理性的支撐，以至于工藝控制缺乏相關理論。因此，在未來低溫燒結工藝的主要研究方向就聚焦在原理性的探討和嚴格的工藝控制上。

2.2 富氧燒結工藝

富氧燒結工藝在20世紀末就已經有了較為成熟的工藝路線，它是以提高空氣中的氧氣為手段，通過直接向燒結工藝中通入氧氣為措施，解決燃料燃燒不充分和燒結溫度過低的問題，改善了燒結礦質量，降低了燃耗。目前，富氧燒結工藝有兩種路線，分別是點火富氧和燒結富氧，點火富氧是在煤氣點火時，將氧氣混入助燃風機送風管中與空氣混合，然后進行點火燒結。燒結富氧是在點火爐上方加氧氣罩，氧氣于四周加入，通過抽風負壓進入料層內發生反應。總體來說，點火富氧的操作較為簡單，對燒結機的性能要求較低，產生氧氣逃逸現象較少，因此燒結效果較好，是目前富氧燒結最主要的方式。而燒結富氧由于技術條件較高，尤其是對于氧氣的加量和添加位置的確定較為困難，使得燒結效果提升不明顯，但該方法具有蓄熱效果好、燒結礦質量均勻的特點，具有較好的發展前景，現階段該方法僅停留在實驗室或小型工業化階段。

富氧燒結時整體空氣中氧氣含量會有所提升，人們將提升值稱為氧氣富余量，通常富氧燒結的氧氣富余量在3%～5%，即空氣中氧氣含量為24%～26%，這些氧氣通過風機或壓縮空氣吹入燒結系統中。在這樣的環境下，燒結過程的氧化氣氛增強，確保了燃料的充分燃燒，與普通燒結相比，燒結礦的成分差異見表2。

表2 富氧燒結化學成分對比

在混合料相同時，點火富氧燒結與普通燒結礦中化學元素的含量基本類似，而FeO的含量相對較低。在生產中，常用FeO的含量表示燒結礦的還原性，FeO 含量越高，燒結礦中難還原的硅酸鐵含量就高，整體結構緊密，氣孔率低，還原性差，而FeO降低后，結構疏松，氣孔率高，還原性增強。富氧燒結厚，燒結礦中的FeO含量降低約1.0%左右，還原性能得到較大提升。

2.3 厚料層燒結工藝

對于厚料層，一直沒有嚴格的界限，在20世紀末，平均料層厚度在300 mm 時料層厚度達到400 mm 就可稱為厚料層。而現階段，有的燒結機料層厚度在700 mm 時僅達到設計的正常指標，因此厚料層是隨著科技與設備變化的。就目前的發展狀況，有的企業料層厚度可達到900 mm，更有企業料層厚度能長時間維持在1 000 mm 以上，但鑒于當今行業發展的平均水平，料層厚度達到850 mm 時可稱為厚料層燒結，達到1 000 mm 時稱為超厚料層燒結。

料層厚度對燒結指標的影響見圖1。從圖1可以看出，隨著料層厚度的提升，平均粒徑、利用系數、轉鼓強度指標都出現不同程度的升高，這是由于在厚料層作用下自動蓄熱增強，燒結溫度提升明顯，使得液相的生成量增加，燒結礦結構緊密，物理強度提升，而且厚度提升后燒結礦的產量相應提高，使得利用系數得以提升。另外，自動蓄熱作用增加了熱量的利用效率，因此，隨著料層厚度的提升，固體燃耗下降明顯。

圖1 料層厚度對燒結指標的影響

雖然厚料層有諸多好處，但是料層厚度也并非無節制增加。現階段我國最高料層厚度達到1 100 mm左右，但是穩定運行時間較短，主要的限制因素為透氣性。料層厚度提升后，空氣通過的路徑延長，風速大大降低，而且厚料層使得底部混合料受到的壓力大大增加，很多顆粒在較大應力作用下破裂粉化，堵塞了空氣通道，造成透氣性的降低。據統計，當料層厚度達到800 mm后，各項操作參數不變的情況下，料層厚度每提高10 mm，透氣性約下降5%～15%。透氣性降低后對燃燒、液相反應、成礦反應等都造成嚴重影響，從而降低燒結礦的質量指標。厚料層燒結的另一個限制是設備因素。目前多數燒結設備，尤其是燒結機及配套的臺車、風箱、風機等都有額定產量，料層厚度提升后會大大增加設備的負荷。如風機的風量、臺車的欄板高度，使得設備長時間在高負荷作用下運轉，無疑增加了設備的運行費用和安全隱患，而且質量指標得不到有效提升。最后一個限制因素是工藝原理的滯后，雖然厚料層工藝是料層厚度的簡單提升，但是對于溫度的分布、反應的條件、成礦的限制等都與常見的薄料層有很大區別；而現階段人們對這種區別還未完全掌握，以至于不能很好地指導現場生產，因此厚料層的發展還需要一定的知識積累。

2.4 熱風燒結工藝

在燒結過程中，由于料層的自動蓄熱作用，總會使得料層下方的熱量大于上方，甚至出現下方熱量過剩而上方熱量不足的現象。而且由于料層上方持續性供給冷空氣，使得上部料層冷卻快，液相來不及結晶就生成玻璃質，在較大的內應力作用下產生裂縫，粉化現象嚴重。為了降低這種現象的影響，將進入料層內的冷空氣預先加熱，從而減少了料層內部不同區域之間的溫度差異，使其趨于平均；同時，料層上方可長時間處在較高的溫度下，防止了溫度下降過快導致玻璃質的產生，進而提高了燒結指標。這種通入熱空氣的燒結工藝稱為熱風燒結，煙氣循環是熱風燒結的一種。

熱風燒結過程中由于通入了熱空氣，可適當降低固體燃耗，因此在燒結時還原區域相對減少，降低了FeO的含量，同時，熱風燒結使得上部料層保溫時間較長，有利于FeO的氧化，而且熱風燒結對于減少過熔和大氣孔的個數有著顯著作用，增加分散的小氣孔的數量，提高燒結礦的氣孔率，改善還原性。

國外對熱風燒結的研究起步較早，歐洲多國在20 世紀末就已經建立了完整的知識體系并實現了熱風燒結的自動化，如德國、法國等國家熱風燒結占有率都在50%以上。此外，日本對熱風燒結的研究也較為深入，如八幡、JFE等鋼鐵企業對熱風燒結指標中的配碳量、燒結礦強度、冶金性能等都做到了精確控制。我國對于熱風燒結的工藝研究同樣較早，但是現場應用較晚，且應用效果較差，如鞍鋼在20世紀60年代末就進行了熱風燒結的工業化試驗，取得了一定的成果，但是燒結指標較差，尤其是煙氣的循環容易造成惡性疊加。目前，隨著燒結技術的提升和環保壓力的增加，熱風燒結再度成為人們較為關注的課題，特別是我國北方地區的燒結廠都在積極進行現場試驗與改造，但是整體水平較低，對燒結礦指標的提升效果不明顯。

3 燒結發展方向

現階段，普通的帶式燒結還是燒結工藝的主要方向，其總體占比可達90%以上，其面臨的主要缺點是利用系數較低、產品能耗較高、返礦率較大、污染嚴重等。如何通過工藝優化和設備改進將這些缺點克服，是將來帶式燒結工藝的主要突破點。除了上述燒結新工藝之外，針對不同礦物原料的專用燒結、快速燒結、循環燒結等也具有較好的發展前景。將來，燒結新工藝作為燒結礦的突破點，對于節能降耗、綠色工廠的發展至關重要。