德勝燒結生產優化措施

劉龍海,楊百順,楊琦鑫,柳 浩,孟 飛

(四川德勝集團釩鈦有限公司,四川 樂山 614900)

中國的鋼鐵工業是以焦化、燒結造塊、高爐煉鐵、轉爐煉鋼為主的長流程,2021年我國鋼鐵產量達到10.33億噸,高爐作為目前世界上單體容積最大、配套最成熟、壽命最長,冶煉效率最高的煉鐵設備,在長時間內仍會居于主導地位[1]。我國高爐含鐵爐料燒結礦占比為70%左右,燒結礦承擔著提供優質爐料的作用[2,3]。

生石灰作為燒結礦生產的常用熔劑,能強化混合制粒效果,提高制粒小球的強度,改善原始混合料的透氣性;活性度高的生石灰能提高混合料的初始溫度;調整燒結礦堿度,改善燒結礦礦相組成的作用,同時提高燒結礦質量[4-8]。

焦粉是鐵礦燒結的主要燃料,其粒度是影響焦粉燃燒特性的重要因素,一些學者通過調控焦粉粒度的組成,實現了燒結礦強度、冶金性能等指標的優化[10-14]。

厚料層燒結作為20世紀80年代發展起來的燒結技術,普遍認為厚料層能改善燒結礦質量,提高燒結礦強度,優化冶金性能并降低固體燃耗,行業較先進的企業已經取得厚料層燒結良好效果[15-17]。

為了提升燒結礦的質量,德勝集團燒結廠測量了在不同自產灰和外購灰的配比條件下的活性度,并研究了生石灰活性度、焦粉粒度和不同料層厚度對燒結礦性能的影響研究,達到為德勝集團生產燒結礦提供理論指導作用和降低燒結能耗的作用。

1 試驗

1.1 試驗原料

本試驗所用礦料、燃料、自產生石灰和外購生石灰均由德勝集團燒結廠提供,原料的化學成分見表1。

表1 原料化學成分 單位:%

1.2 試驗部分

1.2.1 生石灰活性度檢測

生石灰質量的優劣常采用“活性度”來衡量,活性度體現了石灰與其它物質的反應能力。本試驗通過改變自產灰與外購灰的配比,做了7種比例組合的試驗,同時為了減少試驗誤差,各組均安排了對照試驗,試驗方案見表2。本試驗采用溫升速率法,試驗裝置如圖1所示,將225 ml溫度為24 ℃的去離子水倒入容量為1000 ml的保溫容器內,開動攪拌器,轉速控制在300 r/min進行攪拌,然后將按照試驗方案配好的75 g粒度小于1 mm的石灰式樣倒入容器內,同時開始計時、測溫,每隔10 s讀取一次溫度值,直至溫度降低為止。記錄首次出現最高溫度的時間t以及達到的最高溫度Tmax,按照式(1)計算得到溫升速率,即為石灰活性度。每組樣品設置對照組,活性度取均值,不同生石灰配比的樣品活性度結果如表3所示。

1.JJ-A精密增力電動攪拌器顯示儀 2. 支架 3. JJ-A精密增力電動攪拌器電機 4. 熱電偶 5. 容器 6. 85-2數顯溫度儀圖1 溫升法測定石灰活性度試驗裝置示意圖

表2 活性度試樣配比

表3 德勝石灰活性度檢測試驗數據

(1)

1.2.2 焦粉粒度燒結杯試驗

為了研究不同焦粉粒度對燒結礦質量的影響,本試驗設定料層厚度為750 mm,具體試驗方案見表4,通過改變不同焦粉粒徑的占比進行研究,總的焦粉占比不變,試驗方案見表5。由于試驗的規模較小(每杯100 kg混合料),因此石灰、石灰石、白云石的少量變化都使得水分難于控制,因此試驗采用定量加水。布料時先在燒結杯底部首先加入3 kg,粒度l0～16 mm的燒結礦作為鋪底料鋪平,以保護燒結杯爐蓖,測量料面高度。點火溫度為1150 ℃±50 ℃,調整點火抽風負壓到8 kPa,點火完畢移開點火器。將抽風負壓調整到基本控制在16 kPa左右;當廢氣溫度達到最高值時,燒結結束記錄時間即為燒結時間。測量料面到燒結杯口的高度,將燒結礦倒出、稱重。

表4 燒結試驗配比 單位:%

表5 不同焦粉粒度試驗方案 單位:%

燒結礦性能檢驗包括,燒結礦成品率、利用系數、成品礦粒度組成的指標。低還原粉化指數RDI+3.15表示鐵礦石的粉化程度,其計算公式見式(2)。

RDI+3.15=mD1+mD2×100%

(2)

其中:m0——轉鼓前試樣的質量,g;mD0——轉鼓后試樣的質量,g;mD1——留在6.3mm篩上的試樣質量,g;mD2——留在3.15 mm篩上的試樣質量,g。

1.2.3 不同料層厚度燒結杯試驗

為了研究不同生石灰活性度對料層厚度的影響,本試驗設置了料層厚度分別為700 mm和750 mm的燒結杯試驗,具體配料方案見表4。燒結礦質量檢測指標和方式與1.2.2小節相同。

2 結果與討論

2.1 生石灰活性度對燒結礦性能的影響

2.1.1 生石灰活性度檢測

由圖2、圖3可知,溫升速率呈現先快速上升,達到反應終了時,溫度上升速率明顯減緩,直至達到最高溫度,且最高溫度基本上不隨著自產灰與外購灰的配比變化而變化。由圖4和圖5可知,隨著自產灰添加比例的降低,達到最高溫度的時間由最開始的107 s增加到了251 s,活性度也由29.1 ℃/min減少到13.6 ℃/min,因此,自產灰中的生石灰活性度比外購灰中的生石灰活性度高。這主要是自產灰中的活性氧化鈣比外購灰中的含量高。

圖2 1組生石灰升溫曲線

圖3 2組生石灰升溫曲線

圖4 自產灰與外購灰配比對最高溫時間的影響

圖5 自產灰與外購灰配比對石灰活性度的影響

2.1.2 生石灰活性度對燒結礦技術指標的影響

生石灰活性度對燒結礦質量的影響結果見表6和圖6。

圖6 生石灰活性度對燒結礦技術指標的影響

表6 生石灰活性度對燒結礦的影響

(1)對燒結礦轉鼓強度的影響

由表6和圖6可知,隨著自產灰比例的上升(或者外購灰比例的下降),燒結礦轉鼓強度整體上呈現上升趨勢,說明生石灰活性度越大轉鼓強度越好。燒結礦的強度主要與鐵酸鈣的形成有關,自產灰的活性度大,有利于細針狀和針狀鐵酸鈣的形成,導致燒結礦的轉鼓強度呈現一個整體上升趨勢。當自產灰占比80%和100%時,轉鼓強度下降,應是冷卻速度因素占主導地位,鐵酸鈣的析出量主要取決于冷卻速度,冷卻速度越快,則鐵酸鈣析出量越少。

(2)對燒結礦垂直燒結速度和成品率的影響

由表6和圖6可知,隨著自產灰比例的上升(或者外購灰比例的下降),燒結礦的成品率和垂直燒結速度都呈現增大趨勢,燒結礦在自產灰占比60%時達到最高成品率90.76%,并在自產灰占比100%時垂直燒結速度達到最大值30.30 mm/min?；钚远雀叩氖乙话闶揖ЯＰ?其比表面積大,孔隙多,化學反應性好,加水消化速度快,消化程度高,遇水后生成的Ca(OH)2微粒具有極強的粘結性,可以改善混合料的成球性,提高生球的強度,改善料層的透氣性,強化燒結過程使垂直燒結速度提高、成品率增加。

(3)對低溫還原粉化指數的影響

由表6和圖6可知,隨著自產灰比例的上升(或者外購灰比例的下降),低溫還原粉化指數RDI+3.15呈現出上升的趨勢,在自產灰占比100%時達到最大值79.03%。這主要是跟生成的鐵酸鈣的粘結相的多少有關,活性度高的生石灰生成的液相鐵酸鈣多,有利于改善低溫還原粉化指數,并對厚料層效果更加明顯。

2.2 焦粉粒度對燒結礦性能的影響

2.2.1 焦粉粒度對燒結成分的影響

不同焦粉粒度的燒結礦成分見表7,通過表7可以看出,焦粉粒度的變化對燒結礦整體的成分的影響不大,基本保持不變。這也間接說明,本次試驗配礦準確,過程控制良好,試驗參考性高。

表7 焦粉燃燒燒結杯試驗礦種成分 單位:%

2.2.2 焦粉粒度對燒結礦技術指標的影響

不同焦粉粒度燒結杯試驗結果見表8。由圖可知,隨著焦粉粒度小于1 mm的占比的減少(或1～3 mm占比增加)轉鼓強度呈現下降的趨勢。焦粉粒度變粗帶來了垂直燒結速度的增加,垂直燒結速度的增加帶來燒結礦結晶不充分,液相產生量以及流動性的變差會帶來燒結礦整體強度的下降,導致燒結礦小于0.5 mm粉末量增加,造成燒結礦抗磨指數的增加。隨著焦粉粒度小于1 mm的占比的減少(或1～3 mm占比增加),利用系數呈現上升趨勢。隨著焦粉粒度小于1 mm的占比的減少(或1～3 mm占比增加),燒成率與成品率呈現上升趨勢,可見粗焦粉粒級的提升對加快生產效率的作用是非常明顯的。隨著焦粉粒度小于1 mm的占比的減少(或1～3 mm占比增加),RDI+3.15出現略微下降,但是基本維持穩定,變化區間較小。

燃料粒度大于3 mm與小于0．5 mm是燒結所不希望的,燃料粒度過粗過細,都不利于燃燒速度與傳熱速度,降低燃料利用率,進而影響產質量與固體燃耗。燒結燃燒反應速度主要受燒結溫度與燃料粒度燃燒氣氛控制,在高溫區反應速度受燃料粒度與透氣性控制。

由圖7可知,德勝燒結廠使用焦粉原料粒級小于0.5 mm所占比例較高達到36.73%。建議適當減少小于1 mm,尤其小于0.5 mm的粒級范圍,增大1～3 mm的焦粉粒級,可提高生產效率增加產量,降低碳耗,但是會帶來垂直燒結速度加快,轉鼓強度略微下降,這一點可通過增加料層厚度的方式來平衡。

圖7 德勝燒結廠焦粉粒級分布

3 結論

本文通過研究不同生石灰活性度,焦粉粒度和不同料層厚度對燒結礦質量的影響,得到以下結論:

(1)自產灰的活性度大于外購灰,燒結中增大自產灰的比例,有助于提升燒結礦的強度和優化冶金性能。

(2)減少小于1 mm焦粉粒度,尤其小于0.5 mm的粒級范圍,增大1～3 mm的焦粉粒級,可提高生產效率增加產量,降低碳耗,但是會帶來垂直燒結速度加快,轉鼓強度略微下降。

(3)料層厚度從700 mm提高750 mm,燒結礦的轉鼓強度有所提高,冶金性能得到一定提升。改變焦粉粒度造成的燒結礦強度下降可通過增加料層厚度的方式來平衡。