山鋼日照燒結圓筒混合機粘料原因分析與改進

張豐皓，鄭志強，張德千，穆固天，任建偉

（山東鋼鐵集團日照有限公司，山東 日照 276800）

1 前 言

現代煉鐵技術雖有長足發展，但仍依附于高爐工藝，高堿度燒結礦因此仍為高爐爐料的主流，而通過混勻制粒制備出粒度合適、透氣性良好的混合料是保障燒結礦產質量的關鍵[1］，圓筒混合機正是該工序的核心設備。但圓筒混合機筒壁惡性粘料問題直接影響混合料的混勻制粒效果，降低設備壽命，對燒結礦指標的穩定率和利用系數造成不利影響，嚴重制約燒結水平的提升。另外，因圓筒混合機粘料嚴重所引發的“落大塊”問題導致的停機事故頻發，人工清理粘料過程還存在極大的安全隱患。山東鋼鐵集團日照有限公司精品基地（以下簡稱山鋼日照）現有2套500 m2燒結系統，配備規格為4臺Φ5 m×23 m 的大型圓筒混合機。自投產以來，混合機筒壁積料嚴重，有黏結速度快、黏結厚度大的特點。為此，針對山鋼日照燒結一次混合機惡性粘料現象，基于當下粘料現狀，系統性分析筒壁粘料的成因，理清筒壁粘料的外在因素與內在機制，結合當下燒結配礦條件對混勻工序改進和設備改造，抑制圓筒粘料，保障燒結生產穩定。

2 山鋼日照圓筒混合機粘料現狀

山鋼日照兩套燒結系統為滿足高爐用料需求主要生產高堿度燒結礦，但混合料中熔劑占比較大，加之原料水分而具備一定黏性，綜合作用下引發圓筒混合機的惡性粘料[2］。而一混主要目的是加水充分潤濕混勻混合料的水分、粒度及化學成分，使混合料水分達到二混造球不注或少注水的目的，混合機粘料問題因此主要集中于一混階段。

2.1 進料端料環

燒結物料經由皮帶機作用做類平拋運動，落至混合機筒壁，由于混勻料水分較大自身具備一定黏性，熔劑生石灰、白云石等在原始物料水分作用下存在類似于水泥的固化作用，混合料黏附性及親水性得到增強，造成物料在圓筒內壁的落料點聚集，并在圓筒運轉與物料不間斷輸入的共同作用下逐步板結壓實，形成黏附于筒壁的料環如圖1所示。料環增厚壓縮進料口面積，易引發混勻料自進料端溢出的倒料事故，破壞生產連續性，不得不停機人工清理。

圖1 圓筒混合機進料端形成的料環

2.2 襯板材質

圓筒混合機對于襯板材質核心要求是耐磨且表面具有一定光滑度。山鋼日照燒結圓筒混合機初裝襯板為尼龍襯板，搭配螺栓固定角鋼作為壓條以保障混合料揚料和前行。而當前使用的尼龍襯板弊端主要集中在角鋼壓條間距和高度不易掌握，壓條安裝間距較窄，會增大設備運行電流、加劇混合機筒體粘料加快設備損耗；而增加角鋼壓條間距或降低揚料邊高度，又易使混合機內壁難形成保護粘料層，導致物料直接沖擊襯板，增加運行成本及維保投入。

2.3 水梁處板結及屋脊材質的影響

針對傳統混合機加水裝置的通病，山鋼日照燒結最初設計對加水裝置實施改造。摒棄加水管吊掛鋼絲繩的簡易結構，改用H型鋼制支撐水梁。設有17個噴嘴的加水管通過弧形限位固定于水梁下翼板。同時為避免混合料積聚水梁上翼板，在該位置焊制屋脊，兩側表面加裝鋼板。為避免滑落物料落入屋脊與筒壁鏈接側，靠外的筒壁側襯板低于內側。但實際生產中，進料口附近的1#噴嘴上方屋脊因水梁與筒壁間隙過小最先形成粘料，部分混合料滑落時灑落在3#～10#噴嘴上方的水梁屋脊堆積起來并逐步硬化。雖然11#～17#噴嘴處的屋脊粘料程度逐步減輕，但前期所形成積料總重量高達7～8 t，致使水梁產生永久性形變，下撓度超標，形成的大塊積累到一定程度發生脫落，引發混出料口堵塞，損壞漏斗及燒結料線停機等一系列事故，需停機處理，每次處理時間至少耗費2 h。

3 圓筒混合機粘料原因

3.1 原料物性

表1 為山鋼日照燒結混合料粒級分布。其中＜3 mm 的細顆粒占比高達58.05%，這類細顆粒物料受原燃料自身水分影響極易黏附于大顆粒表面。這是因為混合料顆粒間隙在一混打水的外部作用力下隨著粒度減小而靠近，增強混合料顆粒間作用力既黏結力（三相界面間的毛細力、顆粒間相對運動的黏滯作用力、顆粒間靜電力、范德華力及洛倫茲力的合力[3］），因此混合料中細粒級粉容易發生黏附且強度較高。

表1 山鋼日照燒結混合料粒級分布占比%

3.2 混合料中熔劑高占比

山鋼日照燒結主要以生產高堿度燒結礦為主，混合料熔劑結構主要為生石灰、石灰石及白云石，加劇圓筒混合機內壁的粘料程度。這是因為熔劑中生石灰遇水消化會生成細粒級的消石灰（Ca（OH）2）膠體，其具有極強的吸水性和較大的比表面積，縮短了混合料中礦石顆粒與Ca（OH）2膠體顆粒間隙的同時，使得顆粒間產生自然黏結力。加之生石灰的消化過程是從顆粒表面向內部過渡，當生石灰顆粒核心位置的CaO 消化時會奪取外部新生的Ca（OH）2膠體顆粒擴散層及水化膜的水分，進一步縮短顆粒間的間隙，顆粒間黏結力因此增強，Ca（OH）2膠體顆粒得以凝聚，與混合料中其他物料相互黏結時改變物料表面的作用力提升親水性，降低了物料繼續粘黏的難度。新黏附物料的擠壓、接觸因此更為緊密，逐步板結，導致粘料滋生并不斷增厚。

3.3 配礦結構褐鐵礦配比的調整

山鋼日照燒結配礦出于成本因素的考量，褐鐵礦占比由2021 年的18%提升至目前的近30%，一定程度上加劇了圓筒粘料程度，這是因為褐鐵礦致密程度不及赤鐵礦和磁鐵礦，使其含有較高質量分數的分子結合水和毛細水。另外，鐵礦顆粒的黏附能力與其接觸角有關，接觸角越小黏附能力越強，Clout J M F[4］通過研究燒結過程中不同種類礦石黏結機理的差異指出，礦石的接觸角越小黏附性能越強。因此接觸角最小的褐鐵礦黏附性能最強。故提升配礦結構中高褐鐵礦占比是導致筒壁粘料層中褐鐵礦占比提升，粘料現象加劇的原因之一。

3.4 顆粒運動過程的機械力及外部條件

燒結混合料顆粒發生黏結除顆粒間的自然黏結力外，還存在運動過程中的機械力?；旌狭嫌善н\輸至圓筒，做類平拋運動后接觸到圓筒內壁，同粒級混合料顆粒所受機械力主要取決于物料的密度，因此相對密度較大的磁鐵礦和褐鐵礦顆粒做類平拋下落過程中具有較高的機械力。同時，圓筒內壁裝有襯板并采用筋板及角鋼加固和保障揚料，但也這使得相鄰襯板存在折角，角鋼處又存在卡槽，因此，具備機械力較高的物料率先落入襯板和提升條卡槽內，隨圓筒混合機的轉動，部分微細顆粒未脫落，仍殘留在筒壁形成具有一定黏性粘料層并不斷加厚。

4 圓筒混合機粘料的改善措施及效果

4.1 減輕圓筒內壁粘料及消除料環的措施

4.1.1 更換襯板材質

柔性碳化鋯免維護陶瓷襯板相較于尼龍襯板具有表面光滑、不粘料、耐磨、重量輕等優點，多數企業實際投用取得良好效果。山鋼日照利用檢修將初裝一次混合機更換為柔性碳化鋯免維護陶瓷襯板。使用后連續觀察3個檢修周期，更換襯板后料環形成速度放緩，一個檢修周期內基本無法形成，內壁粘料程度由換襯板前的300 mm 降至目前的100 mm。主要表現在陶瓷襯板的提升條和揚料板位置有些許粘料，一定程度上起到保護襯板表面，防止快速磨損，延長使用周期的作用。

4.1.2 加水方式優化調整

山鋼日照燒結系統有效抽風面積500 m2，單位時間混合料處理量近1 000 t/h，因此配有長度27 m大型圓筒混合機以滿足混合料的大處理量，加水管設有21 個噴嘴，并從混合機出料端延伸至距離進料端7.8 m處。但運行過程中因加水管較長導致一混加水水壓不均，出料端水壓明顯高于其他部分，影響混合料混勻效果還加劇混合機中后端粘料程度。對此，山鋼日照燒結提出“一管兩分支同水壓法”對混合機加水裝置改造升級，改用霧化噴頭使得加水與筒內混合料與充分接觸，強化混合料潤濕混勻效果，為二混制粒創造條件，有效抑制一混內壁惡性粘料。

4.2 屋脊粘料現象的處理

朱德慶[3］通過研究混合機內部結塊物的化學成分及物理性質指出，在混合機內壁粘料過程中熔劑含量及強度隨料層厚度的增厚而提高，導致料環及板結積料極易因原始粘料層強度不足而脫落，產生“落大塊”現象，砸壞皮帶和托輥及托輥支架并造成漏斗堵塞。針對水梁屋脊粘料難以緩解，山鋼日照先后進行了水梁屋脊增設電振改造、屋脊材質更換，經生產實踐，后者治理屋脊粘料的效果更好。

屋脊材質對比試驗及優化：水梁屋脊粘料除物料自身物性影響外，屋脊材質不適宜這類外部因素同樣不容忽視。原水梁屋脊采用剛性體鋼板制作，具有較強的承載能力，因此積料需要板結足夠的體積才能脫落，加劇了因“落大塊”而停機的風險。山鋼日照利用燒結機檢修時機，把水梁屋脊粘料嚴重位置的屋脊材質部分更替為柔性體橡膠皮子和陶瓷襯板，利用壓條和螺栓固定于水梁，觀察不同材質屋脊的粘料情況進行對比實驗，圖2為試驗實施前后屋脊的粘料情況。如圖2所示，鋼板材質的屋脊粘料依然嚴重，陶瓷襯板次之，而柔性體橡膠皮子效果最好，表面未形成板結的大塊。這是因為柔性皮子屋脊承載能力不如鋼板和陶瓷襯板，加之表面光滑度更高，所以當粘料超過皮子承載后可自行滑落，難以板結為大塊，有效緩解水梁屋脊粘料的頑疾。另外，柔性體橡膠皮子多為采用廢舊皮帶，可周期性對磨損屋脊進行更換，符合當前鋼鐵生產降本增效的大趨勢，預計全部屋脊改型完成后年節省屋脊備件采購費用25 萬，同時，因混合機“落大塊”導致全線停產的問題得到根除，預計挽回停機導致的燒結礦產量損失約140.4 萬元（改善前年平均“落大塊”的次數大于6次）。

圖2 更換水梁屋脊材質試驗實施前后的粘料情況

5 結 語

5.1 引發燒結圓筒混合機內壁粘料、料環及水梁屋脊粘料板結“落大塊”等現象的根本原因可概括為燒結混合料中含鐵原料水分、細顆粒物質量分數和熔劑占比較高、熔劑未完全消化的干濕共存狀態等因素縮短了混合料顆粒間隙，增強顆粒間自然黏結力，黏附效果增強。

5.2 山鋼日照燒結系統通過更換陶瓷材質、優化加水裝置的噴嘴尺寸及進料端噴嘴位置，重新布局調整加水壓力、加水噴頭角度、數量，降低圓筒內壁黏料層厚度，消除了料環；通過對比試驗，敲定了水梁屋脊的柔性橡膠皮子的材質，弱化水梁屋脊粘料的板結程度，降低了“落大塊”導致停機次數，減輕清理的勞動強度，維持工藝穩定，提高生產效率。