鐘強, 高梓朔, 姜文政, 項思敏, 姜濤

 (中南大學 資源加工與生物工程學院，湖南 長沙，410083)

摘要：針對以細粒鐵精礦為主的厚料層燒結(jié)，采用燃料分加強化技術(shù)，研究了二次焦粉比例、焦粉-0.5mm粒級含量等對細粒鐵精礦燒結(jié)礦產(chǎn)、質(zhì)量的影響，探明燒結(jié)產(chǎn)品礦物組成和顯微結(jié)構(gòu)的變化。結(jié)果表明：燒結(jié)所用焦粉-0.5mm粒級達51.85%，粒度偏細；基于制粒水分8.0%、焦粉配比5.3%的優(yōu)化條件下，通過適宜的焦粉分加，提高了燒結(jié)礦產(chǎn)、質(zhì)量指標，當二次焦粉比例為50%時，燒結(jié)礦成品率、轉(zhuǎn)鼓強度、利用系數(shù)提升了1.68%、1.16%、3.64%，固體燃耗降低了1.42%；適宜的焦粉分加改善了燒結(jié)礦微觀結(jié)構(gòu)，提高了結(jié)晶良好的針、條狀鐵酸鈣含量；每噸燒結(jié)礦減少2.5 kg的CO排放。

關(guān)鍵詞：鐵精礦燒結(jié)；燃料分加；燒結(jié)指標；鐵酸鈣

目前，我國燒結(jié)礦生產(chǎn)規(guī)模高達10億噸/年，燒結(jié)礦在高爐含鐵爐料中比例達80%左右，因此鐵礦燒結(jié)承擔著為鋼鐵冶煉提供優(yōu)質(zhì)爐料的重要任務。燒結(jié)技術(shù)推陳出新帶動燒結(jié)礦產(chǎn)質(zhì)量提高、固體燃耗降低和污染物排放減少，對鋼鐵行業(yè)低碳綠色轉(zhuǎn)型具有重要的現(xiàn)實意義^[1-4]。

燃料分加技術(shù)是一種將部分燃料在二混過程中加入的技術(shù)，使得部分燃料粘附在制粒小球的表面，改善燒結(jié)混合料中燃料的燃燒活性^[5-6]。通過燃料分加技術(shù)，可有效從動力學上改善燒結(jié)料層中燃燒前沿與傳熱前沿的匹配問題，保證燒結(jié)料層高溫區(qū)的集中，進而提高燒結(jié)速度、成品率和利用系數(shù)，降低燒結(jié)燃耗^[7-8]。已有文獻研究了燃料分加技術(shù)中燃料粒度、熔劑含量、搭配、無煙煤與焦粉的搭配順序以及焦粉種類對鐵礦燒結(jié)的影響。固體燃料分加技術(shù)將一部分燃料與混合料混合，另一部分燃料在制粒過程中加入，使之覆蓋在制粒小球的表面，從而提高燃料燒結(jié)的反應活性面。萊鋼等鋼鐵廠有使用該技術(shù)可降低燃料消耗，但應用效果有限，且沒有關(guān)注其對CO排放的影響 ^[9-12]。

本文通過優(yōu)化焦粉配比、焦粉分加比例以及-0.5mm細粒級含量，系統(tǒng)研究了燃料分加技術(shù)對燒結(jié)指標及其微觀結(jié)構(gòu)、礦物組成的影響，以及燃料分加對燒結(jié)煙氣CO排放的影響行為。

1 試驗原料與方法

1.1 試驗原料

鐵精礦燒結(jié)試驗所用含鐵原料包括三種精礦（精礦A、B和C）和粉礦，配比為精礦A：精礦B：精礦C：粉礦=37.5%：12.5%：37.5%：12.5%，熔劑包括白云石、石灰石和生石灰，其主要化學成分和粒度組成分別如表1和表2所示。

表1 含鐵原料及熔劑的化學成分 /％

由表1和表2可知，磁鐵精礦與赤鐵粉礦的TFe品位均高于64%，精礦B的SiO2含量較高。三種精礦的粒度過細，無核顆粒導致制粒性能差，特別是精礦A與精礦C的-0.074mm含量高達97.79％與95.00%，而粉礦的粒度分布較均勻。因此，適當增加部分粉礦提供制粒核心，從而改善制粒效果。石灰石和生石灰中的氧化鈣含量符合燒結(jié)要求，白云石和石灰石的粒度分布均勻，0.5~3mm粒級的比例分別為40.4%和33.5%，為精礦制粒提供部分核顆粒。

表2 含鐵原料及熔劑的粒度組成 /％

燒結(jié)試驗所用燃料為焦粉，其灰分的化學成分和粒度組成見表3和表4。可知，焦粉灰分的氧化硅和氧化鋁含量較高，焦粉-3mm粒級的含量達到92.63%，但-0.5mm粒級的含量達51.85%，焦粉中細粒級含量偏高。

表3 焦粉灰分的化學成分 /％

表4 焦粉的粒度組成 /％

1.2 試驗方法

常規(guī)燒結(jié)與燃料分加燒結(jié)試驗工藝流程圖如圖1所示，常規(guī)燒結(jié)中焦粉一次性由人工混勻再制粒，而燃料分加燒結(jié)中一部分焦粉由人工完成一次混勻，剩余焦粉在圓筒混合機中完成二次混勻與制粒，制粒時間均為5min。制粒后燒結(jié)混合料的燒結(jié)操作參數(shù)如表5所示。燒結(jié)指標包括燒結(jié)速度、成品率、轉(zhuǎn)鼓強度、利用系數(shù)、固體燃耗，計算方法見相關(guān)文獻^[13]。燒結(jié)礦的礦相結(jié)構(gòu)借助Leica DMI4500P型光學顯微鏡，進行礦相鑒定和顯微結(jié)構(gòu)分析。

表5 燒結(jié)操作參數(shù)

圖1 燃料分加燒結(jié)試驗流程示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 常規(guī)燒結(jié)工藝參數(shù)優(yōu)化

開展細粒鐵精礦的常規(guī)燒結(jié)試驗，分別研究了制粒水分和焦粉配比對燒結(jié)指標的影響，結(jié)果如圖2所示。

（a）焦粉配比5.5%；（b）混合料水分含量8.0%左右

圖2 混合料水分和焦粉配比對燒結(jié)指標的影響

由圖2可知，隨著制粒水分的增加，因細精礦混合料的制粒效果改善，使得燒結(jié)速度顯著提升，同時適宜的水分強化了燒結(jié)過程的氣-固傳熱效率，使得燒結(jié)礦的成品率、轉(zhuǎn)鼓強度、利用系數(shù)都明顯提升，反之，固體燃耗逐步減低，因此適宜的制粒水分為8.0%。

基于適宜的制粒水分，繼續(xù)提高焦粉配比，所有燒結(jié)指標有所惡化，反而焦粉配比降低至5.3%，燒結(jié)礦的成品率與利用系數(shù)提升，固體燃耗處于最低值。因此，適宜的焦粉配比為5.3%。

2.2 燃料分加強化細粒鐵精礦燒結(jié)

基于焦粉配比5.3%，保持焦粉原始粒度不變，采用燃料分加技術(shù)強化細粒精礦燒結(jié)，提升燒結(jié)產(chǎn)、質(zhì)量。將一次焦粉與二次焦粉的比例由100%:0%調(diào)整至0%:100%，考察其對燒結(jié)指標的影響，結(jié)果如圖3所示。

圖3 燃料外配對燒結(jié)指標的影響

由圖3可知，隨著二次焦粉比例由0%提升至50%，進一步提升了燒結(jié)礦的產(chǎn)質(zhì)量指標，成品率和轉(zhuǎn)鼓強度分別提升，固體燃燒明顯降低。然而，隨著二次焦粉比例繼續(xù)增大，燒結(jié)指標呈山體滑坡式下降，是因外配焦粉比例過高，焦粉全都裹附于制粒小球表面，在燒結(jié)過程中焦粉與氣流中氧氣充分接觸，燃燒速率過快，從而導致傳熱前沿與燃燒前沿差距增大，導致料層最高溫度較低，影響燒結(jié)成礦。因此，適宜的一次焦粉與二次焦粉比例控制在50%:50%以內(nèi)。

因焦粉中-0.5mm粒級含量高達51.85%，考慮到焦粉外配時，細粒級焦粉相對于粗粒級更易被氣流帶走，更易燃燒，從而對燃料分加燒結(jié)產(chǎn)生不利影響。因此，在燃料內(nèi)外配比為50%：50%的前提下，降低-0.5mm粒級含量并以+0.5mm粒級補充，考察其對燒結(jié)指標的影響，結(jié)果如圖4所示。

 圖4 -0.5mm粒級含量對燒結(jié)指標的影響

由圖4可知，隨著焦粉中-0.5mm粒級含量的提高，燒結(jié)速度在30%時達到最高值，燒結(jié)礦成品率和利用系數(shù)在40%時最高，轉(zhuǎn)鼓強度在50%時最高，固體燃耗在50%時最低。總體而言，全部燒結(jié)指標隨-0.5mm粒級含量提升有所改善，適宜的-0.5mm粒級含量為40%~50%，其原因是基于燃料分加，降低-0.5mm粒級含量使得二次焦粉中粗顆粒增多，其在混合料中主要以單一焦粉形式存在，在燒結(jié)中獨自燃燒，釋放的化學熱與氣流發(fā)生對流傳熱并隨煙氣向下傳遞，而輻射給附近鐵礦顆粒的熱量減少，導致燃燒帶熱量減少，溫度降低，不利于局部混合料的燒結(jié)成礦。  

2.3 燒結(jié)礦化學成分及礦物組成

為進一步考察燃料分加技術(shù)對燒結(jié)的積極作用，選取3種優(yōu)化條件下的燒結(jié)礦樣品，對比分析主要化學成分、礦物組成及微觀結(jié)構(gòu)的變化。3種條件分別為：條件1為常規(guī)燒結(jié)，條件2為一次焦粉：二次焦粉=50：50，焦粉-0.5mm含量50%，條件3為一次焦粉：二次焦粉=50：50，焦粉-0.5mm含量30%三種燒結(jié)礦的主要化學成分結(jié)果如表6所示。

表6 不同燒結(jié)礦的主要化學成分

由表6可知，因燒結(jié)混合料配礦方案相同，3種燒結(jié)礦的主要化學組成基本相同，其中，焦粉-0.5mm含量為30%時，燒結(jié)礦的FeO含量略有提高，是因為燃料粗顆粒含量提高，在局部出現(xiàn)了弱還原性氣氛，阻礙了FeO的充分氧化。三種燒結(jié)礦的鐵氧化物、鐵酸鈣粘結(jié)相及孔隙結(jié)構(gòu)如圖5所示。基于多點的微觀結(jié)構(gòu)照片，以色差統(tǒng)計分析燒結(jié)礦主要礦物的含量，如圖6所示。

由圖5可知，由于在常規(guī)燒結(jié)中焦粉被細粒鐵精礦裹附，其燃燒釋熱產(chǎn)生高溫狀態(tài)，樣品1^#存在更多不規(guī)則、熔蝕狀鐵酸鈣包裹磁鐵礦，并與少量針狀鐵酸鈣互聯(lián)。適宜的燃料分加改善了料層熱狀態(tài)，利于燒結(jié)成礦，使得樣品2^#出現(xiàn)結(jié)晶形態(tài)良好的針、條狀鐵酸鈣，與磁鐵礦相互交織，同時孔隙中嵌布著少量的硅酸鹽液相，提高了燒結(jié)礦的整體結(jié)構(gòu)強度。樣品3^#的微觀構(gòu)造變差，以細小針狀鐵酸鈣連接磁鐵礦、次生赤鐵礦，孔隙較多。

由圖6可知，主要礦物均為鐵酸鈣、赤鐵礦、磁鐵礦、硅酸鹽和玻璃相，與普通燒結(jié)礦比較，采用燃料分加獲得燒結(jié)礦的鐵酸鈣含量增加，赤鐵礦、磁鐵礦和硅酸鹽的總含量有減少。

（a）樣品1^#；（b）樣品3^#；（c）樣品2^#；（d）樣品3^#

圖5 燒結(jié)礦的微觀結(jié)構(gòu)

圖6 燒結(jié)礦的礦物組成（質(zhì)量分數(shù)）

2.4 燒結(jié)煙氣CO的排放行為

為進一步考察燃料分加技術(shù)對燒結(jié)煙氣CO的減排作用，對比研究了條件1（常規(guī)燒結(jié)）和條件2（一次焦粉：二次焦粉=50：50，焦粉-0.5mm含量50%）的燒結(jié)煙氣CO_x排放行為，其結(jié)果分別如圖7和圖8所示。

由圖7可知，常規(guī)燒結(jié)過程和燃料分加燒結(jié)過程的CO₂和CO煙氣排放規(guī)律基本一致。在燒結(jié)點火階段，CO₂和CO大量排放，點火結(jié)束后CO₂和CO排放趨于平緩。另外，燒結(jié)過程中CO₂排放量遠大于CO排放量。燒結(jié)煙氣CO₂主要為燃料燃燒和石灰石等物質(zhì)分解反應產(chǎn)生的，CO主要為局部區(qū)域燃料不充分燃燒產(chǎn)生的。根據(jù)圖8計算的CO排放量，常規(guī)燒結(jié)過程和燃料分加燒結(jié)過程每噸燒結(jié)礦CO排放量分別為40.92 kg和38.42 kg，采用燃料分加方式，每生產(chǎn)一噸燒結(jié)礦能減少2.5 kg的CO排放，燒結(jié)煙氣CO減排效益明顯。

圖7 常規(guī)燒結(jié)和燃料分加燒結(jié)過程的COx排放行為

圖8 燃料分加對燒結(jié)煙氣CO的減排效應

3 結(jié)論

（1）細粒鐵精礦燒結(jié)所用焦粉-0.5mm粒級達51.85%，粒度偏細。制粒水分8.0%、焦粉配比5.3%的優(yōu)化條件下，燒結(jié)礦的成品率、轉(zhuǎn)鼓強度、利用系數(shù)和固體燃耗分別為69.60%、66.03%、1.65 t?(m²?h)^-1和54.95 kg?t^-1；

（2）通過適宜的燃料分加強化細粒鐵精礦燒結(jié)，提高燒結(jié)礦產(chǎn)、質(zhì)量指標，當二次焦粉比例為50%時，燒結(jié)礦成品率、轉(zhuǎn)鼓強度、利用系數(shù)分別為70.77%、66.80%、1.71 t?(m²?h)^-1，提升了1.68%、1.16%、3.64%，固體燃耗為54.17 kg?t^-1，降低了1.42%。

（3）相對細粒鐵精礦常規(guī)燒結(jié)，采用燃料分加技術(shù)，改善了燒結(jié)礦微觀結(jié)構(gòu)，提高了結(jié)晶良好的針、條狀鐵酸鈣含量，鐵酸鈣與磁鐵礦相互交織，結(jié)構(gòu)致密。采用燃料分加方式，每生產(chǎn)一噸燒結(jié)礦能減少2.5 kg的CO排放，燒結(jié)煙氣CO減排效益明顯。

參考文獻

[1] 姜濤. 燒結(jié)球團生產(chǎn)技術(shù)手冊[M]. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 2014.

[2] Zhong Q., Liu H B , Xu L P, et al. An efficient method for iron ore sintering with high-bed layer: double-layer sintering[J]. Journal of Iron and Steel Research International, 2021. 28(11): 1366-1374.

[3] Li G H, Liu C, Yu Z W, et al. Energy saving of composite agglomeration process (CAP) by optimized distribution of pelletized feed[J]. Energies, 2018, 11(9): 2382.

[4] 范曉慧, 孟君, 陳許玲, 等.鐵礦燒結(jié)中鐵酸鈣形成的影響因素[J]. 中南大學學報（自然科學版）, 2008, 39(6): 1127-1130.

[5] 吳勝利, 韓宏亮, 馮根生. 燒結(jié)固體燃料分加技術(shù)的研究[C]//.第七屆(2009)中國鋼鐵年會論文集（上）. 2009: 551-556.

[6] 任志國, 謝華, 柳望洵, 等. 燃料分加對混合料造小球團及燒結(jié)過程的影響[J]. 鋼鐵研究學報, 2000, 12(2): 1-5.

[7] 張清岑, 王隆謙. 關(guān)于燃料和熔劑分加的研究[J]. 燒結(jié)球團, 1980, 5(1): 27-34.

[8] 夏玉虹, 楊紹利. 燒結(jié)燃料二次分加優(yōu)化試驗研究[J].燒結(jié)球團, 1998, (4): 22-25.

[9] 李強. 燒結(jié)細粒燃料分加技術(shù)研究[J].燒結(jié)球團, 2012, 37(2): 9-12.

[10] 閆小衛(wèi). 燒結(jié)燃料分加工藝優(yōu)化試驗研究[J]. 山東冶金, 2017, 39(3): 23-25.

[11] Wu S L, Que Z G, Li K L. Strengthening granulation behavior of specularite concentrates based on matching of characteristics of iron ores in sintering process[J]. Journal of Iron and Steel Research International, 2018, 25(10): 1017-1025.

[12] 薛方, 熊軍, 石江山, 等.濕熄焦的分加對燒結(jié)生產(chǎn)的影響研究[J]. 燒結(jié)球團, 2019, 44(2): 9-12.

[13] Li G H, Liu C, Rao M J, et al. Behavior of SO₂ in the process of flue gas circulation sintering (FGCS) of iron ores [J]. ISIJ International, 2014, 54(1): 37-42.