許滿興 張天啟
（北京科技大學） （銅陵市旋力特殊鋼有限公司）
摘要：本文論述了配碳量對燒結礦質量（礦物組成和冶金性能）的影響，論述了燃料的燃燒性和燃料分加對燒結過程的影響，著重論述和分析討論了燃料粒度對燒結過程和燒結礦質量的影響，並得出了幾點有價值的結論。
關鍵詞：低配碳；燃料粒度；高質量發展
1 配碳量對燒結礦質量（礦物組成和冶金性能）的影響
燒結料中配碳量決定燒結溫度、燒結速度及氣氛，對燒結礦的性質及礦物組成有很大的影響。 鞍鋼鐵精礦的燒結研究表明：當燒結礦堿度固定在1.5, 燒結料含碳量由3.0%升高到4.5%時，對燒結礦中鐵氧化物總含量影響不大，而對黏結相的形態及礦物的結晶程度影響很大。當燒結料中含碳低時，磁鐵礦的結晶程度差，主要黏結相是玻璃質，多孔洞，還原性比較好，而強度差；隨著燒結料含碳量的增加，磁鐵礦的結晶程度改善，并生成大粒結晶，這時液相黏結物以鈣鐵橄欖石代替了玻璃質，孔洞少，因此燒結礦強度變好。當配碳過多時容易生成過量液相， 形成大孔薄壁或氣孔度低的燒結礦，此時燒結礦產量低，還原性差， 強度也不好。表 1-1 為某鋼鐵公司配碳量對燒結礦礦物組成及冶金性能的影響。
表1- 1 配碳量對燒結礦礦物組成及冶金性能的影響
對一般鐵礦粉燒結，燒結礦FeO含量隨配碳量的增加而有規律地增加。 因此燒結礦FeO含量通常被用來評定燒結礦冶金性能。表1-2為燒結礦 FeO 含量與冶金性能的關系，從表可以清晰地看出，隨著FeO含量的增加，燒結礦成品率、轉鼓指數和燒結利用系數均明顯增加，但燒結礦的還原度明顯變差。此外燒結礦FeO含量高，意味著燒結固體燃料消耗高。
表1- 2 燒結礦 FeO 含量與冶金性能的關系
2 燃料的燃燒性及對燒結過程的影響
在燒結過程中，燃料（焦粉）為燒結提供熱量，通過抽風燒結，這些熱量用于加熱干燥燒結料，對燒結料中的鐵礦粉和熔劑進行焙燒，使其中的鐵礦物、脈石礦物和熔劑發生同化反應并生成液相，從而形成燒結礦。因此，燃料的特性對燃料消耗、垂直燒結速度以及產、質量指標有著顯著的影響。燒結過程中的最高燒結溫度主要取決于燃料的著火點和燃燒性等特性，當燃料的特性與燒結混合料的特性相匹配時，燃料的燃燒速度與傳熱速度相匹配，能夠獲得合適的高溫區寬度，這不但有利于燒結礦的充分結晶，還有利于改善燒結過程的熱態透氣性，能夠減少燒結料層底部的過熔 有利于燒結礦產、 質量指標的提高。
2.1 不同粒度燃料的燃燒性
為了解不同粒度燃料的燃燒規律，將燃料進行篩分，選出大于 3mm、 1-3mm 以及小于 1mm 三種粒級的燃料，分別選取 50g 不同粒度的燃料試樣放人加熱爐內進行試驗，燃燒性（ 燃燒率）則由失重量與原始重量的比值表示。1~3mm 粒級燃料的失重率相對最高，其燃燒速度相對最快，燃燒效率相對高,燃燒性好；大于3mm 粒級燃料的失重率相對較髙，其燃燒性相對較好；小于 1mm 粒級燃料的失重率低，其燃燒性差；沒有經過篩分的燃料的失重率較低，其燃燒性相對較差。 因此，為了提高燃料的燃燒性，可以選擇粒度為 1~3mm 的燃料作為主要燒結燃料；若要降低燒結燃料的燃燒性，可以選擇粒度小于 1mm 的燃料。
2.2燃料分加前后燃料的燃燒性
為了研究分加前后燒結燃料的燃燒規律，采用兩種方式進行試驗。 第一種是將鐵礦粉和燃料直接進行混合制粒；第二種是先將 30%燃料與鐵礦粉混合制粒，再將 70%燃料后加入進行制粒，使得燒結料的表面被固體燃料包裹。最后分別將100g 制好的試樣放入高溫爐內進行焙燒，分加前后燃料燃燒性的測定結果如圖2-1 所示。
從圖可以看出，分加后的燃料燃燒速率較高，燃燒性較好。這是因為沒有分加時， 一些燃料包裹在鐵礦粉中， 影響了燃料的燃燒。 分加后，固體燃料包裹在燒結料的表面，在燒結過程中燃料與空氣的接觸增加，這有助于燃料燃燒性的提高。因此燃料分加能夠明顯地提高燃料的燃燒性。
但是由于單純燃料分加，后加的燃料不易裹在燒結料顆粒上，易使焦粉堵塞燒結料層空隙，對燒結成品率、粒度組成、熱態透氣性等均有影響，垂直燒結速度有所降低。
圖 2-1 燃料分加前后的燃燒性
基于上述原因，北京科技大學燒結技術團隊提出了將鈣質熔劑和燃料同時分加方案，使外裹燃料更好地黏結在燒結混合料表面，同時鈣質熔劑對焦粉燃燒有催化作用，從而可加快混合料表面的焦粉燃燒速度，使垂直燒結速度增加，燒結礦產量提高。另外，在堿度較高時， 鈣質熔劑分加有利于燒結料表層生成更多的鐵酸鈣，從而有利于提高燒結成品率。因此，熔劑燃料分加燒結的燒結礦成品率和粒度組成最好，熱態透氣性較好，固體燃耗最低。
3 燃料粒度對燒結指標的影響
燃料在燒結生產過程中起著重要作用，不同粒度分布的燃料對燒結礦產、質量有較大的影響。粒度過大，燃燒速度慢，燃燒帶變寬， 燒結透氣性變差，垂直燒結速度下降，利用系數會降低；而且粒度大小差異較大時，易發生偏析，大顆粒集中在料層下部，容易導致下部料過熔；小顆粒由于燃燒速度快，在其周圍不能保持一定的高溫時間， 不利于液相的形成，會導致成品率降低。粒度組成的改變，還會對氧化物的再結晶、高價氧化物的還原和分解、低價氧化物的氧化,液相的生成數量、燒結礦的礦物組成以及宏觀和微觀結構等產生影響，尤其對燒結礦中鐵酸鈣的生成產生影響，將會直接影響到燒結礦的還原性等冶金性能。
鑒于此，沙鋼鋼鐵研究院和北京科技大學等專家在保證配礦結構不變的條件下進行了實驗，主要探究燃料中不同粒級量對燒結生產指標及質量的影響。
3.1 實驗研究方案
混勻礦于料場配好，其他原輔料均為現場所用，焦粉、無煙煤分別取自燃料破碎后皮帶。在保證燒結熔劑、混勻礦結構及無煙煤、焦粉總量不變的條件下,進行 Ø300mmX750mm 燒結杯實驗。原始燃料粒度見表 3-1，由表的數據可看出,目前所用燃料存在過粉碎的現象， 即小于 1mm 的粒級過多。燒結實驗方案見表3-2,在改變某一種粒度含量時，固定其他兩種粒度的比例。通過燒結杯實驗,研究燒結混合料中改變燃料中小于 1mm、1~3mm 及 3~5mm 含量對燒結指標的影響。
表3-1 原始燃料粒度分布
燒結杯實驗的工藝參數為.• 點火溫度 1050°C ，點火時間為 2min，點火負壓控制在 6kPa，燒結負壓控制在13kPa。當燒結廢氣溫度達到最高并開始下降時，燒結杯實驗結束。實驗結束后，計算垂直燒結速度、成品率和檢測轉鼓強度。
表3-2 燃料中不同粒度比例對燒結礦質量影響實驗方案
3. 2 結果與討論分析
3. 2. 1 燃料的燃燒性能
動力學分析表明，燒結過程中的燃料燃燒受擴散環節控制。燒結混合料中燃料的燃燒速度及燃燒帶的寬度與燃料顆粒的直徑、氣流的流速及透氣性有關。在燒結條件一定時，燃料粒度成為燒結過程的決定因素，關系著燒結礦的成品率和燒結利用系數。為研究不同粒度燃料的燃燒規律， 把實驗用燃料篩分為- 1mm、1 ~3mm、 +3mm 粒級， 進行了 STA 差熱分析， 從結果可看出，各粒度的燃料均在接近 500T 時開始燃燒，在 800T 時均燃燒完畢；粒度越小，開始燃燒溫度相對越低，燃燒速度越快；燃料粒度越大，開始燃燒溫度相對稍高,燃燒速度越慢。由于粒度的差異，會造成燒結燃燒帶溫度的橫向分布不均，影響到料層中焦粉燃燒的動力學條件及熱力學條件，造成燒結指標及燒結礦質量的差異。燃料粒度大，由于燃燒速度慢，會使得燃燒帶變寬，高溫停留時間變長，液相產生量增加，有利于礦物的黏結，但會使燒結過程透氣性變差，垂直燒結速度及利用系數降低；反之，粒度小，燃燒速度快，高溫停留時間短 ，液相反應不完全，燒結礦強度變差，成品率降低，利用系數也低。
3. 2. 2 燃料中小于 1mm 比例對燒結指標的影響
燃料中小于 1mm 比例對燒結指標和燒結礦粒度組成的影響。從實驗結果來看，隨著小于1mm比例由15%提高到50%， 燒結速度提高，燒結礦成品率和轉鼓強度均顯著降低；小于1mm 量從15%提高到 50%后，轉鼓強度下降了8.72%，幅度較大，同時固體燃耗升高；粒級組成中 5～10mm 比例由18.56%急劇升髙到 26.36%, 燒結礦粒級組成指標惡化。當小于 1mm 比例增多時，從熱力學角度分析可知，由于粒度的減小，單位體積分布的燃料增多，碳的不完全反應增加，會造成負壓的上升，料層顆粒之間O2 濃度下降，使混合料層的透氣性下降，影響燒結指標。從動力學角度分析，由于燃料粒度越小，碳的燃燒速度越快，在抽風負壓的作用下，碳的燃燒速度進一步加快，燃料燃燒后的熱量難以被有效利用，燒結過程中料層高溫停留時間變短，髙溫帶變窄，燒結液相反應不完全，造成燒結礦質量的下降，尤其是強度的下降，5～10mm 粒級的增加。同時，由于-1mm 粒級的燃料容易被氣流抽走，造成燃料的浪費，使燃耗升高。因此， 為了保證燒結礦強度，必須控制燃料中小于1mm 的粒級量，改善燃料的整體粒度分布。在本實驗的條件下，燃料中小于1mm 的比例不宜超過 35%。
3.2.3 燃料中 1- 3mm 比例對燒結指標的影響
燃料中 1- 3mm 比例對燒結指標和燒結礦粒度組成的影響。 從實驗結果來看， 隨著 1 -3mm 燃料比例的增加， 燒結速度有所變慢， 固體燃耗也降低， 燒結礦成品率和轉鼓強度均有所增加； 1 -3mm 量從 29%提高到 55%后，轉鼓強度增加了 4%， 粒級組成中 5- 10mm 比例顯著降低， 由 26. 36%降低到23. 05%, 燒結礦粒級組成得到了改善。當燃料中 1 3mm 比例增多時， 燃料粒度分布趨于均勻， 在料層中的偏析現象減少， 有利于燃料的充分燃燒利用， 碳的燃燒時間加長， 燒結過程氧化性氣氛增強， 熱能利用效果好， 能夠增加高溫保持時間， 增寬高溫帶， 為液相反應提供足夠的時間， 也能為鐵酸鈣的生成創造有利條件， 有利于提高燒結礦的強度， 同時也有利于固體燃耗的降低。 因此， 為了保證燒結礦強度， 需盡量控制燃料中1- 3mm 的粒級量在較高的水平， 以提高燃料的利用率。
3. 2. 4 燃料中大于 3mm 比例對燒結指標的影響
燃料中大于 3mm 比例對燒結指標和燒結礦粒度組成的影響。從實驗結果來看， 隨著大于 3mm 比例的提高， 燒結速度提高， 燒結礦成品率和轉鼓強度均顯著降低， 固體燃耗增加； 大于 3mm 量從 5%提高到 25%后， 轉鼓強度下降了 2%， 幅度較大； 粒度組成中 5- 10mm 比例由 21. 21% 急劇升高到23.52%，燒結礦粒級組成指標趨于惡化。
燃料中大于 3mm 的量增加,布料后由于粒度偏析，大顆粒燃料容易落到下層，其自動蓄熱性會造成下部高溫熱量高，形成大塊，冶金性能變差；同時，由于大顆粒量增加，而燃料整體配加量未變，也會造成中上部燃料分布更加偏析。分布及其不均，部分生礦周圍無充足液相黏結，不易礦化，影響燒結礦粒度粒度指標惡化，而且固體燃耗升高。燒結的根本是燃料燃燒，焦粉是提供燒結燃燒所需熱量的主要原料，而且焦粉用量少但可以發揮較大作用的原料。因此要著力控制焦粉粒度分布，避免其在布料過程中造成過分偏析，影響燃料的充分利用，同時影響燒結指標。
3. 2.5 最佳燃料粒度燒結實驗對比
根據上述實驗，確定了焦粉的合適燃料粒度為：小于 1mm 30%、1-3mm 55%、大于3mm15%。釆用此焦粉粒度分布進行了燒結礦實驗，由于方案S-3中焦粉粒度與原始粒度最接近，因此此處對比 S-3。同時對燒結礦進行了礦相組成鑒定，燒結指標結果分別如表 3-3 與表 3-4所示，
表 3-3 最佳燃料粒度時燒結指
表3-4燒結礦化學成分與鐵酸鈣含量
由表 3-3 結果可看出， 焦粉粒度經過優化后， 各項燒結指標明顯優于未經過優化燃料。 焦粉粒度優化后燒結， 燒結速度放緩， 有利于提高成品率和 轉鼓強度， 減少 5 -10mm 粒級量； 同時由于優化后焦粉粒度分布合理， 偏析現象減少，焦粉燃燒利用效率提高， 固體燃耗降低。
由表 3-4 結果可看出， 焦粉粒度經過優化后進行燒結， 燒結礦鐵酸鈣含量比未優化時增加，說明對燃料焦粉進行優化后，燃燒較為充分，燒結料層上，中、下熱量分布均勻，有效提升燒結礦顯微結構組織形態，提高質量。從礦相結構對比可看出， 燃料優化前鐵酸鈣數量相對較低，鐵酸鈣呈團塊狀形態，局部有少量針狀鐵酸鈣，在團塊狀鐵酸鈣周圍夾雜著硅酸鹽。燃料優化后的燒結礦鐵酸鈣數量增多，磁鐵礦和硅酸鹽含量減少；鐵酸鈣形態由團塊狀變為針狀，且鐵酸鈣相互交織，結構致密，其間有磁鐵礦填充在鐵酸鈣之間。
4 結 論
由以上實驗研究和分析討論，可以得出如下結論：
1) 各粒度的燃料均在接近500度時開始燃燒，粒度越小，開始燃燒溫度相對越低，燃燒速度越快；粒度越大，開始燃燒溫度相對越高，燃燒速度越慢。
2) 焦粉是提供燒結燃燒所需熱量的主要原料，且用量少，可以發揮重大作用，因此要著力控制焦粉粒度分布，避免其在布料過程中造成偏析，影響燃料的充分利用，同時影響燒結指標。
3) 從燒結生產原輔料條件考慮，燃料的合理粒度應控制在小于 1mm比例小于 30%, 1～3mm比例控制在55%左右，大于3mm比例不宜超過15%。
4) 燃料粒度優化后，燒結礦中鐵酸鈣數量增加，磁鐵礦和硅酸鹽含量減少，針狀鐵酸鈣明顯增多，且相互交織，形成較為致密的結構，有利于提高燒結礦的強度。
5) 低配碳有利于改善燒結礦的礦物相和還原性，當配碳≤2.5%實現均質燒結后， RDI+3.15同時能得到改善。超低配碳是厚料層和超厚料層燒結生產高質量發展的關鍵舉措。
參考文獻
［1］許滿興、何國強、張天啟、廖繼勇編著 燃料的燃燒性及對燒結過程的影響
《鐵礦石燒結生產實用技術》冶金工業出版社出版2019.8.(29-38)
［2］許滿興、何國強等編著 配碳量對燒結礦礦物組成和冶金性能的影響
《鐵礦石燒結生產實用技術》冶金工業出版社出版2019.8.(28-29)