梁臣忠^1.2

（首鋼水城鋼鐵（集團）有限責任公司，貴州 水城 553600）

摘要：目前國內燒結生產的主流工藝為厚料層燒結，對燒結礦產質量指標改善、降低能耗和減少CO₂的排放有著顯著的作用。水鋼由于提高鐵精粉比例導致燒結機料層厚度下降、單位固體燃料消耗增加、返礦率升高和質量不穩定等問題。水鋼265m²燒結機通過對生石灰活性度的提高，混合料制粒效果改善、燒結機臺車整體改造、布料方式的優化改造和爐條板結的治理以及終點溫度的穩定性的控制等技術措施的實施提高料層厚度, 料層厚度逐步從800mm提高至1000 mm, 燒結礦質量持續提升, 燒結礦產量穩步提高,燒結礦單位固體燃耗從48.77(kg·t^-1)下降到47.86(kg·t^-1)。轉鼓強度由77.30%增加到77.54%。每噸燒結礦化石燃料排放碳排放0.120tCO₂降至0.110tCO₂，降幅為8.3%。

關鍵詞：厚料層，燒結，終點溫度，碳排放

鑒于厚料層燒結技術憑借其出色的蓄熱能力和承載大量物料的獨特優勢^[1]，自問世以來便迅速在全球燒結領域內獲得了廣泛認可與應用^[2]，使得現今的燒結料層高度普遍邁過了700mm的大關，更有部分領先企業將其極限推升至900mm之上^[3-6]。然而，伴隨著料層高度的不斷提升，一系列挑戰接踵而至——成本激增與生產指標下滑的雙重困境^[7-8]，令繼續攀登變得日益艱難，料層增高的腳步仿佛遭遇了一道無形的天花板^[9-11]。

與此同時，燒結礦作為占據我國高爐用含鐵材料七成以上的基石，其產出質量和效能直擊鋼鐵產業鏈的核心^[12-13]，關系著整個行業的命運與發展。特別是當環保標準日趨嚴格、“雙碳”目標成為國家發展戰略主旋律之際，燒結環節的產能與排放問題已然對煉鐵產能構成實質性威脅，迫切呼喚一場深刻的變革^[14-16]。

厚料層燒結技術憑借其獨特的熱利用率高、節省燃料、提升生產能力、改善產品質量以及減少排放等多重優勢^[17]，正逐步成為燒結領域內的革新焦點。它不僅能大幅度提升能源利用效率，降低固體燃料消耗，還能夠顯著增強燒結礦的產量與質量，同時在環保減排方面展現積極效用^[19-21]。尤其是隨著全球對“雙碳”目標的重視程度加深，厚料層燒結技術因其節能減排特性，成為了實現綠色轉型的關鍵途徑之一^[22-24]。

面對生鐵產能持續擴張與環保壓力日增的雙重挑戰，燒結行業亟待尋求提效降耗的新途徑。在此背景下，超厚料層燒結技術無疑成為了破局利器。首鋼水鋼通過對6號265m²深入探究厚料層燒結原理，逐步形成了涵蓋理論指導與實踐操作的完整超厚料層燒結技術體系，成功實現了1000mm超厚料層下的高效穩定生產。

1  水鋼燒結問題

1.1  厚料層提高前問題

面對鋼材市場的長期疲軟和鋼鐵行業普遍面臨的嚴峻成本壓力，各大鋼鐵企業正積極探索降本增效的新路徑。鑒于此，公司提出“四一一”戰略應運而生，其中關鍵一項便是大幅提升國內鐵精粉的使用比重，以此替代價格高昂的進口礦資源，力求在原材料采購環節實現成本削減。然而，隨著國產鐵精粉在配料體系中的份額激增，尤其是細小顆粒的普遍存在，引發了新的挑戰——細礦粉極易在燒結料層中堆積，形成阻塞，嚴重影響了燒結進程的順暢性和燒結礦的產出質量，嚴重惡化燒結指標，達不到提升鐵精粉比例降低成本的初衷。充分利用好國內鐵精粉資源，確保生產成本的可控與產品質量的穩定，進而推動整個產業鏈的健康可持續發展。

表1. 2023年6-12月燒結機生產情況

如表1所示，公司在2023年6月份嘗試開始提高鐵精粉比例，從26.5%升至高峰值40.8%，而后回落至38.5%，期間料層厚度經歷由833mm降至775mm再反彈至801mm的過程，同時，返礦率從14.95%增長至17.04%。尤為注意的是，在10月，當鐵精粉比例激增至40.8%之際，料層厚度緊縮至775mm，返礦率飆升至15.78%，這兩組數字清晰地映射出，隨鐵精粉比例的大幅增加，料層厚度受到壓縮，而返礦率顯著攀升，反映出了鐵精粉含量變動對燒結過程的直接影響。這一系列數據波動不僅揭示了鐵精粉對燒結工藝的具體作用機制，也突顯了持續監測并適時調控鐵精粉使用量的重要性，以保障燒結作業的穩定性和經濟性。

如圖1（a）所示，鐵精粉使用比例和料層厚度的相關系數為-0.92005，有較強的相性。鐵精粉比例的提升直接引發了燒結料層透氣性的下降，迫使其厚度不得不從原有的835mm下調至770mm，以維持正常的燒結進程。這一變化的關鍵在于，細小顆粒的鐵精粉在高溫環境下易于凝聚成團，形成緊密結構，降低了料層的整體滲透性，進而不利于熱量均勻傳導與氧氣充分供給，從而迫使通過降低料層厚度的方式來進行應對此類透氣障礙，確保燒結作業的連續運行。如圖1(b)所示，料層厚度與返礦率展現出顯著的負相關性，相關系數高達-0.87621。這意味著，隨著料層厚度的增加，返礦率顯著下降，反之亦然。其一料層厚度的增加有效抑制了燒結邊緣區域不穩定的燒結礦產生，進而大幅度減少了返礦的比例。這是因為較厚的料層能夠提供更充足的熱交換空間，使得整體溫度分布更為均衡，減輕了邊緣部位因過快冷卻而導致的燒結不足現象。其二，由于料層厚度增加，單位面積燒結礦的量增加，從而降低了一面兩邊未充分燒結部分的占比，即返礦率得到實質性的削減。

圖1（a. 鐵精粉比例對料層厚度的影響，吧b.料層厚度對返礦率的影響）

1.2  料層厚度監測手段

圖2展示了一套完善的料層厚度監控系統，其中(a)為平料高度顯示儀表，(b)則是料層厚度中控顯示儀器。通過這兩個關鍵設備，實現了對料層厚度的有效實時監測。平料高度顯示儀表用于直接觀測料面位置，確保均勻鋪展，而中控顯示儀器則能連續記錄并分析料層厚度變化，共同構成了精確控制燒結料層的關鍵環節。

圖2.（a.平料高度顯示儀表；b.料層厚度中控顯示儀器）

1.3料層厚度的提高過程

重點圍繞生石灰活性度提升與消化速率優化展開工作，同步改良加水比例與方式，并對設備進行創新升級。至2024年4月，料層厚度已突破至949mm。隨后，通過對終點溫度和燒結負壓進行深度調優，加之生石灰活性度的持續改進，至同年9月，料層厚度達1000mm，創下國內先進水平。

圖3.水鋼265m²燒結機料層厚度提高過程示意圖

2  實施1000生產的技術措施

2.1  提高生石灰活性度

通過精心選取原料、優化煅燒工藝與創新合成技術，生石灰中CaO的含量得以顯著提升。通過圖4（a）, CaO月平均變化趨勢圖,可以明顯看出生石灰CaO含量由2023年12份的85.36%提升到2024年9月份的89.97%。在結合圖4（b）,(c),(d).可以看出整個CaO含量提升過程可分為3個段，第一階段為2023年12月到2024年3月，CaO含量占比均值在85.28%到85.57%內波動，每月在6個標準差內的的上下波動范圍小，性能較為穩定，但是含量低。第二階段在2023年4-8月，CaO含量較為第一階段有較大的提升，每月CaO平均含量在87%以上，但是6個標準差內波動范圍較大，表現在圖4（d）中，就是每次監測的CaO含量波動范圍較大，圖4（d）移動極差可以看出，連續2個檢測的CaO含量相差較大，部分達到5個百分點。第三段在2024年9月，CaO的平均含量在89.97%，且波動范圍減小，由圖4（d）中2個控制圖可看出，在9月份中下旬CaO的含量的波動大幅度減小，CaO的含量基本穩定在89.97±0.5%以內。

CaO含量的提升與穩定，對燒結礦的品質及生產效能帶來顯著優化。首先，CaO增進燒結過程液相形成，強化燒結礦機械強度與還原性，助力低碳節能生產。其次，通過平衡酸堿比，提高燒結礦化學穩定性，抵抗侵蝕，增強耐用性。再者，優化料層透氣性，確保充分氧化反應，造就粒徑適中的燒結礦，利于破碎加工，提升后端工序靈活性。

圖4.生石灰CaO占比變化分析組合圖（a.CaO月平均變化趨勢圖；b.CaO隨時間變化的浮動柱狀圖；c.CaO月平均控制圖；d.CaO的每月分布控制圖）

如圖5所展現，一系列精心設計的工藝策略——優選原料、精準煅燒、細致研磨以及CaO含量的精準調控，共同驅動了生石灰活性度的顯著躍升，自2023年12月初始的208.4 ml/4N-HCl，穩健攀升至2024年9月的314.6 ml/4N-HCl水平。細觀圖5（b），可以發現，進入9月后，活性度檢測曲線相較于前幾月呈現出更加平滑的趨勢，波動幅度明顯收窄，標志著生石灰活性穩定性的極大提升，彰顯出工藝改良與參數優化所帶來的顯著成效。高活性度的生石灰能夠迅速與配料中的其他組分發生化學反應，加快燒結速率，縮短燒結周期，從而提高生產效率和爐子產能利用率，有助于形成更多的低熔點物質，優化燒結料層結構，促使燒結礦內部孔隙率和密度合理分配，最終產出的燒結礦具有更好的物理力學性能和冶金性能。

圖5.（a.生石灰的活性度月平均趨勢圖；b.生石灰活性度的檢測變化趨勢圖）

2.2強化制粒

生石灰消化和燒結加水制度調節

生石灰消化在燒結工藝中的核心作用在于，通過水合反應生成熟石灰，這一過程不僅提升了混合料的粘結性和成型能力，而且有效降低了燒結所需溫度，加速了燒結進程。熟石灰細化的顆粒增強了燒結料層的透氣性，促進氣體流通，從而提高了燒結效率及礦石的密度與強度。同時，它還發揮了固硫功效，減少了有害氣體排放，推動了綠色生產的實踐。簡言之，生石灰的精準消化是實現燒結高品質、高效率和環境友好的關鍵技術環節。

通過對石灰性能和燒結過程影響研究，發現石灰預消化能夠改善混合料制粒和燒結過程及燒結礦指標。高溫消化水能明顯縮短消化時間，適宜的水灰比能夠滿足消化過程，提出了以水灰比和消化溫度為燒結預消化低活性石灰工藝的關鍵技術參數，確定了60-70℃左右水溫及0.6-0.8的水灰比。如圖2生石灰消化率由53-58%，提高到65-70%。充分消化的熟石灰能為燒結提供更好的助熔效果，增強物料的粘結性和可加工性，從而提高生產效率和經濟效益。

通過深入探究石灰特性和燒結機制的影響發現——預消化石灰可以顯著優化混合料造球和燒結流程，以及最終燒結礦的性能。特別是使用高溫水進行消化，能大幅度提速，令消化周期顯著縮短。實驗顯示，精心調控至60-70°C的水溫和0.6-0.8的水灰比，成為了預消化低活性石灰的理想工藝條件。如圖6（a）所示，這種優化方案促使生石灰消化率從原本的53%-58%，躍升至65%-70%。這意味著更多CaO成功轉化為Ca(OH)₂，提供了更強的助熔功能。完全消化的熟石灰大幅提升混合料的粘結性和可塑性，為燒結創造了更有利的條件，顯著增強了生產線的流暢性和成品礦石的質量。這種改進不僅加強了礦物顆粒之間的相互作用，還提高了燒結效率和經濟效益。

圖6.（a.改善前后生石灰消化對比，b.燒結混料加水制度調整）

圖6（b）為對燒結混料加水制度的調整。針對燒結混料工序，首次混料的水分降至26%-33%，較原先30%-35%有所減少，而在二次混料時再補入15%的水。此舉旨在克服只在第一次混料帶來的部分地方濕度過大、物料團聚難題、偏析等問題。通過控制總體濕度，提升透氣性和均勻性，避免前期過度濕潤，后期則精準補水，確?；旌狭霞婢吒吣哿εc理想透氣度。如此一來，既維護了原料的良好流動性和反應活性，又避免了因濕度過高引發的問題，實現了燒結效率與產品質量的雙重優化。

圖7.對生石灰消化和燒結加水制度改進對粒度的影響圖

圖7清晰展示了對生石灰消化與燒結混料加水制度的優化后，對混合料粒徑分布產生的積極影響。經過改良，混合料的平均粒徑顯著增大至5.70mm，相較于原始的5.33mm有了可觀提升。同時，小于3mm的細粒占比也得到有效控制，從34.72%下降到了29.71%。這一變化說明，優化的消化與加水策略有效地改善了混合料的顆粒級配，減少了細粉比例，促成了更為合理的粒徑分布。粗細適中的粒徑結構不僅有助于提升混合料的透氣性和穩定性，還大大增強了燒結礦的熱傳導能力和抗壓強度，減少了燒結過程中的能量損耗，同時提高了成品礦的品質。

2.3設備的開發與改進

1）二混加水噴頭改造

如圖8所示，原本的加水方式，水流直接從噴頭里出來，易形成柱狀。在實施時存在著一定的局限性。該方法下，較大的噴水量以直柱形式注入混合料中，易引發局部物料的過度濕潤現象，導致混料出現凝聚塊、水分分布不均等一系列問題，嚴重影響了混料效果及后續燒結過程的順利進行。鑒于此，采取了一項創新舉措——對噴頭進行了針對性改造，巧妙引入壓縮空氣輔助，大幅度提升了噴水的壓力等級，使原先的“柱狀噴射”轉變為細膩的“霧化灑落”。這一改變使水流均勻的覆蓋于混合料表面，確保了水分的均勻滲透與分散，有效避免了局部過濕狀況的發生，極大地改善了燒結混料的加水效果。為燒結混料創造了理想的濕度條件，顯著提升了制粒效果。

圖8.二次混料加水噴頭的改善示意圖

2)補全篦條

由于百葉篦條縫隙較大，造成大塊雜物進入燒結系統，影響燒結礦質量。對此進行如下改造如圖9所示。其一，建立人工篩選站點，專業團隊負責清理回收雜礦中的大塊雜物，形成初步防護。其二，加強對百葉篦條的維護，保持其篩分效能，構筑穩固防線。其三，引入先進設備——圓盤電子秤配百葉窗篦條，攔截大塊雜物，保障系統安全。這一系列行動，層層設防，有效控制大塊雜物進入，確保燒結流程平穩運行。

圖9. 改善百葉窗篦條示意圖

3)降低泥輥出料板高度

如圖10所示，原先，因泥輥出料板設置的高度偏高達到140-150mm，導致頻繁出現垮料狀況，為了緩解這一問題，不得不采取增加混合料水分的方法來提升其黏性，避免垮塌，然而，這卻意外促成了過濕層增厚，進而引起燒結過程的負壓升高。通常情況下，混合料水分需維持在8.8%以上方能有效防止垮料，但這無疑加重了燒結過程的壓力。

針對這一困境，通過在泥輥出料板下方加裝鋼板的方式，巧妙降低了其作業高度至120毫米，此舉顯著減少了垮料的發生幾率，從而為降低混合料水分創造了有利條件。隨著垮料風險的顯著下降，我們逐步將混合料的水分下調至8%，成功削薄了過濕層厚度，進而實現了燒結負壓的有效降低。

圖10.泥輥出料板高度改進示意圖

4）改善臺車邊緣壓料

由于臺車連緣的壓料重量不足，導致邊緣效應異常突出，進而引發了兩側風量相對過剩、中心區域則顯得不足的局面。這種不平衡的通風分布使得中部的燃料燃燒速率緩慢，延長了燃燒帶的持續時間，最終推高了燒結過程的負壓力度。通過針對性的改進措施，在邊壓輥位置創造性地安裝了籃筐，并填充以篦條及其他重型物件，以此增強對邊緣材料的壓實效果，有效地減輕了邊緣效應的負面影響。這一創新之舉促使臺車中部的進風量得到顯著提升，加速了中區燃料的燃燒速率，縮短了燃燒帶的持續時間，從而實現了燒結負壓的有效調控。

圖11.臺車邊緣壓料改進

5）梭式皮帶行程改進

由于梭式皮帶行程不足，混合料礦倉內部料面無法保持平整，致使較大顆粒的礦料傾向于沿著斜坡滾落至倉壁邊緣，隨后在布料階段，這些大顆粒的礦石被過多地分配到了臺車的邊緣位置。這樣一來，造成邊緣透氣性增加，不僅邊緣效應顯著加強，且形成了一個獨特的透氣通道，使該區域的風流量過度充足，而相比之下，臺車中部地帶卻陷入了缺氧境況，嚴重阻礙了正常燒結進程。

通過精心調校了混合料礦倉料面，確保其表面處于一致水平，防止各類顆粒按大小分層堆積，尤其杜絕了大顆粒礦石向邊緣匯集的現象。此舉有效遏制了物料在空間上的偏析，大幅度削減了臺車橫向上的粒度差異，進而削弱了邊緣效應的影響。

圖12.梭式皮帶行程改善示意圖

6)蒸汽管數量改進

由于原初設計中，混合料倉的蒸汽加熱管線配置不夠充分，導致混合料的預熱溫度僅能達到60°C左右，這樣的溫度條件難以驅散料堆底部積聚的潮氣，結果是在臺車底部滋生出了濕度過高的底層，進而推升了燒結過程中的負壓值，對整個生產流程構成了制約。

為此，通過在混合料倉的南側增設了四條蒸汽輸送管道，大幅提升系統的熱交換效率。新增的蒸汽源源源不斷為混合料提供額外熱量，使其平均溫度穩步攀升至80°C以上，足以抑制水分在臺車底部凝結成過濕層的趨勢，從而顯著降低了燒結負壓，確保了燒結進程的順暢進行。

2.4終點溫度控制

由于2024年開展對6號265m²燒結機厚料公關項目，造成2024年1-4月份的燒結終點溫度在給定的380-430℃區間內大范圍波動，如圖13(a)所示，1，月份監測的平終點溫度為449.02和444.94℃，超過了給定溫度區間，由13(b)圖中可以發現，2024年1-4月份和7-8月份燒結溫度終點的波動范圍較大。需要對燒結終點溫度進行控制，保證穩定在380-430℃。通過如圖14矩陣圖分析，10#風箱溫度與后續風箱的溫度呈現正相關性，可通過控制10#風箱溫度達到控制燒結終點溫度的目的。

如表2所示，通過分析正常生產情況下的風箱溫度數據，并與燒結專業相關人員討論，得出各風箱溫度控制范圍，其中水鋼6號265m²燒結機10號風箱溫度范圍為77.8-80℃。

表2.燒結機各風箱溫度范圍

圖13. 各風箱溫度的矩陣圖

圖14.燒結終點溫度的月份控制趨勢圖

為了深入了解燒結過程中的熱傳導特性和動態變化規律，開發了一套基于時間序列分析的溫度預測模型，旨在為燒結機各個風箱的溫控策略提供精準指導。具體而言，如圖15所示，該模型通過收集并分析歷史數據，建立了預測算法，能夠準確地預測未來2分鐘、5分鐘、10分鐘、20分鐘及30分鐘后每個風箱的末端溫度情況。這種前瞻性洞察力為操作員提供了寶貴的時間窗口，讓他們可以根據預測結果及時調整燒結參數，以維持理想的溫度曲線，確保燒結過程的穩定性和效率。

圖15.風箱溫度預測模型

圖15清晰展示了對10號風箱實施的溫度控制措施后，燒結終點溫度的波動得到有效抑制。具體來看，溫度的標準差從2023年12月的28.56減少到了2024年9月的14.70，這意味著溫度控制精度有了顯著提高。同時，月平均Cp值從0.29上升至0.57，說明每月燒結終點溫度保持在380-430℃區間的穩定性增強，充分顯示了控制效果的提升。

簡而言之，10號風箱的案例證明了通過精準控制，能夠顯著減少溫度波動，提高燒結過程的穩定性和一致性，為高質量產品生產創造了有利條件。

圖16.燒結終點溫度的I-MR-SR控制圖

3.厚料層生產實施效果

水鋼265m²燒結機2024年1-9月生產指標變化

從表2可以看出：

（1）水鋼2024年燒結厚料層公關技術以來，料層厚度逐漸提高，直到2024年9月料層厚度達到1000mm。

（2）燒結礦單位固體燃耗下降，從48.77(kg·t^-1)下降到47.86(kg·t^-1)。

（3）轉鼓強度略有上升，由77.30%增加到77.54%。

圖17(a.改善前機尾紅塵；b改善厚機尾紅塵，改善后料層厚度)

如圖17（a.b）所示，經過一系列針對性厚料層的技術改進和優化措施，燒結機尾部的紅塵現象呈現出連續性顯著增強的趨勢，斷續狀況大大減少。這一變化直接反映出燒結過程的穩定性和連續性得到了實質性提升，說明燒結厚料層工藝更加成熟可靠，標志著生產厚料層工藝的精進和技術創新取得了積極成果。紅塵現象的連續性增強，不僅是燒結效率提升的一個直觀指標，也是燒結過程控制趨于穩定的有力佐證，對于保障生產質量和提高生產效率具有重要意義。

圖18.燒結生產過程化石燃料燃燒活動產生的CO2排放量放情況圖

如圖18所示，化石燃料燃燒活動產生的CO₂排放量主要是煤粉和焦粉的燃燒所產生的CO₂為主，占據化石燃料燃燒活動產生的CO₂的99%，由于燒結料層厚度的提高，自蓄熱能力增強，單位燃料消耗減少，噸燒結礦的燃燒活動產生的CO₂有減低，由2023年12月每噸燒結礦排放0.120tCO₂降至2024年8份的每噸燒結礦排放0.110tCO₂，降幅為8.3%。

4  結論

（1）首鋼水鋼265m²燒結機通過對生石灰活性度，生石灰消化，加水制度調整設備開發和終點溫度控制等手段，將料層厚度由810mm穩步提升至1000mm。

（2）通過對265m²燒結機料層的提高，燒結礦單位固體燃耗下降，從48.77(kg·t-1)下降到47.86(kg·t^-1)。轉鼓強度略有上升，由77.30%增加到77.54%。每噸化石燃料排放2023年12月每噸燒結礦排放0.120tCO₂降至2024年12份的每噸燒結礦排放0.110tCO₂，降幅為8.3%。

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