裴元東1, 史鳳奎2, 3, 安 鋼2, 趙志星1, 程錚明2, 3, 王洪江2, 石江山2

( 11 首鋼技術研究院, 北京 100043; 21 首鋼京唐公司, 河北 唐山 063200; 31 北京科技大學冶金與生態工程學院, 北京 100083)

摘 要: 通過在燒結現場吊取正常生產的燒結機臺車, 對臺車上物料和燒結礦進行分區域研究, 考察料層各區域燒結物料和燒結礦性能, 發現京唐兩臺 550 m2燒結機臺車上物料分布存在以下問題: 1 粒度方面, 1 號機料層下部物料粒度過粗、偏析過大, 導致熔劑粘附少; 2 號機臺車橫向上物料分布不均勻, 從一側到另一側粒度差異較大。成分方面, 1 號機熔劑主要偏析分布在料層上層, 下層的物料粒度粗、熔劑少, 物料化學成分和C 含量的偏析均加劇; 2 號機上物料化學成分和C 含量在第二層出現異常, 表現出非線性偏析, 僅在SiO2和 Al2O3含量偏析上具有單調性。這些問題的存在, 制約了燒結礦質量的提高。

關鍵詞: 鐵礦燒結; 料層; 分區研究; 粒度偏析; 成分偏析

摘 要: 檢測表明, 京唐550 m2燒結機料層各層各區燒結礦存在的問題為: 1 高溫帶寬度和移動速度沿臺車寬度方向呈現一定的不均勻性; o除表層外, 沿料層高度往下, 燒結礦的轉鼓指數和成品率等指標并不一定增高, 粒度降解程度反而越往下越大。基于以上研究, 提出了優化措施。實施后, 使得物料在臺車寬度和高度方向上分布得到改善, 尤其是高度方向上偏析趨于合理, 燒結礦質量有所改善, 轉鼓指數提高01 2~ 01 49 個百分點, 5~ 10 mm 比例降低 01 2~ 01 69 個百分點, 成品率提高 11 67% 。

關鍵詞: 鐵礦燒結; 分區研究; 高溫料層; 粒度降解; 強度; 火焰前鋒

1 前 言

隨著鐵礦資源的劣化, 以及燒結設備的逐步大型化, 臺車上物料的分布狀態不可避免地對燒結礦產質量產生影響。物料的性能, 如粒度分布和平均粒徑等, 既影響燒結料層的透氣性, 也在很大程度上影響燒結過程中的反應和燒結礦質量[1]; 料層內的粒度分布、燃料偏析狀況等, 還對燒結過程和成品礦的均勻性產生較大影響。反之, 臺車上各區域燒結礦的質量, 也是反映物料燒結效果的重要指針。

在強調設備大型化的同時, 如何精確操作,發揮大型設備的優勢, 也是燒結工作者面臨的一項任務。研究燒結料層內物料的分布狀態及其對燒結礦質量的影響, 并尋找合理的應對措施, 成為當前的一項重要工作[ 2]。

本文采取吊出正常生產的燒結機臺車, 對臺車上物料和燒結礦進行分區域研究的方法,考察了料層各區域燒結物料和燒結礦性能[ 3],據此分析各層燒結礦質量的變化, 并提出應對措施。

2 研究方法

2、1 取樣方法

在燒結停機檢修時, 用天車將燒結機臺車吊出軌道, 對臺車上物料分區域取樣分析。臺車分為/ 不點火料層和/ 點火料層, 吊取示意圖見圖 1。其中, / 不點火料層為臺車布料后在經過點火爐時將火關掉, 通過點火爐后取出分析; / 點火料層為臺車正常行進到某一位置后停機, 取出分析。

取出后的/ 不點火料層分 64 個區域(4 層、每層 8 個區域) , 見圖 2;/ 點火料層及分區域檢測示意圖見圖 3。

2、2 常溫態( 不點火) 混合料分析方法

對于常溫態( 不點火) 混合料, 主要檢測各區域(64 個區域從 A1、A2 , 到 D16) 的粒度分布、平均粒徑、化學成分和含 C量。

粒度檢測采用普通方孔篩, 進行人工篩分。統一篩分時間為20 s, 以免混合料破碎程度不同影響結果的比較。C含量檢測采用碳硫分析儀。

根據檢測結果, 分別計算混合料平均粒徑和含 C 量的偏析度, 計算式如下:

2、3 高溫態( 點火) 燒結礦分析方法

2、3、1 燒結礦粒度降解程度、摔落后產生粉末量和轉鼓指數

燒結礦粒度降解程度的檢測方法為: 1 在停機臺車上每個區域取> 20 kg 燒結礦樣;對燒結礦樣篩分( 分級點為 40 mm、25 mm、16mm、10 mm、5 mm) , 得到燒結礦樣的初始粒度分布; 將< 5 mm 粒級篩除, 計算出平均粒徑(不包含< 5 mm 的部分) X1;   用篩分一次后的燒結礦樣進行落下試驗, 摔落 2 次后進行第二次篩分, 得到燒結礦樣的粒度分布, 計算出平均粒徑( 包含< 5 mm 的部分)X2;   對各區域燒結礦的粒度降解程度和轉鼓指數進行比較、分析。

燒結礦粒度降解程度和摔落后產生粉末量的計算式如下:

2、3、2 火焰前鋒遷移規律分析

首先對臺車上物料進行拍照, 參考照片中燒結高溫帶的位置, 按比例計算出燒結高溫帶的位置和高溫帶的厚度, 并結合臺車速度( 行走時間) 進一步計算出燒結高溫帶的遷移速度, 即火焰前鋒移動速度。

2、3、3 化學成分與物相分析

化學成分檢測同常溫態。對各區域燒結礦進行 X 射線衍射, 分析不同區域燒結礦在物相上的差別。

3 臺車上物料和燒結礦分區域研究

3、1 常溫態料層物料性能測定研究

對燒結各層、各區域混合料的粒度分布進行了測定。A、B、C、D 分別為第一至第四層, 由于 1 號機吊取臺車取樣時半邊料塌落, 故僅取另一側完整的料進行測定分析。

3、1、1 各區域物料粒度分布

1) 橫向分布

圖 4、圖 5 分別為 1 號機和 2 號機各層燒結料中各區域的粒度分布。由圖可知, 兩臺機上物料在粒度方面分別存在以下問題:1 號機: 第三層和第四層的物料粒度沿臺車橫向上波動較大;2 號機: 第一層和第三層< 1 mm 粒級的分布沿臺車橫向上波動較大; 料層局部區域存在粒度分布不均勻, 有大粒度聚集現象, 不利于在此處的液相生成, 影響最終燒結礦成品率。

從圖 6 可見, 就混合料的橫向分布而言, 1號機在靠近臺車邊緣和中心區域混合料粒度增大, 即各層的混合料粒度呈現 / V形分布; 2 號機南北兩側粒度則存在一定偏差, 從南到北粒度逐漸增大。分析認為, 臺車上物料的粒度分布與梭式布料器的限位和行走有關。如 1 號機中心區域粒度增大, 可能與梭式布料器在邊緣停留時間偏長有關。為改善粒度分布, 應對布料車的限位和行走時間進行調整, 以確保臺車橫向上料層粒度分布盡量一致。

2) 縱向分布

圖 7 為 1 號、2 號燒結機各層物料平均粒徑比較。由圖可見, 越往下層, 燒結混合料粒度越粗。隨著> 10 mm 粒級更多布到料層下部, 1 號機上混合料平均粒度從上到下逐層增大( 從3118 mm 增加到 5104 mm) ; 而且, 1 號機上混合料粒度較 2 號機粗, 尤其在第四層, 二者平均粒徑相差近 1 mm。

從整體上看, 1 號機存在料層下部粒度偏大及波動較大問題, 而 2 號機存在表層粒度偏小及南北側粒度差異較大的問題。

3、1、2 混合料的化學成分與含 C 量分布

與臺車橫向、縱向上混合料粒度波動相似,混合料的化學成分和含 C 量也存在波動。由圖8 和臺車上每層各區燒結物料化學成分波動圖( 略) 可知:

( 1) 料層橫向上, 混合料化學成分和 C 的分布存在不均勻性, 尤其是在料層下部的第三層和第四層, 波動較大。

( 2) 料層縱向上, 物料化學成分和 C 含量分布存在一定偏析。但 1 號機基本為線性偏析, 2號機則在第二層出現異常(僅在 SiO2和 Al2O3含量的偏析上具有單調性)。

( 3) 料層縱向上, 1 號機的化學成分和 C 偏析較大, 第四層物料的堿度竟然不到 117; 而 2號機的問題, 是在第二層出現了偏析異常現象。

( 4) 2 號機成分在第二層未單調偏析, 說明熔劑在第二層突然過于減少, 而如前所述, 2 號機的粒度是單調地偏析。究其原因, 可能是由于第三層物料大多為制粒后顆粒, 而第二層物料大多為原始顆粒( 制粒不太好) )) 本質上它應該經過制粒后落入第四層) 的緣故。這也反映出 2 號機在制粒效果方面有所欠缺, 不如 1號機, 制粒效果不好, 則必然影響到物料的透氣性。

從整體上看, 1 號機的熔劑偏析分布在料層上層, 下層物料粒度粗、熔劑少, 這使得物料化學成分和 C含量的偏析均加劇; 2 號機上物料化學成分和 C 含量在第二層出現偏析異常,僅在 SiO2 和Al2O3 含量偏析上具有單調性。

3、2 高溫態料層燒結礦性能測定研究

3、2、1 各區域燒結礦粒度降解和強度分析

分別取 1號機臺車上部二層 6 個區域燒結礦、臺車四層 12 個區域的燒結礦進行研究。下面以改造前的檢測數據進行分析。

圖9 為表層和高溫區燒結礦粒度降解程度和轉鼓指數的比較。可見, 表層燒結礦的減粒程度( 約 35%) 明顯大于高溫區( 12% ~ 19% )。但就轉鼓指數而言, 并不一定都是高溫區大于表層, 如 S5 區高溫區的轉鼓指數低于 S5 區表層。

3、2、2 燒結火焰前鋒的遷移規律

根據臺車截面上高溫帶的紅亮程度和沿臺車高度下降程度, 計算高溫度寬度和火焰前鋒移動速度, 見圖 10。圖 11為高溫區寬度和火焰前鋒移動速度沿臺車寬度方向的分布。

根據圖 11, 計算出取樣的第 N 塊臺車的高溫區寬度和火焰前鋒移動速度分別為 157 mm和 2019 mm/ min。

可見, 沿臺車寬度方向, 高溫區的寬度和移動速度均呈現一定差異, 這必然影響到終點位置的齊整性。

4 基于臺車物料分區域研究提出的優化措施及實施效果

4、1 優化措施

4、1、 1 號機優化措施

1 號機成品率較低的限制環節是混合料粒度整體過粗, 尤其是料層下部大顆粒礦粉富集。對此, 采取如下措施:

( 1) 降低> 10 mm 礦粉比例, 以改善制粒。控制楊迪礦粒度, 協同供應部門對進口礦粒度嚴格把關; 對> 10 mm(甚至> 20 mm) 的粒級考慮分級利用, 即使不篩分, 也應耙出大塊( 可作為塊礦用于高爐) , 一方面優化制粒, 另一方面盡量減弱其在燒結料層下部的偏析。通過多方努力, 高硅粗粒度揚迪粉的配比從超過 20% 降低到了 8% 以下。

( 2) 優化熔劑結構。適當放粗熔劑粒度、使用石灰石代替白灰+ 白云石, 這樣既能改善燒結透氣性, 又能在較粗熔劑條件下保持相對較低的水分, 充分發揮楊迪礦高反應性的特點; 但應注意, 熔劑也不能過粗,否則易加大其在料層中的偏析, 造成局部區域同化不夠, 使返礦率升高。

圖 12 為石灰石占熔劑比例和石灰石/ 白云石對燒結出礦率的影響。由圖可見, 低出礦率區( < 60% )發生在它們的低比值區。

京唐燒結采取了使用石灰石替代白云石,白灰比例略微下調的方式。實踐證明, 白云石配比從 311% 降到 216% ( 降低約 015 個百分點), 石灰石提高 012~ 014 個百分點, 同時調節白灰配比后, 燒結生產基本穩定, 出礦率提高約1% ; 而且熔劑成本降低。

4、1、2  2 號機優化措施

針對 2 號機在混合制粒和布料均勻性方面存在的問題, 采取了如下措施:

( 1) 優化二次混合機轉速和九輥轉速。將二次混合機轉速由 88 Hz 降至 78 Hz, 以強化制粒效果; 九輥轉速由 22 Hz 降至 18 Hz, 并在第九輥和第八輥之間增加擋料板。

( 2) 對 2 號機采取多配 5% 、10% 自返礦的措施, 增加返 3 料流, 讓成品三次篩下料偏析時有更多的大粒度返礦進入 2 號機系統。實施后, 制粒效果增強, 混合料粒度組成改善, 3~ 5mm 比例增加 2114% , > 5 mm 比例增加 6142% 。

( 3) 調整梭式布料器限位和行走時間。將梭式布料器南測限位南移 40 mm, 使其在南側的停留時間延長2 s; 北側限位北移60 mm, 北側停留時間延長 6 s, 以改善臺車寬度方向的粒度分布。

4、2 優化前后分區測定對比及分析

實施優化調整后, 利用檢修機會, 再次進行了物料分區域測定。

4、2、1 常溫態物料對比

圖13、圖 14 分別為優化前后1 號、2 號燒結機橫向和料層高度方向物料平均粒度的比較。

由圖可見, 1 號機優化后: 1 橫向上平均粒度波動減小, 尤其是第四層; o 由于> 10 mm 揚迪粉比例減少, 原先大粒度礦在第四層聚集的現象有所改觀, 該層的平均粒度有所降低, 且整體上四層的粒度偏析有所減輕。

2 號機與優化前相比: 1 臺車橫向上物料粒度分布趨于均勻; 混合料粒度增大, 且粒度偏析也加大, 整體上粒度分布趨于合理。從優化前后臺車寬度方向各區物料平均粒度標準方差(表 1) 可見, 1 號機各區平均粒度標準方差從 0132 降到 0116, 2 號機從 0126 降到0115, 從另一個側面反映出橫向上物料分布趨于均勻。

圖 15 為優化前后 1 號、2 號燒結機沿料層高度方向物料含 C 量的比較。1 號機優化前 C含量分布趨勢合理, 但偏析程度不合理; 優化后, 第四層含 C量偏析減輕。

表 2 列出了優化前后物料偏析度的變化。

圖 16 為混合料粒度偏析度與燒結礦轉鼓指數和 5~ 10 mm 比例的關系。

盡管受工藝參數和配礦變化影響, 從圖 16中仍可看出: 京唐燒結混合料粒度偏析度適宜范圍在 0126~ 0130 mm/ (100 mm); 以 0127~0128 mm/ ( 100 mm) 為最佳。分析認為, 當物料粒度分布合理時, 相應的化學成分、氣體力學狀態(如透氣、透液性等) 才能與工藝和熱工制度相匹配, 從而最大程度地發揮燒結過程的蓄熱作用, 改善燒結礦質量。

從整體上看, 通過優化, 兩臺機的物料粒度和成分分布均得到改善, 這有助于燒結礦質量的提高。

4、2、2 高溫態燒結礦對比

1) 燒結礦粒度降解程度、摔后產生粉末量和轉鼓指數

圖 17 列出了改造前后燒結礦轉鼓指數、摔后產生粉末量和摔后粒度降解指標的比較。從中可見：

( 1) 除了優化前- 中間區域的燒結礦轉鼓指數降低外, 第二層燒結礦轉鼓指數均明顯高于第一層, 這顯然是由于第一層燒結料熱量供給不足、冷卻過快所致; 而第三層、第四層燒結礦轉鼓指數并非都比第二層高: 如優化后- 中間、中心區域從第二層到第三層轉鼓強度都降低, 前者第四層仍然降低。

( 2) 除優化前- 中間區域燒結礦外, 第二層燒結礦摔后產生粉末量均有所減少, 再次說明表層燒結礦質量相對較差。而第三層、第四層燒結礦摔后產生粉末量也不一定比第二層低, 如優化后- 中間、中心區域的燒結礦摔后產生粉末量從第二層到第三層均升高, 并且前者在第四層繼續升高。

( 3) 第二層燒結礦摔后粒度降解均較第一層低, 但隨料層加厚, 粒度降解程度并不是逐漸降低: 如優化后- 中心的第三層較第二層降解加大, 優化后- 中間的第四層也較第三層降解加大。

(4) 就各層燒結礦指標的平均值而言, 第二、三和四層均較第一層要好; 除去表層燒結礦質量較差, 單以第二層為基準來看, 轉鼓指數是逐步提高, 但摔后產生粉末量在第三層最多, 摔后粒度降解是從第二到第四層逐漸增多。這些數據說明, 盡管經過優化, 但料層下部燒結礦質量仍令人擔憂。

但整體上看, 優化后燒結礦質量是得到了改善。從 1 號機優化前后( 一、二層) 燒結礦指標的比較(表 3) 可見, 燒結礦轉鼓指數提高了211% , 摔后產生粉末減少 4141% , 粒度降解降低 1173%, 這必然導致燒結礦質量改善。

2) 化學成分與物相分析

表 4 列出了優化前后各層各區燒結礦化學成分與物相組成檢測結果。由表可見:

( 1) 燒結料層下層 F e2O3 含量較上層高, 而FeO 含量較上層低。分析認為, 隨著料層厚度提高, 混合料粒度增大, Fe2O3與熔劑礦化反應后殘余相對較多; 而下層 FeO 含量較低, 則可能是由于高溫區燒結礦的氧化條件更好( 表層燒結礦冷卻快) 。冷卻速度過快是表層燒結礦質量較高溫區差的重要原因。

( 2 ) 鐵酸 鈣 ( Ca2Fe15157 O25156 ) 、MgO 與Al2O3的復合物在三、四層的含量也較一、二層低。物相變化是燒結礦成分與原料所受熱制度、氣氛等綜合作用的結果, 同時也反映了混合料沿料層高度分布的特點。鐵酸鈣含量沿料層高度降低與 Fe2O3含量增加和堿度降低(213 降到 211)有關, 而 MgO 與 Al2O3 復合物隨料層高度降低則與原料中 Al2O3和 MgO 的降低有關。分析認為, 料層下部鐵酸鈣含量降低是造成下部燒結礦成品率改善幅度減小甚至降低的重要原因。

4、3 優化前后燒結礦質量比較

優化前后 1 號、2 號機燒結礦質量變化列于表 5。數據取停機檢修前該料堆燒結礦的平均值。

從燒結礦成分來看, 優化后與優化前相比,原料成分有一定惡化, 表現在 SiO2含量提高到近 514% (與進口礦粉劣質化和燒結固廢配加比例提高有關), 這對鐵酸鈣的生成明顯不利。然而, 通過實施優化措施, 燒結礦轉鼓指數略有提升, 粒度組成有所改善, 5~ 10 mm 比例降低。由此可認為, 基于料層分區域研究提出的優化措施, 取得了較好效果。

5 結 論

1) 本研究提出的分區域研究燒結物料和燒結礦質量的方法, 有利于定量分析大型燒結機上各區域物料性能; 基于分區測定提出的優化措施, 取得了較好的效果。

2) 厚料層燒結時( > 600 mm) , 燒結礦質量不一定沿料層高度越往下越好, 或者說下層燒結礦質量改善的程度有所減弱甚至變差。這是由于厚料層、高褐鐵礦配比下, 料層 600 mm 以下物料的粒度和成分變差: 粒度過粗, 化學成分和 C含量偏析過大, 堿度降低( 012 以上), 導致液相數量、質量和高溫粘結不足, 盡管沿料層高度方向可能表現出轉鼓指數升高趨勢, 但摔后產生粉末量和摔后粒度降解指標 卻可能變差。

3) 對 1 號機而言, 主要問題是下部物料粒度過粗、偏析過大, 熔劑主要分布在上部, 物料化學成分和 C 含量偏析過大; 下層物料堿度過低, 從第二到第四層, 燒結礦粒度降解從 2119%升高到 2311% , 這說明料層下部燒結礦成品率存在問題。通過減少大粒度礦粉(20%) 和降低白云石配比(015% )等優化措施, 橫向上物料分布趨于均勻, 平均粒度標準方差從 0132 降低到0116; 高溫帶寬度趨于平整; 物料粒度偏析度從0133 mm/ ( 100 mm) 降到 0127 mm/ ( 100 mm) ;轉鼓指數平均提高了 211% , 摔后產生粉末平均減少 4141% , 粒度降解平均降低 1173% 。

4) 2 號機的主要問題是: 橫向上物料分布不均勻, 從一側到另一側粒度差異較大; 粒度偏析過小; 物料化學成分和 C 含量分布不合理, 甚至在第二層出現非線性偏析。通過調整混合機和九輥轉速, 橫向上物料分布趨于均勻一致, 各區平均粒度標準方差從 0126 降到 0115; 物料平均粒度提高, 且粒度偏析度從 0123 mm/ (100 mm)提高到 0130 mm/ (100 mm); > 3 mm 比例提高815 個百分點, 物料透氣性改善。

5) 經過優化后, 1 號機燒結礦轉鼓指數提高012 個百分點, 5~ 10 mm 比例降低 012 個百分點; 2 號機轉鼓指數提高 0149 個百分點, 5~ 10mm 比例降低 0169 個百分點。

6) 臺車上的燒結物料在粒度、化學成分和 C含量等方面均需要一定的偏析, 但偏析超過合理范圍時, 將對燒結礦性能和成分產生不利影響。京唐燒結混合料粒度的適宜偏析為 0126~0130 mm/ ( 100 mm) 。

7) 優化后, 京唐燒結機沿料層高度方向, 轉鼓指數呈現逐漸升高趨勢, 摔后產生粉末量在第三層最多, 摔后粒度降解則在第四層最多。今后, 除了表層和邊緣部位, 下層部位燒結礦質量的改善也將是提高燒結礦質量的重點。

參考文獻

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[ 3]   趙志星, 安鋼, 裴元東, 等 1 京唐大型燒結機料層結構物性參數和混合料性能測定[C]12012年全國煉鐵生產技術會議暨煉鐵年會文集, 2012: 720- 7271