韓淑峰1, 周明順2, 夏鐵玉1, 劉杰2, 翟立委2, 張輝2

( 11 鞍鋼股份有限公司煉鐵總廠, 遼寧 鞍山 114000; 2 1 鞍鋼股份有限公司技術中心, 遼寧 鞍山 114009)

摘 要: 不同的固體燃料粒度, 導致炭粒燃燒速度發生變化, 會直接影響鐵礦石燒結的礦化過程。在實驗室條件下, 運用/ 混料回歸試驗設計方法0的/ 單形格子設計0, 采用燒結杯試驗及燒結礦礦物結構分析方法, 得到了不同焦粉粒度與鐵礦燒結重要指標間的定量關系, 并就優化后的燃料粒度對燒結礦冷強度及生產率指標改善的效果進行了驗證。結果表明: 通過優化焦粉粒度組成, 可滿足燒結生產對各項指標的側重要求, 對降低燒結固體燃耗, 提高燒結礦產質量具有指導意義。

關鍵詞: 燒結; 焦粉粒度; 轉鼓強度; 礦物結構; 冶金性能

1 前 言

鐵礦石燒結過程是一個氧化還原兼有的復雜過程, 固體燃料的燃燒在這個過程中提供了主要的反應動力, 了解燃料的反應過程, 就成為解決燒結中一系列問題的關鍵。大量研究表明[1, 2], 燃料的配加量、粒度組成和燃燒性質直接影響燒結料層的溫度與熱量分布, 燃燒帶的厚度以及料層的透氣性, 燒結氣氛等各個方面,當燃料的種類、配加量固定時, 燃料粒度的大小就成為燒結過程的決定性因素。

單一顆粒燃料粒度的研究, 已多有報道[ 3],但在實際燒結過程中, 燃料并不是單獨存在的。通常可以認為, 固體燃料在燒結混合料中主要以下面幾種方式存在: 1 細顆粒或與其它熔劑緊密黏附在礦石顆粒外圍; o 粗顆粒為核心, 被物料包裹在顆粒中;   與其它熔劑形成復合顆粒。許多研究認為[4, 5], 以粗顆粒形式存在的固體燃料, 被鐵礦石和石灰石附著時, 會降低燒結時的著火溫度, 加快其燃燒速率; 以細顆粒存在的固體燃料則不會發生變化; 而以復合顆粒存在的固體燃料, 尤其是與石灰石黏附在一起的,通常反應性會更加活躍。可見, 無論燃料在混合料中以什么形態存在, 其對燒結的影響都非常重要。若粒度過大, 燃燒速度慢, 燃燒帶變寬, 燒結最高溫度降低, 燒結過程透氣性變差,垂速和利用系數下降; 反之, 粒度過小, 燃燒速度快, 液相反應進行得不完全, 燒結礦強度變差, 成品率和利用系數也下降。所以, 為了更好地研究燃料的不同粒度在燒結過程中所起的作用, 探索出可以指導燒結燃料處理的方案, 在鞍鋼燒結原料基礎上, 進行了焦粉粒度的優化研究。

2 試驗原料及配比

本次試驗所用的原燃料及熔劑均取自生產現場, 它們的化學成分列于表 1。其中, 精礦 1和精礦 2 為鞍鋼自產精礦, 粉礦 3 為外購粉礦。

3 試驗設計

3、1 編碼設計

采用混料回歸的設計方法, 進行焦粉粒度的定量研究, 試驗設計代碼如表 2。

試驗中各種鐵料配比及燒結條件均一致,只改變焦粉中各粒級所占比例, 并使混合料的配碳量相等。燒結礦堿度設計為 2120, MgO 為210% , 總配碳量為 412% 。四個粒級焦粉的化學成分及差異如圖 1, 試驗設計水平編碼與試驗方案見表 3。

隨著焦粉粒度增大, 焦粉中固定碳含量逐漸降低, 但差異的絕對值較小, 灰分相應升高,揮發份無明顯變化?？傮w來看, 不同粒度之間成分無太大變化, 對試驗研究影響較小。

3、2 燒結杯試驗

燒結杯試驗料層厚度 700 mm( 含鋪底料 2kg 約 20 mm) , 試驗程序和燒結餅的處理以及指標的計算都按 GB 標準執行。試驗工藝參數列于表 4。

4 結果與討論

4、1 優化設計

根據鞍鋼某燒結車間的原料條件按制定的試驗方案, 得到試驗結果如表 5。

由表 5 可見, 方案 1 到方案 4, 單一使用某個粒度范圍的焦粉時, 隨焦粉粒度變粗, 各項燒結指標全面下降; 方案 5 到方案 7, 各粒度配合使用, 在固定< 1 mm 焦粉用量的情況下, 隨加入焦粉的粒度變粗, 各項指標有所變化, 但未呈現出規律性; 方案 8 到方案 10, 焦粉綜合粒度進一步變粗, 各項指標也全面下降。相比之下, 方案 10 的各項指標還是優于方案 4。

圖2 列出了方案 1、5、6、7 的各項指標對比。

由圖 2 可見, 各粒級焦粉對各項燒結指標的貢獻程度是不同的, 并不是粒度越小越好, 也不是越大越好。例如, 對轉鼓強度而言, < 1 mm與 1~ 3mm 焦粉配合使用時(方案 5) 指標最好,相應的 1~ 3 mm 焦粉給予的貢獻最大; 對固體燃耗而言, 方案 6 最低, 相應 3~ 5 mm 粒級的焦粉對其貢獻最大。所以, 焦粉的各粒度級別需要進行優化, 才能得到各燒結指標需要的結果。由于單一使用某粒級焦粉時, 隨著焦粉粒度變粗, 燒結礦轉鼓強度和利用系數等指標均不同程度地變差; 而當細焦粉與粗焦粉混合時,各項燒結指標又不同程度地得到改善, 所以根據數學上的最優化理論, 焦粉各粒級之間一定存在一個最佳的比例關系, 能夠使某項指標取得最優值。根據最優化方法, 本試驗得到燒結礦轉鼓強度、燒結利用系數等指標與焦粉不同

粒級的數學關系為

式中, X1~ X10為所得數學關系式的各項系數, 設 K1~ K10為方案 1 到方案 10 所對應的各項燒結指標的具體值, 則可以認為 K1~ K10是常數, 但需要根據試驗結果來確定。根據優化方法的計算原理, 得到:

所以根據不同企業的原料情況, 燒結所得到的指標 K1~ K10是不同的, 不具有廣泛性。但是, 只要能根據原料情況確定各個企業的 K1~K10的值, 那么, 式( 1) 就具有很強的移植性, 從而得到廣泛應用。

例如, 利用得到的轉鼓強度結果( 見表 5),將指標帶入式( 1) , 便可得到最大轉鼓強度時的公式:

同理, 將利用系數指標代入式(1), 可得到最大利用系數時的公式:

為了更好地驗證公式的準確性和實用性,采用/ 步長加速法0[ 8]對式(2)和式( 3) 進行最值求解。求解后, 得到轉鼓強度和利用系數最大時相對應的優化后焦粉粒度組成的具體值, 它們與現場所用普通焦粉的粒度組成對比列于表 6。

由表 6 可見, 優化后焦粉的粒度組成與普通焦粉有很大區別。通常, 生產中只要求焦粉中< 3 mm 粒級> 85%, 但經過優化, 無論是對應轉鼓強度最大, 還是利用系數最大, < 1 mm粒級的含量都要比常規焦粉提高, 而 1~ 3 mm粒級的含量則應降低( 現場焦粉 1~ 3 mm 的比例較大, 與前文 1~ 3 mm 的焦粉對轉鼓強度貢獻較大不相矛盾), 同樣, 3~ 5 mm 的含量也應提高, 而> 5 mm 粒級的含量應該降低。這一規律與普遍的研究觀點也是一致的。

4、2 驗證試驗

在優化設計的基礎上, 對應轉鼓強度最大時優化后焦粉進行了燒結驗證試驗, 試驗條件與生產現場相同, 只改變焦粉的粒度組成。燒結杯驗證試驗結果列于表 7, 燒結礦冶金性能與化學成分列于表 8。

可見, 優化后, 在燒結礦成分差異不大的情況下, 轉鼓強度確實得到了提高( 近 115 個百分點)。同時, 成品率和合格粒度含量也得到提高, 固體燃耗下降, 而利用系數和垂直燒結速度變化不大。從冶金性能檢測結果來看, 轉鼓強度最大化使得燒結礦低溫還原粉化指標變好,還原率指標也相應提高。

4、3 礦相分析

為了進一步驗證焦粉優化后取得的效果,進行了燒結礦礦相分析, 結果示于表 9。

從圖 3 和表 9 可見, A 燒結礦組織結構較均勻, 主要為交織熔蝕結構, 少數粒狀結構和共晶結構。鐵酸鈣為主要粘結相, 發展較好, 主要呈針狀, 極少數柱狀和片狀。玻璃相很少。燒結礦中赤鐵礦較多, 主要是原生赤鐵礦, 再生赤鐵礦只占 5%~ 7% 。原生赤鐵礦多為大粒狀(> 1mm) , 部分散粒狀。大粒原生赤鐵礦中部分內部較致密, 部分內部較疏松。較多的原生赤鐵礦外部發生氧化再結晶, 形成菱形狀。該結構燒結礦應有較好的強度和還原性。

B 燒結礦中多數交織熔蝕結構, 少部分共晶組織, 少數粒狀結構, 交織結構和小粒狀及蠕蟲狀硅酸二鈣分布在磁鐵礦晶粒之間。與 A 燒結礦相比, 赤鐵礦減少, 再生赤鐵礦為 4% ~ 5%,原生赤鐵礦中有部分大粒, 部分散粒狀。B燒結礦結構組織不是很均勻, 存在大片熔劑殘余和鎂質熔劑殘余, 含量較高, 這些都對燒結礦強度和還原性不利, 影響燒結礦質量。

5 結 論

1) 在鞍鋼燒結配礦條件下, 燒結礦獲得最大冷強度所對應的焦粉粒度組成為< 1 mm 占57120% 、1 ~ 3 mm 占 25163% 、3 ~ 5 mm 占11117% 、> 5 mm 占 6100% ; 獲得利用系數最大所對應的粒度組成為: < 1 mm占 47122%、1~ 3mm 占 23110% 、3~ 5 mm 占 28168% 、> 5 mm占 1100%。對應其它燒結指標最優的焦粉粒度組成也可計算獲得。

2) 當轉鼓強度最大時, 燒結礦的低溫還原指標得到改善, 還原性能也有所提高。優化焦粉粒度組成后獲得的燒結礦礦相結構更趨合理。

3) 生產中, 可根據對燒結礦產質量的側重要求來調整焦粉粒度組成, 若能符合或接近實驗得出的粒度組成范圍, 將有助于提高燒結礦產質量指標和降低工序能耗。

參考文獻

[1]   馮根生, 吳勝利, 趙佐軍 1 改善厚料層燒結熱態透氣性的研究[J]1 燒結球團12011, 36(1): 1- 51

[2]   吳勝利 1 提高厚料層燒結燃料燃燒性的試驗研究 [ J]1 鋼鐵, 2010, 45(11): 16- 211

[3]   Nakagawa T erushige, Nakano Masanori, Nagasaka Tetsuya1顆粒結構對焦粉燃燒性能的影響[J]1 世界鋼鐵12012, 1,1- 51

[4]   歐大明 1 焦粉粒度對鐵礦石燒結過程的影響[ J ]1 鋼鐵,2008, 43( 10) : 8- 121

[5]   P1H ou, S1Choi * , E1 Choi1 Improved dist ribution of fuel particles in ironore sint ering process1 Ironmaking andSteelmaking[ J]1 2011, 38( 5) , 379- 3851

[6]   錢頌迪1 運籌學[ M]1 北京: 清華大學出版社, 20051

[7]   陳寶林 1 最優化理論與算法 [ M] 1 清華大學出版社,1989181

[8]   吳緒權 1 探索步長加速法的改進措施[ J ]1 中國水運( 理論版)12006, 4(8), 182- 1831