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(shù)中心, 遼寧 鞍山 114009)

摘 要: 不同的固體燃料粒度, 導(dǎo)致炭粒燃燒速度發(fā)生變化, 會(huì)直接影響鐵礦石燒結(jié)的礦化過程。在實(shí)驗(yàn)室條件下, 運(yùn)用/ 混料回歸試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法0的/ 單形格子設(shè)計(jì)0, 采用燒結(jié)杯試驗(yàn)及燒結(jié)礦礦物結(jié)構(gòu)分析方法, 得到了不同焦粉粒度與鐵礦燒結(jié)重要指標(biāo)間的定量關(guān)系, 并就優(yōu)化后的燃料粒度對(duì)燒結(jié)礦冷強(qiáng)度及生產(chǎn)率指標(biāo)改善的效果進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明: 通過優(yōu)化焦粉粒度組成, 可滿足燒結(jié)生產(chǎn)對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)的側(cè)重要求, 對(duì)降低燒結(jié)固體燃耗, 提高燒結(jié)礦產(chǎn)質(zhì)量具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞: 燒結(jié); 焦粉粒度; 轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度; 礦物結(jié)構(gòu); 冶金性能

1 前 言

鐵礦石燒結(jié)過程是一個(gè)氧化還原兼有的復(fù)雜過程, 固體燃料的燃燒在這個(gè)過程中提供了主要的反應(yīng)動(dòng)力, 了解燃料的反應(yīng)過程, 就成為解決燒結(jié)中一系列問題的關(guān)鍵。大量研究表明[1, 2], 燃料的配加量、粒度組成和燃燒性質(zhì)直接影響燒結(jié)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(jié)氣氛等各個(gè)方面,當(dāng)燃料的種類、配加量固定時(shí), 燃料粒度的大小就成為燒結(jié)過程的決定性因素。

單一顆粒燃料粒度的研究, 已多有報(bào)道[ 3],但在實(shí)際燒結(jié)過程中, 燃料并不是單獨(dú)存在的。通常可以認(rèn)為, 固體燃料在燒結(jié)混合料中主要以下面幾種方式存在: 1 細(xì)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(fù)合顆粒。許多研究認(rèn)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(shí), 會(huì)降低燒結(jié)時(shí)的著火溫度, 加快其燃燒速率; 以細(xì)顆粒存在的固體燃料則不會(huì)發(fā)生變化; 而以復(fù)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(yīng)性會(huì)更加活躍。可見, 無論燃料在混合料中以什么形態(tài)存在, 其對(duì)燒結(jié)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(jié)最高溫度降低, 燒結(jié)過程透氣性變差,垂速和利用系數(shù)下降; 反之, 粒度過小, 燃燒速度快, 液相反應(yīng)進(jìn)行得不完全, 燒結(jié)礦強(qiáng)度變差, 成品率和利用系數(shù)也下降。所以, 為了更好地研究燃料的不同粒度在燒結(jié)過程中所起的作用, 探索出可以指導(dǎo)燒結(jié)燃料處理的方案, 在鞍鋼燒結(jié)原料基礎(chǔ)上, 進(jìn)行了焦粉粒度的優(yōu)化研究。

2 試驗(yàn)原料及配比

本次試驗(yàn)所用的原燃料及熔劑均取自生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng), 它們的化學(xué)成分列于表 1。其中, 精礦 1和精礦 2 為鞍鋼自產(chǎn)精礦, 粉礦 3 為外購粉礦。

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3、1 編碼設(shè)計(jì)

采用混料回歸的設(shè)計(jì)方法, 進(jìn)行焦粉粒度的定量研究, 試驗(yàn)設(shè)計(jì)代碼如表 2。

試驗(yàn)中各種鐵料配比及燒結(jié)條件均一致,只改變焦粉中各粒級(jí)所占比例, 并使混合料的配碳量相等。燒結(jié)礦堿度設(shè)計(jì)為 2120, MgO 為210% , 總配碳量為 412% 。四個(gè)粒級(jí)焦粉的化學(xué)成分及差異如圖 1, 試驗(yàn)設(shè)計(jì)水平編碼與試驗(yàn)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(duì)值較小, 灰分相應(yīng)升高,揮發(fā)份無明顯變化。總體來看, 不同粒度之間成分無太大變化, 對(duì)試驗(yàn)研究影響較小。

3、2 燒結(jié)杯試驗(yàn)

燒結(jié)杯試驗(yàn)料層厚度 700 mm( 含鋪底料 2kg 約 20 mm) , 試驗(yàn)程序和燒結(jié)餅的處理以及指標(biāo)的計(jì)算都按 GB 標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。試驗(yàn)工藝參數(shù)列于表 4。

4 結(jié)果與討論

4、1 優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)鞍鋼某燒結(jié)車間的原料條件按制定的試驗(yàn)方案, 得到試驗(yàn)結(jié)果如表 5。

由表 5 可見, 方案 1 到方案 4, 單一使用某個(gè)粒度范圍的焦粉時(shí), 隨焦粉粒度變粗, 各項(xiàng)燒結(jié)指標(biāo)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(xiàng)指標(biāo)有所變化, 但未呈現(xiàn)出規(guī)律性; 方案 8 到方案 10, 焦粉綜合粒度進(jìn)一步變粗, 各項(xiàng)指標(biāo)也全面下降。相比之下, 方案 10 的各項(xiàng)指標(biāo)還是優(yōu)于方案 4。

圖2 列出了方案 1、5、6、7 的各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)比。

由圖 2 可見, 各粒級(jí)焦粉對(duì)各項(xiàng)燒結(jié)指標(biāo)的貢獻(xiàn)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(duì)轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度而言, < 1 mm與 1~ 3mm 焦粉配合使用時(shí)(方案 5) 指標(biāo)最好,相應(yīng)的 1~ 3 mm 焦粉給予的貢獻(xiàn)最大; 對(duì)固體燃耗而言, 方案 6 最低, 相應(yīng) 3~ 5 mm 粒級(jí)的焦粉對(duì)其貢獻(xiàn)最大。所以, 焦粉的各粒度級(jí)別需要進(jìn)行優(yōu)化, 才能得到各燒結(jié)指標(biāo)需要的結(jié)果。由于單一使用某粒級(jí)焦粉時(shí), 隨著焦粉粒度變粗, 燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度和利用系數(shù)等指標(biāo)均不同程度地變差; 而當(dāng)細(xì)焦粉與粗焦粉混合時(shí),各項(xiàng)燒結(jié)指標(biāo)又不同程度地得到改善, 所以根據(jù)數(shù)學(xué)上的最優(yōu)化理論, 焦粉各粒級(jí)之間一定存在一個(gè)最佳的比例關(guān)系, 能夠使某項(xiàng)指標(biāo)取得最優(yōu)值。根據(jù)最優(yōu)化方法, 本試驗(yàn)得到燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度、燒結(jié)利用系數(shù)等指標(biāo)與焦粉不同

粒級(jí)的數(shù)學(xué)關(guān)系為

式中, X1~ X10為所得數(shù)學(xué)關(guān)系式的各項(xiàng)系數(shù), 設(shè) K1~ K10為方案 1 到方案 10 所對(duì)應(yīng)的各項(xiàng)燒結(jié)指標(biāo)的具體值, 則可以認(rèn)為 K1~ K10是常數(shù), 但需要根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果來確定。根據(jù)優(yōu)化方法的計(jì)算原理, 得到:

所以根據(jù)不同企業(yè)的原料情況, 燒結(jié)所得到的指標(biāo) K1~ K10是不同的, 不具有廣泛性。但是, 只要能根據(jù)原料情況確定各個(gè)企業(yè)的 K1~K10的值, 那么, 式( 1) 就具有很強(qiáng)的移植性, 從而得到廣泛應(yīng)用。

例如, 利用得到的轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度結(jié)果( 見表 5),將指標(biāo)帶入式( 1) , 便可得到最大轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度時(shí)的公式:

同理, 將利用系數(shù)指標(biāo)代入式(1), 可得到最大利用系數(shù)時(shí)的公式:

為了更好地驗(yàn)證公式的準(zhǔn)確性和實(shí)用性,采用/ 步長(zhǎng)加速法0[ 8]對(duì)式(2)和式( 3) 進(jìn)行最值求解。求解后, 得到轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度和利用系數(shù)最大時(shí)相對(duì)應(yīng)的優(yōu)化后焦粉粒度組成的具體值, 它們與現(xiàn)場(chǎng)所用普通焦粉的粒度組成對(duì)比列于表 6。

由表 6 可見, 優(yōu)化后焦粉的粒度組成與普通焦粉有很大區(qū)別。通常, 生產(chǎn)中只要求焦粉中< 3 mm 粒級(jí)> 85%, 但經(jīng)過優(yōu)化, 無論是對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度最大, 還是利用系數(shù)最大, < 1 mm粒級(jí)的含量都要比常規(guī)焦粉提高, 而 1~ 3 mm粒級(jí)的含量則應(yīng)降低( 現(xiàn)場(chǎng)焦粉 1~ 3 mm 的比例較大, 與前文 1~ 3 mm 的焦粉對(duì)轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度貢獻(xiàn)較大不相矛盾), 同樣, 3~ 5 mm 的含量也應(yīng)提高, 而> 5 mm 粒級(jí)的含量應(yīng)該降低。這一規(guī)律與普遍的研究觀點(diǎn)也是一致的。

4、2 驗(yàn)證試驗(yàn)

在優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上, 對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度最大時(shí)優(yōu)化后焦粉進(jìn)行了燒結(jié)驗(yàn)證試驗(yàn), 試驗(yàn)條件與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)相同, 只改變焦粉的粒度組成。燒結(jié)杯驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果列于表 7, 燒結(jié)礦冶金性能與化學(xué)成分列于表 8。

可見, 優(yōu)化后, 在燒結(jié)礦成分差異不大的情況下, 轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度確實(shí)得到了提高( 近 115 個(gè)百分點(diǎn))。同時(shí), 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(shù)和垂直燒結(jié)速度變化不大。從冶金性能檢測(cè)結(jié)果來看, 轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度最大化使得燒結(jié)礦低溫還原粉化指標(biāo)變好,還原率指標(biāo)也相應(yīng)提高。

4、3 礦相分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證焦粉優(yōu)化后取得的效果,進(jìn)行了燒結(jié)礦礦相分析, 結(jié)果示于表 9。

從圖 3 和表 9 可見, A 燒結(jié)礦組織結(jié)構(gòu)較均勻, 主要為交織熔蝕結(jié)構(gòu), 少數(shù)粒狀結(jié)構(gòu)和共晶結(jié)構(gòu)。鐵酸鈣為主要粘結(jié)相, 發(fā)展較好, 主要呈針狀, 極少數(shù)柱狀和片狀。玻璃相很少。燒結(jié)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(nèi)部較致密, 部分內(nèi)部較疏松。較多的原生赤鐵礦外部發(fā)生氧化再結(jié)晶, 形成菱形狀。該結(jié)構(gòu)燒結(jié)礦應(yīng)有較好的強(qiáng)度和還原性。

B 燒結(jié)礦中多數(shù)交織熔蝕結(jié)構(gòu), 少部分共晶組織, 少數(shù)粒狀結(jié)構(gòu), 交織結(jié)構(gòu)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(jié)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(jié)礦結(jié)構(gòu)組織不是很均勻, 存在大片熔劑殘余和鎂質(zhì)熔劑殘余, 含量較高, 這些都對(duì)燒結(jié)礦強(qiáng)度和還原性不利, 影響燒結(jié)礦質(zhì)量。

5 結(jié) 論

1) 在鞍鋼燒結(jié)配礦條件下, 燒結(jié)礦獲得最大冷強(qiáng)度所對(duì)應(yīng)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(shù)最大所對(duì)應(yīng)的粒度組成為: < 1 mm占 47122%、1~ 3mm 占 23110% 、3~ 5 mm 占 28168% 、> 5 mm占 1100%。對(duì)應(yīng)其它燒結(jié)指標(biāo)最優(yōu)的焦粉粒度組成也可計(jì)算獲得。

2) 當(dāng)轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度最大時(shí), 燒結(jié)礦的低溫還原指標(biāo)得到改善, 還原性能也有所提高。優(yōu)化焦粉粒度組成后獲得的燒結(jié)礦礦相結(jié)構(gòu)更趨合理。

3) 生產(chǎn)中, 可根據(jù)對(duì)燒結(jié)礦產(chǎn)質(zhì)量的側(cè)重要求來調(diào)整焦粉粒度組成, 若能符合或接近實(shí)驗(yàn)得出的粒度組成范圍, 將有助于提高燒結(jié)礦產(chǎn)質(zhì)量指標(biāo)和降低工序能耗。

參考文獻(xiàn)

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

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

[3]   Nakagawa T erushige, Nakano Masanori, Nagasaka Tetsuya1顆粒結(jié)構(gòu)對(duì)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(duì)鐵礦石燒結(jié)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(yùn)籌學(xué)[ M]1 北京: 清華大學(xué)出版社, 20051

[7]   陳寶林 1 最優(yōu)化理論與算法 [ M] 1 清華大學(xué)出版社,1989181

[8]   吳緒權(quán) 1 探索步長(zhǎng)加速法的改進(jìn)措施[ J ]1 中國(guó)水運(yùn)( 理論版)12006, 4(8), 182- 1831