趙滿祥，張 勇，賈國利，張建良，劉征建，李占國

（北京首鋼股份有限公司，河北 064400；2.北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院 北京 100083）

0 引言

首鋼股份360 m2大型燒結(jié)機(jī)燒結(jié)生產(chǎn)使用礦粉原料主要為大石河精粉、水廠精粉等本地精粉，并搭配部分外購礦粉進(jìn)行燒結(jié)生產(chǎn)。由于環(huán)保形勢的愈發(fā)嚴(yán)峻，燒結(jié)產(chǎn)能嚴(yán)重受限，燒結(jié)礦產(chǎn)量距離高爐煉鐵生產(chǎn)的理想預(yù)期有著一定差距，故開展對360 m2燒結(jié)機(jī)進(jìn)行調(diào)研，以求尋提高產(chǎn)能的有效方式。在現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，燒結(jié)二混制粒能力相對不足，二混后準(zhǔn)顆粒中，小于3 mm 粒徑的準(zhǔn)顆粒占比過大，且混合料平均粒徑經(jīng)過傳輸和干燥后還會發(fā)生進(jìn)一步減小，從而導(dǎo)致燒結(jié)制粒性能較差。這就意味著燒結(jié)料層中細(xì)顆粒多，料層間隙少，會使得燒結(jié)透氣性較差，進(jìn)一步可能會影響抽風(fēng)效果、傳熱燃燒效果，惡化利用系數(shù)、轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度、成品率等重要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)[1-5]。因而改善制粒性能是優(yōu)化燒結(jié)生產(chǎn)，提高燒結(jié)產(chǎn)能的重要途徑。

混合制粒工藝是燒結(jié)生產(chǎn)工藝流程中十分重要的環(huán)節(jié)[6]，其目的即是為了增大原料粒徑，以提高料床透氣性[7]，良好的制粒性能有助于改善燒結(jié)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，而高比例精粉燒結(jié)過程的一大缺點(diǎn)即是透氣性較差而導(dǎo)致燒結(jié)產(chǎn)質(zhì)量較差。前人實(shí)驗(yàn)表明[8]，強(qiáng)力混合機(jī)具有混合效率高，混合效果優(yōu)異等特點(diǎn)，對燒結(jié)礦制粒性能具有良好的改善作用，但對高比例精粉燒結(jié)制粒性能影響效果未確定，且針對燒結(jié)設(shè)備的改造大幅度增加了燒結(jié)成本[9]。如何在不提高燒結(jié)成本的條件下改善高比例精粉燒結(jié)制粒性能，以提高燒結(jié)產(chǎn)能成為了首鋼股份目前需要解決的關(guān)鍵問題。故本研究基于首鋼股份現(xiàn)場高比例精粉燒結(jié)原料結(jié)構(gòu)，利用小型滾筒制粒模擬系統(tǒng)，探究熔劑結(jié)構(gòu)及燃料結(jié)構(gòu)對燒結(jié)制粒特性影響。

1 高比例精粉制粒特性研究

1.1 實(shí)驗(yàn)原料條件

本次研究使用的燒結(jié)原料為首鋼股份燒結(jié)現(xiàn)場用原料，分別為大石河精粉等燒結(jié)現(xiàn)場使用的四種含鐵原料、焦粉、煤粉、生石灰、石灰石。由于本次實(shí)驗(yàn)主要研究高比例精粉條件下熔劑結(jié)構(gòu)及燃料結(jié)構(gòu)對燒結(jié)制粒特性影響，故保持四種含鐵原料配加比例不變，僅改變?nèi)蹌┙Y(jié)構(gòu)及燃料結(jié)構(gòu)來進(jìn)行制粒模擬實(shí)驗(yàn)。

本次實(shí)驗(yàn)混合料配比方案如表1 所示，其中混合含鐵原料是由四種含鐵原料基于燒結(jié)現(xiàn)場配比而成。前5 組實(shí)驗(yàn)方案通過改變石灰石配比來探究高比例精粉條件下不同堿度對燒結(jié)制粒性能影響；6～8 組實(shí)驗(yàn)方案通過改變燒結(jié)燃料結(jié)構(gòu)，探究高比例精粉條件下不同燃料結(jié)構(gòu)對燒結(jié)制粒性能影響；9～12 組實(shí)驗(yàn)方案在保持堿度不變的條件下通過改變生石灰配比，以探究高比例精粉條件下生石灰配比對燒結(jié)制粒性能影響。

表1 實(shí)驗(yàn)混合料配比方案

1.2 高比例精粉制粒模擬實(shí)驗(yàn)

本次制粒模擬實(shí)驗(yàn)于實(shí)驗(yàn)室小型滾筒制粒模擬系統(tǒng)中進(jìn)行，系統(tǒng)簡圖如圖1 所示。實(shí)驗(yàn)用滾筒長50 cm，內(nèi)經(jīng)20 cm，內(nèi)壁設(shè)有高2 cm 內(nèi)襯以模擬燒結(jié)現(xiàn)場滾筒內(nèi)襯。將礦粉、熔劑、燃料等按比例手動混勻模擬燒結(jié)一混過程，混勻后倒入一定量水分，簡單混合后倒入小型滾筒中，以20 r/min 速度運(yùn)行3 min 后倒出進(jìn)行后續(xù)檢測實(shí)驗(yàn)。

圖1 小型滾筒制粒模擬系統(tǒng)簡圖

1.3 燒結(jié)準(zhǔn)顆粒脫粉率測定

上述實(shí)驗(yàn)混合料配比方案各進(jìn)行三次實(shí)驗(yàn)，以降低人工操作所帶來的誤差。第一次實(shí)驗(yàn)中混合料通過小型滾筒制粒模擬系統(tǒng)制成準(zhǔn)顆粒后，直接進(jìn)行篩分，測定準(zhǔn)顆粒濕篩粒度組成；第二次實(shí)驗(yàn)后準(zhǔn)顆粒利用烘箱進(jìn)行干燥處理后，進(jìn)行篩分，測定準(zhǔn)顆粒干篩粒度組成；第三次實(shí)驗(yàn)后準(zhǔn)顆粒在50 cm 高處進(jìn)行三次落下后，利用烘箱進(jìn)行干燥處理并進(jìn)行篩分，測定準(zhǔn)顆粒落下三次后干篩粒度組成。

基于測定結(jié)果，計(jì)算燒結(jié)準(zhǔn)顆粒脫粉率。準(zhǔn)顆粒濕篩平均粒度至準(zhǔn)顆粒干篩平均粒度變化率被定義為干燥脫粉率；準(zhǔn)顆粒濕篩平均粒度至準(zhǔn)顆粒落下三次后干篩平均粒度變化率被定義為落下干燥脫粉率。脫粉率計(jì)算如公式下：

式中：d0為滾筒制粒后原始混合料平均粒度，d1為干燥/落下之后的混合料平均粒度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 堿度對燒結(jié)制粒性能影響

2.1.1 堿度對準(zhǔn)顆粒粒徑影響

圖2 為不同堿度（1～5 組）準(zhǔn)顆粒通過三種篩分方式后粒度占比及平均粒徑結(jié)果。由圖2 可以看到，高比例精粉配比條件下，隨著堿度的提高，熔劑粘結(jié)性作用逐漸明顯，準(zhǔn)顆粒中＞3 mm 部分占比由41.42%提高至59.74%，準(zhǔn)顆粒中＜1 mm 部分占比由7.45%降低至1.41%。而對準(zhǔn)顆粒進(jìn)行干燥后篩分發(fā)現(xiàn)，準(zhǔn)顆粒中水分的流失使得熔劑粘結(jié)性作用降低，5 種準(zhǔn)顆粒粒度占比幾乎相同，準(zhǔn)顆粒中＞3 mm部分占比為35%左右，＜1 mm 部分占比為25%左右。對準(zhǔn)顆粒進(jìn)行落下三次后進(jìn)行干燥并進(jìn)行粒度篩分后，發(fā)現(xiàn)落下前后準(zhǔn)顆粒粒徑占比幾乎不變。

圖2 不同堿度準(zhǔn)顆粒制粒后三種篩分結(jié)果

2.1.2 堿度對準(zhǔn)顆粒脫粉率影響

后續(xù)對不同堿度準(zhǔn)顆粒干燥脫粉率及落下干燥脫粉率進(jìn)行測定，測定結(jié)果如表2 所示。由表2可以看出，隨著堿度的升高，準(zhǔn)顆粒粒徑占比改善的同時(shí)，其脫粉率也逐漸增加，其中干燥脫粉率由16.38%提高至28.08，落下干燥脫粉率由20.39%提高至25.61%。生石灰的主要成分是CaO，其在遇水消化為消石灰后，在燒結(jié)料中起到了粘結(jié)劑的作用，以增加混合料的成球性能，并能夠提高混合料成球后的強(qiáng)度以改善料層透氣性。石灰石的粘結(jié)性雖比精礦粘結(jié)性能好，有利于混合料成球，但相比于生石灰，由于其粒度分布不均，顆粒較大的石灰石并不具有很好的粘結(jié)性，進(jìn)而其對燒結(jié)準(zhǔn)顆粒的粒度占比并不具有明顯改善作用[10]。故可以看出，在燒結(jié)生產(chǎn)中，石灰石并不能改善準(zhǔn)顆粒粒度占比，但熔劑在燒結(jié)過程中的燒損可以明顯改善燒結(jié)料層透氣性，故提高其含量對燒結(jié)料層透氣性仍具有有利影響。

表2 不同堿度準(zhǔn)顆粒干燥脫粉率及落下干燥脫粉率計(jì)算結(jié)果

2.2 燃料結(jié)構(gòu)對燒結(jié)制粒性能影響

2.2.1 燃料結(jié)構(gòu)對準(zhǔn)顆粒粒徑影響

圖3 為不同燃料結(jié)構(gòu)（6～8 組）準(zhǔn)顆粒通過三種篩分方式后粒度占比及平均粒徑結(jié)果。由圖3 可以看到，高比例精粉配比條件下，三種燃料結(jié)構(gòu)方式對燒結(jié)準(zhǔn)顆粒粒度占比影響較小。濕篩后準(zhǔn)顆粒中＞3 mm 部分占比為65%左右，準(zhǔn)顆粒中＜1 mm 部分占比為0.9%左右；對準(zhǔn)顆粒進(jìn)行干燥后篩分后，準(zhǔn)顆粒中＞3 mm 部分占比為32%左右，＜1 mm 部分占比為30%左右；對準(zhǔn)顆粒進(jìn)行落下三次后進(jìn)行干燥并進(jìn)行粒度篩分后，準(zhǔn)顆粒中＞3 mm 部分占比為40%左右，＜1 mm 部分占比為22%左右。

圖3 不同燃料結(jié)構(gòu)準(zhǔn)顆粒制粒后三種篩分結(jié)果

2.2.2 燃料結(jié)構(gòu)對準(zhǔn)顆粒脫粉率影響

后續(xù)對不同燃料結(jié)構(gòu)準(zhǔn)顆粒干燥脫粉率及落下干燥脫粉率進(jìn)行測定，測定結(jié)果如表3 所示。由表3可以看出，燃料結(jié)構(gòu)對準(zhǔn)顆粒脫粉率整體影響較小。干燥脫粉率為35%左右，落下干燥脫粉率為30%左右（其中半焦粉半煤粉配比準(zhǔn)顆粒干燥脫粉率較高，認(rèn)定為人為操作影響）。焦粉由于其表面粗糙多孔，親水性較強(qiáng)，故認(rèn)定燃料結(jié)構(gòu)使用全焦粉配比更有利于燒結(jié)制粒性能，但在燒結(jié)混合料中燃料配比較低，僅為4%左右，故而對準(zhǔn)顆粒影響較小[11]。

表3 不同燃料結(jié)構(gòu)準(zhǔn)顆粒干燥脫粉率及落下干燥脫粉率計(jì)算結(jié)果

2.3 生石灰配比對燒結(jié)制粒性能影響

2.3.1 生石灰配比對準(zhǔn)顆粒粒徑影響

圖4 為不同生石灰配比（9～12 組）準(zhǔn)顆粒通過三種篩分方式后粒度占比及平均粒徑結(jié)果。由圖4可以看到，高比例精粉配比條件下，隨著生石灰配比的增加，燒結(jié)制粒性能逐漸變差：濕篩后準(zhǔn)顆粒中粒徑＞3 mm 部分占比由56.77%降低至33.38%，粒徑＜1 mm 部分占比由1.93%提高至25.14%；對準(zhǔn)顆粒進(jìn)行干燥后篩分，粒徑＞3 mm 部分占比由38.22%降低至25.50%，粒徑＜1 mm 部分占比由29.95%提高至49.07%；對準(zhǔn)顆粒進(jìn)行落下三次后進(jìn)行干燥并進(jìn)行粒度篩分，粒徑＞3 mm 部分占比由26.89%降低至21.12%，粒徑＜1 mm 部分占比由40.52%提高至53.98%。

2.3.2 生石灰配比對準(zhǔn)顆粒脫粉率影響

后續(xù)對不同生石灰配比準(zhǔn)顆粒干燥脫粉率及落下干燥脫粉率進(jìn)行測定，測定結(jié)果如表4 所示。由表4 可以看出，隨著生石灰配比的提高，其落下干燥脫粉率逐漸降低，落下干燥脫粉率由43.67%降低至34.31%。由于在實(shí)驗(yàn)中混合料水分配比一定，而生石灰吸水性遠(yuǎn)高于石灰石，白灰配比的增加使得混合料中起顆粒粘結(jié)作用的水分含量降低，從而降低了準(zhǔn)顆粒平均粒徑。而由于吸水后的生石灰本身粘結(jié)性比石灰石強(qiáng)[12]，故隨著生石灰配比的增加，干燥脫粉率逐漸降低，準(zhǔn)顆粒平均粒徑趨于平穩(wěn)。

表4 不同生石灰配比準(zhǔn)顆粒干燥脫粉率及落下干燥脫粉率計(jì)算結(jié)果

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

通過上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析得出以下結(jié)論：

（1）在燒結(jié)生產(chǎn)中，石灰石細(xì)粉在一定程度上可以幫助混合料成球，但隨著石灰石配比增高，混合料成球性能反而下降，在首鋼股份燒結(jié)機(jī)10～20%的磁精粉條件下，6%以下的石灰石對制粒性能是較合適的。

（2）煤粉相較于焦粉更有利于混合料成球，但經(jīng)歷落下和干燥后，不同燃料結(jié)構(gòu)下的混合料粒度回到同一水準(zhǔn)，因而綜合考慮到經(jīng)過轉(zhuǎn)運(yùn)和點(diǎn)火干燥后，燃料結(jié)構(gòu)不會對最終混合料粒度造成顯著影響。

（3）生石灰配比提高，混合料的脫粉率能夠顯著減小，但高比例生石灰必須匹配大比例水分，否則混合料粒度可能變差，對于生石灰配比在5%以上，水分配比須在7.5%以上乃至更高。

4 結(jié)語

本文為探究改善高比例精粉燒結(jié)制粒性能的措施，以首鋼股份燒結(jié)現(xiàn)場用原料為實(shí)驗(yàn)原料，利用小型滾筒進(jìn)行了高比例精粉燒結(jié)混合料制粒性能研究實(shí)驗(yàn)，以明晰高比例精粉條件下熔劑結(jié)構(gòu)及燃料結(jié)構(gòu)對燒結(jié)制粒特性影響。本次實(shí)驗(yàn)所用原料按不同堿度、不同燃料結(jié)構(gòu)、不同溶劑配比分成12組，通過對12 組經(jīng)小型滾筒制粒后的混合料準(zhǔn)顆粒粒徑和脫粉率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，闡明了高比例精粉燒結(jié)制粒性能的關(guān)鍵影響因素，并從中獲得一些有益的結(jié)果，這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果對于當(dāng)下環(huán)保受限條件下的燒結(jié)產(chǎn)能提高有著有一定的指導(dǎo)意義。