水鋼燒結工藝參數優化的試驗研究

楊大兵，江 劍，顧尚軍，敖萬忠，許 光

（1.武漢科技大學冶金礦產資源高效利用與造塊湖北省重點實驗室，湖北 武漢，430081；2.首鋼水城鋼鐵（集團）有限責任公司，貴州 六盤水，553028）

燒結工序能耗在噸鋼綜合能耗中約占10%，是鋼鐵生產的第二耗能大戶，僅次于高爐煉鐵，其中固體燃料消耗又占燒結工序能耗的75%～80%［1］。原料性質、工藝流程、燒結過程和后續處理的不穩定與不成熟等因素，都會導致燒結生產燃料消耗大、電耗高、燒結成品礦質量低等問題［2－3］。實際生產中可采取提高配碳和 SiO2／CaO比以加速局部還原反應、加強制粒、提高料層透氣性等措施來改善燒結礦的質量，降低生產成本［4］。本溪鋼鐵（集團）有限責任公司采取厚料層燒結、強化燒結制粒、燃料分加、生石灰加熱水消化并增加一道生石灰加水系統、配加高爐灰和煉鋼塵泥、熱風燒結等一系列措施優化燒結環境，使燒結工序能耗和生產成本不斷降低，燒結礦質量得到改善［5］。濟南鋼鐵集團公司燒結廠進行了配加不同比例的輕燒白云石以替代生石灰的燒結試驗，結果表明，與不配加輕燒白云石的燒結礦相比，配加40%輕燒白云石所得燒結礦的多項性能指標得到提高［6］。

首鋼水城鋼鐵（集團）有限責任公司（以下簡稱水鋼）結合現有生產條件與原礦樣的特點，擬通過改變生產原料的結構配比以達到合理利用二次資源、改善燒結礦質量、降低生產能耗的目的。本文主要研究除塵灰添加量、燃料用量、燃料粒度組成以及原料溫度對水鋼燒結礦質量的影響，采用單因素試驗法確定各因素的最佳取值，以期為水鋼的燒結生產提供參考。

1 試驗

1.1 試驗原料

主要原料及其化學成分如表1所示。所用燃料為煤粉和焦粉，其成分分析結果如表2所示。部分原料的粒度組成和堆積密度如表3所示。

表1 原料的化學成分Table1 Chemical compositions of raw materials

表2 燃料的工業分析結果Table2 Proximate analysis of fuels

表3 原料的粒度組成和堆積密度Table3 Grain composition and bulk density of raw materials

1.2 試驗方法

將原料按一定比例經過人工和混合機兩次混合后，測其水分和粒度。然后將混合料裝入燒結杯中，在1050℃下點火2min，控制點火負壓和燒結負壓分別為6.6kPa和9kPa。達到燒結終點的燒結礦依次經過單輥破碎、4次落下和多層篩分。采用ISO轉鼓指數、成品率、落下強度和FeO含量等指標來評價燒結礦的質量。

2 結果與討論

2.1 除塵灰添加量對燒結礦質量的影響

原料中混勻料占56%、高爐返礦占7%、內返礦占21%、煤粉和焦粉各占2.5%、石灰石占4%、生石灰占3%、白云石占4%。除塵灰添加量分別為原料總量的0、1%、2%和3%時所制燒結礦的各項指標如圖1和圖2所示。

由圖1和圖2可見，隨著除塵灰添加量的增加，燒結礦的轉鼓指數、成品率和落下強度均先增后減，FeO含量則比較穩定。當除塵灰添加量為2%時，燒結礦轉鼓指數、成品率和落下強度均達到 極大值，分別為70.83%、86.88%和67.68%，FeO含量為7.13%。

圖1 除塵灰添加量對燒結礦轉鼓指數和FeO含量的影響Fig.1 Effect of dust content on drum index and FeO content of sinter

圖2 除塵灰添加量對燒結礦成品率和落下強度的影響Fig.2 Effect of dust content on yield and shatter strength of sinter

這是因為除塵灰粒度小、比表面積大，能增強原料的制粒效果，改善燒結料的粒度組成，從而增加燒結料的透氣性，強化燒結過程，提高燒結礦的產量和質量。但除塵灰添加過量，混合料中造好的小球在燒結過程中會發生爆裂，產生較多的碎料，反而會影響料層的透氣性，進而惡化燒結過程和燒結礦的質量。除塵灰少量添加有利于資源再利用，過量添加則會嚴重影響燒結礦質量，故選擇除塵灰添加量為2%。

2.2 燃料用量對燒結礦質量的影響

原料中混勻料占58%、除塵灰占2%、高爐返礦占7%、內返礦占22%、石灰石占4%、生石灰占3%、白云石占4%。燃料配加量分別為原料總量的6%、5%、4.5%、4.2%和4%時所制燒結礦的各項指標如圖3和圖4所示。

圖3 燃料用量對燒結礦轉鼓指數和FeO含量的影響Fig.3 Effect of fuel consumption on drum index and FeO content of sinter

圖4 燃料用量對燒結礦成品率和落下強度的影響Fig.4 Effect of fuel consumption on yield and shatter strength of sinter

由圖3和圖4可見，隨著燃料用量的增加，燒結礦的轉鼓指數、成品率和落下強度均先增后減，FeO含量則開始比較穩定，燃料含量超過5%時其迅速增大。當燃料用量為5%時，燒結礦轉鼓指數、成品率和落下強度均達到極大值，分別為71.23%、88.83%和70.04%，FeO含量為7.91%。

燃料用量會影響垂直燒結速度，從而影響燒結礦的產量。燃料用量過少，達不到必要的燒結溫度，燒結過程進行不完全，反應不充分，燒結礦強度下降；燃料用量過多，燃燒層溫度高，液相過多，當料層較厚時，透氣性差，料層下部燒不透。綜合考慮燒結能耗降低和燒結礦質量提高，確定合適的燃料用量為5%。優化后的燃料用量小于原有燃料用量（5.6%）。

2.3 原料溫度對燒結礦質量的影響

原料配比與2.2節中的相同，燃料用量為5%?；靹蚝蠓謩e加熱到20、40、50、60、70℃，然后進行燒結試驗。所制燒結礦的各項指標如圖5和圖6所示。

由圖5和圖6可見，隨著原料溫度的升高，燒結礦的轉鼓指數、成品率和落下強度均先增后減，FeO含量則略微增加。當原料溫度為60℃時，燒結礦轉鼓指數、成品率和落下強度均達到極大值，分別為69.18%、85.66%和69.16%，FeO 含量為7.5%。

圖5 原料溫度對燒結礦轉鼓指數和FeO含量的影響Fig.5 Effect of raw material temperature on drum index and FeO content of sinter

圖6 原料溫度對燒結礦成品率和落下強度的影響Fig.6 Effect of raw material temperature on yield and shatter strength of sinter

進入燒結的原料起始溫度在一定程度上影響干燥速度。起始溫度高，干燥速度快，對燒結有利，不僅可以提高燒結礦的質量，還可以節省碳耗。但起點溫度過高時，水分蒸發速度快于其擴散速度，會導致部分球粒碎裂，造成料層透氣性下降。根據試驗結果，選擇原料溫度為60℃較為合適。

2.4 燃料粒度對燒結礦質量的影響

原料配比與2.2節中的相同，燃料用量為5%。將燃料中粒度小于3mm的顆粒所占比例p分別控制在80%、83%、88%、92%、95%，原料混勻加熱到60℃后進行燒結試驗。所制燒結礦的各項指標如圖7和圖8所示。

圖7 燃料粒度對燒結礦轉鼓指數和FeO含量的影響Fig.7 Effect of fuel particle size on drum index and FeO content of sinter

圖8 燃料粒度對燒結礦成品率和落下強度的影響Fig.8 Effect of fuel particle size on yield and shatter strength of sinter

由圖7和圖8可見，隨著燃料中粒度小于3 mm顆粒所占比例的增加，燒結礦的轉鼓指數、成品率和落下強度均先增后減，FeO含量變化不大。當燃料中粒度小于3mm的顆粒所占比例為88%時，燒結礦轉鼓指數、成品率和落下強度均達到極大值，分別為76.07%、85.66%和72.18%，FeO含量為7.23%。

燃料粒度過小時，燃燒速度快，高溫時間短，燒結礦強度差。燃料粒度過小還會使料層透氣性變差，燒結礦產量低。燃料粒度較大（＞3mm）時，燃燒時間延長，燃燒速度降低，燃燒層變厚，也會使料層透氣性變差。根據試驗結果，燃料中粒度小于3mm顆粒所占比例為88%時較為合適。

3 結論

（1）通過單因素試驗法得出的最佳工藝參數是：除塵灰添加量為2%，燃料用量為5%、燃料中粒度小于3mm的顆粒所占比例為88%，原料溫度為60℃。

（2）在優化工藝條件下，所制燒結礦質量較好，其落下強度為72.18%，轉鼓指數為76.07%，FeO含量為7.23%，成品率為85.66%。

［1］毛艷麗，陳妍，曲余玲.燒結工序節能降耗的技術措施［J］.冶金能源，2010，29（5）：9－11.

［2］陳平，李榮波，王常秋.東燒廠360m2燒結機設計特點與生產實踐［C］／／2003年全國燒結球團技術交流年會論文集.長沙：《燒結球團》編輯部，2003：109－113.

［3］唐賢容.燒結理論與工藝［M］.長沙：中南工業大學出版社，1996.

［4］邢宏偉，李東亮，張玉柱，等.配加高磷鐵礦的燒結杯實驗［J］.河北冶金，2012（3）：3－8.

［5］孫秀麗.本鋼三燒新建工程的節能降耗措施［J］.金屬世界，2009（6）：15－17.

［6］李榮，郭江，張勝利.燒結添加輕燒白云石的試驗研究［J］.濟源職業技術學院學報，2010，9（4）：36－38.