|
许满兴 罗玉强 （北京科技大学）（山西建邦集团有限公司） 摘 要 本文论述了烧结矿强度的重要价值、影响烧结矿强度的因素分析及提高烧结矿强度的技术举措 关键词 烧结矿强度 影响因素 技术举措 1 前 言 烧结矿强度是烧结矿质量的重要指标之一，由于烧结矿强度（包括低温还原强度）是影响高炉上部顺行的限制性环节，故烧结矿强度是高炉炼铁对烧结矿质量的一项重要要求。且不同容积级别的高炉对烧结矿强度的要求不同，高炉有效容积越大，对烧结矿的强度指标要求越高。众所周知，烧结过程是一个及其复杂的物理化学变化过程，影响烧结矿强度的因素是多方面的，有矿种及烧结基础特性的影响、矿粉粒度组成和表面形态的影响、碱度及化学成分的因素，燃料和熔剂质量及粒度的影响、返矿粒度及数量的影响、料层厚度、配C配水、混合料透气性等烧结主要工艺参数的影响、矿物组成对强度的影响等等。正因为影响烧结矿强度的因素有如此之多，要改善和提高烧结矿强度的技术措施也必然是多方面的、全方位的。 2 影响烧结矿强度的因素分析 2.1矿种及铁矿粉基础特性对烧结矿强度的影响 用于烧结生产的铁矿石的种类主要有磁铁矿、赤铁矿、褐铁矿和菱铁矿四 种，四种不同铁矿粉用于烧结生产，其成品矿的强度是不同的。褐铁矿矿粉组织疏松、堆密度小，用于烧结生产成品率低、强度差；菱铁矿在烧结生产中CO2被分解析出，体积收缩大，也是成品率低、强度差；磁铁矿粉中磁铁矿分子式为Fe3O4，在烧结过程中需要氧化气氛，氧化为Fe2O3＋FeO，比不上赤铁矿粉可以在一定化学成分和温度条件下生成铁酸钙（CaO·Fe2O3）。不同矿种烧结成品矿强度的高低排序为：赤铁矿＞磁铁矿＞褐铁矿＞菱铁矿。即便同样是赤铁矿由于Fe2O3含量不同，在烧结过程中生成SFCA的机率不同，也会导致成品矿的强度不同。巴西和南非的粉矿的Fe2O3含量均＞85%，且有一定含量的SiO2，易与配入熔剂中的CaO反应生成铁酸钙，特别是南非的1~0.25mm的准颗粒比例低，制粒后混合料的透气性好，有利于成品矿的强度提高；而同为赤铁矿印度矿粉的Fe2O3含量比巴西和南非的低10%左右，在烧结过程中形成铁酸钙的几率要低，因此印度粉不大可能烧出很好的烧结矿。 对澳大利亚矿而言，像纽曼和哈默斯利赤铁矿粉，它们的成品矿强度类同巴西和南非矿粉；而高、中水化程度的褐铁矿粉的烧结成品矿强度就低一些。褐铁矿配比对烧结矿成品率和强度的影响列于表1 。
表1 褐铁矿配比对烧结矿成品率和转鼓指数的影响
铁矿粉的五项烧结基础特性均对烧结矿的强度有直接影响,铁矿粉同化温度的高低和液相流动性指数，影响成品烧结矿孔隙壁的厚薄和结构强度的高低，试验证明不同矿种同化温度的高低排序为：赤铁矿＞磁铁矿＞褐铁矿＞菱铁矿，而液相流动性指数刚好相反，褐铁矿粉的液相流动性最大，最小的是磁铁矿粉，实际上个别矿种会有特殊性。几种常见不同矿种的同化温度等烧结特性列于表2。
表2 几种不同矿种的烧结基础特性
由表1的数据对比可见，不同矿种的烧结基础特性有较大的差别，它们对烧结成品矿的强度和质量有较大的影响，因此要十分重视不同矿种的烧结基础特性对强度的影响。 2.2. 矿粉粒度组成及表面形态对烧结矿强度的影响 铁矿粉制粒对烧结矿的产质量有重大影响，也是影响烧结矿强度的一大重要因素。不同矿粉有不同的粒度组成，粒度组成影响制粒效果。对铁矿粉而言，＞8mm的粒级比例应＜5%，超过5%会引起烧结质量变差，返矿比例升高；1.0~0.25mm为准颗粒，其在制粒过程中既不能成核心，又不能黏附于核心的外围，是影响制粒效果和混合料透气性最大的粒级，铁矿粉烧结要求准颗粒比例越低越好，界限值为＜2０%；－0.25mm粒级比例也不宜太高，一般要求＜30%，细颗粒比例高会造成制粒困难，影响混合料的透气性，从而影响成品矿的强度。铁矿粉的表面形态也很大程度影响制粒和烧结矿的强度，例如呈片状的镜铁矿（依塔比拉矿）制粒效果很差，最高配比不宜＞5%。 2.3碱度和铁矿粉的化学成分对烧结矿强度的影响 2.3.1 碱度对烧结矿强度的影响 碱度是影响烧结矿质量的一个基本因素，碱度不同烧结矿的矿物组成不同，其强度和质量也不同，烧结矿随碱度提高其强度和质量显著提高，烧结矿的最佳碱度范围为CaO/SiO2＝1.90～2.30，韶钢、石钢、邯钢、宣钢等企业烧结矿碱度与其强度的关系列于表3、表4、表5。 表3 韶钢、石钢、邯钢、烧结矿碱度与成品矿强度，%
表4 马钢烧结矿碱度对成品矿强度的影响，%
表5 宣钢烧结矿碱度对成品矿强度的影响，%
由表3~表5可见，以上所列几家不同企业在其生产条件和它化学成分基本相同条件下，烧结矿强度随碱度提高而提高的规律是显而易见的。因此为保持烧结矿具有足够的强度，生产高碱度烧结矿是必须坚持的一个原则。 除了碱度外，SiO2、FeO 、MgO 和Al2O3均不同程度影响烧结矿的强度。 2.3.2 SiO2和FeO对烧结矿强度的影响 烧结矿的固结机理是渣相连接，在烧结生产过程中，SiO2、FeO在低于1200℃的温度条件下生成液相，包裹未熔化的矿物，将散料变为块状成品矿。试验研究和生成实践证明：混合料的SiO2含量和烧结矿的FeO含量对成品矿的强度有较大的影响：当SiO2＜5%，烧结矿因渣相不足成品率和强度会显著下降；当SiO2＞5%时，烧结矿由于硅酸盐渣量增多，强度会有所改善，而冶金性能会相应变差。烧结生产应根据混合料的SiO2含量适当变更配C量，当SiO2＜5%时应适当多配C，适当提高成品矿的FeO含量，以保持成品矿有足够的强度，当SiO2＞5%应相应降低配C，降低成品矿FeO含量，掌控成品矿的强度。 马钢、鞍钢、唐钢等企业SiO2、FeO对烧结矿强度的影响列于表6～表8。
表6 马钢SiO2含量对烧结矿强度的影响，%
表7 鞍钢SiO2含量对烧结矿强度的影响
表8 唐钢烧结矿FeO对强度和冶金性能的影响，%
表6数据说明，在马钢碱度、MgO、Al2O3和FeO基本相同条件下， SiO2含量在4.81～5.15%的范围内，随渣相SiO2含量的增加，烧结矿成品率和转鼓指数提高。 表7数据说明，在鞍钢条件下，随SiO2的降低，烧结矿品位和碱度的提高，烧结矿转鼓指数、燃耗和FeO变化不大。 表8说明在唐钢烧结矿碱度和SiO2（＜5.5％）基本相同的条件下，烧结矿的强度随FeO的下降而降低，900℃还原性升高和RDI指数下降。 烧结矿的FeO含量与配C量直接相关，一般配C增加1%，FeO会升高1%~2%，只有低配C才能实现低FeO，高配C高FeO是造成烧结矿质量差的一大根源。烧结生产应追求低SiO2、高强度、低FeO的目标，例如像在鞍钢条件下，4.80%的SiO2，37.79kg/t的燃耗，达到80.87％的转鼓指数和7.91％的FeO指标。 2.3.3 MgO对烧结矿强度的影响 大量的试验研究和生产实践证明，MgO有利于烧结矿低温还原粉化性能的改善，在高炉炉缸内，有利于炉渣流动性和脱硫效果的改善，故高炉炼铁都要求烧结矿具有一定含量的MgO。但是由于MgO在烧结过程中易与Fe3O4反应生成镁磁铁矿（MgO ·Fe3O4），从而阻碍Fe3O4在烧结过程中氧化为Fe2O3，从而降低铁酸钙相的生成，造成成品烧结矿的冷强度和还原性降低。经验数据说明，烧结矿的MgO增加1% ，冷强度降低3%，还原性降低5%。MgO 为难熔矿物，其熔点为2799℃，因此，高MgO 烧结矿必然会导致燃耗高和强度低。梅山钢铁公司和马钢等企业MgO 对烧结矿质量的影响列于表9和表10。
表9 梅钢MgO对烧结矿质量的影响
表10 首钢MgO对烧结矿强度的影响，%
由表9和表10数据可见，无论是首钢还是梅钢，随烧结矿MgO含量的增加，固体燃耗增加，转鼓强度下降，还原性降低的规律是明显的。 2.3.4 .Al2O3对烧结矿强度的影响 Al2O3含量是影响烧结矿质量和强度的一个重要因素，因为Al2O3 /SiO2=0.1~0.4是生成铁酸钙的必要条件。碱度低于2.3的高碱度烧结矿，铁酸钙的分子式为5 CaO·2SiO2·9（Al·Fe）2O3，这就要求烧结混合料合理的Al2O3含量为1.5%左右，1%~2%的Al2O3含量为正常值。超过了2%的含量，由于Al2O3的熔点为2042℃，在烧结过程中熔化不了，只能在玻璃相中析出，降低渣相的破裂韧性，严重影响成品矿的冷强度和还原粉化指数，因此，Al2O3含量既是形成烧结矿高强度的必要条件，又是影响烧结矿冷强度的重要因素。杭钢高铝烧结矿对成品矿强度和RDI指数的影响列于表11。 表11 Al2O3（％）含量对杭钢烧结矿强度的影响，%
由表11可见，在杭钢烧结矿化学成分和碱度基本相同的条件下，随着Al2O3含量的升高，成品烧结矿的转鼓指数呈明显下降趋势，Al2O3升高1%，成品矿的转鼓指数平均下降3.72%，低温还原粉化指数也相应呈下降趋势。 2.4 燃料和熔剂质量及粒度对烧结矿强度的影响 燃料的质量是指燃料的种类，固定碳含量和粒度。昆钢、首钢等企业的研究和生产实践证明，燃料的固定碳含量高，灰分含量低有利于降低燃耗，也有利于改善烧结矿的强度指标；在粒度组成上＜3mm粒级的比例应＞９０%，＞3mm比例高，容易产生偏析，不利于均匀烧结，往往会影响成品率和烧结矿强度；燃料＜0.5mm粒级比例应低，否则会因燃料颗粒细，烧结层高温保温时间短而影响铁酸钙的生成比例和成品矿的强度。 熔剂的质量主要是指生石灰和石灰石、白云石含CaO的比例。质量好的生石灰应含CaO＞80%，生石灰和石灰石、白云石＜3mm的粒级比例应＞９０%。粒度大分解和消化速度慢，会影响混合料的制粒及烧结过程的透气性。采用生石灰替代石灰石作熔剂，生石灰消化后为极细的胶体颗粒，平均比表面积达30m2/g，与石灰石相比大60倍，生石灰制成的胶体颗粒混合料一是不容易在布料和烧结过程中被破碎；二是0.25~0.7mm的准颗粒也易于被黏附到核心的周围，有利于改善混合料的透气性；三是这种胶体颗粒具有较大的活性度，易与混合料中的其它组分接触产生各种固液相反应，不利于游离态的CaO和2CaO·SiO2生成，从而改善烧结矿的质量和提高成品矿的强度。 提高混合料的生石灰配比有利于改善烧结矿的质量和强度，适宜的生石灰配比为5%左右。东北大学和河北理工大学已有的研究证明，生石灰的活性度低，不利于烧结过程生成SFCA，但活性度也不是越高越好，＞300ml后生成SFCA的比例反而有下降，合理的活性度是250ml~300ml为最佳。 2.5 返矿粒度和数量对烧结矿强度的影响 研究和生产实际证明，热返矿的粒度和数量对烧结矿的强度和粒度组成有显著的影响，在烧结生产中这是一个常常容易被忽视但又不能被忽视的一个因素。热返矿的粒度大和数量多均会起到混合料的水分波动和制粒效果下降，从而影响成品矿的强度和粒度变小。柳钢的生产实践证明，热返矿的粒度＜3mm，热返矿的数量＜8%时，有利于提高烧结矿的强度和优化烧结矿的粒度组成。现在很多企业取消了热矿筛，也就没有了热返矿了，这个影响因素就转换成烧结返矿和高炉返矿的粒度和数量，只要返矿粒度＜5mm，返矿的总数量不超过30%，就不至于造成对成品矿强度的不利影响。 2.6 烧结主要工艺操作参数对成品矿强度的影响 烧结生产的主要工艺参数有料层厚度、配C配水、制粒和布料、点火操作、抽风负压、机速和冷却速度等因素，它们的相互关系：料层厚度是基础，水碳是保证，混合料的透气性是关键。混合料的透气性与制粒、布料、点火和抽风操作等环节相关。 2.6.1料层厚度对烧结矿强度的影响 研究和生产实践证明，料层厚度与烧结产质量直接相关，料层厚度直接影响烧结的固体燃耗和成品矿的强度。宝钢的烧结生产实践证明，混合料厚度每提高100mm，烧结配C降低1.04kg/t，降低FeO为0.6%，提高转鼓指数2.3%，降低煤气消耗0.64kg/t，莱钢和宝钢等企业不同料层厚度的烧结生产指标分别列于表11和表12，目前我国烧结生产多数企业的料层厚度为700mm，有些已超过800mm，天津荣程联合钢铁公司的烧结料层最高已到达1000mm的厚料层。
表11 莱钢料层厚度对烧结矿强度及质量指标的影响
表12 宝钢料层厚度对烧结矿强度及质量指标的影响
由表11、表12可见，在莱钢、宝钢条件下，呈现烧结矿随料层厚度的增加，固体燃耗下降，烧结矿强度升高的普遍规律。因此烧结生产应遵循不断强化制粒、改善混合料的透气性、挖掘料层厚度的潜力，追求厚料层、低燃耗、高强度、低FeO的目标。 2.6.2 配C、配水对烧结矿强度的影响 烧结生产实践证明，合理的配C配水是搞好烧结生产的保证，烧结生产在常规条件下，增加1%的配C，FeO提高1.8%~2.0%，高配碳必然高FeO，高温型烧结得不到质量优的烧结矿。对于高碱度烧结矿而言，FeO在铁酸钙矿物相中并不单独存在，在最佳碱度范围内，铁酸钙的分子式为5CaO·2SiO2·9(AlFe)2O3,因此提高FeO含量于烧结矿强度没有直接关系。配C、烧结温度、FeO、烧结矿强度的关系列于表13。 表13 配C、FeO与烧结矿强度的关系
由表13可见，虽然随配C的增加，FeO升高，烧结矿强度是不断提高的，但当配C量超过4.0％时，烧结温度已超过了1300℃，达到1315℃，进入了高温型烧结，烧结矿的质量开始下降。因此在正常情况下，配C、FeO和强度的最佳值是配C在3.3%~4.0%之间，FeO含量在6.85%~8.24%的范围内，不是强度最高时的配C和FeO为烧结最佳条件。 混合料水分对烧结产、质量的影响是一个十分重要十分敏感的因素，因为混合料水分直接影响FeO含量和固体燃耗的变化，进而影响烧结矿强度和粒度组成等烧结矿的质量指标。生产实践证明，混合料水分随料层厚度增加应该下降，其规律是厚料层、低C低水才能低FeO，柳钢混合料水分对成品矿FeO和强度的影响列于表14。 表14 混合料水分对成品矿FeO和强度的影响
由表14可见，混合料水分在碱度和料层厚度相同的条件下，对成品矿的FeO和转鼓指数有明显的影响，准确而又及时控制混合料的水分，是获得低FeO、高强度成品矿的一个重要条件。 2.6.3点火操作对烧结矿强度的影响 点好火是提高烧结生产的一个重要环节，点好火的操作时要把握好点火温度，点火负压和点火强度三要素。点火温度的高低与烧结所用矿种相关，对于一般赤铁矿和磁铁矿粉烧结，点火温度控制在1050℃±50℃为合适；对于高水化程度的褐铁矿粉烧结，因为热爆裂严重，适宜的点火温度为950℃±50℃；对于高Al2O3矿粉烧结，要适当提高点火温度，适宜的点火温度为1100℃±50℃。点火温度要掌握一个适宜的温度，点火温度过低，台车表层温度不足，影响表层的成品矿和强度；点火温度过高，造成台车表层过烧结块，增大烧结阻力，导致成品率和强度下降。点火负压正常情况下为烧结抽风负压的60%~70%为宜，即一般为8kPa左右。点火负压过高或过低都会给烧结生产造成严重的影响。过高的点火负压会破坏原始料层的透气性，降低垂直烧结速度，延缓烧结终点，严重影响烧结的产量和强度；过低的点火负压会影响点火后阻碍烧结带往下引，拖延烧结速度和烧结终点，而同样影响烧结的成品率和成品矿强度。 点火强度是指单面烧结面积供给的热量，正常的点火强度应为2-3万×4.18kJ/min·m2，这一数值与燃料的发热值相关，一般高炉煤气点火正常热耗为4.3万×4.18kJ/t。点火强度过低或过高，也会影响烧结的成品率和成品矿强度。 2.6.4混合料透气性对烧结矿强度的影响 工艺参数对烧结产质量的影响，混合料的透气性是关键，烧结料层的透气性是由混合料的粒度及其粒度组成、混合料适宜的水分及抽风负压和机速等因素所决定的，在这些因素中，混合料的粒度及其组成是基础，适宜的水分是保证条件，抽风负压和机速起着主导作用。莱钢抽风负压和机速对烧结矿强度及质量的影响列于表15。 表15 莱钢烧结抽风负压和机速对强度及质量的影响
由表15可见，料层增高后，抽风负压会增大，此时放慢机速，结果产量基本不变，但烧结矿的强度和质量得到了显著提高。 在烧结生产中，提高抽风负压，会增加通过料层的风量，加快垂直烧结速度，提高烧结矿产质量，但当抽风负压过高后，垂直烧结速度过快，产量会进一步提高，成品矿的强度明显下降。因此在混合料透气性一定的条件下，有一个与料层透气性相适应的抽风负压，烧结生产应掌握适当的抽风负压，抽风负压不是越高越好，低负压操作有利于固体燃耗的下降，成品率和转鼓强度的提高。 机速和抽风负压对烧结矿的强度和质量的影响是相对立和统一的矛盾。在烧结生产中，为追求产量，就需要提高抽风负压和机速；为追求成品矿的强度和质量，就需要降低抽风负压和机速。产量和质量（包括强度）在一定的原料、设备条件下应掌控到一个统一的最佳数值，片面追求产量就得不到高强度、高质量的成品矿。合理的操作应在保证一定强度和质量的前提下，探索提高产量的举措。宝钢450m2烧结机不同抽风负压和机速对成品矿强度和质量的影响列于表16. 表16 宝钢烧结机不同抽风负压和机速对成品矿强度和质量的影响
2.7 矿物组成对烧结矿强度的影响 研究和生产实践证明，不同矿种、不同碱度、不同配C和工艺操作参数、成品矿的矿物组成是各不相同的，同一种烧结混合料，由于配C和烧结温度不同，其矿物组成的变化列于表16，不同企业不同碱度烧结矿的矿物组成列于表17。
表16 不同温度水平烧结矿的矿物组成，%（体积）
表17 莱钢、太钢、首钢不同碱度烧结矿的矿物组成，%（体积）
不同矿物组成烧结矿的强度不同，因此，烧结生产应掌控各种因素和操作参数，得到合理的矿物组成，达到掌控成品矿强度和质量的目标。不同矿物组成的强度指数列于表18. 表18 不同矿物组成的强度指数
由表18可见，铁酸钙（CaOFe2O3）的强度指数最高，其次是Fe3O4，第三是 Fe2O3。但由于Fe3O4还原性差，故在烧结过程中，并不希望增加Fe3O4相，而是希望更多生成CaOFe2O3和Fe2O3。 3. 提高和改善烧结矿强度的举措 本文在第2部分全面分析了影响烧结矿强度的各种因素和工艺参数，从中不难认识和理解提高和改善烧结矿强度的技术举措。 3.1 优化配矿 对不同矿种的烧结特性合理搭配，做到在同化温度和液相流动性指数高低搭配的情况下，争取多用黏结相自身强度高、生成铁酸钙能力强、固相反应能力强的矿种。 3.2 坚持高品位、低SiO2的精料方针 根据SiO2的含量合理掌控成品矿FeO的水平，保持一定黏结相量来获得高强度的烧结矿。 3.3 坚持低MgO、低Al2O3烧结的原则 要实现高强度的烧结质量目标，必须坚持低MgO、低Al2O3的原则。要实现低成本、低燃料比炼铁的目标也必须坚持低MgO、低Al2O3烧结，只有坚持MgO低Al2O3烧结才能实现低成本、低燃料比炼铁的目标。 3.4 优化烧结工艺参数操作 要实现高强度高、还原性、低FeO的烧结目标，必须优化烧结工艺参数操作，包括高碱度、厚料层、低碳低水、强化制粒、布好料、点好火，低负压、慢机速的均匀烧结。 4 结语 影响烧结矿强度的因素是多方面的，烧结科技工作者只要充分认识其复杂性和其内在联系的规律性，通过认真分析，抓住主要因素，规范操作，一定能烧出高强度、高质量的烧结矿。 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
来自： 沙场点兵qisa60 > 《钢铁冶金》
