鐵礦石燒結焦粉粒度組成最佳化研究

周明順，韓淑峰

(1.鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧鞍山114009；2.鞍鋼股份有限公司煉鐵總廠，遼寧鞍山114021)

專家論壇

鐵礦石燒結焦粉粒度組成最佳化研究

周明順1，韓淑峰2

(1.鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧鞍山114009；2.鞍鋼股份有限公司煉鐵總廠，遼寧鞍山114021)

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”的“單形格子設計”，采用燒結杯實驗及燒結礦物結構分析方法，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（＜1 mm、1～3 mm、3～5 mm、＞5 mm），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。

燒結；焦粉粒度；轉鼓強度；礦物結構；冶金性能

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。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，垂直燒結速度和利用系數下降；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，本文在鞍鋼燒結原料的基礎上，進行了焦粉粒度的優化研究。

1　原料條件及實驗方案

1.1原料條件

本實驗所用原料均取自鞍鋼股份有限公司煉鐵總廠。燒結原燃料成分見表1所示，鐵礦石的粒度分布見表2。試驗之前先把焦粉破碎，焦粉的粒度分布見表3，不同粒級焦粉的工業分析見表4所示。

表1　燒結原燃料成分（質量分數）　%

表2　鐵礦石的粒度分布（質量分數）　%

表3　焦粉的粒度分布（質量分數）　%

表4　不同粒級焦粉的工業分析

燒結杯實驗參數參照、模擬鞍鋼股份有限公司煉鐵總廠燒結生產的實際情況制定，燒結杯實驗參數見表5所示。

表5　燒結杯實驗參數

1.2實驗方案

采用最優化理論與方法的 “混料回歸的設計方法”，進行焦粉粒度的定量研究，試驗水平編碼及方案見表6。

表6　試驗水平編碼及方案

2　實驗結果及分析

在以上實驗原料及參數條件下，燒結使用單一粒度和復合粒度燃料的燒結杯實驗結果如表7所示。

對于單一粒度級焦粉（No.1～4），焦粉粒度由-1 mm增加到+5 mm時，幾乎所有的燒結指標都變差。例如，燒結礦轉鼓強度由60.48%降低至38.28%，利用系數由1.52 t/（m2·h）降低至0.62 t/（m2·h），固體燃耗由56.75 kg/t增加至97.76 kg/t，成品率由62.48%降低至36.48%，垂直燒結速度由22.58 mm/min降低至16.33 mm/min，10～40 mm粒級的燒結礦比例由57.33%降低至23.98%，表明不同燃料粒級對燒結反應過程有很大影響。

對于復合粒度級焦粉（No.6～10），不同粒級焦粉混合后對燒結指標具有不同影響。例如，在-1 mm粒級與其它粒級混合使用效果中：當-1 mm與1～3 mm混合時，燒結礦轉鼓強度最高，但燒結杯利用系數最低，對固體燃耗和成品率沒有明顯影響；在1～3 mm粒級與其它粒級混合使用效果中，No.2，No.8，No.9的平均粒度大于No.1，No.6，No.7粒度，前者的燒結礦轉鼓強度低于后者，但是前者的燒結杯利用系數高于后者；通常較粗的燃料粒度不利于提高燒結礦強度，但粗顆粒與細顆粒焦粉混合使用可以得到較好的效果，因此，No.10燒結礦的轉鼓強度和燒結杯利用系數大于No.4燒結礦。No.10和No.4燒結礦的轉鼓強度分別為42.65%和38.28%，燒結杯利用系數分別為0.74 t/（m2·h）和0.62 t/（m2·h）。

由以上燒結杯實驗可知，不同的焦粉粒級對不同的燒結指標具有不同的影響。-1 mm和+5 mm焦粉粒級分別為最細和最粗的粒級，其燒結指標都不是最好的。因此，不同粒級的焦粉應當根據不同的指標要求來進行科學合理的搭配優化。

表7　燒結杯實驗結果

3　焦粉粒度的優化研究

3.1優化方法

采用最優化理論與方法，針對某個燒結指標優化出最佳的焦粉粒級配比，并通過燒結杯實驗進行驗證。

根據最優化理論的“單形格子法”，燒結指標與焦粉粒級的數學關系可以用式（1）表示。

式中，Ym為燒結指標（如轉鼓強度、燒結杯利用系數等）表示焦粉粒度；為各粒級的系數，其中≠

本實驗條件下，No.1～10的燒結礦轉鼓強度數值如表7所示，將這些數值帶入式（2）～（11）即可得到系數和（如表8所示），然后，將和帶入式（1），即得到轉鼓強度計算關系式（12）。

同樣，通過No.1～10的燒結利用系數的數值也可得到不同粒級配比時燒結利用系數的計算關系式（13）。

表8　不同燒結指標的a值

針對轉鼓強度和利用系數關系式，采用步長加速法對式（12）和式（13）求解［6-7］，即可得到針對燒結礦最大轉鼓強度或最大燒結利用系數時各焦粉粒級的比例。優化前后焦粉粒度組成見表9所示。

表9　優化前后焦粉粒度組成　%

3.2優化驗證實驗

為了驗證式（12）和式（13）計算結果的可靠性，即優化焦粉粒度后的燒結礦強度或利用系數是否高于目前鞍鋼現場實際焦粉所燒出的燒結礦，進行了3組驗證性實驗，即現場焦粉粒級、對應最大轉鼓強度的焦粉粒級、對應最大利用系數的焦粉粒級3種條件下的燒結杯實驗。驗證性實驗結果見表10。

表10　驗證性實驗結果

由表10可見，針對最大轉鼓強度進行焦粉粒度優化后，燒結礦轉鼓強度提高1.5個百分點，成品率提高1.7個百分點，10～40 mm的合理粒級燒結礦的比例提高2.1個百分點，固體燃料消耗降低0.6 kg/t，利用系數無明顯變化；針對最大利用系數進行焦粉粒度優化后，利用系數提高0.1 t/（m2·h），垂直燒結速度提高0.7 mm/min，成品率提高0.4個百分點，轉鼓強度和燒結礦粒度組成沒有發生明顯變化。可見，式（12）和式（13）的計算結果有助于提高燒結礦強度或利用系數。

3.3礦物分析

燒結過程中形成液相粘結相，該液相在冷卻過程中將未熔的含鐵礦物粘結在一起，從而形成礦物分布不均勻的燒結礦。可見，礦物結構的分析有助于了解燒結過程中的物理化學變化，從而解明燒結礦冶金性能變化的原因。因此，本文對現場燒結礦和最大轉鼓強度燒結礦的礦物結構進行了機理分析，燒結礦的礦物結構見圖1（a）～（b）。

圖1所示的是兩種燒結礦的主體結構，H點所代表的灰白色部分為赤鐵礦，M點所代表的白色部分為骸晶狀的磁鐵礦，深灰色部分（Point B和Point D）為針狀復合鐵酸鈣SFCA。可見，兩種燒結礦的主體礦物結構類似，含鐵礦物主要為赤鐵礦和磁鐵礦，被針狀鐵酸鈣粘結而成，玻璃相較少。

以上兩種燒結礦礦物結構的區別主要在于微孔分布，燒結礦的微孔分布見圖2。

由圖2可見，與優化后的最大強度燒結礦相比較，實際燒結礦的微孔尺寸分布較寬，即包括一

些較大的孔隙也包括一些較小的孔隙。其原因是優化前焦粉1～3 mm粒級占的比例較大，該粒級焦粉即不易于作為核顆粒，也不易于粘附在核顆粒周圍，從而導致燃料在燒結料中的不均勻分布，這種不均勻分布在燒結過程中會導致燒結礦內部孔隙的不均勻（有較多大孔和小孔），通常這種結構的燒結礦強度較差。因此，優化后的最高強度燒結礦內部孔隙比較均勻，是提高其強度的原因所在。

4　結論

（1）在鞍鋼燒結配礦條件下，獲得燒結礦最大轉鼓強度時，合理的焦粉粒度應為-1 mm粒級為57.20%，1～3 mm粒級為25.63%，3～5 mm粒級為11.17%，+5 mm粒級為6.00%，該條件下，燒結礦轉鼓強度提高約1.5個百分點，成品率提高約1.7個百分點；獲得最大燒結利用系數時，合理的焦粉粒度應為-1 mm粒級為47.22%，1～3 mm粒級為23.1%，3～5 mm粒級為28.68%，+5 mm粒級為1.0%，該條件下，燒結利用系數提高約0.1t/（m2h），垂直燒結速度提高約0.7 mm/min，成品率提高約0.4個百分點。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，燒結礦的低溫還原粉化指標得到改善，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燃料粒度組成范圍，將有助于提高燒結礦產質量指標和降低工序能耗。

［1］馮根生，吳勝利，趙佐軍.改善厚料層燒結熱態透氣性的研究［J］.燒結球團，2011，36（1）:1-5.

［2］吳勝利.提高厚料層燒結燃料燃燒性的試驗研究 ［J］.鋼鐵，2010，45（11）:16-21.

［3］Nakagawa Terushige,Nakano Masanori,Nakagawa Terushige.顆粒結構對焦粉燃燒性能的影響［J］.世界鋼鐵，2012（1）：1-5.

［4］歐大明.焦粉粒度對鐵礦石燒結過程的影響 ［J］.鋼鐵，2008，43（10）：8-12.

［5］P.Hou,S.Choi,E.Choi.Improved distribution of fuel particles in iron ore sintering process［J］.Ironmaking and Steelmaking 2011,38（5）：379-385.

［6］錢頌迪.運籌學［M］.北京：清華大學出版社，2005.

［7］陳寶林.最優化理論與算法 ［M］.北京：清華大學出版社，1989.

（編輯 賀英群）

Study on Optimization of Particle-size Composition of Coke Breeze for Sintering Iron Ore

Zhou Mingshun1,Han Shufeng2
（1.Iron&Steel Institutes of Ansteel Group Corporation,Anshan 114009,Liaoning,China; 2.General Ironmaking Plant of Angang Steel Co.,Ltd.,Anshan 114021,Liaoning,China）

The different particle sizes of solid fuels make the changes of carbon particle combustion rate,so it can effect the mineralization of iron ore sintering directly.The quantitative relation between the different coke breeze particle size and the important indexes of the iron ore sintering was obtained in laboratory by using the simplex-lattice design of the mixture regression design method based on the sinter pot tests and analysis method of sintering mineral structure,and then the improved effect of optimized fuel particle size on the cold intensity and productivity idexes of sintering ore were vertified.The results show that changing and optimizing the proportion of different coke breeze particle sizes（＜1 mm，1～3 mm，3～5 mm，＞5 mm）can satisfy the need of sintering prodution indexes.It has important significance to reduce the solid fuel consumption and improve yield and quality of sinter.

sintering;coke breeze particle size;drum strength;mineral structure;metallurgical property

TQ134

A

1006-4613（2015）03-0001-05

周明順，工學博士，教授級高工,鞍山鋼鐵集團公司一級專家。

E-mail:angangzms@163.com

2015-04-20