水分對增強鐵礦粉燒結制粒效果的影響研究

張志超

(天津工業職業學院， 天津300400)

0 前言

在鐵礦粉燒結生產過程中， 各種含鐵原料、熔劑和燃料按照一定的比例配制成混合料。 在配料的過程之后，為了將各種物料成分更加均勻，同時在燒結過程中增加可燃氣氛的流動，需要對配成的混合料進行混合制粒處理。 制粒工序在混合機內進行，通過加入一定量的水分，使各種成分的物料均勻地混合成球。 混合工序分兩次進行，一次混合加水占總加水量的80%～90%，潤濕并混勻物料；二次混合加水僅占總加水量的10%～20%，主要是為了強化制粒[1]。 混合過程中通過添加適量的水，把粉狀散料潤濕成為球狀散料， 使其具有一定的成球性能，以提高燒結過程的透氣性和導熱性。 通常以混合料中大于3 mm 顆粒所占的百分比作為衡量混合料制粒效果。 合理控制混合料水分，增強制粒效果，對提高燒結質量，提高燒結產能，降低燒結工序能耗，都起到重要作用。 因此優化水分控制已成為當前混合料制度重要的強化生產工藝。

1 混合料加水的制粒過程

混合料制粒過程中，細磨物料被水潤濕，分兩個階段進行：首先吸著吸附水、薄膜水，然后吸著毛細水、重力水。 吸附水和薄膜水是靠電分子力形成的分子膜把顆粒緊密地粘在一起，它對提高制粒成球的強度具有決定意義。 毛細水是靠表面張力作用將粉料攏到一起， 毛細水的遷移速度決定于物料的制粒速度， 毛細水在制粒成球過程中起著主導作用。 重力水是在重力及壓力差的作用下自由水發生移動而產生， 處于礦粒本身的吸附與吸附力作用影響之外。 重力水對礦粒具有浮力作用，不利于物料制粒。 在混合過程中要盡量形成3 mm 以上礦粉顆粒，需要合理控制混合料的水分，最大限度利用吸附水、薄膜水潤濕礦粉顆粒，毛細水制粒成球。

2 影響水分控制的因素

燒結所用鐵礦粉，燃料，熔劑的物理化學性質如親水性，自身含水量，熔劑消化反應過程，以及混合過程加水位置和加水量等因素都會對混合料的制粒效果產生影響。

2.1 物料的親水性

混合料的水分含量與物料的親水性有關。 親水性是指物料被水潤濕的難易程度。 鐵礦石內部結構不同親水性不同。 鐵礦石的親水性依下列順序遞增：磁鐵礦→赤鐵礦→菱鐵礦→褐鐵礦[2]。 物料的親水性強，有利于混合制粒造球。

2.2 物料自身含水量

原燃料自身含水量也影響混合料的制粒效果。生產中精礦水分通常在4%～10%范圍內， 即在此范圍內，水分處于基本的飽和狀態，而水分大于或小于此范圍都會影響混合料的制粒效果。 另外體積密度越小，內部空隙越大，越有利于水分子與物料之間結合。

2.3 消化過程

配料過程中熔劑需要加水消化。 作為配料過程的主要熔劑生石灰，也稱白灰，需要加水消化，以促進反應進行。 生石灰遇水消化后，反應生成粒度極細的消石灰Ca(OH)2膠體顆粒。其表面能選擇地吸收溶液中的Ca2+離子， 周圍又聚集一群電性相反的OH-離子，兩者構成了膠體顆粒的擴散層，使Ca(OH)2膠團持有大量的水，形成一定厚度的水化膜[3]。 由于這些廣泛分散在混合料內強親水性Ca(OH)2顆粒吸水能力遠大于鐵礦粉等物料，通過奪取礦粉顆粒表面水的方式，使礦粉顆粒向消石灰顆粒靠近。 含有Ca(OH)2小球的消石灰膠體顆粒表面積較大，因此可以吸附和持有大量的水分，而不失去物料的疏散性和透氣性。

在消化過程中加水量的多少影響混合料的質量：加水量太小，生石灰不能完全消化；加水量過大，過量的水與Ca(OH)2形成懸濁溶液，使Ca(OH)2膠體作用減弱， 同時也限制了混合過程的加水量，不利于制粒。 此外生石灰消化過程放出的熱量被過量的水吸收，使生石灰預熱作用降低。

2.4 混合過程加水位置

混合過程中加水位置有一定要求。 一次混合要求沿著混合機長度方向，從進料端向混合機內均勻加水，并力求水壓穩定。 在圖1(a)中加水過程貫穿整個混合過程， 由此造成混合料水分不宜控制，尤其在混合筒出料端， 加水后水未能與物料充分混勻，影響制粒效果。 因此距出料端約三分之一處停止加水。 圖1(b)為一次混合正確的加水方式。

圖1 加水位置示意圖

2.5 混合過程加水量

混合過程的加水量決定混合料水分。 含水量過少的混合料不能滾動成球，但水分過多也不利于制粒，也會影響混合效果。 所以要求在配料環節尤其是在熔劑消化過程中盡可能少加水，以便在混合過程能夠更加合理充分的控制加水量。

根據生產現場測得加水量與混合料制粒效果的關系如圖2 所示。 通常情況下，混合料中水分含量與制粒效果呈現先增加后減少的關系。 隨著水分的增加，混合料中3 mm 以上粒度所占百分比增加，一般水分達到7.5%時，混合料中3 mm 以上粒度達到最大百分比。 當混合料水分進一步增加時，因球核組成被水分子破壞，3 mm 以上粒度所占百分比逐漸降低。

圖2 加水量與混合料粒度組成關系

3 增強燒結制粒效果的工藝

在混合過程中噴灑適量水使混合料潤濕，在水的表面張力作用下，細粒物料聚集成團。 隨著混合機轉動，水分子和物料分子不斷結合成球，尺寸也在不斷擴大， 最后成為具有一定粒度的球型混合料。 通過此機理，可從優化混合料水分控制方面采取措施提高混合制粒效果。

3.1 返礦潤濕工藝

返礦作為不可缺少的原料， 對燒結過程起到重要作用。返礦是成品燒結礦的篩下物，由小顆粒的燒結礦和少部分未燒透的夾生料組成。 返礦粒度粗于使用的礦粉，且具有疏松多孔的結構，恰好可用作混合料制粒成球的核心。 生產中將混合過程中部分加水位置提前， 在返礦倉的下料口及混料皮帶上加水管噴淋，充分利用水在返礦顆粒表面的張力，提前潤濕返礦，提高球核吸附礦粉的能力。返礦潤濕工藝不僅可以促進混合料制粒， 同時也對降低返礦揚塵起到一定作用。在相同工藝生產條件下，采用返礦潤濕工藝后混合料粒度組成對比見表1 所示： 在相同水分的條件下， 采用返礦潤濕工藝后混合料中顆粒度在3 mm 以上增加5.23%，1 mm 以下降低3.37%。

表1 在相同水分條件下采用返礦潤濕工藝前后制粒效果 %

3.2 使用霧化噴頭加水

混合過程加水普遍采用為懸掛式水管將水注入混合筒內，在水管上相隔一段距離鉆孔作為出水點。 此種方式加水不均勻，接近處位置水量過多，而遠離水管處水量過少而使制粒效果下降。 為解決這一問題，一些企業開始采用霧化噴頭代替一般的出水管， 特別是在一次混合過程中使用霧化噴頭，產生霧化水代替之前的柱狀水，更易于控制加水量的同時， 也可使霧化水在混合機內與物料充分潤濕。在相同工藝條件下，使用出水管和霧化噴頭混合料制粒效果對比見表2 所示。

表2 改造霧化噴頭前后混合料制粒效果 %

使用霧化噴頭加水后，混合料水分基本穩定在7.5±0.2%范圍內， 混合料3 mm 以上粒度百分比平均增加4.33%，有效提高燒結混合制粒效果。

3.3 熱蒸汽提高料溫

一次混合過程中加水量占總加水量的80%～90%， 二次混合主要針對加水潤濕后的物料進行制粒造球。 以往為了保證制粒效果，二次混合過程也加入少量的水進一步提高礦粉顆粒成球的性能。 但混合料的含水量不宜控制， 尤其是在北方冬季，水分大多不能進入球體顆粒的內部，反而大多在顆粒之間形成重力水，破壞已有顆粒。 在二次混合過程中通入熱蒸汽， 使水以蒸汽的形式作用于球體顆粒，形成毛細水把更多的礦粉顆粒牢固地結合在一起，同時也可以利用熱蒸汽的溫度烘干球體顆粒飽和過量的水分。 根據現場測量當蒸汽壓力 0.1 MPa～0.2 MPa 時，可提高混合料溫度 10 ℃～15 ℃，壓力增至 0.3 MPa～0.4 MPa 時， 可提高混合料溫度 15 ℃～20 ℃。 使用熱蒸汽，使混合料水分更加穩定，同時提高料溫，使其高于燒結露點溫度，減少燒結過濕層 厚度，提高燒結料層的透氣性。 在相同水分下，二次混合使用熱蒸汽前后制粒效果見表 3 所示。

表3 二次混合通入蒸汽前后混合料制粒效果 %

在混合料相同的水分下， 使用熱蒸汽后制粒效果好于未使用蒸汽， 混合料3 mm 以上粒度所占百分比提高7.28%，溫度在65～70 ℃燒結效果最好。現場可通過利用燒結環冷余熱等方式生產蒸汽，這樣可實現蒸汽的自我供應，減少額外消耗成本。

4 結論

水分控制對混合料制粒起到重要作用。 燒結所用原燃料親水性及自身含水量，熔劑消化過程，混合過程的加水位置以及加水量都會制粒效果產生影響。生產中通過潤濕返礦，同時在混合過程中使用霧化噴頭以及熱蒸汽等工藝可有效提高制粒效果。