基于凌鋼燒結原燃料優化配礦研究

馬曉勇，張建良，張寶付，王桂林，王耀祖，劉征建

（1.凌源鋼鐵股份有限公司,遼寧122500;2.北京科技大學，冶金與生態工程學院，北京100083；3.北京科技大學，人工智能研究院，北京100083）

0 引言

隨著近幾年鐵礦石價格的波動，如何通過優化燒結配礦實現低成本煉鐵和提高燒結礦質量成為各鋼鐵企業的研究重點，因此業內專家對不同配礦下燒結礦的性能進行了大量和廣泛的研究[1-4]。 王峰等人研究表明，尋找鐵礦粉基礎性能與燒結產量和質量的耦合聯系，是實現鋼鐵企業優化配礦的關鍵因素[5]。 王喆等人通過燒結杯實驗，探討了不同高溫基礎特性的鐵礦粉對燒結礦產量和冶金性能的影響[6]。 邯鋼基于鐵礦粉的基礎物性，依據高溫特性互補原理，通燒結杯實驗為改善燒結礦質量提供了依據[7]。 王桂林等人通過實驗，制備了低鎂燒結礦并研究了基于低鎂燒結礦和熔劑性球團的熔滴性能[8]。張琦等人針對鋼鐵企業富礦粉燒結，調節南非富礦粉、南非精粉和巴西卡粉的配比，實現了轉鼓指數63.39%，熔滴特性1419 kPa·℃[9]。 承強等人對煉鋼污泥在燒結生產中的應用進行了研究，探究了煉鋼污泥對燒結礦相結構及冶金性能的影響[10]。 王耀祖等人通過調節鐵礦粉配比改變燒結礦的TiO2含量，探究了其對燒結液相量、固體燃耗及熔滴性能的影響規律[11]。 牛樂樂等人對混勻礦的礦物組成進行了研究，混合配礦后混勻礦的針鐵礦FeO（OH）更有利于燒結過程中生成良好針狀鐵酸鈣結構，提高燒結礦質量[12]。

本文主要以凌鋼燒結原燃料為基礎，在不改變燒結礦堿度和鐵精粉配比的基礎上，通過調整凌鋼燒結所用進口礦粉的種類和配比，形成7 種適宜的燒結配礦方案，并結合燒結杯實驗和冶金性能研究分析確定適合凌鋼的燒結配礦方案，以提升凌鋼燒結生產技術水平和燒結礦產質量。

1 實驗原料和方法

1.1 實驗原料

本實驗研究所使用的鐵礦粉為凌鋼燒結所用的鐵礦粉，主要為外礦OB、OP、ON、OR、OF、OC、金布巴礦粉、鐵谷粉及地方礦，其化學成分如表1 所示。 由表1 可以看出，外礦中OB、OP、ON 和OR 四種礦粉的TFe 較高，均大于59.70%，OB 礦粉的Al2O3含量相對較低，為1.42%，且其燒損較低。 OF和OC 礦粉的燒損較高，為半赤、半褐鐵礦粉。

表1 燒結杯所用鐵礦粉化學成分分析 /wt%

1.2 燒結實驗方法

1.2.1 燒結實驗方案

實驗主要研究了在半赤、 半褐鐵礦粉高配比下，不同鐵礦粉配比對燒結礦性能的影響，其燒結杯實驗方案進口礦配比設計如表2 所示。 方案A 系列主要通過調整OB、OP、ON 和OR 礦粉的配比；方案B 系列主要通過OF 與OC 礦粉的互相替換進行研究，其余礦粉及含鐵原料配比固定。 實驗所用的燃料為焦粉，熔劑為石灰石和白云石。 燒結杯燃料配比5.30%，燒結礦堿度設計為2.31。各原料配比均為濕料配比。

表2 燒結杯實驗方案進口礦配比設計

1.2.2 燒結杯實驗

實驗所使用的燒結杯尺寸為Φ230 mm×700 mm，點火溫度1050 ℃，點火負壓控制在6 kPa，燒結負壓10 kPa，以廢氣溫度最高時為燒結終點。 燒結杯結構示意圖如圖1 所示。

1.2.3 燒結礦還原性實驗

本次燒結礦的還原性實驗，是按照國標（GB13241－91） 檢驗方法規定的裝置及工藝參數進行。 將一定粒度范圍（10～12.5 mm）的燒結礦試樣置于中溫管式爐的固定床上，用由CO 和N2組成的還原氣體，在900 ℃的溫度下進行等溫還原。每隔一定時間稱試樣質量。 還原氣體成分（體積分數）為30%CO、70%N2，整個實驗期間，還原氣體標態（0 ℃和101.325 kPa）流量保持15±0.5 L/min。

1.2 .4 燒結礦低溫還原粉化實驗

低溫還原粉化實驗的還原溫度為500±10 ℃，還原時間為60 min，還原氣體成分為20%CO，20%CO2，60%N2。 還原后試樣通入N2冷卻，然后全部裝入小轉鼓（φ130 mm×200 mm）內，以30 r/min 的轉速轉動10 min，然后進行篩分，以≥3.15 mm 粒級的質量與還原后入鼓的試樣總質量之比的百分數作為還原粉化指數。

圖1 燒結杯主體實驗裝置示意圖

1.2.4 燒結礦荷重軟化熔滴實驗

荷重軟化熔滴實驗工藝流程為： 爐料荷重為1 kg/cm2，升溫速度、煤氣成分均模擬高爐實際生產情況制定。

升溫制度為：20 ℃～900 ℃區間升溫速度5 ℃/min；900 ℃恒溫30 min；900℃～1600 ℃區間升溫速度5 ℃/min。

通氣制度為：20 ℃～100 ℃區間還原氮氣3L/min，100 ℃～500 ℃區間還原氮氣5 L/min；500 ℃開始通入還原氣體，CO:3 L/min，N2:7 L/min。

爐料的S 特性值為熔融開始溫度和熔融終了溫度之間的壓差積分。

1.2.5 燒結礦礦物組成觀察

實驗過程將10.0～12.5 mm 燒結礦進行磨樣和剖光，然后進行SEM-EDS 電鏡觀察，以確定不同燒結礦的礦物組成。

2 實驗結果分析研究

2.1 不同配礦對燒結經濟技術指標的影響

燒結經濟技術指標是反應燒結礦生產過程中的重要技術參數，通過2 種不同配礦系列（7 組燒結杯實驗）得出了不同燒結杯實驗方案下的燒結經濟技術指標，主要為垂直燒結速度、成品率、利用系數、轉鼓強度和固體燃耗。 不同實驗方案下的垂直燒結速度、利用系數、成品率和固體燃耗如圖2 所示。 圖中：（a）為A 系列方案垂直燒結速度；（b）為A系列方案利用系數；（c） 為A 系列方案成品率；（d）為A 系列方案固體燃耗；（e） 為B 系列方案垂直燒結速度；（f）為B 系列方案利用系數；（g）為B 系列方案成品率；（h）為B 系列方案固體燃耗。

2.1.1 不同配礦對燒結利用系數的影響

圖2 不同配礦方案下燒結經濟技術指標變化

從圖2 中可看出，當采用OP 和ON 礦粉替代OB 礦粉后，垂直燒結速度和燒結利用系數呈現增長趨勢，其中方案A-3 的垂直燒結速度為34.74 mm/min，利用系數為1.86 t/（m2·h）。 A-3 混合料的粒度分布的標準差相比A-1 降低1.49，因此其粒度分布較為均勻，燒結料層的透氣性較好，所以其垂直燒結速度和利用系數較高。

B 系列方案配礦中，B-2 方案的混合料平均粒度為3.76 mm，相比B-1 和B-3 都較高，因此垂直燒結速度和利用系數都較高。 三組燒結杯方案的成品率差異較小。

2.1.2 不同配礦對燒結轉鼓強度的影響

燒結礦轉鼓強度是衡量燒結礦的冷態下強度的重要指標，不同實驗方案下燒結礦轉鼓強度指標如圖3 所示。

由圖3（a）可以看出，A 系列燒結杯實驗中，方案A-1 燒結礦的轉鼓強度最好，為71.33%。 從礦粉角度分析，鐵礦粉OB 的液相流動性指數相比其他三種礦粉較好，有利于增強燒結過程中的液相流動，因此其轉鼓強度較好。

由圖3（b）可以看出，B 系列燒結杯實驗中，當OC 礦粉配比增加后，燒結礦的冷態強度增強，方案B-3 燒結礦的轉鼓強度為68.00%。 OC 礦粉作為一種半赤半褐礦粉，其配比增加后一定程度上使得燒結的同化性溫度降低，有利于燒結過程的液相生成，促進固相的黏結，因此其轉鼓強度較高。

圖3 不同配礦方案下燒結礦轉鼓強度變化

為探究不同配礦方案下燒結礦轉鼓強度的變化，對不同方案燒結礦進行礦相結構研究。 A、B 系列燒結礦礦相結構如圖4、圖5 所示

由圖4 可以看出，A-1 燒結礦主要為赤鐵礦、磁鐵礦和硅酸鹽相，其固相反應較為充分，因此其強度較好；A-2 礦相結構中鐵酸鹽液相生成量較少，因此其轉鼓強度較差；A-4 相比A-3 的鐵酸鈣相較少，因此其轉鼓強度下降。

圖4 A系列配礦方案下燒結礦礦相結構

由圖5 可以看出，B-1 燒結礦中存在一定的鐵酸鈣相；B-2 和B-3 燒結礦礦相主要為磁鐵礦和硅酸鹽相，礦相中孔隙較少，固結較為充分，因此其轉鼓強度較好。

圖5 B系列配礦方案下燒結礦礦相結構

2.2 不同配礦對燒結礦冶金性能的影響

2.2.1 對燒結礦還原性和低溫還原粉化性的影響

燒結礦的還原性能和低溫還原粉化性能是評價燒結礦冶金性能的重要指標。 燒結礦還原性強，則在高爐中溫區還原出來的金屬鐵相多，間接還原發展充分，有利于降低高爐的焦比。 低溫還原粉化性能反應的是燒結礦在低溫還原過程中發生破碎粉化的特性。 不同配礦下燒結礦的還原度和低溫還原粉化指數（RDI+3.15）如圖6 所示。 圖中：（a）為A系列還原度；（b） 為A 系列低溫還原粉化指數；（c）為B 系列方案還原度；（d） 為B 系列方案低溫還原粉化指數。

由圖6（a）可以看出，由于A-3 燒結礦的礦相中存在較多的鐵酸鈣相，因此其還原性能優于其余3組燒結礦。 由圖6（b）可以看出，A 系列4 組燒結礦的低溫還原粉化指數均高于85%，主要是受其堿度及磁鐵礦相影響。

由圖6（c）可以看出，由于B 系列增加OC 礦粉后，燒結礦相中磁鐵礦礦相較多，其還原性能略有降低，因此燒結生產過程中增加OC 礦粉配比后應適當調整燃料配比，避免在燒結過程中還原性氛圍較強。

圖6 不同配礦下燒結礦還原度和低溫還原粉化指數變化

2.2.2 對燒結礦荷重軟化性能的影響

燒結礦的軟熔性能影響到高爐生產過程中軟熔帶的位置和厚薄，對高爐的透氣性具有重要的影響。 實驗得出不同配礦下燒結礦的軟化熔滴實驗結果如表3 和圖7 所示。

由表3 可以看出，A-4 燒結礦軟化溫度與B-3燒結礦相比較高，A-2 燒結礦中高熔點物相較多，因此還原過程中不易滴落，B 系列中燒結礦均較難滴落。 從熔滴結果分析，增加ON 和OR 礦粉配比后燒結礦單礦的S 特性值分別為1228.90 kPa·℃和1133.28 kPa·℃，透氣性指數相對較好。表明還原過程中燒結礦的透氣性較好，有利于降低高爐軟熔帶的透氣性。

表3 燒結礦單礦荷重軟化熔滴實驗結果

圖7 優化配礦方案下燒結礦熔滴曲線

3 結語

為適應當前鐵礦價格波動形勢，基于凌鋼燒結所用原燃料結構，通過調整鐵礦粉配比，制定了2種系列燒結配礦方案（7 組燒結杯實驗）。 通過對不同配礦下燒結礦經濟技術指標和冶金性能指標的分析，得出以下結論：

（1） 方案A 系列中采用10%OP 礦粉替換OB礦粉后，燒結利用系數提升至1.73 t/（m2·h），垂直燒結速度提高至33.46 mm/min，燒結礦的還原度提升至73.21%，低溫還原粉化指數為85.76%；

（2） 方案A 系列中采取10%ON 礦粉替換OB礦粉方案更為優異，適合燒結生產。 燒結利用系數由1.65 t/（m2·h）增長至1.86 t/（m2·h）；轉鼓強度為70%，與A-1 實驗基本維持相同水平；燒結礦的還原度由72.68%增長至75.93%； 燒結礦單礦熔滴實驗S 特性值降低至1228.90kPa·℃，爐料透氣性改善，冶金性能較好。

（3） 方案B 系列中OC 礦粉配比由10%提升至17%后方案更為優異。 燒結利用系數由1.50 t/（m2·h）增長至1.83 t/（m2·h）；轉鼓強度改善；燒結礦低溫還原粉化指數由84.23%增長至85.95%； 軟化開始溫度提升至1133 ℃，軟熔性能提升；熔滴壓差降低至7.77 kPa，熔融滴落溫度基本不變。