建立科學釩鈦燒結礦冶煉過程的評價體系

吳 迪

釩鈦燒結礦冶煉工藝雖復雜、參數多變量、生產工況難以控制，但是經過數十年如一日的實踐與探索，加之各種先進燒結工藝與自動化控制技術的提升，在高產量、低消耗、綠色環保燒結前提下高質量釩鈦燒結礦的冶煉有其必然內在的運行規律。本文詳實論述冶煉釩鈦燒結礦過程中科學評價體系，在國家產業與環保政策要求下指導實際操作過程在清潔高效條件下生產出高質量釩鈦燒結礦并滿足世界上最大釩鈦高爐（2500m3）所需“精料”的嚴格要求。

1 燒結過程的五個階段

冶煉普通燒結礦與釩鈦燒結礦的工藝相差不太多。在燒結過程中的物化反應均在5個燒結層級間進行。燒結機臺車混合料經過點火爐點燃燃料，燃料中無煙煤和焦粉隨抽入的空氣繼續燃燒，于是料層的表面形成了燃燒層，當這一層的燃料燃燒完畢后，燒結機主抽風機提供16Kpa負壓使其下部料層中的燃料繼續燃燒，于是燃燒層向下移動形成了燒結礦層。

（1）燒結礦層：燒結礦層在料層的最上部，抽入的空氣首先要穿過燒結礦層，而燒結礦層中已無燃料的燃燒，所以被抽入的空氣所冷卻，發生熔融礦物的結晶和新相的形成過程，并將自身的熱量傳遞給空氣，使空氣溫度升高（稱為自動蓄熱作用）。由于氣流作用和來不及逸出的氣泡及冷卻時的體積收縮，熔融物冷卻后成為多孔狀塊礦，使料層透氣性增加，負壓降低。在與空氣接觸的燒結礦表面層，還可能發生低價氧化物的再氧化反應，主抽風機壓力損失不多。下層產生的高溫廢氣進入燃燒層以下的料層之后，很快將熱量傳遞給燒結混合料，使料溫急劇上升。隨著溫度的升高，到100℃以上，首先出現混合料中的水分蒸發，達到300℃～400℃，水分蒸發完畢，繼續升高到800℃，混合料中的燃料著火，進入燃燒層。

（2）燃燒層：預熱的空氣和燃料作用產生1300℃～1550℃的高溫。燃燒速度一般控制30mm/min～50mm/min.這樣高的溫度使一些低熔點物質軟化熔融，生成30mm～50mm厚的液相，此時發生很多化學反應，碳素的燃燒：C+O2=CO2，部分燒結料熔化，碳酸鹽的分解，硫化物和磁鐵礦被氧化，4FeS2+8O2=Fe3O4+6SO2和4FeS2+11O2=2Fe3O4+8SO2等 一 系 列反應，使礦粉粘結成塊。生成液相的多少，直接影響著燒結礦的產量和質量。液相的產生是燒結混合料生成燒結礦的過程，并且由于溫度高，使氣體體積膨脹，使氣體通過時阻力增加，氣體通過料層的阻力增加，透氣性變壞，不利于提高產量，因此，生產中要求燃燒層的厚度不要太大，一般在15mm～50mm之間。

（3）預熱層：溫度由1300℃～1350℃逐漸下降400℃～800℃之間的預熱層，此處焦粉溫度700℃～800℃，煤粉溫度400℃～500℃。預熱層溫度較高，料球被破壞（容易發生炸裂），透氣性較差，惡化料層透氣性。發生化學反應是有部分碳酸鹽的分解MeCO3=MeO+CO2，有結晶水分解，有部分Fe3O4被 還 原。固 相 反 應：CaO和SiO2，MgO和SiO2，CaO和Fe2O3，CaO和Al2O3化合，生成一些低熔點物質。

（4）干燥層：由于燒結過程的氣流速度很快，燒結料又是細粒散料，所以，燒結料溫度能迅速提高，預熱層中焦粉溫度還在降低，預熱層下面部形成了100℃～400℃之間以水分蒸發為主的10mm～30mm厚干燥層。此處大量水分蒸發，料球被破壞，透氣性很差。

（5）過濕層：干燥層以下的料層，溫度在60℃～65℃，當溫度下降到水蒸氣的露點（大約60℃）以下時，在干燥層中蒸發進入廢氣的水分在這里重新凝結，形成了過濕層。水氣的凝結，料球被破壞，透氣性很差，為消除過濕層，把料預熱到露點以上。

隨著燒結過程的進行，燃燒層、預熱層和干燥層逐漸下移，燒結礦層逐漸擴大，濕料層逐漸減小，最后全部燒結料變為燒結礦層。

2 厚料層燒結技術冶煉釩鈦燒結礦的探索

釩和鈦在自然界主要存在釩鈦磁鐵礦中，兩種元素在鋼鐵、化學、航空航天、國防等領域的作用巨大。我國釩鈦磁鐵礦主要分布在攀西（四川攀枝花-西昌）和河北省承德地區。釩鈦燒結礦特點是易發生“三高”氧化鎂、三氧化二鋁、二氧化鈦含量高，“三低”燒結礦含鐵、氧化鐵、二氧化硅含量低。給高爐冶煉造成渣稠、粘罐和難控制，釩鈦燒結礦在高爐還原鐵水的過程中流動性能差，是造成高爐爐礦產生波動的主要原因，甚至給后序煉鋼生產和提取釩鈦造成很大困難。在節能、環保、高產量要求下采用厚料層燒結技術是有效的操作工藝。厚料層操作有利于降低FeO含量和提高強度。由于料層有自動蓄熱作用，為低配碳提供了條件，一般料層每提高100mm，固體燃耗可下降10kg/t。

燒結料層的厚薄對燒結礦強度有著重要的影響，當燒結料層薄時，由于燒結機運轉速度比較快，使燒結過程中高溫保持時間短，導致燒結礦強度降低。隨著燒結料層的加厚，在保持垂直燒結速度不變的情況下，因機速減慢，點火時間與高溫保持時間延長，有利于提高燒結礦的強度。提高料層厚度，能夠降低表層燒結礦所占比重，提高成品率，降低返礦率，減少FeO含量，提高燒結礦的還原性，并可充分利用燒結過程中的自動蓄熱作用達到降低固體燃耗的目的。

360平燒結機冶煉釩鈦燒結礦的設備最佳狀況是：主抽風機流量18500m3/min，風箱負壓16Kpa以上，機速基本控制在1.35m/min左右。經過料層550mm逐漸增加800mm，由于料層厚度對垂直燒結速度和成品率都有影響，因此其產量是兩種影響共同的結果。利用系數先是隨料層的厚度增加而提高，當料層厚度提高到700mm后，又會開始下降，結合固定能耗、轉鼓指數等要素，最佳范圍控制在750mm左右，燒結機的利用系數最高。固體燃耗由50kg/t降低到48kg/t，轉鼓強度提高了0.12%，FeO降低了0.37%，返礦率降低1.6%，成品率提高約2.2%。

3 燃燒層對釩鈦燒結礦的影響

燃燒層是燒結生產過程中最重要的部分，固體碳的燃燒為液相的生成和一切反應提供了熱量和氣氛。這里發生很多各種反應，并直接影響燒結礦產量與質量。燃燒層是燒結料層中溫度最高的區域，因此也稱高溫區。該溫度是固體碳燃燒放出的熱量占燒結總熱量的90%以上。高溫區溫度水平和厚度對燒結過程的影響非常顯著。

高溫區移動速度，即垂直燃燒速度，是決定燒結礦產量的主要因素。產量同垂直燒結速度成正比關系，而垂直燒結速度和風速成0.77～1.05次方的關系。因此，增加風速即可提高垂直燒結速度，提高產量。固體碳燃燒的好壞，決定了燒結礦的質量和產量。燒結料層中固體碳含量低，并且分散，只占總料量3%～5%。燃料少、分散，使空氣和燃料接觸困難，為保證碳完全燃燒，需要較大空氣過剩系數。一般為：1.4～1.5。系數大：O2多，有利于完全燃燒，而且生成的CO有更多機會接觸O2，因此，廢氣中CO2、O2數量多。系數?。簞t廢氣中CO2、O2數量少，CO多。

但是垂直燒結速度也不能過快，過快會引起燒結礦強度下降，成品率低。混合料的熱容量大，導熱性好，粒度小，以及吸熱反應發展，都能增加混合料從廢氣中吸熱的能力，從而使燒結速度減小，降低燒結礦產量。而適當增加混合料的水分和溶劑用量時，由于改善了燒結料層的透氣性，有利于提高燒結速度。

高溫區溫度高，生成的液相多，可以提高燒結礦強度，但溫度過高會造成過溶現象，降低燒結礦的還原性，同時，液相過多，增加氣流阻力，降低燒結速度，影響產量。

高溫區厚度過大，也會增加氣流阻力，降低燒結速度，但厚度過小，又不能保證各種高溫反應所必需的時間，影響燒結礦質量。因此，必須有一個合適的高溫區溫度和厚度，才能使燒結生產過程得到改善。

經過反復試驗，釩鈦礦冶煉特點，燃料投產初期燃料配比最高達到11.2%，燃料配比平均達到5.2%～5.5%生產逐步進入正常期后固定碳逐步下調現在一般控制在4.7%～4.3%。

4 水分的冷凝、蒸發

水分影響造球的質量，影響燒結的透氣性。同時水分蒸發時消耗熱量，會影響到燃料用量。因水分導熱系數大（126KJ/m2h℃～419KJ/m2h℃），礦石導熱系數小（0.63KJ/m2h℃）。水分主要作用是提高燒結混合料的傳熱能力使燃料在較窄的范圍內燃燒，燃燒層較薄，透氣性好。由于燒結料的性質和組成的差異，一般混合料含水在6%～8%，投產初期，參照老燒的水分（6.9±0.2）加以控制，結果混合料粒度組成差，料層難以提高。后經探索逐步提高水分，由7.0±0.2逐漸提高到7.5±0.2%，混合料粒度組成與燒結狀況大為改善，水分7.5為適宜水平。

5 碳酸鹽的分解和CaO的礦化

燒結中加入的熔劑和礦石本身都帶入一定的碳酸鹽石灰石（CaCO3）。白云石（MgCO3和菱鐵礦（FeCO3）。菱錳礦（MnCO3）這些碳酸鹽如果分解不完全，就會影響燒結礦的質量，因此我們要研究碳酸鹽的分解過程，掌握控制其分解的因素，以保證燒結過程順利進行。CaCO3720℃開始分解，在880℃激烈分解CaCO3＝CaO+CO2，在料中存在SiO2、Fe2O3，要進行固相反應。

CaO+SiO2=CaO·SiO2，CaO+Fe2O3=CaO·Fe2O3時開始溫度降低，在550～650℃開始分解。

以上反應作用是，可提高燒結礦的強度。實驗證明：加5%的CaO，能降低燃燒層溫度，縮短燒結時間，可提高產量。CaO在預熱帶與Fe2O3礦化生成CaO·Fe2O3，其熔點低，產生液相多，能提高結礦強度（即質量）。

影響CaO礦化的因素：

（1）石灰石粒度有關石灰石粒度小，接觸面積多，反應數量就多。粒度為：1mm～0mm時，在1250℃，礦化程度為80%～95%。粒度為：3mm～0mm時，在1250℃，礦化程度為55%～74%。（時間都是10min）。

（2）溫度升高，有利于CaO的礦化。1200℃，粒度為〈0.6mm，只有50%礦化。1350℃，粒度為1.7mm～3.0mm，則100%礦化。礦粉的粒度越小，礦化的數量越多（一分鐘）。

6 液相生成與冷卻結晶

液相的形成是各種物理化學反應的結果?；旌狭项w粒之間在高溫作用下產生的低熔點物質變成熔融的液體狀態，這些液體通過對周圍物料浸潤、熔解、粘附和填充空隙使相互間粘結起來，經過冷卻而成為燒結礦，因而液相的數量、組成和性質在很大程度上決定燒結礦的還原性和強度。液相數量增加可以增加物料顆粒之間的接觸面積，進而提高燒結礦的強度。但是液相過多不利于鐵礦物的還原，因而需要根據原料及操作條件來確定合適的液相量。燒結過程中繞結料生成部分液相，是燒結礦固結成型的基礎。

影響液相生成量的主要因素隨著燒結溫度升高，液相增加液相生成量都是隨溫度的升高而增加的，尤其是溫度升到1400，液相生成量幾乎隨溫度的升高而直線增加。

燒結礦堿度，在相同的溫度下，堿度越高，液相量越大。也就是說堿度高，易燒結，并且強度好當FeO升高時，熔點下降，易于生成液相。

隨著焦炭用量增加，燒結料層將會由氧化性氣氛變成弱還原性氣氛，鐵的高價氧化物將還原成低價氧化物，使Fe0增多。燒結料中SiO2含量越高，燒結過程中產生的液相就越多。SiO2含量低于5%時，在燒結生產中就會覺得液相不足。高品位的鐵礦石燒結時，往往遇到這種情況。

7 影響燒結礦礦物組成和顯微結構的因素

（1）燃料用量：燒結料中的配碳量決定燒結溫度、燒結速度和氣氛條件，燒結速度和氣氛條件對燒結礦物組成影響很大。

在正常燃料用量下，燒結礦礦物主要是磁鐵礦和鐵橄欖石，還有少量浮士體，磁鐵礦結晶程度提高，粘結相主要是鐵橄欖石，孔洞少，燒結礦強度提高。當燃料消耗量過多時（＞7%），燒結溫度升高還原氣氛增加，生成大量的浮士體和鐵橄欖石，磁鐵礦減少，可能出現金屬鐵·燒結礦，因過熔造成大孔薄壁或氣孔度少的燒結礦，使強度和還原性都變壞。生產熔性燒結礦時，隨著含碳量增加，磁鐵礦結晶程度提高，生成大粒結晶，粘結相主要是鈣鐵橄欖石，孔洞少，燒結礦強度提高，但用碳量過多時，浮士體和鈣鐵橄欖石增加，磁鐵礦減少，易生成過熔燒結礦。同時，高溫下易生成正硅酸鈣，在冷卻時發生晶型轉變，使燒結礦粉化，強度和還原性都變壞。

（2）燒結礦堿度：在燃料用量一定的條件下，燒結礦的最終礦物組成主要取決于燒結礦堿度，堿度為1.5～2.5的熔劑性燒結礦，含鐵礦物與上面基本相同，粘結相主要為鈣鐵橄欖石、鐵酸鈣、硅酸鈣及玻璃體等，隨著堿度升高，鈣鐵橄欖石和玻璃體含量急劇下降，鐵酸鈣和硅酸鈣含量明顯增加。由于粘結相礦物的強度較差，并且冷卻時發生正硅酸鈣由B--r晶型轉變，造成燒結礦嚴重粉化，燒結礦質量下降。同時過量的CaO起了穩定B-2CaO·SiO2的作用，所以此類燒結礦不發生粉化現象、強度和還原性均好，高堿度燒結礦具有上述特點，是由于燃料用量一定時，隨著堿度的提高，熔劑量逐漸增多，放出CO2，降低了燒結料層溫度和還原氣氛，有利于提高燒結礦的氧化度，所以磁鐵礦減少，以至消失。而過量的CaO有利于生成CaO·Fe2O3和CaO-SiO2體系礦物

8 燒結過程中有害雜質的去除

在燒結過程中，燒結料中的硫沿料層高度會發生再分布現象。在燃燒層氣化的硫，以S、SO2和SO3的形式逐漸進入預熱層和過濕層，氣體中含硫量向下逐漸降低，燒結料中的含硫量則向下逐漸增加。這是因為在較低溫度下硫蒸汽能沉積下來，SO2和SO3溶于水，以及SO2與石灰作用生成CaSO4的結果。但因燒結過程逐漸向下推移，預熱層和過濕層最終消失，硫再分布對產品的影響就不大了。

9 建立科學釩鈦燒結礦評價體系內涵

綜上一至八項從釩鈦燒結工藝過程的角度進行大致論述，簡要揭示冶煉釩鈦燒結礦各種粉狀含鐵原料，配入一定數量的燃料和熔劑，均勻混合制粒，然后放到燒結設備上點火燒結。在燃料燃燒產生高溫和一系列物理化學反應的作用下，混合料中部分易熔物質發生軟化、熔化，產生一定數量的液相，并潤濕其它未熔化的礦石顆粒。當冷卻后，液相將礦粉顆粒粘結成塊狀燒結礦。燒結工藝包括配料、混勻、造粒、布料、點火和燒結、燒結礦的破碎、成品礦得的篩分、冷卻和輸送7個過程。在這多過程多變量連續大生產作業環境中，構建真實客觀重量、水分、溫度、壓力、速度、料層厚度6個參數測量體系是科學評價燒結礦生產的基礎支撐。

下面僅以重量配料法為例論述：

（1）過程控制掌握趨勢。釩鈦燒結礦使用重量配料并實現配料自動化，配料過程采用趨勢法進行控制。

（2）數據追溯溯源，保證數據真實可靠。每天供應1#、5#、新2#、新3#燒結機混合鐵料約28500噸。承擔混料72臺配料工藝秤的計量設備對混勻配料的質量產生決定性影響。72臺配料工藝秤進行實物校準。依據《JJG195-2002_連續累計自動衡器（皮帶秤）》和《JJG+560-1988懸臂式電子皮帶秤試行檢定規程》的相關規定，對物料進行實物校準。

（3）構建網絡，比對驗證結果。除此之外，構建物料進出比對網絡，班產配料實際過程。

（4）數據追溯，當化驗燒結礦理化指標發生變化。查看燒結原燃料化學成分檢測數據

10 結語

釩鈦燒結礦生產是個復雜、多種因素互相影響作用的結果，構建科學的評價體系要素要齊全，對原料化學成分、生產過程、設備穩定性能、崗位操作標準化四個方面都有影響。本文篇幅限制無法詳實展開論述，只按本文思路對燃料、容積、溫度、壓力進行系統校準，精心操作，合理探索實踐，使釩鈦燒結礦生產達到高產高效節能環保的一流水準。