山鋼日照燒結(jié)圓筒混合機(jī)粘料原因分析與改進(jìn)

張豐皓，鄭志強(qiáng)，張德千，穆固天，任建偉

（山東鋼鐵集團(tuán)日照有限公司，山東 日照 276800）

1 前 言

現(xiàn)代煉鐵技術(shù)雖有長(zhǎng)足發(fā)展，但仍依附于高爐工藝，高堿度燒結(jié)礦因此仍為高爐爐料的主流，而通過(guò)混勻制粒制備出粒度合適、透氣性良好的混合料是保障燒結(jié)礦產(chǎn)質(zhì)量的關(guān)鍵[1］，圓筒混合機(jī)正是該工序的核心設(shè)備。但圓筒混合機(jī)筒壁惡性粘料問(wèn)題直接影響混合料的混勻制粒效果，降低設(shè)備壽命，對(duì)燒結(jié)礦指標(biāo)的穩(wěn)定率和利用系數(shù)造成不利影響，嚴(yán)重制約燒結(jié)水平的提升。另外，因圓筒混合機(jī)粘料嚴(yán)重所引發(fā)的“落大塊”問(wèn)題導(dǎo)致的停機(jī)事故頻發(fā)，人工清理粘料過(guò)程還存在極大的安全隱患。山東鋼鐵集團(tuán)日照有限公司精品基地（以下簡(jiǎn)稱山鋼日照）現(xiàn)有2套500 m2燒結(jié)系統(tǒng)，配備規(guī)格為4臺(tái)Φ5 m×23 m 的大型圓筒混合機(jī)。自投產(chǎn)以來(lái)，混合機(jī)筒壁積料嚴(yán)重，有黏結(jié)速度快、黏結(jié)厚度大的特點(diǎn)。為此，針對(duì)山鋼日照燒結(jié)一次混合機(jī)惡性粘料現(xiàn)象，基于當(dāng)下粘料現(xiàn)狀，系統(tǒng)性分析筒壁粘料的成因，理清筒壁粘料的外在因素與內(nèi)在機(jī)制，結(jié)合當(dāng)下燒結(jié)配礦條件對(duì)混勻工序改進(jìn)和設(shè)備改造，抑制圓筒粘料，保障燒結(jié)生產(chǎn)穩(wěn)定。

2 山鋼日照?qǐng)A筒混合機(jī)粘料現(xiàn)狀

山鋼日照兩套燒結(jié)系統(tǒng)為滿足高爐用料需求主要生產(chǎn)高堿度燒結(jié)礦，但混合料中熔劑占比較大，加之原料水分而具備一定黏性，綜合作用下引發(fā)圓筒混合機(jī)的惡性粘料[2］。而一混主要目的是加水充分潤(rùn)濕混勻混合料的水分、粒度及化學(xué)成分，使混合料水分達(dá)到二混造球不注或少注水的目的，混合機(jī)粘料問(wèn)題因此主要集中于一混階段。

2.1 進(jìn)料端料環(huán)

燒結(jié)物料經(jīng)由皮帶機(jī)作用做類平拋運(yùn)動(dòng)，落至混合機(jī)筒壁，由于混勻料水分較大自身具備一定黏性，熔劑生石灰、白云石等在原始物料水分作用下存在類似于水泥的固化作用，混合料黏附性及親水性得到增強(qiáng)，造成物料在圓筒內(nèi)壁的落料點(diǎn)聚集，并在圓筒運(yùn)轉(zhuǎn)與物料不間斷輸入的共同作用下逐步板結(jié)壓實(shí)，形成黏附于筒壁的料環(huán)如圖1所示。料環(huán)增厚壓縮進(jìn)料口面積，易引發(fā)混勻料自進(jìn)料端溢出的倒料事故，破壞生產(chǎn)連續(xù)性，不得不停機(jī)人工清理。

圖1 圓筒混合機(jī)進(jìn)料端形成的料環(huán)

2.2 襯板材質(zhì)

圓筒混合機(jī)對(duì)于襯板材質(zhì)核心要求是耐磨且表面具有一定光滑度。山鋼日照燒結(jié)圓筒混合機(jī)初裝襯板為尼龍襯板，搭配螺栓固定角鋼作為壓條以保障混合料揚(yáng)料和前行。而當(dāng)前使用的尼龍襯板弊端主要集中在角鋼壓條間距和高度不易掌握，壓條安裝間距較窄，會(huì)增大設(shè)備運(yùn)行電流、加劇混合機(jī)筒體粘料加快設(shè)備損耗；而增加角鋼壓條間距或降低揚(yáng)料邊高度，又易使混合機(jī)內(nèi)壁難形成保護(hù)粘料層，導(dǎo)致物料直接沖擊襯板，增加運(yùn)行成本及維保投入。

2.3 水梁處板結(jié)及屋脊材質(zhì)的影響

針對(duì)傳統(tǒng)混合機(jī)加水裝置的通病，山鋼日照燒結(jié)最初設(shè)計(jì)對(duì)加水裝置實(shí)施改造。摒棄加水管吊掛鋼絲繩的簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)，改用H型鋼制支撐水梁。設(shè)有17個(gè)噴嘴的加水管通過(guò)弧形限位固定于水梁下翼板。同時(shí)為避免混合料積聚水梁上翼板，在該位置焊制屋脊，兩側(cè)表面加裝鋼板。為避免滑落物料落入屋脊與筒壁鏈接側(cè)，靠外的筒壁側(cè)襯板低于內(nèi)側(cè)。但實(shí)際生產(chǎn)中，進(jìn)料口附近的1#噴嘴上方屋脊因水梁與筒壁間隙過(guò)小最先形成粘料，部分混合料滑落時(shí)灑落在3#～10#噴嘴上方的水梁屋脊堆積起來(lái)并逐步硬化。雖然11#～17#噴嘴處的屋脊粘料程度逐步減輕，但前期所形成積料總重量高達(dá)7～8 t，致使水梁產(chǎn)生永久性形變，下?lián)隙瘸瑯?biāo)，形成的大塊積累到一定程度發(fā)生脫落，引發(fā)混出料口堵塞，損壞漏斗及燒結(jié)料線停機(jī)等一系列事故，需停機(jī)處理，每次處理時(shí)間至少耗費(fèi)2 h。

3 圓筒混合機(jī)粘料原因

3.1 原料物性

表1 為山鋼日照燒結(jié)混合料粒級(jí)分布。其中＜3 mm 的細(xì)顆粒占比高達(dá)58.05%，這類細(xì)顆粒物料受原燃料自身水分影響極易黏附于大顆粒表面。這是因?yàn)榛旌狭项w粒間隙在一混打水的外部作用力下隨著粒度減小而靠近，增強(qiáng)混合料顆粒間作用力既黏結(jié)力（三相界面間的毛細(xì)力、顆粒間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的黏滯作用力、顆粒間靜電力、范德華力及洛倫茲力的合力[3］），因此混合料中細(xì)粒級(jí)粉容易發(fā)生黏附且強(qiáng)度較高。

表1 山鋼日照燒結(jié)混合料粒級(jí)分布占比%

3.2 混合料中熔劑高占比

山鋼日照燒結(jié)主要以生產(chǎn)高堿度燒結(jié)礦為主，混合料熔劑結(jié)構(gòu)主要為生石灰、石灰石及白云石，加劇圓筒混合機(jī)內(nèi)壁的粘料程度。這是因?yàn)槿蹌┲猩矣鏊瘯?huì)生成細(xì)粒級(jí)的消石灰（Ca（OH）2）膠體，其具有極強(qiáng)的吸水性和較大的比表面積，縮短了混合料中礦石顆粒與Ca（OH）2膠體顆粒間隙的同時(shí)，使得顆粒間產(chǎn)生自然黏結(jié)力。加之生石灰的消化過(guò)程是從顆粒表面向內(nèi)部過(guò)渡，當(dāng)生石灰顆粒核心位置的CaO 消化時(shí)會(huì)奪取外部新生的Ca（OH）2膠體顆粒擴(kuò)散層及水化膜的水分，進(jìn)一步縮短顆粒間的間隙，顆粒間黏結(jié)力因此增強(qiáng)，Ca（OH）2膠體顆粒得以凝聚，與混合料中其他物料相互黏結(jié)時(shí)改變物料表面的作用力提升親水性，降低了物料繼續(xù)粘黏的難度。新黏附物料的擠壓、接觸因此更為緊密，逐步板結(jié)，導(dǎo)致粘料滋生并不斷增厚。

3.3 配礦結(jié)構(gòu)褐鐵礦配比的調(diào)整

山鋼日照燒結(jié)配礦出于成本因素的考量，褐鐵礦占比由2021 年的18%提升至目前的近30%，一定程度上加劇了圓筒粘料程度，這是因?yàn)楹骤F礦致密程度不及赤鐵礦和磁鐵礦，使其含有較高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分子結(jié)合水和毛細(xì)水。另外，鐵礦顆粒的黏附能力與其接觸角有關(guān)，接觸角越小黏附能力越強(qiáng)，Clout J M F[4］通過(guò)研究燒結(jié)過(guò)程中不同種類礦石黏結(jié)機(jī)理的差異指出，礦石的接觸角越小黏附性能越強(qiáng)。因此接觸角最小的褐鐵礦黏附性能最強(qiáng)。故提升配礦結(jié)構(gòu)中高褐鐵礦占比是導(dǎo)致筒壁粘料層中褐鐵礦占比提升，粘料現(xiàn)象加劇的原因之一。

3.4 顆粒運(yùn)動(dòng)過(guò)程的機(jī)械力及外部條件

燒結(jié)混合料顆粒發(fā)生黏結(jié)除顆粒間的自然黏結(jié)力外，還存在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的機(jī)械力?；旌狭嫌善н\(yùn)輸至圓筒，做類平拋運(yùn)動(dòng)后接觸到圓筒內(nèi)壁，同粒級(jí)混合料顆粒所受機(jī)械力主要取決于物料的密度，因此相對(duì)密度較大的磁鐵礦和褐鐵礦顆粒做類平拋下落過(guò)程中具有較高的機(jī)械力。同時(shí)，圓筒內(nèi)壁裝有襯板并采用筋板及角鋼加固和保障揚(yáng)料，但也這使得相鄰襯板存在折角，角鋼處又存在卡槽，因此，具備機(jī)械力較高的物料率先落入襯板和提升條卡槽內(nèi)，隨圓筒混合機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，部分微細(xì)顆粒未脫落，仍殘留在筒壁形成具有一定黏性粘料層并不斷加厚。

4 圓筒混合機(jī)粘料的改善措施及效果

4.1 減輕圓筒內(nèi)壁粘料及消除料環(huán)的措施

4.1.1 更換襯板材質(zhì)

柔性碳化鋯免維護(hù)陶瓷襯板相較于尼龍襯板具有表面光滑、不粘料、耐磨、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，多數(shù)企業(yè)實(shí)際投用取得良好效果。山鋼日照利用檢修將初裝一次混合機(jī)更換為柔性碳化鋯免維護(hù)陶瓷襯板。使用后連續(xù)觀察3個(gè)檢修周期，更換襯板后料環(huán)形成速度放緩，一個(gè)檢修周期內(nèi)基本無(wú)法形成，內(nèi)壁粘料程度由換襯板前的300 mm 降至目前的100 mm。主要表現(xiàn)在陶瓷襯板的提升條和揚(yáng)料板位置有些許粘料，一定程度上起到保護(hù)襯板表面，防止快速磨損，延長(zhǎng)使用周期的作用。

4.1.2 加水方式優(yōu)化調(diào)整

山鋼日照燒結(jié)系統(tǒng)有效抽風(fēng)面積500 m2，單位時(shí)間混合料處理量近1 000 t/h，因此配有長(zhǎng)度27 m大型圓筒混合機(jī)以滿足混合料的大處理量，加水管設(shè)有21 個(gè)噴嘴，并從混合機(jī)出料端延伸至距離進(jìn)料端7.8 m處。但運(yùn)行過(guò)程中因加水管較長(zhǎng)導(dǎo)致一混加水水壓不均，出料端水壓明顯高于其他部分，影響混合料混勻效果還加劇混合機(jī)中后端粘料程度。對(duì)此，山鋼日照燒結(jié)提出“一管兩分支同水壓法”對(duì)混合機(jī)加水裝置改造升級(jí)，改用霧化噴頭使得加水與筒內(nèi)混合料與充分接觸，強(qiáng)化混合料潤(rùn)濕混勻效果，為二混制粒創(chuàng)造條件，有效抑制一混內(nèi)壁惡性粘料。

4.2 屋脊粘料現(xiàn)象的處理

朱德慶[3］通過(guò)研究混合機(jī)內(nèi)部結(jié)塊物的化學(xué)成分及物理性質(zhì)指出，在混合機(jī)內(nèi)壁粘料過(guò)程中熔劑含量及強(qiáng)度隨料層厚度的增厚而提高，導(dǎo)致料環(huán)及板結(jié)積料極易因原始粘料層強(qiáng)度不足而脫落，產(chǎn)生“落大塊”現(xiàn)象，砸壞皮帶和托輥及托輥支架并造成漏斗堵塞。針對(duì)水梁屋脊粘料難以緩解，山鋼日照先后進(jìn)行了水梁屋脊增設(shè)電振改造、屋脊材質(zhì)更換，經(jīng)生產(chǎn)實(shí)踐，后者治理屋脊粘料的效果更好。

屋脊材質(zhì)對(duì)比試驗(yàn)及優(yōu)化：水梁屋脊粘料除物料自身物性影響外，屋脊材質(zhì)不適宜這類外部因素同樣不容忽視。原水梁屋脊采用剛性體鋼板制作，具有較強(qiáng)的承載能力，因此積料需要板結(jié)足夠的體積才能脫落，加劇了因“落大塊”而停機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)。山鋼日照利用燒結(jié)機(jī)檢修時(shí)機(jī)，把水梁屋脊粘料嚴(yán)重位置的屋脊材質(zhì)部分更替為柔性體橡膠皮子和陶瓷襯板，利用壓條和螺栓固定于水梁，觀察不同材質(zhì)屋脊的粘料情況進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，圖2為試驗(yàn)實(shí)施前后屋脊的粘料情況。如圖2所示，鋼板材質(zhì)的屋脊粘料依然嚴(yán)重，陶瓷襯板次之，而柔性體橡膠皮子效果最好，表面未形成板結(jié)的大塊。這是因?yàn)槿嵝云ぷ游菁钩休d能力不如鋼板和陶瓷襯板，加之表面光滑度更高，所以當(dāng)粘料超過(guò)皮子承載后可自行滑落，難以板結(jié)為大塊，有效緩解水梁屋脊粘料的頑疾。另外，柔性體橡膠皮子多為采用廢舊皮帶，可周期性對(duì)磨損屋脊進(jìn)行更換，符合當(dāng)前鋼鐵生產(chǎn)降本增效的大趨勢(shì)，預(yù)計(jì)全部屋脊改型完成后年節(jié)省屋脊備件采購(gòu)費(fèi)用25 萬(wàn)，同時(shí)，因混合機(jī)“落大塊”導(dǎo)致全線停產(chǎn)的問(wèn)題得到根除，預(yù)計(jì)挽回停機(jī)導(dǎo)致的燒結(jié)礦產(chǎn)量損失約140.4 萬(wàn)元（改善前年平均“落大塊”的次數(shù)大于6次）。

圖2 更換水梁屋脊材質(zhì)試驗(yàn)實(shí)施前后的粘料情況

5 結(jié) 語(yǔ)

5.1 引發(fā)燒結(jié)圓筒混合機(jī)內(nèi)壁粘料、料環(huán)及水梁屋脊粘料板結(jié)“落大塊”等現(xiàn)象的根本原因可概括為燒結(jié)混合料中含鐵原料水分、細(xì)顆粒物質(zhì)量分?jǐn)?shù)和熔劑占比較高、熔劑未完全消化的干濕共存狀態(tài)等因素縮短了混合料顆粒間隙，增強(qiáng)顆粒間自然黏結(jié)力，黏附效果增強(qiáng)。

5.2 山鋼日照燒結(jié)系統(tǒng)通過(guò)更換陶瓷材質(zhì)、優(yōu)化加水裝置的噴嘴尺寸及進(jìn)料端噴嘴位置，重新布局調(diào)整加水壓力、加水噴頭角度、數(shù)量，降低圓筒內(nèi)壁黏料層厚度，消除了料環(huán)；通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)，敲定了水梁屋脊的柔性橡膠皮子的材質(zhì)，弱化水梁屋脊粘料的板結(jié)程度，降低了“落大塊”導(dǎo)致停機(jī)次數(shù)，減輕清理的勞動(dòng)強(qiáng)度，維持工藝穩(wěn)定，提高生產(chǎn)效率。