新型澳大利亚矿粉烧结性能研究.doc

澳大利亚新型进口矿粉 烧结性能实验研究 摘摘 要要 近年我国钢铁产量的大幅度增长 对铁矿石的需求量迅猛增加 但是 铁矿 石价格连续大幅上涨 带来高昂的烧结矿成本和铁水成本 钢厂烧结投产以来 烧结矿产量及成本压力一直较大 本文结合钢厂烧结现有的原料条件 在实验室 进行了利用澳大利亚进口的新型铁矿粉 A 矿粉烧结杯试验 烧结杯试验结果表明 1 A 矿粉满足钢厂烧结厂目前在碱度 R 2 0 MgO 2 5 条件下的烧结生 产要求 烧结过程中加入一定量的 A 矿粉可以在一定程度上改善烧结矿的综合性 能指标 2 烧结过程中配加 5 15 的 A 矿粉时烧结矿的冶金性能指标可以保持 在较为理想的水平 3 烧结过程配加 A 矿粉后烧结矿的显微结构发生变化 矿相中还原性能 优良的铁酸钙比例增加 关键词 烧结杯试验 显微结构 冶金性能 ABSTRACT In recent years with the growth of China s steel production substantial growth in demand for iron ore increased rapidly but the continued sharp rise in iron ore prices resulted in high costs of the sintering and the molten iron ore Since QingGang sintering plant put into production output and cost pressures have been significant In this paper the laboratory test of A iron ore as one of iron ore fines was conducted in the sinter pot on the conditions of the existing raw materials in QingGang Experimental results show that 1 A mineral powder meet production requirements of Qingdao steel plant when it is under the conditions of R 2 0 MgO 2 5 adding some A mineral powder can help improve the sinter comprehensive Eex to a certain extent in sinter process 2 The sinter performance Eex can maintain a ideal level when 5 15 A mineral powder were added to in process 3 The microstructure of sinter mixture changed and the calcium ferrite which have excellent reduction property increased in the proportion when A mineral powder were added to Keywords Sinter pot test Microstructure Metallurgy performance 目 录 摘 要 I ABSTRACT II 1 文献综述 1 1 1 铁矿石资源的现状 1 1 1 1 国内铁矿石资源现状 1 1 1 2 国外铁矿石资源现状 3 1 2 铁矿粉烧结的理论分析 3 1 2 1 烧结成矿机理 3 1 2 2 烧结矿的矿物组成与结构及其对质量的影响 5 1 3 烧结工艺的发展及意义 6 1 4 我国烧结生产的现状 8 1 5 高品质烧结矿生产工艺分析 12 1 5 1 优化配矿 12 1 5 2 小球烧结 13 1 5 3 热风烧结 13 1 5 4 低温烧结 14 1 5 5 厚料层烧结 14 1 5 6 高碱度烧结 16 1 5 7 硅含量对烧结矿质量的影响 16 2 A 矿粉烧结实验研究 18 2 1 实验方法及实验设备 18 2 1 1 实验方法 18 2 1 2 实验流程 22 2 1 3 实验设备 22 2 2 实验用原燃料性能分析 24 2 2 1 实验用原燃料成分分析 24 2 2 2 实验用原燃料粒度分析 24 2 3 实验方案设计 25 3 烧结杯实验结果与分析 27 3 1 基础实验研究 27 3 2 A 取代 D 实验结果与分析 27 3 3 A 取代 C 实验结果与分析 29 3 4 A 取代 B 实验结果与分析 30 3 5 A 取代 E 实验结果与分析 31 3 6 A 部分取代进口粉矿实验结果与分析 32 3 7 不同 MGO 含量条件下使用 A 粉矿实验结果与分析 33 3 8 烧结杯优化实验研究 34 3 9 烧结过程其它指标检测 35 3 10 烧结矿冶金性能指标测试 37 3 11 烧结矿微观结果检测 39 4 结论 42 参考文献 43 1 文献综述文献综述 1 1 铁矿石资源的现状 1 1 1 国内铁矿石资源现状 我国的铁矿石资源比较丰富 目前我国累计探明的铁矿石储量达 531 亿吨 保有 储量为 501 亿吨 但在现有的铁矿储量中 可供利用的储量仅 170 亿吨 1 2 可供开采 设计的储量仅 100 亿吨左右 由于我国铁矿石资源的采选难度大 再加上我国矿山生 产企业装备水平低 设备陈旧落后 因此扣除开采 冶炼过程中的损失 实际可供利 用的金属量仅为 20 亿吨左右 我国可供开采铁矿石资源的保证年限不到 60 年 3 4 同 时 随着经济的迅速发展 我国钢铁产量大幅度增长 铁矿石作为钢铁工业生产的主 要原料 近年来需求量也迅猛增长 因此 长远来看 我国铁矿石资源并不能满足工 业需求的稳定供应 由于受我国铁矿石特点及其选矿和成本的限制 我国精矿粉的品位尚低 大多数 用于烧结的精矿粉的 SiO2含量还都在在 6 5 以上 很难将烧结矿中的 SiO2含量降至 4 5 表 1 1 列出了我国几种精矿粉的品位和 SiO2含量 5 表表 1 1 我国几种精矿粉的品位和我国几种精矿粉的品位和 SiO2含量含量 项 目东烧大孤山迁安邯郸翼军峨口大宝山梅山 TFe SiO2 64 7 6 15 66 17 7 00 66 06 6 80 65 58 9 4 64 29 7 15 55 40 6 93 52 18 5 29 63 02 7 57 根据我国现已探明的情况 我国铁矿石资源主要有以下特点 6 7 1 贫矿多 富矿少 铁矿石品位低 平均含铁约 32 0 贫矿约占 93 2 含铁 较高 能直接入炉的富矿比较少 仅占 2 7 2 分布广 现已探明的铁矿产地有 1800 余处 分布于我国 27 个省区的 600 多个 县 主要铁矿集中在 16 个地区 约占全国铁矿贮量的 70 3 多金属矿多 我国铁矿约有三分之一除含铁外 还有钒 钛 铜 钴 金 银等 元素 4 磁铁矿较多 约占总贮量的 73 其中易选的磁铁矿石达 277 亿吨 占 56 钒钛磁铁矿石 73 亿吨 占 15 根据我国铁矿石资源贫矿多 富矿少以及复合矿石多的特点 应发展综合利用 加 强选矿和造块 并根据各种矿石的特殊性质选择特殊的冶炼制度 即可以充分利用资源 回收各种有价值的元素 又可获得良好的高炉冶炼指标和综合经济效益 我国的铁矿资源分布比较广 随着地理位置的不同 铁矿石品位及成分有着很大的 差异 主要矿区分布及其特点如下 8 1 鞍本矿区 该矿区目前是我国储量最大 采量最大的矿区 是鞍钢和本钢的 主要原料基地 本矿区的特点是以贫矿为主 富矿极少 含铁量 20 40 平均 30 左 右 精选后品位可达到 60 以上 铁矿物以磁铁矿和赤铁矿为主 部分为假象赤铁矿和 半假象赤铁矿 矿物结构致密 坚硬 大部分矿石可选性好 但还原性较差 2 冀东铁矿区 本矿区主要包括迁安 邯郸 武安 庞家堡等矿山 是首钢和 邯郸钢铁公司的原料基地 其中迁安矿为贫磁铁矿 原矿品位为 30 左右 可选性好 精矿品位可达 68 以上 邯邢矿区主要是赤铁矿和磁铁矿 矿石含铁在 40 55 之间 矿石强度较差 但还原性较好 3 大冶矿区 本矿区主要分布在大冶 鄂城一带 是武钢和大冶钢厂的重要原 料基地 矿石中重要矿物为磁铁矿 其次为赤铁矿和半假象赤铁矿 另有少量褐铁矿 该矿区的特点是 含铁量高 大部分为 45 60 低的也有 40 50 含磷低 硫高 矿石多为致密块状 还原性较差 4 白云鄂博矿区 该矿区是我国最大的复合矿区之一 储量丰富 是包钢的原料 基地 矿区以磁铁矿为主 亦有假象和半假象赤铁矿 大部分为贫矿 含铁 25 35 富矿含铁在 50 左右 这种矿石组织致密 但还原性好 5 攀西铁矿区 本矿区主要分布在攀枝花到西昌一带 是我国最大的复合矿区 为攀枝花等钢铁公司的原料基地 该矿区的主要特点是 矿石属含钴 镍细粒嵌布的钒 钛磁铁矿型 主要金属矿物为钛磁铁矿 含铁量在 48 左右 伴有钒 钛 铜 钴镍等 多种稀有元素 有很高的综合利用价值 6 华东矿区 该矿区主要分布在安徽芜湖至江苏南京一带的凹山 南山 梅山 凤凰山等矿山 此外还有山东的全岭镇 利国等地都有丰富的铁矿资源储藏 芜宁地区 矿石主要是赤铁矿 其次是磁铁矿 也有部分硫化矿 如黄铜矿和黄铁矿 铁矿石的品 位不高 7 其它铁矿区 除了上述主要铁矿区外 我国还有一些分散的中小铁矿区 比 如山东的莱芜 河南的安阳 舞阳 河南的湘潭 吉林德通化等 广东的大宝山等 但 是在东南沿海工业发达地区 铁矿石资源却严重不足 1 1 2 国外铁矿石资源现状 国外铁矿石资源主要集中在澳大利亚 巴西 南非 印度等国 这些国家的铁矿石 不仅储量丰富 约占世界储量的 78 而且品位普遍比较高 有害杂质少 烧结性能好 国外铁矿石资源的主要特点归纳如下 9 1 品位高 巴西 南非 加拿大 印度等国的铁矿石 TFe 含量一般大于 64 有 的甚至可以高达 67 68 2 SiO2含量适中 巴西的 MBR 卡拉加斯及委内瑞拉 加拿大等国铁矿石的 SiO2 含量一般为 1 或小于 1 其余铁矿石中 SiO2含量一般在 4 0 左右 最高仅达到 5 5 3 有害元素少 除南非铁矿的钾 钠含量偏高外 其余铁矿石的钾 钠 硫 磷 铅 锌等有害元素的含量均较少 4 烧损低 铁矿石的烧损与烧结率直接相关 同时它还直接影响铁矿石中各个化 学组分在烧结矿中的实际作用 由于进口铁矿石多为赤铁矿 所以烧损比较低 褐铁矿除 外 10 13 1 2 铁矿粉烧结的理论分析 1 2 1 烧结成矿机理 烧结成矿机理包括烧结过程的固相反应 液相反应和冷凝结晶三个过程 这三个过 程不仅对烧结矿的矿物组成及结构起着决定性的影响 而且和烧结矿的质量有着很大的 关系 14 15 烧结过程矿物形成过程如图 1 1 1 固相反应过程及对烧结矿质量影响分析 混合料在烧结过程中被加热到熔融之前 相互接触的某些组分之间 在固体状态下 发生反应 生成新的化合物或共熔体的过程称为固相反应 固相反应是由离子扩散作用 引起的 而在烧结过程中由于固体燃料的燃烧产生的废气加热了烧结料 从而为固相反 应的发生创造了有利条件 固相反应可以形成在原始料中所没有的易熔化的新物质 这 些新物质在烧结过程中产生许多特性 最后获得强度高的烧结矿 铁矿石 石灰石 含 SiO2 脉石 铁氧化物 生石灰 铁酸钙 熔 化 反应 溶解 液相 凝 固 如 CaO SiO2 1 8 如 CaO SiO2 1 8 铁氧化物 玻璃质硅酸硅酸钙与硅酸二钙 图 1 1 烧结过程中矿物的形成机理 16 2 液相反应过程及对烧结矿质量影响分析 烧结过程一些低熔点物质在高温作用下 熔化成液态物资 在冷却过程中 液态物 质凝固而成为那些尚未熔化和溶入液相的颗粒的坚固连接桥 在烧结物料中 主要矿物 都是高熔点的 在烧结温度下大多不能熔化 但物料加热到一定温度时 各组分之间以 及新生化合物与原组分之间存在低共熔点 使得它们在较低的温度下生成液相 开始熔 融 烧结过程形成液相是烧结矿固结成型的基础 液相的性质和数量在很大程度上决定 了烧结矿的还原和强度 从而直接影响烧结矿质量 3 冷凝固结过程及对烧结矿质量影响分析 当烧结层移动后 被熔化的物质温度下降 液相放出能量而结晶或变成玻璃体 如 果在冷凝过程中放出了几乎所有的能量 则液相全部转化成结晶体析出 而在实际烧结 中 冷却很快 有相当的潜热来不及释放而蕴藏在里面 从而使部分硅酸盐以玻璃体形 态存在于烧结矿中 从而导致烧结矿强度降低 1 2 2 烧结矿的矿物组成与结构及其对质量的影响 烧结矿是由多种矿物按一定结构方式组成的多孔块状集合体 因此 它的矿物组成 及其结构特征与烧结矿的冶金性能有着密切的关系 对烧结矿的质量有很大的影响 通 过研究烧结矿的矿物组成和结构特征 弄清影响烧结矿质量的因素 可以有效地采取相 应的措施来提高烧结矿的质量 1 烧结矿的矿物组成及其对质量的影响 烧结矿是由含铁矿物及脉石矿物形成的液相粘结而成的 其矿物组成随原料及烧结 工艺条件不同而变化 主要受碱度和燃料用量的影响 由烧结的固相反应 液相生成和 冷凝固结的全过程可以看出 烧结矿是一种有多种矿物组成的复合体 虽然随着原料条 件及烧结工艺条件不同其矿物的组成不同 但总是有含铁矿物和粘结相矿物两大类组成 的 17 含铁矿物有磁铁矿 赤铁矿 方铁矿 粘结相主要有铁橄榄石 钙铁橄榄石 硅 灰石 硅酸二钙 铁酸钙 钙铁辉石等 此外还有少量反应不完全的游离石英和游离石 灰石等 烧结矿的机械强度和还原性与其中的主要矿物和粘结相的机械强度和还原性有 直接的关系 因此 烧结矿的矿物组成直接影响着烧结矿的质量 表 1 2 列出了烧结矿中 主要矿物及粘结相的强度和还原性 表 1 2 烧结矿中主要矿物及粘结相的强度和还原性 18 主要矿物及粘结相抗压强度 kg mm还原率 赤铁矿26 749 9 磁铁矿36 926 7 铁橄榄石20 261 0 13 2 x 020 01 0 x 0 2526 52 1 x 0 556 62 7 x 1 023 36 6 x 1 510 24 2 铁酸一钙37 040 1 铁酸二钙14 228 5 从表 1 2 中可以看出赤铁矿 磁铁矿 铁酸一钙 铁橄榄石等均有较好的强度 而钙铁橄榄石当 x 1 0 玻璃质 时 其强度最差 要得到强度较好的熔剂性烧结矿 就要使烧结矿的粘结相矿物中最大的形成低氧化钙的钙铁橄榄石 x 0 5 和铁酸一钙 各种矿物的机械强度和还原性并不完全一样的 铁橄榄石和某些钙铁橄榄石虽有较好的 强度 但一般都是还原性较差 只有铁酸一钙机械强度和还原性都好 而玻璃质都差 2 烧结矿的结构及其对质量的影响 烧结矿的结构包括宏观和微观两种结构 由于受液相数量和粘度的影响 烧结矿的 宏观结构可分为三种结构 当燃料用量和烧结温度适宜 液相生成量适度 并在粘度较 大的情况下 形成微孔海绵状结构 当燃料配比多 烧结温度高 并在液相生成量多且 粘度小的情况下 形成粗孔蜂窝状结构 当燃料配比更多 烧结温度过高时 产生过熔 现象 结果形成板结的石头状结构 这三种不同结构的烧结矿所对应的还原度和强度也 不同 具体区别见表 1 3 表 1 3 三种宏观结构的烧结矿的还原度和强度比较 结构还原度强度 海绵状结构好高 蜂窝状结构较差较差 石头状结构尚好很差 烧结矿的微观结构 就矿物的结晶形态而言 按结晶的完善程度可分为自形晶 半 自形晶和他形晶三种 熔化温度高 比周围其它矿物结晶进行早或结晶生长能力强的矿 物形成自形晶 自形晶具有完好的结晶外形 没有适宜的结晶环境的矿物形成半自形晶 它只有部分结晶面完好 结晶进行较晚 结晶环境更差 或填充于结晶完好的矿物孔隙 中者 形成形状不规整且没有任何良好晶面的他形晶 由于生产工艺条件不同 烧结矿的显微结构有明显差异 其常见的结构有粒状结构 斑状结构 骸晶结构 共晶结构以及熔蚀结构等 烧结矿的不同微观结构对烧结矿强度 和还原性的影响也不尽相同 1 3 烧结工艺的发展及意义 烧结生产的发展在冶金工业中有着重要的地位 起初是为了处理矿山 冶金 化工厂 的废弃物 以便回收重新利用 烧结生产的历史已有一个多世纪 它起源于资本主义发 展较早的英国 瑞典和德国 在1887年英国人首次申请了硫化矿鼓风烧结法和用于此法 的烧结盘设备专利 1906年美国人取得了抽风式带式烧结机专利 带式烧结机的出现引 起烧结生产的重大变革 并得到了广泛的应用 随着钢铁工业的发展 烧结矿的产量迅 速增加 烧结科学技术也得到飞速发展 日本烧结工艺完善 设备先进 技术可靠 自 动化水平高 是世界上烧结技术发展最快的国家 烧结过程是铁矿石在一定的高温作用 下 部分颗粒表面发生软化和熔化 产生一定量的液相 并与其他未熔矿石颗粒作用 冷却后液相将矿粉颗粒粘结成块 这个过程称为烧结 现代烧结是一种抽风烧结过程 即将铁矿粉 熔剂 燃料 代用品及返矿按一定比例组成混合料 配以适量水分 经混 合及造球后 铺于带式烧结机的台车上 在一定的负压下点火烧结 在钢铁冶金工业中 烧结生产对促进钢铁工业发展起着举足轻重的作用 高炉炼铁时 为了保证高炉炼铁时候在高炉内部的料柱透气性良好 要求炉料粒度大且均匀 粉末少 机械强度高 且具有良好的软熔性能 同时为了降低焦比要求炉料的含铁量高 有害杂 质少 且要求具有自熔造渣性能和良好的还原性能 生产实际表明 上述要求完全可以 通过烧结高温造块达到 通过烧结可为高炉提供化学成分稳定 粒度均匀 还原性好 冶金性能高的优质烧结矿 为高炉优质 高产 低耗 长寿创造了良好的条件 可去除 有害杂质 如硫 锌等 可利用工业生产的废弃物 如高炉炉尘 轧钢皮 硫酸渣 钢 渣等 可回收有色金属和稀有稀土金属 炼铁生产的主要原料是烧结矿 球团矿以及少量高品位天然矿 各钢铁厂的情况不 同和矿源不同决定了其不同的高炉炉料结构 日本 韩国高炉以烧结矿为主 因为其主 要铁料是国际上购买的粉矿 适宜生产烧结矿 北美高炉以球团矿为主 因为其矿源多 为细精矿 适宜生产球团矿 欧盟由于环保要求 烧结厂的生产和建设受到了严格的限 制 为了进一步改善高炉炼铁指标 充分发挥球团矿在高炉炼铁中优越的冶金性能 因 而以球团矿为主 欧美高炉球团矿使用比例一般都较高 个别的高炉达100 其中一部 分高炉使用熔剂型球团矿 如加拿大Algoma7号高炉熔剂球团矿比例达99 墨西哥 AHMSA公Monclova厂5号高炉熔剂球团矿比例为93 美国AKSteel公司Ashland KY厂 Amanda高炉熔剂球团矿比例为90 以上 另一部分高炉以酸性球团矿为主 配比一般在 70 以上 欧洲高炉中 瑞典 英国和德国的部分高炉球团矿的比例很高 亚洲国家的 高炉一般以烧结矿为主 高达70 左右 日本高炉炉料结构的特点是烧结矿比例高且一 直比较平稳 而球团矿比例自1979年以来一直在下降 块矿比一直在上升 高炉炉料中 高碱度烧结矿比例维持在71 3 76 9 用量一直比较平稳 球团矿比例自20世纪70年 代初至1979年达到了高峰 为14 此后逐年下降至现在的10 以下 典型的如新日铁4 号高炉的炉料结构 烧结矿占70 球团矿占10 和歌山4号高炉使用75 80 的烧 结矿 巴西块矿占20 只有神户制钢神户厂于1998年由于烧结机老化停止生产才开始 在高炉中采用高比例球团矿的炉料结构 球团矿配比达70 以上 韩国浦项光阳厂的高 炉炉料结构中烧结矿为74 球团矿为11 84 我国因各钢铁厂情况不同 高炉使用球 团矿的比例很不相同 宝钢高炉的铁料来源与日本大多数高炉相似 所以其炉料结构也 与日本大多数高炉相似 烧结矿74 5 球团矿8 5 块矿17 1 4 我国烧结生产的现状 十五 期间 随着我国生铁产量的高速增长 我国烧结矿产量也增长迅猛 2000 年 我国烧结矿产量只有 16844 万吨 2005 年达到 36923 万吨 十五 期间 我国烧结矿共 增产 20079 万吨 平均每年增长高达 4015 8 万吨 这样的增长速度前所未有 我国烧结 在原料混匀技术 制粒配料技术 厚料层工艺 节能和环保等技术上取得一系列突破 我国已经能够自主设计 制造具有国际先进水平的 300 450m 级的大型烧结机 这些烧 结机采用了完善的工艺流程 具有原料准备 配料混合 烧结 冷却 成品整粒和铺底 料和返矿受料系统 采用厚料层烧结 先进的节能环保技术 我国烧结不仅在数量上增 长迅猛 在技术装备水平上也有一个大飞跃 十五 期间我国新建和改造了一大批大型烧 结机 十五 期间重点企业的烧结机结构对比如表 1 4 所示 表 1 4 十五 期间不同规模烧结机数量对比 2000 年 2001 年 2002 年 2003 年 2004 年 2005 年 130m2及以上 33 35 38 45 61 79 90 129m2 28 37 40 43 56 63 36 89m2 64 68 68 75 88 119 19 35m295 87 100 102 104 104 18m2以下 2 6 7 7 9 4 总台数 222 233 253 272 318 369 表 1 5 2005 年我国钢铁企业大于 300m2烧结机 企业名称 台数 单机面积 m2 总面积 m2 宝钢 3 495 1485 2 360 720 鞍钢 2 328 656 2 435 870 武钢 1 360 360 邯钢 1 400 400 马钢 2 300 600 沙钢 2 360 720 本钢 1 360 360 韶钢 1 360 360 安钢 1 360 360 济钢 1 320 320 总计 19 380 7211 在大型烧结机方面 2005 年底我国已投产的烧结机中 有 19 台 300 495m2大型烧 结机 面积达 7211m2 平均单机面积 380m2 其中 十五 期间 300m2以上烧结机共增加 了 13 台 如表 1 5 所示 从表 1 4 和表 1 5 中可以看出 我国大 中型烧结机所占的比重逐渐增加 相反 小 型烧结机所占比重逐渐减少 但由于小型烧结机数量上还相当大 造成我国烧结机的单 机面积仍然偏小 对烧结面积来说 我国大中型烧结机约占整个烧结面积的 2 3 已占明 显优势 这说明烧结机大型化的发展速度非常快 而且烧结矿质量稳步提高 技术经济 指标得到改善 我国大中型企业烧结机主要技术指标如表 1 6 所示 由 14 家重点大中型钢铁企业烧结主要技术经济指标看 表 1 7 平均品位 55 75 碱度 1 971 倍 转鼓指数 76 40 固体燃料消耗 55 kg t 利用系数 1 429 t m2 h 鞍本钢 集团拥有 18 台烧结机 总面积 3025 m2 平均品位 转鼓指数高于重点大中型企业的平 均水平 利用系数较低为 1 29 t m2 h 超过 1000 m2烧结能力的企业还有宝钢集团 首钢 集团 武钢集团和沙钢集团 宝钢集团烧结利用系数 1 402t m2 h 转鼓指数为 76 00 表 1 6 全国重点钢铁企业烧结工序生产技术经济指标 日期品位 碱度 倍 转鼓指数 固体燃 耗 kg t 生产率 t 人 利用系数 t m2 d 台时产 量 t 台 h 日历作业 率 工序 能耗 kgce t 2008 年 一季度 55 561 89076 375418261 36216189 1156 98 2008 年 上半年 55 471 86876 455435931 37216290 8156 16 2008 年 前三季 55 481 86576 435455411 36316489 8355 51 2008 年55 391 85876 595372111 35616489 7755 49 2007 年55 651 84076 025467921 41615290 3055 47 增减量 0 26 0 0260 57 1419 0 06012 0 530 02 烧结矿碱度指标超过 2 倍的企业有济钢 2 276 倍 邯钢 2 254 倍 安阳集团 2 192 倍 马钢集团 2 120 倍 首钢 2 025 倍和唐钢 2 019 倍 高碱度烧结矿石既是铁料 又是 熔剂 既有良好的机械强度和还原性 又有较好的软熔性能及较低的低温还原粉化率 高碱度烧结矿为高炉提供了良好的热力学与气体力学条件 有利于强化高炉冶炼 目前我国烧结生产还存在很多的问题 我国烧结机平均单机面积 利用系数 作业 率 烧结矿 TFe 都要比日本的平均水平低 而 FeO 固体燃耗都比日本钢铁企业高 日 本多数的烧结机进行脱 SOx 少数烧结机有脱 NOx 的装置 中国配置的还较少 日本多 数的烧结厂用人工智能系统控制烧结过程 燃料及管理等 而我国的比例较小 80 年代以后西方发达国家投入大量人力和资金以降低能耗和提高烧结质量为核心研 究开发新技术 新工艺使烧结生产工艺日趋完善 达到一定水平 目前世界烧结现状有 以下几个特点 1 烧结设备逐渐大型化 设备加工精度高 漏风率低 主体结构更加 完善 2 自动化水平逐渐提高 一般烧结厂都以微机为基础的分散型控制系统 并积 极开展人工智能的应用 是烧结厂逐步走向无人操作 3 各国大力发展提高烧结质量 和降低能耗的新工艺 并不断地应用于实践 表 1 7 14 家重点大中型钢铁企业烧结主要技术经济指标 2007 年 3 月 企业名称设备情况 总面积 总座数 平均品 位 碱度 倍 转鼓指数 固体燃料消耗 kg t 利用系数 t m2 h 平均55 751 97176 40551 429 同期56 141 93874 20541 438 宝钢1350m2 3 台58 381 84676 00551 402 鞍本3025m2 18 台57 002 08078 8526 501 290 唐钢673m2 5 台56 172 01980 74561 287 沙钢1045m2 4 台56 231 99878 85511 296 武钢1093m2 8 台57 251 83477 66521 275 首钢1260m2 14 台56 702 02578 31471 488 济钢309m2 6 台55 682 27677 41491 624 莱钢315m2 3 台56 891 99977 24531 244 马钢525m2 4 台56 612 12078 09521 457 华菱223m2 3 台56 231 96075 12541 440 太钢380m2 4 台58 421 80976 46471 328 包钢720m2 6 台55 781 95477 12641 180 安阳761m2 7 台56 212 19277 52541 390 酒钢390m2 3 台50 301 89680 04471 774 邯钢700m2 8 台57 322 25478 51631 375 烧结生产的历史已有一个多世纪 大约在 1870 年前后 资本主义发展较早的英国 瑞典和德国就开始使用烧结锅 1902 年最早了提出铁矿粉烧结的方法 1911 年世界上第 一台带式烧结机问世 迄今已有 90 多年的历史 但得到较快发展是在 50 年代以后 特 别是近 30 年来 更为迅速 当今 烧结在钢铁冶金生产过程中占有相当重要的地位 具 有关数据统计 在过去的十年中全世界约有一半的生铁是用烧结矿生产的 21 表 1 8 我国近十几年烧结工艺技术进步的概况 22 23 节能 保护环境 烧结特点低温烧结 高还原性 高生产率 原料的混合与制粒 使用细粒铺料 制粒设计 使用石灰石 HPS 微粒化 预先制粒 分别制 粒 混合料布料双层布料 细棒 分别控制 ISF 密度控制 烧结均匀温度 提高台车高度 提高产量 节能和环保 从冷却器和主排气道中进行余热回收 从排气中驱除 NOx 抑制 NOx 排放 空气泄漏 测定和控制台车温度 气流速度 3 D 结构 X 射线 为了稳定高炉炉况 提高生产率 降低生铁成本 人们不断对烧结矿提出了更多有 关质量方面的要求 七十年代前 烧结生产强调的重点只是冷强度 低温粉化率和还原 率 从八十年代低开始 逐步加强对烧结矿转鼓强度 粒度组成 还原度 低温还原粉 化率 高温性能和矿相结构的研究与改进 特别是矿相研究对烧结矿质量的改进起了很 大的推动作用 24 25 目前 以提高烧结过程效率 推广低能耗烧结 降低烧结成本 改 进烧结工艺制度 控制污染保护环境等为主要目标的技术研究己经取得了显著的成绩 1 5 高品质烧结矿生产工艺分析 1 5 1 优化配矿 传统的配矿方式依据是含铁原料的化学成分 粒度 品位 数量进行综合搭配使用 对烧结矿的冶金性能以及含铁原料的烧结特性考虑较少 优化配矿是以传统配矿方法的 依据为基础 同时综合考虑含铁原料的岩相特性 含铁原料的烧结基础特性 熔化性 同 化性及互补性 脉石种类和数量 矿石结构 粒度分布 烧结矿的冶金性能以及经济效 益 社会效益等 优化配矿的实现必须建立在烧结原料的水分 粒度和成分稳定的基础上 特别是 CaO H2O 燃料的灰分要稳定 一般 3 4 种性能相近的铁矿混合烧结能获得优质烧结矿 由于硅含量降低导致烧结生成液相量少 烧结矿强度变差 因此在配矿时应从矿粉的同 化性 液相流动性 粘结相强度等方面来选择合适的配矿结构 26 从而提高烧结矿的质 量 1 5 2 小球烧结 将混合料制成适当粒度的小球 2 6mm 进行烧结 称为小球烧结 小球烧结工艺 集中了球团与烧结两种造块工艺的优点 强化制粒并改善混合料透气性 减少了烧结过 程中料层的阻力 对提高烧结矿的质量 以及优化烧结过程都具有重要的意义 27 28 小 球烧结不仅可以使烧结机利用系数得到大幅度的提高 而且使生产出的烧结矿内部结构 发生了很大的变化 通过小球烧结提高了垂直烧结速度 提高烧结矿产量 增加了氧化 性气氛 有利于铁酸钙的大量生成 改善了烧结矿的矿物组成 提高烧结矿强度和还原 性 可进一步提高料层厚度 更加有效地利用热能降低能耗 并使烧结过程反应更加充 分 使烧结矿的矿物组成和结构更加均匀 小球烧结法对原料并没有特殊要求 可以从根本上解决我国细精矿烧结料层透气性 差的问题 从而实现高料层 低碳节能的操作制度 该工艺可以生产出高产量 高质量 低燃耗的优质烧结矿 然而要求增添的设备不多 因此 特别适合于细精矿烧结和老厂 改造 投资少 见效快 1 5 3 热风烧结 热风烧结技术是在烧结机前段约占烧结机长度 1 3 的有效烧结面积上 将 300 1000 的热风抽入烧结料层用其物理热代替部分固体燃料 将环冷机高温段的热风 引到烧结机作热风烧结 使热废气循环利用 不仅可以减少烧结过程有害物质排放而利 于环境保护 而且可以提高烧结表层质量 降低固体燃耗 热风烧结之所以能改善烧结 矿质量 降低燃料消耗的原因是 1 烧结矿表层的成品率提高 返矿量下降 热风温度平均在 300 左右 大大高 于室温 大量热空气进入烧结料表层 缓减了表层烧结矿温度下降 使其高温持续时间 相对延长 热量供应相对充足 从而避免了由于急冷应力的破坏 减少了表层烧结中的 玻璃质的产生 使上部烧结矿质量改善 强度增加 粉末减少 使烧结饼经过破碎 机 尾固定筛筛分 冷却筛分后的成品率提高 冷返矿循环量减少 2 利用热废气循环烧结可以充分利用热空气所含有的大量热能 能减少固体燃料 用量 从而达到节能降耗的目的 3 热废气进入烧结料层 可以代替部分部分固体燃料 由于固体燃耗的降低 烧 结过程的氧位又得到提高 即氧化性气氛增强 有利于保持烧结层的过氧化性气氛和有 利于烧结矿 FeO 含量的进一步降低 从而具有一定的节能效果 又由于改善烧结矿的还 原性及低温还原粉化率 促进高炉增产节焦 此外 采用热风烧结 当由于混合料配碳量波动等原因烧结不好时 可以根据需要 临时调节热风温度 使烧结正常进行 从而更好的控制烧结矿的质量 1 5 4 低温烧结 强度和还原性均好的铁酸钙的生成温度区间在 1125 1250 且需氧化性气氛 低 温烧结温度小于 1280 常规烧结最高温度 1320 1350 因此 实行低温烧结工艺 措施为针状铁酸钙的生成创造了有利条件 在烧结过程中 Si4 和 Al3 离子能作为类质同象成分取代二元铁酸钙 CaO 2Fe2O3 CaO Fe2O3 2CaO Fe2O3 中的部分 Fe 离子 生成复合铁酸钙 是一种固熔体 29 按 其结晶形态 可分为针状和柱状两种 针状铁酸钙的间隙内很少夹杂渣状物 残存原矿 的微气孔被堵塞的几率小 微孔发达 所以还原性好 柱状铁酸钙固熔物中有较多的 l2O3和 SiO2 从而引起的晶面收缩比针状铁酸钙的大 产生的内应力也较大 裂纹粗 而长 且易扩展 所以柱状铁酸钙的强度及抗低温还原粉化性不如针状铁酸钙 针状铁酸钙生成的温度范围较窄 约为 1200 1250 温度超过 1250 针状铁 酸钙量减少 30 因此 低温烧结为针状铁酸钙的生成创造了有利的条件 由于针状铁酸 的大量生成 生产出的烧结矿具有良好的还原性 强度及抗低温还原粉化性 1 5 5 厚料层烧结 厚料层烧结是 70 年代发展起来的一项技术措施 我国从 70 年代开始进行厚料层烧 结试验 80 年代初迅速推广普及 1 厚料层烧结的主要意义 31 厚料层烧结可以提高烧结矿的强度 降低 FeO 改善其还原性 因此可以改善烧结矿 的质量 提高成品率 此外采用厚料层烧结还可以降低烧结矿能耗 1 烧结矿质量有所改善的原因 采用厚料层烧结的操作不但可以相对地减少烧结机表层低质烧结矿的数量 同时 由于机速减慢而使点火时间和高温保持时间延长 表层供热充足 冷却强度降低 表层 烧结矿强度提高 烧结矿的质量得到改善 料层提高 点火热量增加 特别是烧结层的 自动蓄热 作用得到充分发挥 使烧 结料的配碳量减少 料层中的氧化性气氛加强 有利于降低 FeO 促进铁酸钙的形成 因而增加了烧结矿的强度及还原性 2 能耗降低的主要原因如下 随着料层变厚 自动蓄热作用 加强 因此蓄热带入热量增加 FeO 降低 烧结热耗减少 烧结饼带走热量也减少 由于烧结矿的强度增加 粉末减少 使烧结矿的成品率提高 推行厚料层烧结 必须严格控制烧结机机速 确保烧好 烧透 使高温固结时间延长 液相充分形成 发展 矿物结晶完善 从而达到改善烧结矿内部结构和提高烧结矿质量 的目的 2 厚料层与生产率的关系 32 实行厚料层烧结可能减少生产率 因此 通过讨论厚料层烧结中影响的生产率因素 进而采取措施 来提高生产率 厚料层是否降低生产率可由下面经验公式来说明 P A H P n 式中 P 透气性参数 抽风量 m min A 抽风面积 m H 料层高度 m P 抽风负压 t m N 一般取 0 6 由于烧结垂直速度 V 与抽风量成正比 公式可改写为 P KV1 H P 0 6 通过公式可以 看出 1 若料层高度 H 上升 透气性 P 没改变 抽风负压 P 未变 此时垂直速度 V1 必下降 产量也要下降 若提高料层后 成品率的提高不能补偿它 则产量下降 2 若 H 上升 P 不变 使 P 有可能上升 垂直速度 V1下降比 少一些 如此下 降产量与成品率增加相当 则产量不减或稍减 3 若 H 上升 P 不变 而料层 P 改善 垂直速度 V1比 下降少一些 若 V1下 降引起产量损失与成品率增加相当 则不仅产量不减 反而略有提高 因此要想在厚料层作业的同时不使烧结减产 我们可以提高料层透气性 提高风机 的抽风负压能力及降低料层阻力 堵塞漏风等措施 1 5 6 高碱度烧结 高碱度烧结矿出现于 20 世纪 60 年代 以其碱度高 冶金性能优良 具有 FeO 低 还原性好和强度高等特征 根本原因是其主要粘结相为铁酸钙 SFCA 系矿物 所谓高 碱度烧结矿 是指除满足自身造渣需要的碱性氧化物外尚有多余的 CaO 可供天然富矿 或球团矿中的酸性脉石造渣 即能起熔剂作用的烧结矿 高碱度烧结矿的研究和生产是 在自熔性烧结矿大规模生产的基础上提出来的 高碱度烧结矿的优良特性及形成的具体 原因是 1 机械强度好 还原性好 烧结矿碱度是决定铁酸钙生成量的一个关键因素 适 当提高碱度为促进还原性和强度均较好的铁酸钙生成 而还原性差的玻璃质减少 另外 由于大量的 呈网状分布的铁酸钙将磁铁矿溶蚀 形成强度和还原性较好的溶蚀结构 此外 由于高碱度烧结矿的熔体表面张力较大 烧结过程不易被风吹成薄壁大气孔 这 些都有助于改善烧结矿的机械强度和还原性 2 粒度组成均匀 由于烧损大 残存率低 收率大 加之料层温度较低 不易产 生过熔 因而大块烧结矿减少 再因高碱度烧结矿强度好 粉化现象少 故粉末含量降 低 因此高碱度烧结矿粒度组成比较均匀 3 低温还原粉化率较低 由于高碱度烧结矿因铁酸钙的形成 使赤铁矿含量明显 减少 所以还原粉化率降低 适当提高碱度有利于改善烧结矿的强度和还原性 但是过高的碱度反而会破坏其强 度 当碱度高于 2 2 2 4 时 易生成铁酸二钙 2CaO Fe2O3 使得烧结矿中出现裂纹 强度降低 此外 碱度过高很容易造成烧结矿的碱度波动 影响其质量的稳定性 33 1 5 7 硅含量对烧结矿质量的影响 烧结矿中硅含量的高低对高炉冶炼具有重要的影响 降低烧结矿中硅的含量可以减 少高炉冶炼过程中产生的渣量 减薄软熔层 提高滴落带的透气性 因而有利于高炉顺 行和降低焦比 同时 减少渣量还有利于增加高炉的喷煤量 通常 烧结矿中 SiO2每降 低 1 高炉焦比降低 2 生产率提高 3 高炉冶炼入炉矿 SiO2含量每增加 1 平 均渣量将增加 26 3 由此可见 SiO2含量高是大渣量的源头 在烧结矿使用比例高的 情况下 100kg 渣量将影响焦比 3 0 3 5 影响产量 4 0 4 5 19 因此 降低烧结 矿中硅含量对高炉冶炼非常有利 烧结矿中硅含量的降低同时也带来了强度低 还原性差和低温还原粉化率高等问题 如果为了减少高炉渣量而单方面减少烧结矿中 SiO2含量 在相同碱度和相同焦粉用量条 件下 生成的液相量减少 矿物颗粒之间仅靠点接触粘结 呈分散结构 故影响了烧结 矿的强度 同时烧结矿的生产率 还原粉化率指数等质量指标也会变坏 当烧结矿碱度 一定时 同时降低 SiO2和 CaO 含量 烧结矿的强度 成品率及烧结生产率都下降 RDI 指标恶化 究其原因 从宏观上来看 是因烧结过程中液相量减少 流动性下降 引起 烧结料层的热态透气性降低 另外一个原因是由于烧结矿的低温还原性提高 从微观结 构分析 则是矿物组织中铁酸钙和硅酸盐粘结相数量减少 局部区域物颗粒之间仅靠点 接触粘结 呈松散状结构 加之再生赤铁矿增加 气孔率上升所致 硅含量降低后 生 成出高品质烧结矿烧结的关键在于形成有利于产生铁酸钙的条件 抑制钙铁橄榄石的生 成 SiO2含量降低 造成烧结过程粘结相减少 如果在烧结过程中不能够采取有针对性 的强化措施 对烧结矿的强度 还原粉化性以及烧结机的生产率等会产生不利影响 34 35 近年来 鞍钢矿山系统进行提铁降硅工艺改造 铁矿石品位从 60 左右提高到 68 左 右 SiO2从 8 降到 6 左右 但提铁降硅使烧结原则结构发生很大的变化 在提铁降硅 后 如何稳定和提高烧结矿质量 满足高炉冶炼要求 已成为烧结矿生产技术研究的关键 2 A 矿粉烧结实验研究 澳大利亚的 A 铁矿粉是一种新开采的铁矿粉 青岛钢铁公司为了在烧结厂使用这种 新型矿粉在实验室进行了 A 矿粉烧结性能实验研究 具体研究工作如下论述 2 1 实验方法及实验设备 2 1 1 实验方法 1 配料 烧结配料是将各种准备好的烧结原料 按计算确定的配比及烧结杯实验过程所需量 进行配料 本实验的配料组成按实验方案设计中各种原料组分的组成比例为基准进行配 料 2 混料 准确称取各种烧结配料后 进行混料 使各组分分布均匀 并保证烧结矿成分稳定 为了获得良好的混匀与制粒效果 要求根据原料性质合理选择混合段数 本实验混料分为一次混料和二次混料 一次混料在混料机内进行 目的是混匀并加 水润湿 使烧结料的水分 粒度和料中各组分分布均匀 以满足烧结料制粒的需要 外 加 8 左右的水分可使生石灰消化而有利于二混时烧结料的制粒 二次混合是在圆筒造球 机内完成的 其目的除继续混匀外主要作用是进行烧结料的制粒 混合料进入圆筒造球 机内后物料随其旋转 在离心力 摩擦力和重力作用下运动 各组分相互掺和混匀 同 时混合料被水润湿后在水表面张力的作用下 细粒物料聚集成团 在和圆筒一起转动的 过程中受各种机械力作用不断压实和长大 达到一定粒度的烧结料 为了能使烧结原料更好地混合 使燃料 焦粉 分两次加入 一次混料时加入 50 当 圆筒造球机转完 3min 后 再加入另外剩余的焦粉 当圆筒造球机共转完 4min 后二次混 合完成 取出已形成适宜粒度小球的烧结料准备进行烧结杯实验 3 测定烧结料水分和粒度分布 水分测定 采用烘干法测定烧结料含水量 称取 M0 1 kg 烧结料 放入 110 烘箱 内进行烘料 时间为 1h 取出称其重量 M1 烧结料的水分含量为 M0 M1 M0 100 粒度分布测定 称取 1 kg 烧结料 进行烧结料粒度分析 采用人工筛分获得 10 mm 5 10mm 3 5 mm 1 3mm 和 1 mm 5 个粒级的比例 4 烧结实验 进行烧结实验前在烧结杯中加入铺底料 即在烧结料与篦条之间应铺上一层不含燃 料的炉料 主要作用是为了减小烧结终点时热烧结矿对篦条烧坏的消耗量 维持固定的 有效抽风面积 延长抽风机转子寿命和改善烧结操作条件 在向烧结杯中装入烧结料之 前 先称取粒度 10 15 mm 的烧结矿 1 kg 装入烧结杯中铺平作为烧结底料 然后将已形 成适宜粒度小球的烧结料均匀装入烧结杯中 进行点火抽风烧结实验 同时进行烧结料 的粒度组成 水分含量和进入烧结杯的烧结料重量的检测 在烧结废气温度达到最高温 度并开始下降后烧结结束 进行冷却 冷却到 200 停机 进行烧结矿成品检验 5 成品检测 将烧结终了的烧结矿进行热破碎后取出 称量并进行成品检验 首先进行烧结矿落 下强度检验 落下高度 2 m 4 次 然后通过筛分得到 40 mm 5 个不同粒级的烧结矿 并称取各粒级含量 5 mm 的烧结矿按照各自重量比例共取 3kg 装入转鼓内进行转鼓强度检测 通过实验达到烧结矿的指标如垂直烧结速度 烧损率 成品率 利用系数 转鼓指 数 燃耗 计算公式分别如 2 1 2 5 所示 2 1 min mm 烧结时间 料层高度 垂直烧结速度 2 2 100 装料量 铺底料重量 烧结饼重量装料量 烧损率 2 3 100 铺底料重量烧结饼重量 铺底料重量成品矿重量 成品率 2 4 21 mht 烧结面积烧结时间 铺底料重量成品烧结矿重量 利用系数 100 2 5 入鼓烧结矿重量 的重量转鼓后 转鼓指数 mm3 6 6 冶金性能检测 烧结矿还原性测定 还原性指数 RI 测试方法 还原性按国家标准 GB13241 91 测定 取样