点击下载——四川德胜烧结工程设计及提高烧结矿强度生产实践探讨.doc
四川德胜烧结工程设计及提高烧结矿强度生产实践探讨
姜杉杉1，王代军2
(1.北京中冶和坤天冕工程技术有限公司，北京100711;2.北京首钢国际工程技术有限公司，北京100043)
摘 要：钒钛磁铁精矿具有低铁、低硅、高钛、高亚铁等特点，以此为主要烧结铁矿原料的烧结矿，容易生成高熔点的矿物，使得烧结矿的强度降低。针对这些难点，德胜烧结工程采取单设燃料破碎、集中配料、强化制粒、新型宽皮带加九辊布料、实施低硅高碱度和厚料层烧结技术;烧结机采用集中智能润滑系统和板簧密封滑道、在烧结机头尾设计柔磁性密封装置来降低漏风率;工程建成投产后，以钒钛磁铁精矿为主要原料的烧结矿强度达到72%以上，烧结工序能耗为49.34kg/t。
关 键 词：钒钛磁铁精矿;措施;转鼓指数;厚料层烧结
四川德胜钢铁集团在乐山沙湾区原有2台规格为75m2和90m2烧结机，2009年，在国家拉动内需和四川灾后重建的形势下，四川德胜钢铁集团启动100万t规模高强度含钒抗震建筑工程材料综合技改项目，拟建设1台烧结机面积260m2的烧结工程，由北京首钢国际工程公司总承包。设计烧结机利用系数1.25t/(m2·h)，年产烧结矿257万t，为高炉提供强度好的炉料。德胜烧结铁矿原料以钒钛磁铁矿为主，鉴于钒钛磁铁矿特点：由于TiO2质量分数较高，SiO2质量分数低、且粒度粗、成球性差，在烧结过程中其生成液相量不足，烧结矿难以实现很好的黏结，且还生成不利于烧结矿固结的CaO·TiO2相，致使钒钛烧结矿的脆性大、强度差、粉化率高[1]。低温还原粉化率高达60%～70%，比普通烧结矿高出2～3倍[2]。设计德胜烧结工程，针对钒钛磁铁矿的烧结特性，通过采用一些技术措施，工程建成投产后烧结矿强度达到72%以上。
1 钒钛磁铁精矿烧结矿强度低存在的难点
1)提高烧结矿强度难。钒钛磁铁精矿含有较高的钛、铝，TiO2质量分数高达11%，Al2O3质量分数高达3%～4%;SiO2质量分数在4.5%左右，用此矿为烧结主要铁矿原料，烧结矿强度难于提高。
2)精矿粒度粗，严重影响制粒性能。钒钛磁铁精矿粒度粗，生产用精矿-0.074mm粒级仅58%左右，实际生产中还存在有+1.0mm粒级，是国内粒度较粗的精矿。且其粒度呈较规则的圆球状，比表面积仅491.17cm2/g。因此，经二次混合后，精矿仅少量黏附在核粒上，导致烧结垂直烧结速度慢、料层薄，影响了烧结矿质量，尤其是强度。
3)矿石初始熔点高，生成液相量少。钒钛磁铁精矿含有较高的TiO2与Al2O3，初始熔点在1300℃以上，比普通铁矿石的初始熔点(1000～1100℃)高得多，而且软化区间窄，不到100℃。为此，液相难于生成且生成量少。同时由于SiO2质量分数少，生成的硅酸盐液相量亦少，并且因加入的CaO绝对量少(即使碱度很高)以及烧结温度高，要大量发展铁酸盐体系较困难。因此钒钛磁铁精矿烧结生成的液相量(20%～30%)要比普通矿烧结矿少10%～15%。结晶相以硅酸盐、钙钛矿为主，铁酸钙较少，甚至钛赤铁矿(TiO2·Fe2O3)和钛磁铁矿(TiO2·Fe3O4也起连晶作用[2]。
4)烧结过程中生成的钙钛矿较多，而铁酸钙较少。钙钛矿是在高温(>1300℃)和还原性气氛下生成的，TiO2通过液相扩散与CaO生成CaO·TiO2。钙钛矿与铁酸钙呈相互消长关系[1，3]。固相反应生成的铁酸钙在1200℃发展迅速，但在1280℃又很快离解成Fe2O3和CaO，Fe2O3又被还原成Fe3O4，CaO浓度增大而和TiO2生成CaO·TiO2，其反应式如下：
CaO+TiO2→高温CaO·TiO2 (1)
ΔG =-19100-0.8TCaO+Fe2O3→高温CaO·Fe3O4 (2)
ΔG =-1700-1.15T
由反应式(1)和(2)可以看出，高温有利于以上2个反应的进行，但在烧结温度范围内，钙钛矿比铁酸钙更容易生成，在高温(>1250℃)下，铁酸钙难以稳定存在。而钙钛矿熔点高达1970℃，在冷却结晶过程中总是最先从熔体中析出，而且以一种黏结相存在，分散于硅酸盐渣相和钙钛矿之间，削弱硅酸盐渣相的连接作用及钛赤铁矿与钛磁铁矿的连晶作用。钙钛矿是一种韧性差、脆而硬的矿物，单体抗压强度83.36MPa，显微硬度高达9738MPa，比其他矿物的硬度高得多。这就是钒钛烧结矿强度差、硬度大的主要原因，因此，这种烧结矿对设备的磨损也特别严重。
2 提高钒钛磁铁烧结矿强度的措施
针对钒钛磁铁精矿烧结存在的以上问题和其烧结工艺自身特点，设计德胜烧结工程，借鉴首钢京唐烧结工程(由北京首钢国际工程公司设计)先进经验和攀钢钒钛磁铁矿烧结经验，确定本工程烧结机利用系数为1.25t/(m2·h)，设备选型能力按烧结机利用系数1.4t/(m2·h)配备。并采取一系列技术措施，以此提高钒钛磁铁矿烧结矿强度。主要设计技术经济指标见表1。
2.1 单设燃料破碎工序
燃料破碎设有粗破碎和细破碎工序。粗、细破碎工序布置在一个厂房内，处理能力为40t/h。从燃料受矿槽输送来的焦粉或无烟煤(25～0mm)用带式输送机直接给到1台1200mm×1000mm对辊破碎机进行粗破作业，破碎至12～0mm。粗破碎前的带式输送机上设有2台电磁除铁器，去除铁杂物。粗碎后的燃料通过可逆带式输送机给到2个有效容积为30m3的分配仓，每个仓下设有给料胶带机和除铁器。粗破后的产品由带式输送机输送，通过2台1200mm×1000mm四辊破碎机进行细破碎，细碎至3～0mm的合格燃料用带式输送机送至配料室燃料仓。
2.2 集中配料结构
配料室采取单列布置，共设16个矿仓，主要料种存料时间12h以上。混匀矿设6个矿仓，矿仓上采用移动可逆胶带机向各配料仓给料;燃料设2个矿仓，白云石、石灰石各设1个仓，仓上采用移动可逆胶带机向4个料仓给料;生石灰设3个矿仓，除尘灰设1个矿仓，生石灰和除尘灰采用气力输送上料;冷返矿和高炉返矿共设2个矿仓，仓上采用固定可逆胶带机向料仓给料。
混匀矿仓下采用2800mm圆盘给料机排料、配料电子秤称重给料;燃料和熔剂及冷返矿直接用半封闭配料电子秤拖出;生石灰和除尘灰通过星形叶轮给料机给到全封闭配料秤上，再通过消化器或加湿机进行消化或加湿。以上几种原料按设定比例经称量后给到混合料H-1带式输送机上，运往一次混合室。其中烧结铁矿原料以“钒钛磁铁精矿+普通进口矿粉+均化矿粉(高炉返生料、矿石加工后产生的粉等场地杂料)”为主。铁矿原料化学成分见表2，配料室矿槽分布表见表3。
2.3 强化制粒
2.3.1 采用大配比的生石灰强化制粒
1)烧结使用生石灰的作用机制。理论研究与生产实践表明，生石灰对改善烧结混合料制粒具有显著的效果。其主要作用机制如下[3]。
①提高了准颗粒的分子黏附力及其热稳定性。
生石灰消化后，呈极细的消石灰胶体颗粒，平均比表面积增加到30mm2/g，比消化前小于0.5m2/g增大了60倍以上。胶体Ca(OH)2颗粒表面选择性吸附溶液中的Ca2+而带正电荷，而在周围又相应地聚集了一群OH-构成胶体颗粒的扩散层，这层离子又能水合而持有大量的水分，构成相当厚的水化膜，使得精矿粉等极易黏附在Ca(OH)2颗粒上。由于胶体颗粒持有水分的能力强，受热时水分蒸发不如单纯铁精矿球粒剧烈，热稳定性好，对提高烧结料层透气性十分有利。
②有利于减少过湿层影响。
生石灰加水消化为放热反应：
CaO+H2O=Ca(OH)2 (3)
ΔH =15.5×4.187kJ/mol(CaO)
生石灰在充分消化的条件下，一般可提高混合料温30～60℃。混合料温度的提高，使其在“露点”以上，能减轻烧结过程的过湿层影响，改善料层的透气性，提高产量。此外，生石灰还具有减少烧结过程中碳酸盐的分解热、节约固体燃料消耗，活化燃料的燃烧、加快燃烧反应速度，促进液相生成等作用。
2)设计效果。鉴于生石灰的作用机制，在配料室设置3个生石灰仓，每个生石灰仓下设计2个出口，呈“裤衩”形状;生石灰采用气力输灰上料，通过星形叶轮给料机给到全封闭配料秤上，再通过消化器进行消化，消化后给到混合料带式输送机上。工程建成投产后，烧结混合料制粒效果明显，是提高料层透气性、增产节能和提高烧结矿强度最主要的措施。
2.3.2 混合强化制粒
1)一次混合。配好的各种原料经带式输送机运至一次混合室进行混匀，同时在混合机内加水进行润湿。一次混合设置1台3.6m×16m圆筒混合机，混合机正常处理料量为520t/h，安装角度2.0°，混合时间为3.61min，填充率为13.63%。润湿混匀后的混合料由带式输送机运往二次混合室造球。
2)二次混合。经一次混合后的混合料经带式输送机进入二次混合机，适量加水，进行造球。二次混合设置1台4.0m×20m圆筒混合机，筒体内加挡料板、使用尼龙塑料衬板减少黏料;混合机正常处理料量为520t/h，安装角度1.5°;采用机械调速技术，实现筒体调速，更有利于造球作业。正常转速6r/min，混合造球时间5.5min，填充率12.7%。
2.4 实施低硅高碱度烧结
由于钒钛磁铁精矿熔点高，生成的液相量少，影响烧结矿产质量与冶金性能，提高碱度可克服这些缺31陷。其主要原因是随着碱度的提高，烧结矿CaO质量分数增加，易与其他成分生成低熔点多元矿物，烧结熔点降低，生成液相量增加。特别是铁酸钙(CaO·Fe2O3)作为主要黏结相大量增加[4]，这就从根本上克服钒钛磁铁矿熔点高、生成液相量少的缺陷。
1)降低烧结料熔点。根据生产经验和查阅相关文献，钒钛精矿烧结料的熔点都比较高，均在1300℃以上，主要原因是TiO2与Al2O3含量较高，这也是钒钛矿烧结液相量少的主要原因。随着碱度升高，熔化温度逐渐降低，这主要因为生产了低熔点共晶化合物，铁酸钙和钙铁橄榄石增加的缘故。然而一味提高碱度，反会带来其他弊端，为此，设计烧结矿碱度为2.4。
2)改善烧结矿矿物组成。工程建成投产，试生产通过调整不同碱度，检测烧结矿物相组成及其体积分数见表4。
由表4可见，低硅高碱度与高硅低碱度烧结矿的矿物组成明显不一样，低硅高碱度烧结矿黏结相以铁酸盐为主，体积分数高达30%以上，硅酸盐和钙钛矿体积分数减少，钛磁铁矿体积分数变化不大，钛赤铁矿体积分数明显减少，钛磁铁矿与钛赤铁矿仍然是主要铁矿物。因此，低硅烧结通过提高碱度和料层厚度，增加普通矿配比，控制(FeO)烧结温度，实施高氧位烧结，烧结矿矿物组成和矿相结构可得到改善，从而获得优质黏结相与矿物。
2.5 应用宽皮带加辊式布料
国内外烧结研究与实践表明，通过磁性辊式偏析布料，可实现混合料按粒级大小分层布料，使混合料粒度从料层上部到底部逐步加大，固定碳含量从料层上部到下部逐渐降低，与烧结过程的自动蓄热相结合，使整个料层的热量分布均衡，从而提高表层烧结矿成品率和强度，避免下层烧结矿过熔，使烧结矿质量均衡[5]。因此，吸收和借鉴国内外先进经验，采取宽皮带加磁性辊式布料技术。混合料由带式输送机从二次混合室运到烧结主厂房，采用梭式布料器给到烧结机的混合料矿槽内，混合料矿槽采用称重传感器测量料位。混合料经过新型宽皮带机和九辊布料器均匀地布到烧结机台车上，九辊布料器各辊采用独立电机传动。
2.6 厚料层烧结
厚料层烧结是提高产量、强度，降低能耗的重要技术，推行厚料层烧结必须创造条件，即改善料层透气性，这对钒钛磁铁精矿烧结尤为重要。对此，采取以下措施。
1)争取条件，提高精矿中-0.074mm粒级含量，改善其制粒性能。要求56%品位钒钛磁铁精矿-0.074mm粒级达到55%以上。
2)生产中调整生石灰配比，并注重提高CaO质量分数，强化制粒与烧结作用。采用热风烧结技术，将在环冷机引风口引出高温废气至烧结机点火保温炉后段，可充分利用热能，降低固体燃料消耗。
3)提高混合料水分和料温。一、二次混合机均设加水，混合料水分达到烧结要求，混合料制粒效果好。经测定：大于3mm粒级含量在75%左右，改善了料层透气性。
4)铺设底料。为了改善料层透气性和提高烧结矿产量，将筛分室10～25mm粒级的冷烧结矿通过带式输送机运送至烧结机头，先于混合料铺在台车上。有利于克服厚料层烧结中上层热量不足，下层热量过剩这种不合理的热分配现象。
5)为了达到烧结必要的料温，降低过湿层阻力，在烧结混合料矿槽上设蒸气预热，尽可能提高料温。该措施的实施，投产后效果明显，极大地增强了料层透气性，促进烧结顺利进行。
6)采用高负压转子，提高烧结负压。实践表明，高负压烧结是增产的重要手段，其主要作用是增加烧结风量。在烧结机机头配置2台豪顿华主抽风机，生产中，通过厚料层高负压，充分发挥了烧结风量的作用和效果。
7)生产高碱度烧结矿。通过调研了解到：2000年前，攀钢烧结矿碱度长期在1.7～1.9范围，混合料粒度细，透气性差;由于CaO低，烧结温度高，产生的液相量少，液相黏度大，烧结阻力高。攀钢烧结提高碱度后，这些缺陷得以克服，从而为厚料层烧结创造了条件。反过来，厚料层烧结又缓解了碱度提高后垂直烧结速度加快、结晶不充分的弱点，二者相辅相成。2006年，攀钢烧结矿碱度达到2.40，料层达到567mm[6]。因此，经综合研究讨论决定：德胜烧结矿碱度定为最大2.40，如能满足要求，可适当降低碱度，料层厚700mm，加强自动蓄热作用。
8)降低烧结机漏风率，由于烧结料层越厚，阻力越大，风箱负压越高，漏风率也相应增加，这给堵漏风工作增加了难度。烧结机抽风系统漏风主要体现在：台车在高温下变形磨损，风箱密封装置磨损、弹性消退，机头机尾处的风箱隔板与台车底部间隙增大，台车滑板与风箱滑板密封不严，相邻台车之间接触缝隙增大，抽风管道穿漏等。因此，有必要对烧结机滑道系统及机头、机尾密封板等部位进行优化设计[7]。其主要措施如下：采用德国进口宁肯双线自动润滑系统，确保滑道等部位润滑良好;滑道密封采用下滑道为双板簧密封、台车为固定滑板的密封方式;在烧结机头、尾采取全金属柔磁性密封装置;大烟道卸灰系统采用电动双层卸灰阀。
3 实施效果
德胜烧结工程于2010年9月投产，烧结矿指标新老烧结对比见表5。
由表5看出：德胜新烧结烧结矿指标优于老烧结;与表1比较，新烧结TFe、FeO质量分数和转鼓指数均达到设计指标，尤其碱度在1.78的情况下，烧结矿指标就达到要求。经过1a时间的稳定运行，烧结工艺及辅助设施在实际生产中消耗的能源折标准煤共计75.57kg/t，环冷机双余热锅炉回收余热生产蒸气59t/(h·台)，共计回收蒸气折标准煤26.23kg/t，详见表6。
4 结语
1)设计德胜烧结工程，针对钒钛磁铁精矿烧结矿强度低的特点，通过采取单设燃料破碎工序、集中配料结构、采用大配比的生石灰和一、二次混合及强化制粒、实施低硅高碱度烧结、采取新型宽皮带加九辊布料器以及推行厚料层烧结等措施。工程于2010年9月投产，有效实现钒钛磁铁精矿烧结混合料成球性好、烧结混合料布料均匀、烧结料层透气性好、烧结矿强度高。与德胜老烧结对比，烧结矿TFe、FeO质量分数和转鼓指数均优于老烧结。
2)经过1a时间的稳定运行，烧结工艺及辅助设施在实际生产中消耗的能源折标准煤共计75.57kg/t，回收蒸气折标准煤26.23kg/t，烧结工序能耗为49.34kg/t，达到设计要求，获得业主好评，并顺利完成工程验收。
参 考 文 献：
[1] 蒋大军.钒钛磁铁精矿的烧结特性及强化措施[J].烧结球团，1997，22(1)：4.
[2] 何木光，蒋大军，张义贤，等.提高钒钛磁铁精矿为主烧结矿强度的集成技术应用[J].四川冶金，2010，32(3)：7.
[3] 石军，何群.钒钛磁铁精矿烧结特性[G]//中国铁矿石造块适用技术.北京：冶金工业出版社，2000：146.
[4] 蒋大军，何木光，甘勤，等.超高碱度对烧结矿性能与工艺参数的影响[J].钢铁，2009，44(2)：98.
[5] 何木光.磁性辊布料技术的研究与应用[J].烧结球团，2006，31(1)：7.
[6] 何木光.提高钒钛磁铁精矿烧结矿强度的集成技术应用[J].烧结球团，2010，35(3)：52.
[7] 王代军，李长兴，王雷，等.首钢京唐500m2烧结机厚料层烧结生产实践[J].钢铁，2010，45(10)：18.33
客服电话0311-80927349 
客服传真0311-80927348 
客服邮箱gtjiacom@126.com
