厚料层烧结高度方向均质性研究分析

龙红明1，左俊1，王平1，李杰民2，施思强1，王阿朋1

(1．安徽工业大学冶金与资源学院，马鞍山243002；2．马鞍山钢铁股份有限公司第三炼铁总厂，马鞍山243000)

摘 要：经对某钢铁企业厚料层烧结矿进行4次取样分析，对上下层烧结矿成分和性能的差异进行了研究。结果表明，厚料层烧结矿上、中、下层成分偏析较大，其中碱度、FeO含量层次变化的规律性较强；烧结矿平均粒度和转鼓强度呈下层>中层>上层的分布，上层烧结矿转鼓强度比中下层低10％左右；上层烧结矿铁酸钙数量相对中层和下层较少，下层铁酸钙数量比中层略低；中层烧结矿还原性最好，达到89．25％，比上层和下层分别高出3．41％和2．76％；上层RDI+3．15，为85．73％，比中层和下层分别低6．72％和8．84％。料层高度方向烧结矿碱度和FeO含量的差异超过了合理偏析，对烧结矿综合性能不利。工业试验表明：将石灰石粒度>3mm比例由20．0％增加到350％，能有效提高烧结矿综合性能。

关 键 词：厚料层烧结；化学成分；转鼓强度；矿物组成；冶金性能

1 前言

烧结工艺的本质是混合料中的部分物料熔融产生液相并粘结其它未熔矿物而生成烧结矿，它在微观上是非均质的，但在宏观上希望烧结矿成分和性能是均质的。目前随着厚料层烧结技术的发展，料层厚度变高，烧结矿高度方向上均质效果变差。厚料层烧结具有能耗低、烧结矿强度好、成品率高、FeO含量低和还原性好等优点[1—3]，但同时也存在料层透气性差的缺点。偏析布料是改善料层透气性的常见工艺，通过使混合料粒度沿台车断面自上而下逐渐变粗而实现料层透气性总体改善，但也造成铁矿粉、熔剂在料层高度方向上分布不均匀，且随着料层变厚不均匀性增强。在厚料层更强的蓄热作用下，料层高度方向上热量分布存在很大差异。熔剂和热量分布的不均匀使得烧结矿上下层化学成分和性能产生明显差异，均质效果变差。

目前对厚料层烧结的研究主要集中在改善料层透气性和上下层热量分布方面[4，5]，而对厚料层高度方向上的分层研究很少，以至于缺乏对高度方向不同位置烧结矿成分和性能差异的深入了解。赵志星等[6]对首钢京唐大型烧结机料层结构物性参数的研究中，对混合料成分的偏析进行了研究，并认为混合料上下层熔剂偏析超出合理范围，对烧结矿性能产生不利影响，但没有对不同位置烧结矿进行成分和性能的研究。本文对某钢铁企业烧结机台车上沿料层高度方向不同位置烧结矿的化学成分、转鼓强度、矿物组成和冶金性能的差异进行了研究，通过工业试验，提出了有效的改进措施。

2 不同位置烧结矿的化学成分差异

2012年4—9月，对某钢铁厂400m2烧结机(长80m，宽5m，料层高度850mm)分上、中、下层进行了四次取样分析。在烧结机尾部密封罩前吊出台车，具体取样位置见图1。

四次取样的烧结矿成分见表1，各层烧结矿碱度、FeO含量的变化趋势见图2和图3。可以看出，四次烧结矿样各层的成分偏析均较大，其中碱度、FeO含量的层次变化规律性较强。

由于各层烧结矿SiO2的极差(最大0．39％)远小于CaO的极差(最大2．1％)，因此烧结矿R在各层的分布主要取决于CaO的分布。总体上，CaO呈自上而下逐渐减少，烧结矿中MgO含量的分布规律与CaO相同。

烧结矿R随料层从上到下逐层降低，下层烧结矿R最低。四次取样的三层R极差分别为0．50、0．35、0．25和0．24，平均极差0．34。高碱度烧结矿的还原性、转鼓强度等指标通常比低碱度烧结矿高[7]，厚料层烧结矿下层碱度偏低对烧结矿性能造成不利影响。R差异形成的主要原因是：熔剂粒度相对铁矿粉粒度较细、堆密度较小，且部分未能成为粘附粒子与铁矿粉成球，易分布在上层；而在偏析布料(取样烧结机使用的是圆辊—反射板布料器)作用下，粒度相对较大、堆密度较大的大颗粒铁矿粉易滚至料层下部，并使下层熔剂含量相对偏少。

烧结矿FeO，下层明显高于上层和中层，靠中层位置的烧结矿FeO值最低，四次取样的三层FeO含量极差分别为2．76％、1．39％、2．91％和1．97％，平均极差2．26％。烧结矿FeO含量高低由料层的温度和气氛决定。由于自动蓄热作用，且厚料层烧结蓄热作用更明显，烧结料层中燃烧层温度从上到下逐渐增高，下层燃烧层温度甚至达到1350℃以上。烧结矿中FeO主要是Fe2O3还原产生的，在高温下还存在Fe2O3的分解反应。分析认为，厚料层下层烧结矿FeO含量比上层和中层高，主要有以下三个原因：

(1)由Fe2O3还原反应的标准生成吉布斯自由能(见反应式1)可知，该反应为吸热反应，由于下层温度比上层高，更有利于该反应的进行；烧结过程整体上是氧化性气氛，但在大颗粒燃料周围会出现还原性气氛，而在偏析布料作用下大颗粒燃料更容易分布到下层，造成下层更多的局部还原性气氛，这也有利于该反应的进行。

3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2

△Gθ=﹣52130－41．0T    (1)

(2)由Fe2O3分解反应的标准生成吉布斯自由能(见反应式2)可计算得出，在燃烧层温度为1250℃时，氧分压为442Pa；燃烧层温度为1380℃时，氧分压为16914Pa，随着烧结温度提高，氧分压增大。而烧结过程中经过燃烧层进入预热层的气相氧的分压一般为7092～9119Pa，因此燃烧层温度增高时，Fe2O3的分解反应会加强[8，9]。

6Fe2O3=4Fe3O4+O2

△Gθ=586770－340．20T    (2)

(3)在900℃以上的高温下，Fe3O4被还原是可能的，特别是SiO2存在时，更有利于Fe3O4的还原，反应式为：

2Fe3O4+3SiO2+2CO=3(2FeO·SiO2)+2CO2    (3)

由于CaO的存在不利于2FeO·SiO2生成，所以也不利于反应式(3)的进行，因此当烧结矿碱度提高后，FeO有所降低。而厚料层烧结矿下层碱度比中层和上层低，因此对该反应的抑制作用减弱，不利于FeO含量的降低。

上层烧结矿由于冷却速度比中层快，所以发生在冷却过程中的Fe3O4再氧化反应时间比中层短，因此出现上层烧结矿虽然热量比中层少，FeO含量却比中层高的现象。

3 不同位置烧结矿的性能差异

3．1 不同位置烧结矿的粒度组成和转鼓强度

对第三次和第四次取样的烧结矿进行了粒度组成和转鼓强度测定。粒度组成测定是生产现场取样后，在实验室经2m高落下3次后测得；转鼓强度测定按ISO3271标准进行。检测结果列于表2。

从表2和图4可看出，烧结矿平均粒度和转鼓强度呈下层>中层>上层的分布。其中，中下层转鼓强度比上层高10％左右，下层转鼓强度比中层略高；随着位置下移，烧结矿中>25mm的比例增加，<10mm的比例逐渐降低，下层平均粒度较上层大4～6mm、较中层大1．5～3．9mm，两次取样检测结果得到相同的规律。下层烧结矿大颗粒比上层多，细粒级(﹣6．3mm粉末)比上层少，粒度组成明显优于上层。不同位置烧结矿转鼓强度和粒度组成产生上述差异的原因在于上层烧结矿在烧结过程中自动蓄热产生的热量较少，热量不充足，且在抽风作用下冷却较快，产生的玻璃质较多，故转鼓强度和粒度组成较差；中、下层自动蓄热能力增强，热量增加，加之烧结矿冷却速度较上层慢，液相结晶更完全，因此转鼓强度和粒度组成均优于上层。下层烧结矿由于热量充足，可能存在过熔，虽然自动蓄热能力更强，但转鼓强度与中层相比并没有太大提高。

3．2 不同位置烧结矿的矿物组成

对第四次取样的烧结矿进行了矿相研究，各层烧结矿的矿物组成列于表3。

矿相研究表明，上层烧结矿主要由交织—熔蚀结构和斑状、粒状结构构成，这两种结构榧互独立分布在烧结矿中，分别占85％和15％左右，铁酸钙主要为针状；中层烧结矿结构均匀，主要为交织—熔蚀结构，铁酸钙主要为针状和条状；下层烧结矿亦是由交织—熔剂结构和斑状、粒状结构构成，这两种结构分别占70％和30％，铁酸钙为针状和板状。三层烧结矿的交织—熔蚀结构矿相图如图5所示。由表3可看出，上层烧结矿铁酸钙数量相对中、下层要少，由于自动蓄热量少，热量不足，液相量少，这也导致烧结矿中原生赤铁矿较多，所以矿物组成中赤铁矿含量较中、下层高，上层烧结矿由于冷却较快，玻璃质含量也较高；中、下层的铁酸钙含量相对上层要多，说明在厚料层蓄热作用下，中层和下层热量比上层多；下层铁酸钙数量比中层略低，这可能是由于下层碱度较低，不利于铁酸钙的形成，同时蓄热作用使下层温度过高，部分铁酸钙发生分解。这也说明厚料层烧结存在上层热量不足，下层热量过多的不合理现象。

3．3 厚料层烧结矿的冶金性能

对第四次取样的烧结矿进行了冶金性能实验，包括低温还原粉化性和还原性。实验结果(表4)表明，中层烧结矿还原性最高，达到了89．25％，比上层和下层分别高出3．41％和2．76％。结合矿相研究认为，上层烧结矿铁酸钙数量较少，且玻璃质较多，而下层出现了部分板状铁酸钙与磁铁矿的熔融结构，同时下层FeO含量为三层中最高，这两个因素均对还原性不利[10]，因此，上层和下层烧结矿RI较低。上层烧结矿低温还原粉化性最差，且与中、下层烧结矿差距较大，这主要是因为上层烧结矿赤铁矿含量较多，赤铁矿在还原成磁铁矿时体积膨胀产生内应力，造成低温还原粉化。

4 厚料层均质烧结研究

冶金行业标准YB／T421—2005规定，优质烧结矿碱度波动为±0．08，FeO含量在基准值±0．5％内。从上述研究可以看出，厚料层烧结时碱度和FeO含量的偏析明显过大。FeO含量的差异在一定程度上反映出热量分布的不均匀，并由此导致上层烧结矿强度差、低温还原粉化较高，下层烧结矿还原性较差等问题。料层中碱度和FeO含量差异较大，对烧结矿性能产生了不利影响，也不利于高炉的稳定顺行。由造成碱度和FeO含量差异的原因可知，通过调整熔剂和燃料的粒度组成、采用热风烧结、延长保温段长度等措施提高上层烧结矿热量，均可改善厚料层烧结的均质效果。

烧结杯试验表明，改变石灰石粒度组成的效果最好。改进前熔剂中石灰石>3mm的比例为20．0％，当石灰石>3mm比例为30．0％～35．0％时，烧结矿均质效果较好，且烧结矿综合性能指标有所提高。根据这一试验结果，2012年9月在烧结机(前期取样烧结机)上进行了8天的工业试验。试验中，以石灰石粒度改进前作为基准期，改进后石灰石>3mm比例为35．0％，其它条件不变，改进前后正常生产取样，烧结矿的综合指标见表5。

由表5可看出，石灰石粒度改变后，上下层碱度和FeO含量极差明显减小，烧结矿各项指标均有提高，均质效果改善。石灰石中大颗粒增加后，布料时部分大颗粒石灰石易分布到下层，有利于改善上下层碱度偏析；同时，上层石灰石含量减少，石灰石分解耗热减少，而下层石灰石含量增加，吸收了过多的热量，有利于改善料层的热量分布，降低FeO含量极差。故而，从总体上提高了料层的均质效果，使烧结矿的综合指标有了较大改善。

5 结论

1)对某厂400m2烧结机进行4次分层取样分析表明，厚料层烧结时，上、中、下层烧结矿成分偏析较大，其中碱度、FeO含量的层次变化规律性较强，且数值差异较大，4次取样三层烧结矿FeO的平均极差为2．26％，碱度平均极差为0．34。

2)厚料层烧结矿平均粒度和转鼓强度呈下层>中层>上层的分布，其中中、下层转鼓强度比上层高10％左右，下层烧结矿平均粒度较上层大4～6mm。上层烧结矿铁酸钙数量相对中层和下层较少，赤铁矿和玻璃质相对中下层较多；下层铁酸钙数量比中层略低，磁铁矿数量相对中层和上层较高。冶金性能实验结果表明，中层烧结矿还原性最好，达到89．25％，比上层和下层分别高出3．41％和2．76％；上层低温还原粉化性相对中层和下层较差，RDI+3．15为85．73％，比中层和下层分别低6．72％和8．84％。

3)烧结矿碱度和FeO含量偏析超过合理范围，会对烧结矿成分和性能产生不利影响，不利于高炉稳定顺行。增大熔剂粒度试验结果表明，石灰石中>3mm比例从20．0％增加到35．0％，上下层碱度和FeO含量极差明显减小，烧结矿均质效果改善，各项指标均有提高。

参 考 文 献：

[1]   陈东峰，胡夏雨，黄发元，等．不同厚度和不同部位烧结矿质量指标变化规律[J]．烧结球团，2012，37(3)：5—10．

[2]   冯根生，吴胜利，赵佐军．改善厚料层烧结热态透气性的研究[J]．烧结球团，2011，36(1)：1—5．

[3]   王代军，李长兴，王雷．首钢京唐500m2烧结机厚料层烧结生产实践[J]．钢铁，2010，45(10)：18—23．

[4]   吴胜利，陈东峰，赵成显，等．提高厚料层烧结矿烧结燃烧燃烧性的试验研究[J]．钢铁，2010，45(11)：16—24．

[5]   欧大明，孙骐，沈红标，等．焦粉粒度对铁矿石烧结过程的影响[J]．钢铁，2008，43(10)：8—13．

[6]   赵志星，安钢，裴元东，等．京唐大型烧结机料层结构性参数和混合料性能测定[C]．2012年全国炼铁生产技术会议暨炼铁学术年会文集(下)．无锡，2012：720—726．

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