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不同台时产量条件下烧结矿粒度分布的分形特征简述

张义明，司新国，赵二敏，范文生，王国华，周静，程翠华

(河北钢铁集团唐钢公司，河北 唐山 063020)

摘 要：通过对唐钢南区不同台时产量下烧结矿粒度分布规律的研究，计算得出了其粒度分布的分形维数，线性相关系数均大于0．97，说明采用分形理论定量表征烧结矿在不同台时产量条件下的粒度组成是可行的。结果表啊：分形维数首先随台时产量的增加而减小，直至台时产量达460t／h后逐渐增加，在一定程度上评估了唐钢南区烧结机台时产量的合理范围。结合现场数据，解释了烧结矿转鼓强度、成品率随分形维数增加而降低的原因，从而为实际生产中表达烧结矿相关机理提供了新的研究方法。

关 键 词：烧结矿；粒度分布；分形理论；台时产量

1 前言

烧结矿是高炉冶炼的主要原料，其质量的优劣直接影响高炉炉况和钢铁产品质量，因此加强烧结矿质量评估和控制具有重要的现实意义。由于烧结过程是一个工艺流程长、影响因素多、机理复杂的动态系统，其特点使得对烧结矿质量的检验具有大滞后性，检测结果相对较晚，无法直接用于指导烧结配料操作。因此，开发基于现场易于采集数据来判断烧结矿质量的体系，对于烧结生产具有十分重要的意义^[1]。

分形理论是研究复杂的非线性问题最有效的数学工具之一，20年来已经发展到各个学科领域，它可以将不能定量描述或者难以定量描述的复杂现象用一种便捷方法定量表达出来^[2]。本世纪初，河北理工大学张玉柱教授带领的课题组最早提出将该理论应用于烧结，基于烧结杯实验数据以及烧结矿显微结构的二维图像来定量解析烧结矿粒度分布的分形特征，开启了分形理论在烧结领域应用的新篇章^[2-4]。本文结合唐钢公司现有条件，将该理论引入烧结过程中，服务并指导现场生产，从而使分形理论在实际烧结生产中的应用又向前迈进了一步。

本文采用生产现场易于获得的烧结矿粒度组成，引入分形理论定量解析唐钢公司炼铁厂南区360m²烧结机的实际生产数据，来判断烧结矿性能随台时产量的变化规律，为烧结生产控制提供新的理论依据和研究方法。

2 原燃料性质与工艺流程

2．1 原燃料性质

唐钢公司炼铁厂南区烧结系统所使用的主要原料有：进料车间供应的混匀矿、焦粉以及高炉返矿；直接对外采购的生石灰；钢区提供的污泥、自身产生的冷返矿以及各种含铁粉尘。为了研究准确，数据具有较强对比性，本研究选取了原燃料成分和配比波动较小的时间区段，其混匀矿、石灰和焦粉的平均成分列于表1～表3。

2．2 工艺流程

根据唐钢南区烧结车间原燃料特点及供应方式不同，其烧结工艺流程如图1所示，其特点是以污泥替代了一混加水，变废为宝，以利于资源综合利用。

3 结果与讨论

3．1 生产结果

唐钢南区烧结车间的主要任务是为该区3200m³高炉提供优质烧结矿，因此本研究所用烧结矿取自高炉槽下，其质量对高炉生产的影响更具有代表性。取样筛分后，不同台时产量条件下的烧结矿粒度组成如图2所示，其对应样品的冷态性能(即成品率和转鼓强度)列于表4。

由图2可知，不同台时产量条件下，烧结矿粒度组成具有变化趋势一致的特点，即随粒度增大其量增多，直至25～40mm区间，最后减小。但对于某个具体粒级而言，其百分含量与台时产量之间并不存在明显的变化规律，无法直观地定量表征烧结矿质量的优劣。

3．2 分形维数的计算与分析

结合分形原理及烧结矿筛分粒度质量积累情况(式(1))，可得式(2)，即建立分形维数D与定量b的关系(式(3))^[4]。

通过对烧结矿样品粒度分析结果的研究，如果log(m(r)／m)-10g(r)在直角坐标下，进行线性拟合，其线性相关性表明其分布的分形结构。结合式(3)，计算烧结矿粒度分布的分形维数值D。根据图2生产结果，在不同台时产量条件下计算常数b和分形维数D，如表4。

表4中拟合数据表明，在不同台时产量条件下，唐钢南区烧结矿粒度组成采用式(3)处理后，其线性相关系数均在0．97以上，相关性较强，表明烧结矿粒度分布具有明显的分形结构和分形特征。分形维数分布在0．25~0．45区间，其值越大，烧结矿细粒级所占比例就越大，粒度分布混乱度越显著，相对较复杂，不利于烧结矿质量指标的优化与研究。

3．3 分形维数随台时产量的变化趋势

根据表4数据列出了不同台时产量条件下烧结矿分形维数的变化趋势，见图3。从图3可以看出，在现有工艺与原燃料条件下，唐钢南区烧结矿分形维数先随台时产量的提高而降低，相应颗粒混乱度逐渐减小，粒度组成趋于变好，台时产量达到450t／h时变化趋势趋于平缓，460t／h时达最小值，即0．267；而后，分形维数随台时产量继续提高而增加，烧结矿颗粒混乱度增加，致使其粒度组成恶化。因此，单纯考虑分形维数的变化，在此生产工艺和参数条件下，唐钢南区烧结机比较合理的台时产量是460t／h左右。

3．4 分形维数与成品率、转鼓强度的关系

结合表4中的分形维数与成品率、转鼓强度的实际生产数据，建立了唐钢南区烧结矿冷态性能与台时产量的关系，如图4。

台时产量在390～480t／h区间，烧结矿转鼓强度随分形维数的增加而逐渐减小，说明分形维数可以从机理上定量解析烧结矿转鼓强度，证明了引入分形理论来解释烧结机理的可行性。烧结矿成品率与分形维数的变化关系，在整体上相同，即逐渐减小，但在分形维数0．367~0．381区间出现了波动，因此在整个区间，单纯考虑成品率与分形维数关系具有一定的局限性。

考虑图3中分形维数随台时产量的变化情况，在研究烧结矿冷态性能的分形机理时，以最小分形维数为分界点，分别建立两者间的关系，如图5(a)和5(b)。从两图中参数关系可以看出，以台时产量460t／h为分界点，烧结矿转鼓强度、成品率随分形维数的变化趋势，具有相同的特征，即逐渐降低。结果表明以台时产量460t／h为界，可以在唐钢南区烧结区域引入分形理论来定量描述烧结矿冷态性能问题。

3．5 分析与解释

为了更加合理地解释不同台时产量条件下烧结矿分形维数的变化趋势，提取实际生产数据，并选取具有代表性的烧结矿样品进行化学成分分析，其结果列于表5。

原料与燃料配比分析：生石灰的主要成分是CaO，本车间采取添加污泥(含H₂O约75％)消化生石灰的方式，CaO遇H₂O发生消化放热，能提高混合料料温，增强成球性，在烧结过程中起到强化作用。表5中数据表明，生石灰配比随台时产量的提高而增加，因此在台时产量开始提升的过程中，烧结矿转鼓强度和成品率逐渐增高，改善了烧结矿的粒度组成，其粒度混乱度降低，促使烧结矿粒度筛分的分形维数逐渐降低。但随台时产量继续提高，可能出现部分生石灰未消化完全的现象，其强化烧结的作用不能充分发挥，进而使烧结过湿层增厚，烧结速度降低，矿物结晶不完全，烧结矿冷态性能变差，其粒度组成的混乱度增加，分形维数出现增加的现象。从焦粉配比可以看出，烧结矿粒度分形维数和冷态性能存在一定关联，在现有工艺和生产条件下，三个考核参数的最佳匹配值出现在焦炭配比的中游水平，即焦粉过高或过低都会影响烧结矿的粒度分布，不利于完好的自形晶产生，会伴随部分半自形晶和少量它形晶，使得生产过程中出现图4和图5的变化关系。

烧结矿化学成分分析：在台时产量低于460t／h时，烧结矿碱度控制比较稳定，在1．90左右，而后出现下降趋势。有资料表明，高碱度是提高烧结矿转鼓强度和成品率的主要措施之一，因此后期烧结矿转鼓强度和成品率逐渐降低，伴随强度变化，其粒度分布出现恶化，致使其分形维数在台时产量高于460t／h时逐渐增加。同时FeO水平是液相形成的主因，当FeO含量逐渐减少时，液相生成和流动性变坏，烧结矿结块效果变差，影响到强度和成品率，致使烧结矿粒度组成恶化，结合表5中FeO与台时产量的对应关系，当台时产量大于460t／h时，FeO含量逐渐降低，因此烧结矿分形维数与冷态性能的变化在台时产量高于460t／h时出现图4和图5的情况。适量的SiO₂是烧结矿液相生成的必要条件之一，生产过程中必须合理控制SiO₂的水平，其量过高会产生粉化现象，过小又会使烧结液相不足，均会影响烧结矿转鼓强度和成品率。SiO₂含量为5．29％和5．30％时，对应的台时产量在450～460t／h，此时SiO₂含量既满足了烧结过程中液相的生成条件，又抑制了烧结矿粉化，使得转鼓强度达到78．70％、成品率为79．28％和78．98％，烧结矿粒度向着大颗粒方向发展，粒度分布得到进一步优化，导致分形维数与台时产量的关系如图4和图5。

综上所述，烧结矿粒度分形维数与转鼓强度、成品率之间的关系，在台时产量低于460t/h时，主要影响因素是：石灰配比、烧结矿中SiO₂含量；在台时产量高于460t／h时，主要影响因素是：烧结矿中SiO₂含量、FeO含量及R₂水平。

4 结论

在唐钢炼铁厂南区烧结原燃料化学成分相对稳定的条件下，实际生产过程中，不同台时产量下的烧结矿粒度组成具有良好的分形结构特征。分形维数值可以定量表征实际生产的烧结矿粒度分布特征。

分形维数首先随台时产量的增加而减小，直至460t／h后，其值逐渐增大；烧结矿转鼓

参 考 文 献：

[1]   王绍丽．基于集成模型的烧结矿质量预测[D]．湖南长沙：中南大学，2011．

[2]   刘丽妹，张庆军，赵二敏，等．低硅烧结矿显微结构的分形[J]．钢铁研究学报，2009，21(9)：12—14．

[3]   司新国．低硅烧结矿粒度分布的分形研究[D]．河北唐山山：河北理工大学，2007．

[4]   张玉柱，徐研，司新国，等．不同氧化镁含量烧结矿粒度分布的分形研究[J]．钢铁，2007，42(9)：12—15．