固体燃料分加强化细粒铁精矿烧结技术研究.pdf

Jun.2023SinteringandPelletizing2023年6 月No.3Vol.48球团第48 卷结第3期烧固体燃料分加强化细粒铁精矿烧结技术研究张思平，刘臣，钟强3，李浩鸣，王兆才2（1.新余钢铁集团有限公司，江西新余338 0 0 0；2.中冶长天国际工程有限责任公司，湖南长沙410 2 0 5；3.中南大学资源加工与生物工程学院，湖南长沙410 0 8 3）摘要：针对以细粒铁精矿为主的厚料层烧结，本文采用燃料分加强化技术，研究了二次焦粉配比、焦粉小于0.5mm粒级质量分数等对细粒铁精矿烧结矿产、质量的影响，分析了烧结产品矿物组成和显微结构的变化。研究结果表明：烧结所用焦粉小于0.5mm粒级质量分数为51.8 5%，粒度偏细；在制粒水分为8.0%、焦粉配比为5.3%的优化条件下，通过适宜的燃料（焦粉）分加可提高烧结矿产、质量指标；当二次焦粉配比为50%时，烧结矿的成品率、转鼓强度、利用系数分别在二次焦粉配比为0 的基础上提升了1.6 8%、1.16%、3.6 4%，固体燃料消耗降低了1.42%；适宜的固体燃料分加可改善烧结矿微观结构，提高结晶良好的针、条状铁酸钙体积分数。关键词：燃料；铁精矿；烧结；燃料分加；烧结指标；铁酸钙中图分类号：TF046.4文献标识码：A文章编号：10 0 0-8 7 6 4(2 0 2 3)0 3-0 0 7 6-0 7doi:10.13403/j.sjqt.2023.03.043Research on sintering technology of fine-grained iron ore concentratereinforced by solid fuel additionZHAGN Siping,LIU Chen,ZHONG Qiang,LI Haoming,WANG Zhaocai?.2(1.Xinyu Steel Group Co.,Ltd.,Xinyu 338000,Jiangxi,China;2.Zhongye Changtian International Engineering Co.,Ltd.,Changsha 410205,Hunan,China;3.School of Minerals Processing&Bioengineering,Central South University,Changsha 410083,Hunan,China)Abstract:Aiming at the sintering of thick material layer dominated by fine-grained iron ore concentrate,a fuel dividedaddition strengthening technology is used to study the effects of secondary coke powder ratio and coke powder mass fractionof less than O.5 mm size fraction on the sinter production and quality of fine-grained iron ore concentrate,and the changesof mineral composition and microstructure of sintered products are analyzed.The results show that the mass fraction of lessthan 0.5 mm size fraction of coke powder used for sintering is 51.85%,and the particle size is small.Under the optimizedconditions of granulation moisture of 8.0%and coke powder ratio of 5.3%,the sinter production and quality indexes canbe improved by adding suitable fuel(coke powder).When the secondary coke powder ratio is 50%,the yield of sinter,thetumbler strength and utilization coefficient increases by 1.68%,1.16%and 3.64%respectively on the basis of thesecondary coke powder ratio of 0,and the solid fuel consumption decreases by 1.42%.Therefore,suitable solid fueladdition can improve the microstructure of sinter and increase the volume fraction of calcium ferrite in needles and stripswith good crystallization.Key words:fuel;iron ore concentrate;sintering;fuel addition;sintering index;calcium ferrite收稿日期：2 0 2 2-0 4-2 8；修回日期：2 0 2 2-0 5-2 4基金项目：湖南省科技成果转化及产业化计划资助项目（2 0 2 0 GK4055）；中冶长天基础研究基金支助项目（2 0 2 1JCYJ04）作者简介：张思平（19 7 1一），男，高级工程师，从事铁矿烧结工艺方向的研究。通信作者：刘臣（19 8 9 一），男，博士，中级工程师，从事铁矿烧结球团及熔融还原方面的研究。77张思平等：固体燃料分加强化细粒铁精矿烧结技术研究2023年第3期我国烧结矿生产规模高达10 亿吨/年，烧结技术推陈出新带动烧结矿产、质量提高、固体燃料消耗降低和污染物排放减少，其对钢铁行业降低碳排放、绿色低碳转型具有重要的现实意义1-2 O烧结工艺固体燃料消耗降低的重要手段之一是提高燃烧效率。固体燃料分加技术是将部分燃料在二混过程中加入的技术，将其黏附在制粒小球的表面，通过改善烧结料层内燃料分布与燃烧状态以提高完全燃烧效率3-6 。理论分析，燃料分加技术可有效从动力学上改善烧结料层内燃烧前沿与传热前沿的匹配问题，保证烧结料层高温区的集中，进而提高利用系数，降低烧结燃料消耗7-8 。然而，由于固体燃料的疏水性，外配燃料（1mm粒级）黏附效果不佳，致使固体燃料消耗降低不明显。为此，太钢、山钢等开发固体燃料分级分加技术，确定燃料分加的最佳适宜粒度为1mm，实行一次分加粗粒级（1mm），二次分加细粒级（1mm），强化制粒效果，优化燃料偏析，从而有效降低燃料消耗9-0 。李强等1-12 为进一步强化技术效果，开发了基于燃料分加的优化燃料粒度组成、不同粒度燃料改性及燃料分加结合熔剂分加等技术，使分加技术适用范围扩大，更具有推广应用价值。本文通过优化焦粉配比、焦粉分加配比以及小于0.5mm细粒级质量分数，系统研究了固体燃料分加技术对烧结指标及其微观结构与矿物组成的影响，以期为该技术更好的工业化应用，进一步降低钢铁厂能耗提供参考。1试验原料与方法1.1试验原料试验用含铁原料包括3种磁铁精矿与1种赤铁粉矿，配比依次为37.5%、12.5%、37.5%、12.5%；熔剂包括白云石、石灰石和生石灰。各种原料主要化学成分和粒度组成分别如表1和表2所示。由表1和表2 可知，磁铁精矿与赤铁粉矿的TFe品位均高于6 4%，精矿B的Si02质量分数较高。3种精矿的粒度过细，无核颗粒导致制粒性能差，特别是精矿A与精矿C的5 mm5,3 mm3,1)mm1,0.5 mm0.5,0.074)mm 0.074 mm精矿A0.100.101.9197.89精矿B0.050.100.8520.0278.98精矿C0.000.100.104.8095.00粉矿14.9619.5111.7814.9325.9012.92白云石0.803.8510.2019.1243.9822.05石灰石0.0314.9720.2320.1727.4617.14生石灰9.0616.4917.0121.0136.4378球团第3期第48 卷结烧布较均匀。因此，适当增加部分粉矿可提供制粒核心，从而改善制粒效果。石灰石和生石灰中的氧化钙质量分数符合烧结要求，同时二者的粒度分布均匀，0.5 3mm粒级的占比分别为40.4%和33.5%，为精矿制粒提供部分核颗粒。烧结试验所用燃料为焦粉，其灰分的化学成分和粒度组成分别见表3和表4。由表3和表4可知，焦粉灰分的CaO和Al,O质量分数较高，焦粉小于3mm粒级的质量分数达到9 2.6 3%，质量达标，但小于0.5mm粒级的质量分数达到了51.85%，细粒级偏高。鉴于这一特性，该燃料宜采用燃料分加技术。表3焦粉的工业分析及其灰分的主要化学成分（质量分数）Table3Proximate analysis of coke powder and chemical composition of the ash%工业分析主要化学成分固定碳灰分挥发分TFeSio2Ca0MgOAl,03SP81.5415.832.638.7240.808.911.1435.241.330.13表4复焦粉的粒度组成（质量分数）Table 4Particle size composition of coke powder%8,5 mm5,3 mm3,1 mm1,0.5)mm0.5,0.074 mm0.074 mm0.556.8216.0324.7530.9020.951.2试验方法常规烧结与燃料分加烧结试验工艺流程图如图1所示，常规烧结中焦粉一次性由人工混匀再制粒，而燃料分加烧结中一部分焦粉由人工完成一次混匀，剩余焦粉在圆筒混合机中完成二次混匀（制粒），制粒时间均为5min。制粒后烧结混合料的烧结操作参数如表5所示。烧结指标包括烧结速度、成品率、转鼓强度、利用系数、固体燃耗，计算方法见相关文献13。烧结矿的矿相结构借助LeicaDMI4500P型光学显微镜，进行矿相鉴定和显微结构分析。含铁原料一次焦粉熔剂返矿+配料+一次混合一水三次焦粉一二次混合（制粒）烧结混合料铺底料布料、点火、烧结1016mm返矿(小于5 mm)破碎、落下、筛分烧结矿性能（转鼓强度、化学成分、矿相分析）图1燃料分加烧结试验流程Fig.1Sintering test process of fuel divided addition表5烧结试验的基本操作参数Table5Basic operating parameters of sintering test烧结料铺底料点火点火点火后点火烧结层高度/厚度/温度/时间保温/负压/负压/mmmmminminkPakPa700301 050 501.51.55122结果与讨论2.1常规烧结工艺参数优化试验首先开展了细粒铁精矿的常规烧结试验，分别研究了制粒水分和焦粉配比对烧结指标的影响，结果如图2 所示。由图2(a)可知，随着制粒水分的增加，因细精矿混合料的制粒效果改善，使得烧结速度显著提升，同时烧结矿的成品率与转鼓强度先升高后降低，利用系数持续提高，固体燃料消耗则是先降低后有所回升，主要是由于制粒水分的增加强化了烧结过程的气一固传热效率。综合对比，适宜的制粒水分为8.0%。由图2（a）可知，当焦粉配比由5.5%增加至5.9%时，所有烧结指标有所恶化，反而将焦粉配比降低至5.3%时，烧结矿的成品率与利用系数提升，分别为6 9.6 0%，1.6 5（mh），固体燃料消耗处于最低值（54.9 5kg/t）。综合对比，适宜的焦粉配比为5.3%。79张思平等：固体燃料分加强化细粒铁精矿烧结技术研究2023年第3期74.2(a)57.0(b)68.9(1.3)(4.8)63.656.058.355.0(-42-U)/藻兰由唑(2.)/兰由唑1.71.751.501.61.251.51.001.466.066.065.565.065.564.565.069.670.068.869.0.)/(ruru.wra)/联68.067.224.568.024.024.021.023.518.015.023.07.37.67.98.25.05.35.65.9水分（质量分数)/%焦粉配比（质量分数）/%（a）焦粉配比为5.5%；（b）混合料水分为8.0%左右图2混合料水分和焦粉配比对烧结指标的影响Fig.2Effects of mixture moisture and coke powder ratio on sintering indexes2.2燃料分加强化细粒铁精矿烧结基于焦粉配比为5.3%，保持焦粉原始粒度不变，采用固体燃料分加技术强化细粒精矿烧结，提升烧结产、质量。将一次焦粉与二次焦粉的配比由10 0%：0 逐步调整至0:10 0%，考察其对烧结指标的影响，结果如图3所示。60.0(t.8y)57.054.01.751.50%（.）/68.01.2564.060.062.0068.0064.0060.0025.024.023.0100:070:3050:5030:700:100燃料内外配比图3燃料外配对烧结指标的影响Fig.3Effect of fuel divided addition on sintering indexes由图3可知，随着二次焦粉配比由0 提升至50%，烧结矿的成品率、转鼓强度及利用系数进一步提升，分别达到7 0.7 7%、6 6.8 0%、1.7 1V（mh），固体燃耗降低至54.17 kg/t。然而，随着二次焦粉配比继续增大，烧结指标大幅下降。这主要是因外配焦粉过高时，焦粉全都裹附于制粒小球表面，在烧结过程中焦粉与气流中氧气充分接触，燃烧速率过快，从而导致传热前沿与燃烧前沿差距增大，导致料层最高温度较低，影响烧结成矿。因此，适宜的一次焦粉与二次焦粉配比应控制在50%：50%以内。因焦粉中小于0.5mm粒级质量分数高达51.85%，考虑到焦粉外配时，细粒级焦粉相对于粗粒级更易被气流带走，更易燃烧，从而对燃料分加烧结产生不利影响。因此，在燃料内外配比为50%：50%的前提下，降低小于0.5mm粒级质量分数并以大于0.5mm粒级补充，考察其对烧结指标的影响，结果如图4所示。由图4可知，随着焦粉中小于0.5mm粒级质量分数的提高，烧结速度在其质量分数为30%时达到最高值，烧结矿成品率和利用系数在其质量分数为40%时最高，转鼓强度在其质量分数为50%时最高，固体燃料消耗在其质量分数50%时最低。总体而言，全部烧结指标随小于0.5mm粒级质量分数的提升有所改善，其适宜的小于0.5mm粒级质量分数为40%50%，其原因是基于燃料分加，降低小于0.5mm粒级质量分数，使得二次焦粉中粗颗粒增多，其疏水特性导致在混合80球团第3期第48 卷结烧57.0(1.4.8%)55.554.01.81.7%/）（u u l.u)/68.01.666.0%/）智64.072.070.068.066.025.024.524.01020304050燃料中-0.5mm的占比（质量分数）/%图4小于0.5mm粒级占比对烧结指标的影响Fig.4Effect of the content with less than 0.5 mmparticle size on sintering indexes料中以单一焦粉赋存状态存在的颗粒增多，会在烧结中独自燃烧，释放的化学热与气流发生对流传热并随烟气向下传递，而辐射给附近铁矿颗粒的热量减少，导致燃烧带热量减少，温度降低，不利于局部混合料的烧结成矿。2.3燃料分加强化效果分析本文为进一步考察固体燃料分加技术对烧结的积极作用，选取1（常规烧结）、2（一次焦粉：二次焦粉=50%：50%，焦粉小于0.5mm质量分数为50%）、3（一次焦粉：二次焦粉=50%：50%，焦粉小于0.5mm质量分数为30%）烧结试验下，对比分析其烧结指标、烧结矿主要化学成分、矿物组成及微观结构的变化。烧结指标及烧结矿主要化学成分如表6 所示。由表6 可知，2 烧结矿的转鼓指数与利用系数比1#烧结矿分别提高1.16%、3.6 4%，固体燃料消耗降低1.42%，因此相对常规烧结，固体燃料分加对细粒铁精矿烧结指标起到强化作用，只是效果不够显著。这也表明通过控制一次焦粉与二次焦粉配比与调整焦粉小于0.5mm粒级质量分数等措施，燃料分加有利于铁精矿烧结提质降耗，但需深度耦合燃料粒度优化、熔剂分加等有效手段来增强效果。此外，因烧结混合料配矿方案相同，3种烧结矿的主要化学组成基本相同。其中，焦粉小于0.5mm质量分数为30%时，烧结矿的Fe0质量分数略有提高，这主要是因为燃料粗颗粒质量分数提高，在局部出现了弱还原性气，阻碍了FeO的充分氧化。表6烧结指标及烧结矿主要化学成分Table 6SSintering indexes and chemical composition of different finished sinter烧结成品率/转鼓利用系数/固体燃料消耗/烧结矿主要化学成分（质量分数）/%试验%指数/%(tm*2 h=)(kgt-1)TFeFeoSi0,CaoMgoAl,031#69.6066.031.6554.9556.588.755.1510.521.960.46270.7766.801.7154.1756.258.745.2810.671.970.413#69.0266.101.6854.0155.668.865.2210.801.950.403种烧结矿的铁氧化物、铁酸钙黏结相及孔隙结构如图5所示。由图5可以看出：由于在常规烧结中焦粉被细粒铁精矿裹附，其燃烧释热产生高温状态，1样品存在更多不规则、熔蚀状铁酸钙包裹磁铁矿，并与少量针状铁酸钙互联图5（a）；适宜的燃料分加改善了料层热状态，有利于烧结成矿，使得2 样品出现结晶形态良好的针、条状铁酸钙，与磁铁矿相互交织，同时孔隙中嵌布着少量的硅酸盐液相，提高了烧结矿的整体结构强度图5（b）、5（c）；3样品的微观构造变差，以细小针状铁酸钙连接磁铁矿、次生赤铁矿，孔隙较多图5(d)。(a)(b)20m20um50um50um（a）1#样品；（b）2 样品；（c）2*样品；（d）3#样品图5烧结矿的代表性微观结构Fig.5Representative microstructure of finished sinter81张思平2023年第3期等：固体燃料分加强化细粒铁精矿烧结技术研究基于多点的微观结构照片，以色差统计分析烧结矿主要矿物的体积分数，如图6 所示。由图6可以看出，各样品主要矿物均为铁酸钙、赤铁矿、磁铁矿、硅酸盐和玻璃相，与普通烧结矿比较，采用燃料分加获得烧结矿的铁酸钙体积分数增加，赤铁矿、磁铁矿和硅酸盐的总体积分数减少。100512.010.0%12.017.08.048.08030.529.0330.0604020.8222.525.720人29.2127.527.801#2#3#试样1一磁铁矿；2 一赤铁矿；3一铁酸钙；4一硅酸二钙；5一玻璃相。图6 烧结矿的主要矿物组成Fig.6Main mineral composition of finished sinter3结论（1）细粒铁精矿烧结所用焦粉小于0.5mm粒级质量分数达51.8 5%，粒度偏细，在制粒水分为8.0%、焦粉配比为5.3%的优化条件下，烧结矿的成品率、转鼓强度、利用系数和固体燃料消耗分别为6 9.6 0%、6 6.0 3%、1.6 5V（m h）和54.95 kg/t。（2）适宜的燃料分加可强化细粒铁精矿烧结，提高烧结矿产、质量指标。当二次焦粉配比为50%时，烧结矿的成品率、转鼓强度、利用系数分别为7 0.7 7%、6 6.8 0%、1.7 1t（m h），相对常规烧结分别提升了1.6 8%、1.16%、3.6 4%，固体燃料消耗为54.17 kg/t，降低了1.42%。（3）相对细粒铁精矿常规烧结，采用固体燃料分加技术，可改善烧结矿微观结构，提高结晶良好的针、条状铁酸钙体积分数，铁酸钙与磁铁矿相互交织，结构致密。参考文献：1姜涛烧结球团生产技术手册【M.北京：冶金工业出版社，2 0 14.JIANG Tao.Production technical manual of sintering andpelletizing M.Beijing:Metallurgical Industry Press,2014.2ZHONG Qiang,LIU Huibo,XU Liangping,et al.An effi-cient method for iron ore sintering with high-bed layer:double-layer sintering J.Journal of Iron and SteelResearch International,2021.28(11):1366-1374.3LI Guanghui,LIU Chen,YU Zhengwei,et al.Energy sav-ing of composite agglomeration process(CAP)by opti-mized distribution of pelletized feedJ.Energies,2018,11(9):2382.4范晓慧，孟君，陈许玲，等铁矿烧结中铁酸钙形成的影响因素J.中南大学学报（自然科学版）,2 0 0 8，39(6):1127-1130.FAN Xiaohui,MENG Jun,CHEN Xuling,et al.Influencefactors of calcium ferrite formation in iron ore sinteringJ.Journal of Central South University(Science 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