持續降低燒結工序能耗的關鍵協同技術開發與應用

戚義龍，黃世來，余正偉，吳志勇，程 濤，龍紅明，王 文

（1.馬鞍山鋼鐵股份有限公司 煉鐵總廠，安徽 馬鞍山 243000；2.安徽工業大學 冶金工程學院，安徽 馬鞍山 243002）

我國重點企業燒結工序能耗（折標煤）約為54.95 kg/t，占鋼鐵總能耗的12%左右。高效低耗燒結生產技術是“碳達峰”目標要求下鋼鐵行業減污降碳的主要發展方向，也是鐵前實施節能減排和低碳燒結的重要關鍵環節［1］。

為降低燒結工序能耗，國內學者從厚料層低溫燒結工藝制度、原燃料結構優化、燃料粒級控制、支撐燒結技術、富氫燃料噴加、煙氣循環、漏風治理以及豎式冷卻等諸多方面開展了相關技術研究與生產實踐。其中，馮根生等［2］、吳勝利等［3］從燒結機理以及燃料燃燒性入手對厚料層燒結開展了深入研究；蔡九菊等［4－6］對燒結余熱的梯級利用、豎式冷卻以及物質流和能量流的分析等方面進行了研究與應用；裴元東等［7－9］深入研究了燒結料面噴加蒸汽、煙氣循環以及返礦分流制粒等方面的機理與機制；范曉慧等［10－11］、葉恒棣等［12］開發了復合氣體介質燒結的節能減排技術并付諸應用。上述技術均能對燒結的提質降耗起到明顯的促進作用，但單一技術途徑對降低燒結工序能耗的效果有限。

為更好地解決此問題，本文以馬鋼300～360 m2燒結機工藝為基礎，從厚料層燒結技術的發展、配礦過程參數耦合、低硅低鎂燒結、輔助燒結、節能設備改造以及大型燒結機智能控制系統等多維度進行研究和實踐，形成自主的降耗關鍵協同技術，促進燒結礦產、質量的提升和改善。本文對該技術進行了詳細闡述，以期為鋼鐵同行提供借鑒與參考。

1 降低燒結工序能耗生產工藝技術

1.1 燒結基礎配礦與過程參數互耦調控技術

鐵礦粉的基礎特性對礦粉燒結性能的評價和燒結配礦具有重要的指導意義。馬鋼燒結常用鐵礦粉的最低同化性溫度、液相流動性指數和黏結性強度的對比如圖1、2所示。由圖1、2可知，約有一半常用礦粉的最低同化性溫度和液相流動性指數在適宜區間范圍內，少量不在適宜范圍內的礦種形成互補。一半以上的礦粉黏結相強度高于800 N，確保了燒結礦具有較高的強度。在傳統配礦基礎上，通過量化鐵礦粉液相流動性指數、鐵酸鈣生成能力、黏結相強度等指標與燒結礦產、質量間的相互關系，開發燒結配礦智能優化應用軟件，在資源、成本、成分約束的基礎上構建合理的配礦高溫性能約束條件，以指導鐵礦石燒結優化配礦［13］。同時，建立鐵礦石高溫性能配礦與燒結過程負壓、固體燃料消耗、成品率參數的全方位互耦調控技術，并以此建立配礦運行實績評價預測模型，構建綜合特征指數，適時指導燒結配礦及燒結過程操作參數在工藝允許范圍內的優化［14］。

圖1 馬鋼常用礦粉的同化性能和液相流動性Fig.1 Assim ilation and liquid phase fluidity of frequently-used iron ores in M a Steel

圖2 黏結相強度Fig.2 Self-intensity of blinding phase

其中，燒結固體燃料消耗預測模型的輸入變量包括混勻礦配礦結構數據及粒級組成、一混及二混水分值、燒結礦成分控制參數、料溫檢測值、燒結負壓、燒結機速、生石灰及熔劑配比、返礦及含碳輔料配比、氧化鐵皮配比、料層厚度檢測值、壓料厚度值、燃料平均粒級、混勻礦FeO質量分數、點火煤氣消耗等，模型結果如圖3所示。由圖3可知，模型預測±5‰的命中率達到88%以上。該模型用于指導燒結生產，對燒結礦質量的穩定及燒結固體燃料消耗的降低作用明顯。

圖3 燒結固體燃料消耗預測模型的預測效果Fig.3 Prediction effect of sintering solid fuel consumption model

1.2 基于燃料粒度優化的厚料層均質燒結技術

厚料層燒結時由于熔劑粒度相對鐵礦粉粒度較細、堆密度較小，部分未能成為黏附粒子與鐵礦粉成球，易分布在料層的上層，易造成臺車上部、中部以及下部燒結礦堿度存在較大極差。同時，由于厚料層燒結自動蓄熱作用更明顯，燒結料層中燃燒層溫度從上到下逐漸增高，下層燃燒層溫度甚至達到1 350℃以上。燒結礦中FeO主要是Fe2O3還原產生的，在高溫下還存在Fe2O3的分解反應，使得厚料層下層燒結礦FeO質量分數比上層和中層高，使得燒結礦上下層化學成分和性能產生明顯差異，均質效果變差［15］。

馬鋼在2009年開始對900 mm厚料層下利于均質燒結生產的燃料和熔劑（石灰石）合理的粒級進行研究。通過改善燃料和石灰石的粒度分布使混合料的偏析效果朝有利的方向變化，實現燒結礦成分與熱能的相對合理分布，降低上中下層燒結礦堿度、FeO以及轉鼓強度偏差，同時進一步促進燒結固體燃料消耗的降低。各組改變固體燃料粒度的試驗指標如圖4所示。由圖4可以看出，當固體燃料中＞3.0 mm粒級占比為20%～25%時，各項燒結指標較好。其中， ＞3.0 mm粒級占比為20%時，燒結礦轉鼓強度較高；而＞3.0 mm粒級占比為25%時，各項燒結指標則較為均衡。

圖4 固體燃料＞3 mm粒級占比對燒結礦指標的影響Fig.4 Effect of＞3mm fraction content in solid fuel on sintering indexes

適度細化固體燃料粒度，配合適度增粗石灰石粒度進行燒結生產，得到指標對比如表1所示。由表1可看出，試驗期Ⅰ的效果較為明顯，其上下層R和FeO質量分數的極差較基準期分別降低了0.17和1.41，燒結成品率、轉鼓強度以及生產率提升較為明顯，固體燃料消耗同比降低1.09 kg/t。

表1 改變固體燃料和石灰石粒度生產期燒結指標對比Table1 Comparison of sintering indexes during production by changing particle granularity of solid fuel and limestone

1.3 低硅低鎂燒結技術

研究表明，低硅燒結存在顯微結構均勻性惡化、局部存在大量斑狀結構、裂紋逐漸發育、黏結相總量減少等不利問題［16］。在不優化燒結工藝參數的情況下，通過優化配礦、適度增加巴西礦和混勻礦配比、降低熔劑配比，并通過優化鐵礦制粒性能、適當降低燒結混合料水分、優化配碳、適當降低MgO質量分數以及實施厚料層燒結等措施，可保證低硅燒結礦適宜的轉鼓指數、成品率以及燒結礦固體燃料消耗水平，如圖5所示。

圖5 低硅燒結時水分、焦粉配比對燒結礦指標的影響Fig.5 Effects ofmoisture and coke powder ratio on sinter indexes during low silicon sintering

采用燒結杯試驗研究降低MgO質量分數對燒結產、質量指標的影響，結果如表2所示。由表2可知，當燒結礦MgO質量分數為1.20%～1.50%時，燒結過程的各項技術經濟指標及燒結礦性能較好［17］。綜合考慮燒結礦性能以及高爐渣系平衡，燒結礦SiO2質量分數逐步降低至4.90%左右，其MgO質量分數由2.00%降低至1.39%時，對應的燒結固體燃料消耗降低了3.24 kg/t。降低燒結礦MgO、SiO2質量分數的實際固體燃料消耗數據如圖6所示，燒結礦SiO2質量分數降低至4.90%左右，MgO質量分數降低至1.80%左右，固體燃料消耗較低。

表2 降低M gO燒結試驗結果Table 2 Test results of reducing M gO sintering

圖6 固體燃料消耗與燒結礦SiO2、MgO質量分數對應趨勢Fig.6 The corresponding trend of solid fuel consumption and SiO2 and M gO mass fraction of sinter

1.4 燒結風量分配優化技術

合理的燒結風量分配控制是強化燒結生產的重要措施之一，其對燒結礦產、質量與能耗指標有重要的影響。通過采取梯級減小燒結機頭、尾部一定數量風箱的閥門開度，適當降低燒結過程頭、尾部風量、提高燒結中部有效風量等措施，實現燒結風量的合理優化分布，強化燒結生產過程。采用合理的控制方式，可實現燒結成品率、利用系數、垂直燒結速度一定幅度的提高，且未對燒結礦轉鼓指數、礦相組成和結構、以及低溫還原粉化產生明顯影響［18］。工業試驗時風量分配的控制方式如表3所示，具體控制以主抽風機轉速、燒結料層厚度不變，通過風量分配后的燒結機速調整來維持燒結終點相對位置不變。各試驗期生產技術指標如表4所示。由表4可以看出，試驗期Ⅱ的利用系數均值同比基準期上升0.021 t/（m2·h），固體燃料消耗均值降低1.66 kg/t，轉鼓指數上升0.41%，而尾部風箱不加控制的試驗期Ⅲ的各項指標呈明顯的劣化趨勢。

表3 試驗期間燒結機各風箱閥門開度控制Table 3 Opening control of each bellows valve of sinteringmachine during test %

表4 各試驗期生產技術指標Table 4 Production technical indexes in each test period

1.5 輔助燒結技術

國內梅鋼等企業采用富氫燃氣噴吹或復合料面噴吹技術來輔助燒結。由于氣－固燃料復合供熱可有效優化上部料層溫度場，該技術可解決料層供熱不均的問題，同時延長上部料層液相冷凝結晶時間，并促進其熔體結晶區間的拓寬，故有利于優質鐵酸鈣的形成，且液相結晶析出的晶型發展較為完整，燒結礦的均質性得到明顯改善［17］。馬鋼開發的大空間、分段獨立控制的安全均勻噴加焦爐煤氣技術于2019年投入使用，該系統由煤氣噴加隔離箱、煤氣供給與噴加系統、安全防護系統以及控制系統組成（圖7），采用曲臂9孔或直臂6孔噴頭進行“高空旋轉噴加”，并結合“全方位立體監控”的安全防護技術，實現焦爐煤氣“分區域、大空間、分段獨立控制”的均勻、穩定噴加。煤氣、污泥協同噴加對應的燒結指標結果如表5所示。由表5可看出，噴加后燒結礦的轉鼓強度提升1.20%，由于燒結礦液相生成量的提高，燒結礦平均粒級增幅達0.27 mm，內返率同比降低2.28%，成品率上升2.17%，燒結固體燃料消耗同比降低3.19 kg/t。

表5 煤氣、污泥協同噴加對應的燒結指標Table 5 Corresponding sintering indexes of gas and sludge co-injection

圖7 料面煤氣噴加裝置Fig.7 Charging surface gas injection device

同時，馬鋼開發高溫蒸汽加熱輔助攪拌煉鋼污泥，并在燒結上部料層噴加含碳瓦斯灰和污泥的燒結技術（圖8）。該技術通過蒸汽加熱、攪動污泥，提高污泥的溫度，解決管道運輸污泥分層、沉降、結團，并與燒結物料混勻困難的問題；在布料斜面的上部料層位置處噴加污泥和含碳瓦斯灰混合物，更進一步促進了燒結料層高度方向的均熱效果，協同使用后，燒結固體燃料消耗進一步降低4.16 kg/t（表5）。

圖8 污泥均熱輔助燒結Fig.8 Sludge soaking assisted sintering

2 節能設備改造及智能控制技術

2.1 節能點火爐技術

采用一種低爐膛、自空氣預熱、點火燒嘴防堵、風幕墻隔等點火爐新技術（圖9），解決燒結用幕簾式點火爐的諸多共性關鍵技術難題。①爐內氣體幕墻隔離技術：在點火段與保溫段之間通過鼓風形成一道柔性、非接觸、完全隔離的氣體幕墻，將點火段與保溫段完全隔離開來，避免由于燒結工藝的原因，使得保溫段的空氣不足，并從點火段吸引高溫煙氣，確保點火段煙氣不流失，從而達到節約煤氣的目的。②點火空氣循環預熱技術：在保溫段設置點火空氣預熱箱，充分利用熱能，提高點火空氣溫度，解決火嘴堵塞的問題。③延長點火保溫段和強化邊緣點火。④長保溫爐膛技術：通過延長點火爐保溫段長度，減少料面急冷，改善料面表層質量。該技術實現點火焦爐煤氣消耗量為2.2 m3/t。

圖9 節能點火爐示意Fig.9 Schematic diagram of energy saving ignition furnace

2.2 燒結智能控制技術

將“均衡、高效、節能”等長期逐步形成的厚料層燒結核心技術與智能化控制有機融合，自主開發大型燒結機智能控制模型并實現工業化應用。該模型有效助力燒結過程控制的穩定性和燒結工序能耗等關鍵指標的提升，具體如圖10所示。其中，生產平衡控制用于維持燒結產量與高爐之間的均衡性，對燒結產量設定進行階段性匹配自動調整。成分智能控制、燃料和返礦矢量控制、混合料水分控制、點火控制均實現精確閉環控制［20］，本文不再贅述。

圖10 燒結智能控制模型Fig.10 Sintering intelligent controlmodel

2.2.1 均衡布料、終點及風量均衡控制技術

均衡布料主要通過采取均衡燒結橫向布料以及燒結機臺面布料量的控制方法，實現混合料倉內料面高度的動態平衡，并通過勻變程序，實現上料量和混合料倉位穩定以及燒結臺面布料壓實度的穩定控制。燒結終點控制采用模糊控制算法，在近目標值區域采用趨勢控制，在離目標值距離不同的區域采用不同的控制參數，兼顧負壓和尾部風箱溫度的影響因素，采用變頻控制風量，調整垂直燒結速度，實現終點穩定。同時基于風箱的升溫速率的歷史數據來確定風阻劇變的模糊判斷條件，并根據其起始位置和終止位置來實時調整風箱的蝶閥開度（圖11）。通過自動跟蹤風阻劇變位置，實時動態調整各風箱蝶閥開度，即實時動態調整各風箱風量，實現燒結過程風量的均衡控制。

2.2.2 機尾斷面熱狀態監測與分析技術

基于機尾斷面形態及過程參數多參量分析的燒結礦FeO質量分數和轉鼓強度在線預報系統，采用紅外熱視頻和圖像的視覺處理方法，獲取燒結機尾斷面紅火層位置、厚度、連續性以及均衡性等分布特征參數，并引入機速、風箱廢氣溫度、大煙道溫度、實測FeO質量分數、實測轉鼓強度等多參量，利用理論模型結合神經網絡建立的燒結質量預測模型。該模型不僅可以實現燒結熱狀態的在線監測及終點驗證，并可根據分析預測結果對燒結過程做出及時的調控，指導燒結機速和配碳量等參數實時調整。

2.2.3 燒結冷卻能效評價模型

結合燒結礦冷卻生產工藝，采用余熱鍋爐和冷卻機雙系統耦合平衡法，利用鍋爐的熱量平衡計算進入鍋爐煙氣的流量即耦合點流量，以該流量值并利用冷卻機系統的質量平衡在線計算出燒結冷卻機漏風率［27］。在此基礎上對同冷卻風量、冷卻風溫、帶冷機運行速度、系統漏風率、料層厚度等因素對燒結礦冷卻過程的換熱規律進行模擬計算和數學處理，建立燒結礦冷卻能效評價指標體系及模型（圖12），實時指導燒結冷卻參數的優化調整。

圖12 燒結礦冷卻風箱負壓和流場跡線分布Fig.12 Distribution diagram of pressure and flow field trace of sinter cooling bellows

2.3 漏風診斷和燃燒比控制技術

利用氧化鋯測氧儀以及在位式激光過程氣體分析儀，建立燒結機系統漏風率在線監測模型（圖13），解析漏風狀態，診斷漏風原因，給出操作與堵漏措施；同時建立燒結燃燒比〔以v（CO）/［v（CO）＋v（CO2）］表示，v為體積分數（%）〕、固體燃料平均粒度、配比以及燒結過程負壓、燒結礦FeO質量分數的生產數據進行卷積神經網絡分析，獲取燒結工況條件下適宜的燃燒比及其對應的適宜的固體燃料粒級，用以輔助指導固體燃料破碎粒級在均質燒結工藝要求范圍內的優化控制和調整，保持燒結過程中合理的熱狀態分布，提高燒結機能源利用效率。

圖13 燒結系統漏風診斷模型Fig.13 Air leakage diagnosismodel of sintering system

3 協同技術降低工序能耗效果

馬鋼300～360 m2燒結機通過上述持續降低燒結工序能耗關鍵協同技術的應用，效果十分明顯，如圖14所示。由圖14可知：燒結固體燃料消耗近幾年由59.72 kg/t降低至49.38 kg/t，燒結電能消耗由48.27 kW·h/t降低至37.09 kW·h/t，燒結工序能耗（折標煤）由66.36 kg/t降低至當前的46.17 kg/t。

圖14 近幾年燒結工序能耗指標Fig.14 Energy consum ption index of sintering process in recent years

4 結 語

（1）就降低燒結工序能耗而言，應根據自身燒結工藝特點因地制宜多維度地采取相應的協同技術。從2014年至2022年，馬鋼300～360 m2燒結機燒結通過配礦與過程參數耦合、低硅低鎂燒結、燃料粒級合理控制、輔助燒結、厚料層風量分配等技術的開發和應用，在燒結穩產保質的情況下，實現了燒結固體燃料消耗顯著降低，顯著支撐了燒結節能降碳。

（2）通過節能點火爐技術、燒結智能控制技術以及漏風監測和燃燒比控制技術，顯著降低了點火煤氣消耗量和風機電耗，進一步降低了燒結工序能耗。

（3）通過持續降低燒結工序能耗關鍵協同技術的應用，馬鋼燒結工序能耗（折標煤）由66.36 kg/t降低至當前的46.17 kg/t，取得了顯著的節能減排效果。