雙層預燒結新工藝

劉杰　張輝　徐禮兵　鐘強　周明順　姜濤

關鍵詞：雙層預燒結;預燒結時間;上下層厚度;燒結時間;礦物結構

0 引言

雙層預燒結工藝是一種可顯著提高單臺燒結機產能的技術，其突破了原料條件等的根本性限制，料層厚度可以輕易增加到900 mm以上，是對現有燒結工藝體系的升級和補充。其中，預燒結時間和上下層的料層厚度是該工藝的核心要素，決定了第2個點火器的位置以及料層厚度和提產幅度等，所以有必要全面研究和評價預燒結時間對雙層燒結工藝的影響，從而完善雙層燒結工藝的理論體系，為該工藝的推廣應用打下基礎。

1 試驗方法

為使研究結果能指導生產應用，以同期鞍鋼股份煉鐵總廠某燒結機的生產條件為參數，設定燒結料層總厚度（下層布料厚度+上層布料厚度）為1 000 mm。實驗室研究用燒結杯尺寸為

300 mm×1 100 mm， 燒結杯本體高度方向上呈螺旋式設置有可檢測溫度和氣體成分的孔道，燒結杯示意圖如圖1所示。

主要試驗步驟如下：1）按常規單層燒結進行第1次布料，布料高度根據試驗設定，并定義為下層料層厚度；2）布料后，設定點火負壓為

8 kPa， 點火時間為90 s， 燒結抽風負壓為10 kPa； 3）在第1次點火后9 min時，進行第2次布料，時間控制在1 min內，布料厚度定義為上層料層厚度，然后進行時間為60 s的第2次點火；4）在第1次布料與第2次布料的交界處和燒結杯底部分別設置溫度檢測電偶，兩個電偶檢測到的最后一個到達最高溫度的時間可認定為整個料層燒結的終點時間。試驗用原料為生產車間經過混勻和制粒的混合料，混合料中的鐵精礦配比為60%左右，主要化學成分見表1。

2 試驗結果和討論

2.1 料層高度的影響

在燒結生產中，保證燒結料層燒透的前提下，燒結時間長短直接決定了燒結機產量。試驗以雙層預燒結燒結機運行速度2.0 m/min為目標條件，當預燒結時間為10 min時，上層和下層料層的實際燒結時間如圖2所示，技術指標變化如圖3所示。

由圖可知，在總料層厚度和預燒結時間確定情況下，料層上層和下層實際燃燒狀態互相影響和制約，單一某部分料層厚度并不能決定總的燒結時間，故兩者的厚度比例有最佳匹配范圍，這與傳統單層燒結工藝有非常大的差別，也是雙層燒結工藝的顯著特點。

由圖3可知，在預燒結時間和料層總厚度確定的條件下，適宜的上下層厚度分配可以顯著縮短燒結時間、大幅提高燒結利用系數，并且轉鼓強度和成品率呈規律性變化。由于雙層預燒結新工藝的研發初衷主要為提高燒結礦的產量，雖然在下層和上層的厚度分配為650 mm和350 mm時成品率和轉鼓強度不是最高，但此方案下利用系數最高，燒結礦質量基本滿足高爐的入爐要求，所以建議方案為下層厚度為650 mm、上層厚度為350 mm。

2.2 預燒結時間的影響

預燒結時間直接影響雙層燒結工藝中第2個點火器的位置，并影響上下層燒結礦的產量和質量變化，因此是雙層燒結工藝的核心影響因素。按照上下層料層厚度分別為350 mm和650 mm的情況分配，不同的預燒結時間下總燒結時間及上下層時間的變化如圖4所示。

分析圖4可知，由于料層的上層和下層互相影響，在預燒結時間小于10 min時下層料層的燒結時間較長，所以下層料層的燒結時間決定了總的燒結時間，并且總時間達到48 min以上。在預燒結時間大于10 min后，上層料層和下層料層的燒結時間均大幅縮短，所以總的燒結時間呈線性下降，此時上層料層的燒結時間與預燒結時間的總和決定了總的燒結時間。故預燒結時間在10～12 min時，總的燒結時間出現谷底區間，為38～39 min。同時，經過實驗室驗證，在預燒結時間為10～12 min時，上層料層和下層料層基本可以同時達到燒結終點，此種情況下，可以充分發揮上層和下層料層的空間優勢，并且與單層燒結的終點判斷方法相一致，有利于實際燒結生產時的操作管控。

在不同的預燒結時間條件下，燒結主要技術指標如圖5所示。由圖5分析知，在預燒結時間為10～12 min時，雖然成品率和轉鼓強度不是最高，但總的燒結速度最快、利用系數最高，故預燒結時間應該控制在10～12 min。

2.3 燒結過程模型的建立

以燒結礦產量最高時的方案為基準（預燒結時間為10 min），針對雙層預燒結工藝特點，在料層高度方向以150 mm處為起點，每隔200 mm對料層熱狀態進行檢測，料層熱狀態和燒結礦殘碳質量分數的主要變化過程如圖6所示。

由圖6可知，0～350 mm為第2次布料和點火后的燒結熱狀態。從150 mm和350 mm處熱狀態分析，隨著燒結進行，燒結最高溫度升高，均可以達到1 200 ℃以上；高溫區延長，除表層燒結礦的殘碳含量較高外，其他部位燃燒充分，但燃燒過程不僅受本身透氣性的影響，還與下層的燒結狀態密切相關。350～950 mm為第1次布料和點火后的燒結熱狀態，根據燒結時間進行測算，在350～550 mm為常規的單層燒結，由于此時整體料層厚度只有650 mm， 透氣性好、燃燒和冷卻速度快、殘碳含量相對較低，在降溫段后期會受上部料層燃燒余熱的影響，出現二次升溫，對提高該段燒結礦質量有益。在750～950 mm上層和下層存在兩個燃燒過程的狀態，相比于550 mm

處的熱狀態，在750 mm處的最高溫度以及高溫區時間出現明顯降低，圖6（b）中該位置的殘碳質量分數可達0.3%左右，可見此處燃燒非常不充分，是影響雙層燒結礦質量的關鍵部位；在

950 mm處已接近料層底部（含有40～50 mm底料），最高燃燒溫度升高，但高溫區較窄，部分存在燃燒不充分現象（殘碳質量分數為0.10%～0.06%）。從真空室的熱狀態可以發現，在該料層分配比例下，上部料層和下部料層的最高溫度幾乎在同一時刻到達，這與單層燒結終點的判斷方法保持一致，便于生產操作人員的辨別和設備控制。

針對不同時間下的溫度變化規律建立了雙層預燒結過程模型，如圖7所示。

由圖7可知，雙層燒結自上而下分為上層燒結礦帶、上層燃燒帶、上層干燥預熱帶、上層濕料帶、下層燒結礦帶、下層燃燒帶、下層干燥預熱帶、下層濕料帶。雙層燒結過程熱量在空間上分布更為均勻，上層熱物料對下層物料的保溫和二次加熱作用會強化下層表面的燒結礦質量。但如果抽風能力不足時，兩個燃燒帶同時存在，也會影響下層的燃燒氣氛，進而影響下部的燒結礦質量。

2.4 燒結礦礦物結構的研究

為更全面評價雙層預燒結礦的變化規律，對料層高度分別為150～250 mm（上部）、500～550 mm（中部）和700～800 mm（下部）處的燒結礦進行礦物結構研究，主要結果如圖8～圖10所示。

由圖8可知，在150～250 mm處的料層上部，燒結礦礦相主要以鐵酸鈣、針狀鐵酸鈣與磁鐵礦和次生赤鐵礦的交織結構為主，但部分位置也存在磁鐵礦和次生赤鐵礦的連晶結構，前者使燒結礦具有較好強度，而后者導致燒結礦質量較差。由于上部料層的透氣性低于常規的單層燒結，且其料層較薄，局部溫度較低處成礦反應差，僅發生了磁鐵礦的氧化和次生赤鐵礦的連晶；由于沒有液相的生成，連晶結構孔洞較多，會嚴重降低燒結礦的強度，在實際生產時，可以通過在第2次布料點火后通熱風和增加保溫的措施來解決。

由圖9可知，在500～550 mm處的料層中部為透氣性非常好的單層燒結過程，由于燃料燃燒充分、料層厚度適中、熱量充裕、氧化性氣氛強，且會經歷上層高溫廢氣帶來的二次高溫，成礦效果良好，所以燒結礦主要物相為鐵酸鈣、針狀鐵酸鈣和次生赤鐵礦以及少量磁鐵礦，不存在赤鐵礦的連晶結構。

由圖10可知，在700～800 mm處的料層下部，燒結礦含有大量骸晶結構，還伴有部分馬蹄形狀未完全還原成富氏體的磁鐵礦顆粒出現，在其邊緣是富氏體環以及大量混勻狀小顆粒富氏體。由此可見下部料層是在弱氧化氣氛甚至還原氣氛下進行的燃燒反應，燒結成礦過程發生了還原，導致了液相性質的變化，并由此產生了大量骸晶結構。此外，部分赤鐵礦和磁鐵礦被還原成了富氏體，而富氏體結構疏松，影響黏結強度而惡化了下層燒結礦的質量。但是在下部仍有部分鐵酸鈣和針狀鐵酸鈣在此條件下生成。在抽風能力不能足的條件下，要解決下部料層的弱氧化性氣氛，一方面可以通過延長預燒結時間，在犧牲部分產量的條件下，改善下部料層的成礦環境，提高燒結礦的強度；另一方面可以通過富氧燒結的手段，改善下部料層的燃燒氣氛。

3 結論

1）在總料層厚度和預燒結時間確定時，雙層預燒結的總燒結時間呈先縮短再延長的趨勢，在上層料層厚度為350 mm、下層料層厚度為

650 mm時總燒結時間最短。

2）在上層和下層料層厚度確定時，隨著預燒結時間的增加，燒結總時間呈先縮短后延長趨勢，燒結利用系數隨預燒結時間的增加則先升高后降低，轉鼓強度隨預燒結時間的增加保持增大，適宜的預燒結時間應控制為10～12 min。

3）不同料層位置最高溫度均可達到1 200 ℃以上，由于在下部750～950 mm料層處同時存在兩個燃燒過程，受抽風能力和透氣性的影響，會出現燃燒不充分現象，降低下層部分燒結礦的質量，但雙層燒結的熱量在空間上分布更加均勻，會一定程度上彌補燃燒不充分導致的質量變差

問題。

4）不同料層位置燒結礦所處燃燒環境不同，造成礦物結構有較大差別，尤其在700～800 mm處，燒結礦含有大量骸晶結構，并伴有部分馬蹄形磁鐵礦顆粒和小顆粒富氏體。

本文摘自《中國冶金》2023年第9期