加入收藏
客服热线：0311-85395669
首页
铁矿石烧结料层结构变化及控制
浏览：次|评论：0条 [收藏] [评论]
摘要:在高结晶水铁矿石使用逐渐增加的情况下，料层结构设计是提高烧结生产率的一个有效途径。通过使用X射线计算机化断层扫描仪(CTS)，定向观测得到烧结料层结构变化特点。对基于此的嵌入式铁…
摘要:在高结晶水铁矿石使用逐渐增加的情况下，料层结构设计是提高烧结生产率的一个有效途径。通过使用X射线计算机化断层扫描仪(CTS)，定向观测得到烧结料层结构变化特点。对基于此的嵌入式铁矿石烧结工艺(MEBIOS)也作了详细描述。进行了一系列模拟实验，实验结果验证了该工艺的快速烧结机理。
关键词:铁矿石 烧结 料层结构 烧结饼 空间网络 X射线 CTS
0 前言
铁矿石烧结工艺中，烧结料层的结构变化对改善或控制烧结的成品率、产量和成品矿强度具有重要意义。料层结构变化可以看作是从原料颗粒密集排列的料层结构到包含一个固态整体、较大的空间网络和大量小孔的烧结饼的剧烈转化。这种变化从含有矿粉与石灰石的液相形成开始，液相的形成随料层温度增加而持续，并且液相数量也逐渐增加。固体颗粒间熔融成串，最终形成烧结饼结构(图1)。烧结料层的多孔结构决定料层热态透气性，并且影响着烧结矿的产量和强度。因此，已尝试通过不同方式对这种结构进行描述。然而，由于极为复杂，因此定量分析资料很有限。
借助X射线计算机化断层摄影扫描仪(CTS)，在烧结过程中对料层结构变化进行定向直接观察，可以得到一些重要结果，文中将对其进行描述。此外，还提出了烧结工艺的一个新概念，即嵌入式铁矿石烧结工艺(MEBIOS)。该工艺旨在增强烧结对原料使用的适应性，并提高生产率。
1 烧结料层结构变化的定向观察
1.1 试验设备与步骤
本研究使用了X射线计算机化断层扫描技术(CT)，这是第三代旋转扇形束式(带568个X射线束)扫描设备。CTS主要规格性能如下：X射线管的最大电压和电流分别是130kV和250mA，最小全扫描时间为1s，最小切片厚度为1mm。虽然图像处理机的空间分辨率理想值是0.45mm，但实际分辨能力主要取决于1mm切片厚度范围内的结构变化。
由模制氧化铝纤维制造的小型烧结锅具备一定绝热性和x射线透明性。烧结锅内径90㎜，料层厚度100㎜。图2是烧结锅的X光照片。烧结锅的底部由多孔石墨圆片和作为铺底料的直径为6㎜的氧化铝小球构成。上部料层厚度为30㎜，由氧化铝小球(1.7～2.4㎜)和焦粉(1.0～4.0mm)的混合物构成。该装备可以使温度分布变化图在上部料层具有一定的重复再现性。上部料层与铺底料之间有70mm厚的料层，由烧结原料制成的小球与焦粉组成。小球由赤铁矿粉、碳酸钙及作为球核的致密氧化铝小球(1.7～2.4㎜)混合制粒而成。根据烧结矿主要成分的要求，粉状混合料的CaO含量一般设为10％。小球径粒大小为2.8～3.4mm。小球的黏附层与球核之间的比例略有变化，这取决于粉状混合料的CaO含量，在10％CaO含量前提下大约为2/3。原料颗粒的水分含量为8％～10％，混合物中焦粉干基比例在3.0％～3.5％范围内变化。
试验中需要考虑下列3种原料的偏析问题：
(1)焦炭
烧结锅中间部分置有重2.5g的焦粉填充层，填充层直径30mm，厚度约4mm。
(2)CaO源
黏附层中CaO含量为20％，与焦粉混合形成小颗粒，这些小颗粒平铺在烧结锅中部。料层直径30mm，厚度约20mm。
(3)不透水层
氧化铝纤维薄板直径30mm，厚度3mm，置于烧结锅中央。
最终完成模拟试验，在烧结料层中形成具有一定致密度且透气性较低的球团块。
料层顶部放有10g木炭，使用煤气烧嘴进行点火，点火时间为30s。为合理控制负压，点火期间煤气流速保持在1.3L/s，点火后为2.7L/s。
1.2 结果与讨论
图3显示了每个烧结容器中得到的垂直截面的变化。颗粒层的焦粉混合比例分别为3.0％和3.5％(质量比)。白色矩形包围的区域表示被隔离部分的初始位置。在焦粉3.0％配比的试验中，可以观察到一些未烧结部分，尤其是在上层和外层。所有试验中，无论焦粉配比多少，在隔离部分周围都形成很大孔洞。在焦粉隔离与氧化铝纤维薄片两组试验中，可以发现孔洞是向下发展的，而CaO隔离一组试验中孔洞是在隔离部分形成的。
图3偏析烧结锅试验垂直截面的结构变化
对于焦粉隔离组，由焦粉燃烧提供的额外热量导致隔离部分下方的颗粒大量熔化，形成的液相似乎向下渗透。与颗粒黏附层(CaO(质量分数10％)一Fe203，高于1400℃)相比，CaO(20％)一Fe203的液相温度明显降低。因此，与焦粉隔离试验组相比较，CaO偏析组有更多的液相在隔离部分形成，并向四周渗透。对于氧化铝薄片组，尽管孔洞的形成不像焦粉隔离组那样显著，液相形成仍始于薄片底面附近区域，如果有多余热量来补充，孔洞会继续向下发展。
比较两组图片，可以看出料层结构的显著变化。这些断裂部分通常在垂直方向形成一定高度的区域。对应于这些区域的位置，可以用轮廓线来说明料层内部的明显结构变化。在焦粉配比3.5％(质量比)的3组偏析试验中，烧结后得到结构变化的前端剖面图在图4中有所呈现。用烧结料和无任何偏析的焦粉混合后进行烧结就是均质烧结试验，在图中也有显示。边界效应导致气流非均质化，前端结构变化略呈向上趋势。烧结锅边缘的烧结过程稍快，可能是由于孔隙部分的边界效应，另外一个原因则是边缘处热量有所损失，从而导致料层温度下降。
图4不同原料偏析试验的前端结构图(焦粉配比：3.5％)
在焦粉偏析试验中，尽管最终结构明显不同，两组试验中可能的温度曲线图也有较大差异，但仍可看出其结构变化的轮廓线与均质烧结试验组的类似。焦粉偏析部分的温度可能变得非常高，因此这部分的透气性可能变差。然而，如此高的温度又会在附近形成较大孔洞，且影响透气性的阻力在此处变小。因此，只有在均质烧结试验中，透气性才维持在一个近似水平。至于CaO偏析试验，其前端结构变化轮廓线与均质烧结试验初期阶段的很相似。但是，其前端经过偏析部分之后，轮廓线就趋于平缓。这意味着用促进液相凝固的方法可以形成一些较大孔洞，并且无需额外热量。也就是说，试验中随着CaO含量增加，料层透气性变好。相反，在氧化铝薄片试验中，结构变化的模式则很复杂。显然，屏蔽物体打乱了穿过料层的气流分布。当烧结前端穿过氧化铝薄片部分时，可以观察到前端的非均质发展。但是，穿过基片以后，烧结前端连同一些较大孔洞迅速恢复平缓形状，似乎有热量支撑着这一部分。出现这种现象的原因如下：薄片下方的热量传递显著延迟，但是在边缘处烧结过程已开始，该处温度也随之升高；薄片下方料层中一旦形成具有一定尺寸的孔洞，高温气体就会穿过周围料层进行补充，孔洞迅速变大。应该指出的是，30mm大小的屏蔽物体并不会导致非均质烧结。
根据以上结果可以看出，当较大孔洞开始形成时，透气性因液相凝固而降低，这延迟了烧结前端结构变化的进展。但是，孔洞在一定范围内形成后，烧结前端轮廓线迅速趋于平缓。如果这种现象在整个烧结料层中发生，在一定比例的孔洞范围内，烧结前端结构变化似有不平衡的下降。但从大范围来看，这种变化是均质的。因此，这可以被称为“嵌入式”工艺。很明显，烧结饼中较大孔洞的生成机理有很多，而这个试验中考虑的偏析条件并未将其全部涵盖。但是，对于如何控制孔洞形成，以增加产量与改善烧结成品的粒度分布，已经有了一些认识。
2 控制烧结过程中结构变化的料层设计
2.1 料层设计的概念
近期，钢铁生产高涨导致对铁矿石，包括豆状矿和马拉曼巴矿需求量的增长，这种趋势今后仍将持续。为更好地利用这些矿石，业内人士提出并在实践中应用了一些工艺技术，例如原料的分加与偏析以及制粒选择。这些技术其原理都是要将原料分成两部分，分别进行预制粒，然后经过混合与布料进入烧结机。
利用X射线CTS对上述结果进行定向观察可以证明，料层中大量的液相凝固穿透了周围烧结料，形成一个巨大孔洞。另外，直径小于30 mm的孔洞趋于成群化，但这并没有打乱合理空间结构的发展。基于以上信息，应该将料层偏析更进一步拓展到烧结料层结构设计概念。考虑预处理与布料工艺的困难，图5所示的料层结构是一种实用设计，预处理的致密小球被合理地布置在标准(或诱导)床层中。常规烧结条件下产生了理想的空间网络。试验中，制备小球的主要铁矿石是马拉曼巴矿，来自诱导层的热量与烧结过程中穿过料层的气体进一步提高了小球的强度。同时，高温下要维持合理孔洞结构，以免小球压坏而出现明显变形。在烧结饼中设计与控制孔洞形成的位置和大小无疑是一项重要技术，该技术将决定烧结成品矿粒度分布的控制。日本钢铁协会的“多孔中央嵌入式结构烧结”研究项目提出了MEBIOS工艺技术，并将通过“经复合制粒与料层结构设计的烧结”新研究项目，继续进行更深层次的合作研究。
2.2 使用X射线CTS进行空间结构定向观测
采用如图4所示料层结构的烧结工艺的重要参数之一就是合适的小球粒径范围。为避免非均质烧结，需在小球下方通有充足的风量。因此，小球粒径会存在一个合理上限。另外，考虑到小球的硬化，从小球内部导热的角度来讲，还需要有一个粒径下限。
模拟烧结试验须借助小型烧结锅与X射线CTS进行。在一系列烧结试验中，预制粒小球均被放置在烧结料层中部。试验均使用了直径为15mm的预制粒小球。两种小球原料分别为“马拉曼巴矿+4％焦粉(质量比)”与“仅用马拉曼巴矿”。小球均布置在料层中部。两组试验中均可观察到小球表面与周围料层之间形成许多孔隙，尤其是小球下方形成了许多较大孔隙。当氧化铝薄片放置在料层中时(图3)，也可观察到大孔洞形成过程的类似现象。在邻近小球表面处的“边界效应”引发了这种现象，并且可能成为快速烧结基本技术原理之一。另外，当小球中混有焦粉时，小球烧结进展似乎更快。
上述结果表明，15mm以下的预制粒小球在烧结料层中的布料没有导致明显的非均质烧结现象产生。此外，维持料层的宏观透气性和控制孔洞网络结构将通过合理排列料层中的小球来实现。要防止塌陷和小球过度变形，则要充分认识和理解各种工艺因素，例如，焦粉和除尘灰等含碳原料混合比例、CaO含量、小球堆密度及矿石的热裂性能等。
3 结语
铁矿石烧结料层的结构变化反映了原料的宏观偏析效应，这可以借助带有X射线CTS的小型烧结锅进行检验。在包括焦粉、CaO源和不透气薄片的3种偏析情形中，烧结饼中均形成了一些较大孔洞。在焦粉和氧化铝纤维薄片两组试验中，孔洞形成于偏析位置下方，而CaO偏析试验中孔洞则生成于偏析位置处。氧化铝薄片阻挡了风量的通过，明显打乱了烧结料层中的气流状态。然而，在薄片下方却没有发现生料。
此外，本文引入了两个新概念，即烧结料层结构设计与MEBIOS。它们的提出旨在解决马拉曼巴等含大量结晶水的铁矿粉日益增长所带来的技术问题。
在MEBIOS工艺中，经过预制粒的较大颗粒致密小球被布置在烧结料层中(诱导层)。通过X射线CTS可以观察并证实，小球下方的确没有形成生料。另外，考虑到小球表面附近的边界效应，需要改善气流分布。应该注意到，这种效应能够成为快速烧结的基本原理之一。
延伸阅读
- 上一篇：铁精矿粉高铁低硅烧结技术 下一篇：首钢三地烧结生产技术进步
