对铁矿烧结若干问题的探讨

对铁矿烧结若干问题的探讨

张子元  崔永诗  翟所莲  杨圣勇

(莱钢集团有限公司型钢烧结厂)

摘 要：对传统烧结的若干概念和认识问题进行了新的探讨，提出了作者的看法和建议。

关键词：理论体系  术语   整合   高效

l  前  言

         现代高炉炼铁过程的高效率(高利用系数、低燃料比、优良的铁水质量和不断延长的高炉寿命)是以优质的烧结矿为基础的。因此，不断提高人炉烧结矿质量和产量一直是烧结界追求的目标，随着21世纪头10年即将过去，铁矿粉和燃料的短缺以及质量的劣化对烧结矿制约作用日见明显，同时节能减排和改善人类生存环境的呼声日见高涨，都对烧结工作提出了更高要求。

         当前，烧结生产科技进步主要体现在三个方面，一是“减量化”，充分利用价格及质量相对较低的铁矿粉生产出质量能较好满足高炉冶炼要求的烧结矿；二是“再利用”，充分利用固体废弃物，达到既减少资源浪费又减少环境污染；三是“资源化”，充分利用余热，发挥资源的最大利用效能。本文针对烧结新工艺、新技术的开发和应用，提出了一些观点，供大家探讨。

2  观点浅析与探讨

2．I烧结矿专业术语的新内涵 

    烧结矿作为炼铁人工原料对从事钢铁冶金行业人士来讲并不陌生，但对非业内人士来说就不一定了，大约在1870年的西方发达国家开始出现烧结矿工艺和理论，烧结矿英译文是“sintering”，“sintering”的英文意思是“烧结物”，国内文献资料都将烧结机生产的铁矿称为烧结矿。

    随着炼铁精料理念的进一步丰富，烧结矿作为专业术语演化为“烧结铁矿”就显得尤为具体和易懂，虽只多了一个“铁”字，对非业内人士来讲就会有个大概了解，作为业内人士对“炼铁的需求，烧结的追求”客户文化也感到是个很好的诠释，与大家共商榷。

2．2烧结矿物化和冶金性能指标检验的积极变化

    烧结矿物理和化学指标统称为物化指标，其物理指标主要有熔点、比表面积、空隙率、水分、粒度、密度、硬度、抗压强度、落下指数、转鼓指数、筛分指数等，国内烧结矿考核指标主要是后两者，筛分指数根据炼铁需要又分筛分1(≤5 mm)和筛分2(5～10 mm)；化学指标主要有CaO、SiO₂、A1₂O₃、MgO、S、TiO₂、R(二元碱度=CaO／SiO₂)、FeO、K₂O、Na₂O、Pb、Zn、F等。冶金性能指标主要有RDI(低中温还原粉化率，低温为500℃或550℃，中温为900℃或950℃)、RI(直接还原率)、△T_B(软化温度区间)、S(熔滴性能特征值)、热裂指数等。

    由于冶金性能指标检测技术复杂，检测设备价格昂贵，国内除极少数企业对部分冶金指标进行考核外，绝大多数没有考核，近年来，随着炼铁精料理念的充分认识，业界对冶金指标越来越重视，相信不久的将来国内业界会将其纳人正常检测内容而列入指标考核。

2．3烧结铁矿石再认识

    赤铁矿、磁铁矿及褐铁矿是烧结的主要含铁原料，赤铁矿主要是在炎热和氧化气氛下的地质产物，多分布在地球赤道附近，樱红色条痕和无磁性是鉴定赤铁矿的最主要特征；磁铁矿是在寒冷和还原气氛下的产物，多分布在远离赤道地区，黑色条痕和强磁性是鉴定的主要特征；褐铁矿主要是由赤铁矿经过风化、氧化及水化而来，黄褐色条痕和胶体形态是鉴定的主要特征，形成年代较前两者晚。

    巴西以赤铁矿为主，澳大利亚以赤、褐铁矿为主，我国以磁铁矿为主。巴西矿TFe和S高，SiO₂和A1₂O₃低，澳矿TFe和S低而A1₂O₃高，我国普遍SiO₂高和A1₂O₃低，烧结过程中通过铁矿石的合理搭配，可进行高效烧结生产。

2．4烧结机利用系数的探讨

    我国烧结机仍然存在过度强调烧结机利用系数的倾向，习惯用衡量烧结机产能的指标一烧结机有效面积利用系数。由于影响有效面积利用系数因素很多，采用该方法不甚科学，如同高炉工作者认识到：一个传统的沿用有效容积利用系数，需增加一个单位炉缸面积产铁量(炉缸面积利用系数)。因此，笔者建议烧结机也增加一个有效体积利用系数，即在有效面积的基础上再乘以烧结机挡板高度，换算成有效体积利用系数是科学的，以免引起思想上的混乱，误认为大型不如小型烧结机效率高。

    首先，高效不能单纯是高利用系数，其次，引起大、小型烧结机利用系数的攀比，其结果引起大型烧结机固体燃耗的升高，失去了大型烧结机的优势。

2．5烧结矿提铁工艺对高炉高效生产的理论小补充

“十五”期间，国内专家提出：在炼铁生产中“要害问题是精料，精料的核心是品位”。高铁低硅工艺成为了冶金行业重点推广的一项先进的烧结工艺而固定下来，它是钢铁企业由原来单独追求低成本为目标逐步向追求综合整体高效益为目标转变的有效手段，是高炉取得高产，低耗，高效率的决定因素。“123”论断也成为了公认(提高品位1％，降低焦比2％，产量提高3％，不过随着冶炼技术的发展和精料的进步，现认为提高品位l％，降低焦比0．8％～1．2％，产量提高1．2％～1．6％)。当时烧结矿提铁工艺的理论基础是：“提高入炉品位，改善炉料还原性，减少高炉渣量，改善高炉透气性和透液性，有利于高炉节焦和提高经济效益”。

    烧结矿提铁还起到了降低高炉硫负荷作用，符合高炉环保高效生产的需求，所以，对提铁工艺的理论基础可添加“降低高炉硫负荷”一项内容。

2．6烧结机规格的再认识

    截至2007年底，我国有32台投产的300～495 m²大型烧结机，平均单机面积389 m²，还有大型烧结机在陆续建设中，《钢铁产业发展政策》规定新建烧结机有效抽风面积必须大于180 m²，2007年版《产业结构调整目录》要求加速淘汰30 m²以下和限制发展180 m²以下烧结机。由此看来，大中型烧结机虽然占据了整个烧结行业产能的2／3，一段时期内仍存在大中小并存的局面。

    2007年我国重点企业130 m²以上规格烧结机主要有：132、144、150、162、167、174、180、198、230、240、265、280、300、320、328、360、435、450、495 m²十九个规格，以这种规格体现烧结机的大小存有欠缺，因为布料后烧结不是在一个有效抽风面积上进行的而是立体的，同时主抽风机风量设定企业各异。因此，仅仅以有效抽风面积考量烧结机规格不如改为有效抽风面积×挡板高度(风机型号)，如265 m²×2009年度全国烧结球团技术交流年会论文集0．75 m(SJ12000)规格烧结机。改动后，企业间进行技术经济指标对比和交流及论文成果展示才会进一步有说服力。

    改动后的规格更能体现出烧结机的初步设计，烧结机初步设计首先确定的是烧结机生产能力(产量)，而产量的确定要选定经过论证达成共识的垂直烧结速度，这就离不开料层厚度(挡板高度)；其次确定的是有效抽风面积，最后才是主抽风能力，改动后的规格与大家商讨。

2．7抽风也是烧结生产的必需原料

    业界常说“以风为纲”和“无风不成矿”，烧结所需的风量大都在3000～4000 m²／t_矿左右，抽风可算是烧结生产的必需原料。

    大气流动产生风，低层(85 km以下)大气是由不可变气体成分(氮、氧、氩)和易变气体成分(水汽、二氧化碳、臭氧)组成。大气的水汽变化很大，是天气变化的主要角色(云、雾、雨、雪、霜、露都是水汽的各种状态)，主要集中在离地面2 km以下大气层中。气温(通常以离地面1．5 m高度为准)，莱芜地区属暖温带半湿润大陆季风气候，年平均最高气温为18．6℃，7月份最高为30．9℃(极端最高39．2 ℃)，1月份最低为-8．1℃(极端为-22．5℃)，平均年降雨量760．9 mm。7、8月属湿润期，9月为半湿润，其他月份为干旱、半干

旱期。

    水汽和气温具有昼夜、季节和地理位置变化大的特点，进一步说我国东部沿海和西部高原、南方热带和中部陆地及北方沙漠气候的大气，在同一季节同一昼夜其水汽的相对湿度和气温也是不一样的，伴随着大气含氧量和大气压的变化。既然抽风是烧结生产的一种原料，可见，国内烧结机抽风原料的不同，导致烧结性能和指标也就各异，这可以从烧结FeO指标上得到体现。

2．8水也是烧结生产的必需原料

    烧结料水分来源于原料(矿粉、熔剂、燃料等)带入的水、混合机混合与制粒添加水、蒸汽预热冷凝水、大气带入的水、生石灰消化加水、返矿提前润湿加水、除尘灰防扬尘加水、燃料碳氢混合物燃烧产生的水以及矿物分解的化合水。其作用是：①强化混合机制粒，改善料层透气性；②提高导热性能，利于混合料热交换；③润滑剂作用，降低料层气流通过的阻力；④根据CO和C链式燃烧机理，分解水产生的H和OH根可促进燃料燃烧速度。

    鲁中地区烧结过程中除7、8月份稍加或不加水外，其他月份都要添加制粒用水，尤以春冬为多。烧结添加用水主要来自地下水和地表水，其全分析是：物理性质、总硬度、干涸残渣、PH值、七种离子(钾、钠、镁、钙、氯、硫酸根、碳酸氢根)、暂时和永久硬度、游离和固定及侵蚀性二氧化碳、耗氧量及亚硝酸根、碳酸根、三价铁铝铵离子、过锰酸钾、二氧化硅、硫化氢、固形物、碱度等。按成分含量分淡水、微水、咸水、盐水和卤水；按硬度分软水、硬水。地质气候地理不同，其水质和水温各异，由于水(作为烧结原料)的不同，可导致烧结性能和指标有差异，这可以取国内烧结用水通过烧结杯试验进行验证。

2．9烧结过程物质流和能量流的拓展

    近来部分学者采用物质流和能量流分析方法，提出了烧结过程物质流和能量流的核心问题，指出物质流仅次于高炉处于第二位，能耗也仅次于高炉及轧钢(焦化更普遍些)居第三位，对铁素流、碳素流和硫素流的物化状态变化、耗散过程及其影响因素进行了分析，研究表明：烧结过程铁素流变化主要是矿物形态、结构和冶金性能等的转化；燃料是碳素流输入的主要形式，而CO₂则是碳素流输出的主要形式；烧结过程具有脱硫功能，是气化脱硫过程，原燃料含硫是硫素流的主要输入形式，烟气中SO₂排放是硫素流输出的主要形式，烧结是钢铁企业主要的SO₂排放源。烧结过程物质流、能量流分析主要涉及铁素流、碳素流和硫素流。

    拓展来说，烧结过程物质流、能量流分析不仅要涉及铁素流、碳素流和硫素流，还要涉及“风流和水流”。气温、湿度、氧含量及气压不同的风是“风流”的主要输入形式，烟道废气是“风流”输出的主要方式，大气固有物理热转化为废气带走物理热及余热回收热是能量流的转化方式。不同含量成分的水(或硬水、软水)转化为烟囱蒸汽是主要“水流”形式，而烧结用水固有的物理热转化为水汽热是能量流的转化形式，拓展至此与大家共商榷。

2．10烧结矿产、质量最不能放过的参数和指标

    烧结矿产量最不能放过的参数是垂烧速度控制，质量最不放过的是烧结矿FeO含量控制。

    在烧结机长度方向上垂烧速度并非固定不变，在点火保温段速度由快逐渐变慢，但减慢的幅度不大，出保温段至中部继续减慢幅度稍大，中部至终点开始迅速加快，燃烧带位置沿气流方向呈现波浪式下移。正常烧结过程，垂烧速度是由燃料的燃烧速度和传热速度组成，燃烧速度又由化学反应速度和扩散速度组成，对应着动力学燃烧区域和扩散燃烧区域，燃烧反应速度取决于两者最慢的一个过程，两者速度“同步”燃烧带厚度最薄，两者或大或小厚度变厚。传热速度是指烧结过程中气-固相的热交换速度，烧结过程中也要求燃烧速度和传热速度“同步”进行，理论上传热速度与气流速度的0．8～1．0次方成正比，而燃烧速度与气流速度的0．5次方成正比，可见可能出现传热速度快于燃烧速度现象。实际生产中，分析和判断燃烧速度和传热速度是否“同步”(燃烧速度的化学反应速度和扩散速度又是否“同步”)以及如何调整是需要扎实功力的。

    烧结矿既是一个主控因素(烧结矿转鼓强度、筛分指数；高炉中高温还原性、低温还原粉化率、软熔性能)，又是一个被控因素(配矿、配碳、返矿配量、碱度、料层厚度、燃熔粒度、点火温度、热风或富氧烧结、透气性、SO₂含量、MgO含量、水分含量、作业率、漏风率、机速)。目前国内对FeO含量控制有三种观点：一是尽量降低；二是适中；三是不超过11％即可。从产、质量及能耗角度应该说都有道理，日本新日铁FeO含量由3．91％恢复到6．6％可以读出前者可能不可取，第二种一定条件下照顾到了烧结和高炉，可能可取，第三种可能存在装备、工况等等限制的无奈。对单个企业可以采取专家打分加权平均选择。

    烧结产量与质量最佳交汇点的控制、垂烧速度两个组成速度(燃烧速度和传热速度)的“同步”控制以及适值FeO含量控制应该是烧结生产永恒的话题。

3  结  语

    进入新世纪，烧结过程反应和成矿机理的研究取得了许多成果；生产工艺方面提出了许多新观点和方法；随现代控制理论与计算机技术应用于烧结，建立了数学模型和自动化控制系统，这些都推动了烧结技术的快速发展。进一步完善和丰富烧结理论体系，从而更好地满足当代烧结生产需求是我们的不懈追求。