焦粉粒度对铁矿石烧结过程的影响

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焦粉粒度对铁矿石烧结过程的影响欧大明1， …

焦粉粒度对铁矿石烧结过程的影响

欧大明1，孙骐2，沈红标3，阎丽娟4，石洪志3

(1．必和必拓(BHP Billiton)纽卡斯尔技术中心，新南威尔士州2287； 2．必和必拓中国，上海200020； 3．宝钢股份公司技术中心，上海201900；4．宝钢分公司制造部原料管理中心，上海201900)

摘要：铁矿石烧结中焦粉的燃烧过程取决于焦粉的粒度。通过烧结试验，研究了焦粉粒度对烧结性能和质量的影响(针对含10％MAC粉的配矿)。通过降低细焦粉粒级(﹤0．25 mm和<1 mm)的百分比来增加焦粉平均粒度，从而可以明显提高烧结速度、成品率和生产率，而需要的焦粉量会更少。这是因为制粒后的烧结混合料里的较大焦粉颗粒燃烧效率更高，制粒效果更好，因而原始料层透气性和烧结透气性更好。能源利用率得到改进后，也会使烧结矿的RDI(还原粉化指数)改善。烧结矿矿相分析发现，即使用较粗焦粉的试验需要的燃料消耗率更低，但烧结成品包含的磁铁矿相更多，再生赤铁矿的含量更少。

关键词：铁矿石烧结；焦粉粒度；火焰前锋；RDI

中图分类号：TF526 文献标识码：A 文章编号：0449—749X(2008)10—0008—05

燃料以焦粉(有时是以煤)的形式加到铁矿石烧结混合料中提供能量。需要用能量来加热烧结混合料和气体，从而烘干烧结料、焙烧铁矿石和熔剂，(尤其是石灰石)，熔化并同化各种铁氧化物、脉石和熔剂，形成烧结产品。因此，提供这些热量的焦粉的燃烧特性对燃料消耗、烧结速度和烧结成品质量有重要影响。

人们对固体燃料颗粒燃烧特性的研究已经很多。对单一粒径焦粉颗粒，气体扩散速率和燃烧反应能力与颗粒粒度成反比[1,2]。颗粒粒度越小，燃烧越快，燃烧时间越短。但是，烧结过程中的燃烧很复杂，因为焦粉颗粒可以嵌入烧结混合料颗粒中去，这可能限制了氧气与碳接触。Loo[3]在烧结锅试验中发现，实际上焦粉燃烧效率(CO2／[CO+ CO2])会随焦粉粒度的减小而下降，导致废气中一氧化碳的浓度更高，向烧结过程中释放的热量会更少，因而降低料层烧结温度。Thyssen Stahl工厂试验得出的结论是，小于1 mm，尤其是小于0．315 mm的焦炭末对烧结性能有明显的负面影响，而将焦粉粗化后会改善烧结矿性能和质量[2]。有些报道也表明，通过在制粒过程中在颗粒表面外裹焦粉，可以提高烧结矿生产率[3]，但其他研究还不能令人信服[2]。

因此，可以确定的是，焦粉颗粒的粒径分布及其在混合颗粒中和烧结料层中的分布对烧结过程是十分重要的。必和必拓(BHPB)和宝钢最近承担了一项联合研究项目，使用必和必拓纽卡斯尔技术中心(NTC)的试验设备，研究焦粉对进口矿混合料烧结的影响。

1 试验技术

每一次烧结杯试验，先将烧结混合料(铁矿石、熔剂、返矿、焦粉，约100 kg)混合1 min，然后移至一个1．1 m直径0．5 m长的圆筒制粒机中，圆筒制粒机以10 r／min的速度旋转。将所需的水喷到烧结混合料中，继续制粒5 min。对制粒后的混合料取样，测量实际水分和粒度分布(在液氮中冷冻后)。混合料制粒后被装入一个直径335 mm的烧结杯中(0．088 m2)，在原始混合料和杯壁之间充填5 mm厚、原生致密铁矿石(<2 mm)薄层，这是一项新开发的技术[4]。当发生料层收缩时，这个环形料层会在杯壁上起到有效的密封作用，防止漏气。这样就可以在烧结过程中进行精确的空气流量测量，这在以前是无法做到的。料层高度为600 mm(包括一个5 kg，(6．3～8．0)mm的铺底料，高约30 mm)。用一个带热线风速计的人气流罩测量通过料层的点火前空气流速(原始料层透气性)。然后用天然气点火器在1200℃下将混合料点燃2 min(8．8 kPa负压)。然后将气流罩加到烧结锅上，在14．7 kPa的负压下测量烧结过程中的气流。烧结结束(根据废气最高温度确定)以后，负压下降到7．8 kPa，冷却。使用控制室计算机自动控制烧结锅负压并记录数据(进风流量、风箱温度、风箱负压)。

完成冷却后，烧结饼从2 m高度落下4次。将烧结产品筛分，取代表性的样品作质量分析(转鼓指数TI／％(>6．3 mm)，RDI／％(<2．8 mm)，RI／％)。为真实模拟工厂的运行过程，检查了<5mm的烧结矿量，以保证返矿量与加到烧结混合料中的返矿平衡(即，返矿平衡率为1．00±0．05)。如有必要，用不同量的返矿和焦粉进行重复试验，直到达到返矿平衡，维持烧结矿强度的要求(TI=68 %(>6．3 mm))。进行烧结矿矿相研究，将样品放在树脂中，然后切片、抛光，用光学显微镜分析矿物组成。用点数计数技术测定矿物成分。

测试项目使用了包含10种不同铁矿石的进口铁矿石配矿，其中包括10％的MAC粉，具体组成如下：①l0％澳大利亚MAC粉矿；②35％澳大利亚褐铁矿(河床矿)；③28％澳大利亚赤铁矿(包括8％块矿筛下物)；④20％巴西赤铁矿粉(包括5％精矿)；⑤6．5％工厂回收料(高炉灰，等)。

所有这些测试的混合料中，造粒的水分指标为7％H2O。用石灰石将烧结矿碱度调为CaO／SiO2比值为1．8，用蛇纹石和白云石控制烧结矿化学成分为w(SiO2)=4．8％和w (MgO)=1．7％。生石灰添加量为干料的2％。

2 焦粉粒径分布

为研究焦粉粒度对烧结性能的影响，制备了一系列粒径分布的样品。将宝钢提供的工厂焦粉破碎、过筛分成三个粒级(<(6．3+1)mm，<(1+0．25)mm，<0．25 mm)。这些粒级的化学成分非常类似(平均固定碳含量为(86．1±0．9)％)。然后将这些不同粒级按表1列出的不同比例进行混合，研究粗粒度焦粉对烧结过程的影响。基准情况(配比B1)与宝钢烧结车间现在用的焦粉粒径分布一致，质量平均粒径为1．34 mm。在配比B2(平均粒径为1．62 mm)中，去除了<0．25 mm粒级，提高了焦粉粒度。在配比B3(均粒径为2．49 mm)中，去除了<1 mm和<0．25 mm两个粒级，提高了焦粉粒度。考虑到烧结车间在控制破碎和筛分铁矿石的实际限制，配比B4(平均粒径1．77 mm)保留了一定含量的细粒(即25％<(1+0．25)mm和10％<0．25mm)，这更能代表粗焦粉的实际情况。四种焦粉混合料计算出的化学成分几乎相同，只是粒径分布有所不同。

3 结果与讨论

3．1 焦粉粒径对烧结性能的影响

烧结试验发现，增加焦粉粒度可以明显提高烧结性能和烧结质量。图1表明，焦粉粒度从1．35rnm变粗到2．5 mm，生产率得到改善，大约提高10％，从32 t／(m2·d)提高到35 t／(m2·d)和(1．33 t／(m2·h)提高到1．45 t／(m2·h)。这部分是由于更高的烧结成品率，但主要是由于燃烧带火焰速度更快，烧结时间更短(随着焦粉粒度的增加，烧结时间从30．2 min下降至28．4 min)。这二者都会提高烧结机的生产率，因为烧结时间更短会提高烧结机速度，烧结成品率的提高会降低返矿量。

燃烧带火焰速度强烈依赖于烧结过程中的气体流量。气体从焰锋进入料层下面，形成对流热交换，这会将料层加热到焦粉自燃温度(1000℃)，因此，焰锋在料层内得到扩展。烧结气体流量越大，引起的对流热交换速率越大，因而，焰锋在料层中移动得更快。烧结试验精确测量了烧结过程中的气流速率，试验发现，焦粉粒度变大时，烧结气体流量从130 m3／h增加到170 m3／h，如图1所示。烧结气体流量上升有两个主要原因——烧结过程中原始料层透气性好以及较低的燃烧带阻力，这由于燃烧条件得到了改善。

(1)原始料层透气性

以前的研究表明，烧结料层透气性与原始料层透气性高度相关[4]。填充料层结构因素，如较大的颗粒粒径和优良的层床空隙率，能使原始料层透气性达到最大，因此，填充料层结构因素与烧结层透气性同样重要。燃烧带温度较高，可以有效地增加气体体积流量和压降。因此，在料层内保持可透过气体的通道相当重要。图1表明，随着焦粉粒度增加，原始料层透气性得到改善，这使原始料层空气流量从260 m3／h上升到330 m3／h。湿料层透气性高是因为造粒情况得到了改善。对冷冻颗粒粒径分布的测量证明了这一观点，因为这些测量发现，随着焦粉粒度的增加，颗粒的表面平均直径从1．7 mm增加到2．0 mm。考虑到原始混合粒中焦粉的百分比很小(约3％)，这一结果是令人吃惊的。但是，别的工作也证实，焦粉粒度增加时原始料层透气性得到改善[2,3]。中间粒级(<(1+0．25)mm)和粘附矿粉(<0．25 mm)含量的降低使造粒后颗粒粒径分布变窄，平均粒度更大。这使料层透气性改善。

(2)烧结空气流量和燃烧带阻力

烧结空气流量受燃烧带的透气性控制。对许多烧结锅的测试结果进行分析都证实了这点，这些烧结锅使用在锅壁设一个圆环空气密封层的新技术。烧结空气流速总是小于点火前(或原始料层)空气流速，这个流速在烧结过程中保持相对固定，直到燃烧到底部时，又急剧上升[5]。烧结过程中底料对气流的总阻力是烧结矿带阻力、燃烧带阻力和原始料带阻力三者之和。但是，即使透气性差的原始料带被透气性好的烧结矿带替换得越来越多，烧结过程中测得的空气流量也基本保持不变。这说明，一定是窄的燃烧带的透气性在一直控制着烧结过程中的总透气性。用包含马拉曼巴矿、褐铁矿、赤铁矿粉和／或磁铁矿精矿的各种烧结配矿进行了一系列试验，从试验数据推导出以下方程，方程可以表示烧结空气流速(Vs)与原始料空气流速(Vi，在同样压降下测得)之间的关系[5]：

Vs=Vi一Rf=Vi一ksV3s

式中，Rf是燃烧带火焰阻力；系数ks是表示烧结混合料火焰阻力性质的定量指标；ks的值越高，表示混合料的阻力越大，烧结透气性越差。

从图1可以看出，随着焦粉粒度的增加，烧结空气流量从130 m3／h上升到170 m3／h(这相当于在面积为0．0882 m2的烧结锅上烧结表面气流速度从0．41 m／s上升到0．53 m／s)。烧结空气流量之所以得到提高，既有原始料层透气性更好的原因(图1)及上面的讨论)，也有燃烧带透气性改善的原因，这可以从火焰阻力系数ks的下降看出来(从6．5×10-5h2／m6下降到3．5×10-5h2／m6)。用最多含30％MAC马拉曼巴矿和35％褐铁矿的烧结混合料进行了其他研究，这些研究测量结果表明，在将<0．25 mm粒级颗粒从焦粉中去除后，燃烧带火焰阻力系数也显著下降[4]。

燃烧带火焰阻力的下降，则要归因于焦粉变粗后燃烧效率的提高。这一结果并不明显，因为人们已经知道，单一料径的焦粉颗粒比小颗粒燃烧得更快。但是，在烧结锅测试中进行的废气分析发现，实际上，当混合料中使用较小粒度的焦粉时，燃烧效率[CO2／(CO+CO2)]反而下降[3,5]。对反应热比较后表明，碳的不完全燃烧使反应生成的热量显著下降：

C+O2→CO2 H= 一417 kJ／mol(放热)

C+l／2 O2→CO H= 一111 kJ／mol(放热)

后一反应产生的热只是总反应热的27％。必和必拓前期研究分析了焦粉颗粒在矿粒中的位置嘲。先将颗粒缓慢加热，然后放人树脂中，做成光学显微分析的磨光片。分析发现，与大多数铁矿石不同，焦粉不是一种很好的造粒材料。粒核(>1mm)和中等(<(1+0．25)mm)焦粉颗粒只有表面开裂且不规则时才易于聚集粘附矿粉材料。它们并没被粘附矿粉材料外壳完全包起来。因此，气体更易进入，支持燃烧过程。但是，超细的焦粉颗粒(<0．25 mm)嵌入了颗粒粘附矿粉层里。这就限制气体与焦粉的接触，与较大焦粉相比，这实际上是阻止了小焦粉的燃烧。因此，小颗粒焦粉很可能没在燃烧带焰锋前沿燃烧，而是延长了该区的后缘。燃烧带加宽后，会降低该区的透气性，使烧结空气流量下降。相反地，降低焦粉超细部分含量，提高平均粒径，会改善燃烧带透气性和烧结空气流量，如图1所示。

(3)烧结成品率和加焦量

使用粗焦粉时另一个改善生产率的因素是提高了烧结成品率(从78．5％提高到81．3％)。为将烧结矿冷抗压强度保持在68％>6．3 mm基本不变(ISO转鼓指数TI)，加焦量必须从44 kg／t下降到42．5 kg／t烧结矿，即使这样，成品率也会提高。早期的烧结锅试验基础上[3]发现，与使用较小粒度焦粉(<(1+0．5)mm)相比，使用较大粒级焦粉(>2 mm)时，烧结料层最高温度更高。只使用<0．5 mm的焦粉时，点火后不可能维持继续燃烧。火会熄灭，只发生很小的烧结。有在线温度测量的烧结车间试验也发现，当焦粉平均粒径变大因而加焦量减小时，烧结料层的最高温度升高[2]。这些结果都进一步表明，更粗的焦粉在烧结料层中燃烧效率更高，因为释放出的热量能满足熔化所需，从而形成足够强度的烧结成品。

3．2 焦粉粒度对烧结矿相和质量的影响

提高焦粉粒度和改善燃烧条件也对烧结质量产生积极影响。图1表明，随着焦粉粒度的提高，还原粉化指数(JIS—RDI )从35％下降到29％(<2．8mm)。同时，还原度指数(RI)只有很小的下降，从70％下降到69％。冷抗压强度ISO转鼓指数维持在大约68％(>6．3 mm)，这要求减少加焦量。

在Thyssen Stahl的烧结车间试验发现，随着焦粉粒度从0．5 mm增加到2 mm，RDI约从26％下降为22％(<2．8 mm)[2]。试验阶段，加焦量必须减少，因为操作需要维持一个固定的平均FeO含量。即使这样，在线热电偶也表明，烧结料层最高温度升高了。对烧结矿进行逐层分析表明，焦粉粒度粗时，则上层中FeO含量减少，下层中FeO含量增加，因而整个料层中含量更均匀。烧结过程更均匀，则能改善烧结质量(值得注意的是，烧结机布料时混合料粒度会有偏析，因而焦粉分布也有偏析。垂直方向的偏析和烧结机所用布料设备有关。而粒度和焦粉的偏析通常不能在烧结锅试验中模拟出来)。在本文报道的烧结锅试验中，允许FeO的含量发生变化。图2表明，随着焦粉粒度的增加，烧结矿中的FeO从5．6％增加到7．1％，这反映出磁铁矿含量的增加。通过制作光学显微分析用的磨光片，进行点数计数分析，研究了烧结成品的矿物成分。图2给出的结果表明了焦粉粒度对烧结矿矿相的影响。随着焦粉粒度的增加，原生赤铁矿粉含量基本保持固定(约14％)，再生赤铁矿粉含量从20%降至15％，SFCA量从32％降到25％，而磁铁矿从21％增至27％，硅酸二钙从8％增至15％，玻璃体含量保持在约2％不变。磁铁矿含量增加，可能是由于烧结料层的温度升高有利于赤铁矿的热力分解成磁铁矿(温度升高也更容易形成更多的硅酸二钙)。这些烧结锅试验没用热电偶，但其他研究已经发现，焦粉粒度的增加容易升高燃烧带的峰值温度[2,3,5]。而且，这次研究用更大焦粉进行的试验取得了更好的烧结透气性和更高的空气流速，这样，燃烧带后面的烧结矿冷却速度更快。这种快速冷却可能对某些磁铁矿氧化、再结晶进入烧结成品中的现生赤铁矿有抑制作用。在这些测试中，随着焦粉粒度的增加，骸晶再生赤铁矿粉的含量保持大约10％不变，但有部分晶面的中间产物赤铁矿的含量从10％下降为5％。

以前曾提出过一个还原粉化的简单机械模型，可以总结如下。首先，气体进入磁铁体，那些容易接触到的赤铁矿粉被还原。还原过程中在氧化铁内发生体积膨胀，引起挤压并发生破裂。其次，破裂扩展进入烧结矿基质中的相邻相。沿有赤铁矿成分颗粒的破裂壁出现的新外露区域会接着被还原，这又会引起这些破裂继续生长、漫延。这会使烧结矿基质被削弱、被粉化。

本项目中，从较粗焦粉得到的烧结矿中磁铁矿的含量更多，赤铁矿粉的含量更少。因此，还原粉化的初始驱动力在较粗焦粉烧结过程中明显降低了。破裂在烧结矿基质中扩展的中间机理更加复杂，主要取决于诸如烧结矿相的断裂韧性和不同相之间的接触面等因素。当前的研究还没对这些因素做进一步研究。

4 结语

必和必拓和宝钢最近承担了一项联系研究项目，研究焦粉粒径分布对烧结生产率和质量的影响。烧结中以不同配矿为基础，配矿中包含进口的马拉曼巴矿、褐铁矿和赤铁矿，试验使用一项新技术，能更准确地测量烧结过程中的空气流量。

通过逐步减少较细焦粉粒级(<0．25 mm和<1 mm)的百分比，焦粉平均粒径从1．35 mm提高至2．5 mm。去除更细的焦粉粒级(特别是<0．25mm)会对烧结有以下好处：改善造粒过程，使原始料透气性更高；由于更大的焦粉颗粒燃烧效率更高，燃烧带对烧结空气流量的阻力会下降(更大的焦粉与燃烧气体的接触更好，这不同于在颗粒粘附粉状层中燃烧的更细焦粉)；这两方面因素结合起来，使烧结空气流量更大，从而使焰锋速度更快，明显提高生产率(约10％)；燃烧状况得到改善、热能利用效率得到提高后，加焦量就下降了，同时，提高了烧结成品率并维持烧结矿的冷强度；烧结矿RDI也得到显著改善，而还原性发生轻微下降。矿物学分析发现，从较大焦粉得到的烧结矿磁铁矿含量更高，再生赤铁矿的含量更少，意味着还原体积膨胀和破裂的驱动力变小。

焦粉粒度对铁矿石烧结过程的影响

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