燒結(jié)燃料粒度的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)研究

李保良，賈 憲，張超民，耿軍亮，辛 淵

（敬業(yè)鋼鐵有限公司鐵前管理中心，河北 平山 050400）

1 前 言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，燒結(jié)工序能耗占整個(gè)鋼鐵企業(yè)工序能耗的10%～15%，而燒結(jié)固體燃料消耗占燒結(jié)能耗的75%～80%[1］。燒結(jié)生產(chǎn)主要使用的固體燃料有焦粉和白煤。燃料粒度的大小對(duì)于燒結(jié)生產(chǎn)起著至關(guān)重要的作用，粒度過粗、過細(xì)都不利于燃燒速度和傳熱速度，降低燃料利用率，進(jìn)而影響燒結(jié)礦產(chǎn)質(zhì)量與固體燃耗[2］。燃料粒度越小，開始燃燒溫度相對(duì)越低，燃燒速度越快；燃料粒度越大，開始燃燒溫度相對(duì)稍高，燃燒速度越慢[3］。燃料粒度組成的改變還會(huì)對(duì)燒結(jié)礦物組成以及燒結(jié)礦的宏觀和微觀結(jié)構(gòu)等產(chǎn)生影響，尤其影響鐵酸鈣的生成，直接影響燒結(jié)礦的還原性等冶金性能[4］。

為了提高燃料利用率降低燒結(jié)固體燃耗，就得選擇確定最佳的燃料粒度。因此，本實(shí)驗(yàn)主要是在燒結(jié)混勻料、熔劑和燃料各自的用量和成分不變的情況下，研究不同燃料粒度對(duì)燒結(jié)生產(chǎn)指標(biāo)和質(zhì)量的影響，為燒結(jié)生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)原料

本實(shí)驗(yàn)燒結(jié)混勻料取自敬業(yè)鋼鐵原料二車間料場(chǎng)大料垛，白灰取自燒結(jié)車間配料室，燃料選用白煤，取自經(jīng)破碎后白煤皮帶，各物料成分如表1所示。破碎后的白煤粒度如表2所示，可以看出＜1 mm 占比為60.61%，存在過度破碎的現(xiàn)象。為了研究不同白煤粒度對(duì)燒結(jié)生產(chǎn)的影響，對(duì)白煤進(jìn)行篩分，在保證白煤用量不變的前提下進(jìn)行燒結(jié)杯實(shí)驗(yàn)，重新按實(shí)驗(yàn)方案中各粒度比例進(jìn)行搭配混勻備用。

表1 燒結(jié)杯實(shí)驗(yàn)原料成分%

表2 白煤粒度%

2.2 方案、工藝參數(shù)及結(jié)果

本次燒結(jié)杯實(shí)驗(yàn)方案如表3 所示。通過改變?nèi)剂现心骋环N粒度的含量，固定其他兩種粒度的比例，進(jìn)而分析＜1 mm、1～3 mm和＞3 mm不同粒度對(duì)燒結(jié)生產(chǎn)的影響。即當(dāng)改變?nèi)剂习酌褐校? mm占比時(shí)，固定1～3 mm 和＞3 mm 的比例為：24.08∶15.31=1.57∶1。當(dāng)改變?nèi)剂习酌褐?～3 mm 占比時(shí)，固定＜1 mm 和＞3 mm 的比例為60.61∶15.31=3.96∶1。當(dāng)改變?nèi)剂习酌褐校? mm占比時(shí)，固定＜1 mm 占比和1～3 mm 占比的比例為60.61∶24.08=2.52∶1。

表3 燒結(jié)杯實(shí)驗(yàn)方案%

本實(shí)驗(yàn)方案共分為3 組對(duì)比：方案1、方案2 和方案3對(duì)比；方案1、方案4和方案5對(duì)比；方案1、方案6 和方案7 進(jìn)行對(duì)比。在燒結(jié)混勻料成分、熔劑和燃料各自用量不變的情況下進(jìn)行燒結(jié)杯實(shí)驗(yàn)。

燒結(jié)杯實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)：燒結(jié)杯Φ320 mm×750 mm，燒結(jié)點(diǎn)火溫度1 050±50 ℃，點(diǎn)火時(shí)間為2 min，點(diǎn)火負(fù)壓為6 kPa，燒結(jié)負(fù)壓控制在13 kPa。燒結(jié)廢氣溫度達(dá)到最高開始下降時(shí)燒結(jié)結(jié)束，計(jì)算垂直燃速、成品率、轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度、固體燃耗以及燒結(jié)礦中5～10 mm粒度占比指標(biāo)完成情況，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析如表4所示。

表4 燒結(jié)杯實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

3 結(jié)果及分析

3.1 燃料白煤中＜1 mm比例對(duì)燒結(jié)指標(biāo)的影響

大量的動(dòng)力學(xué)研究和對(duì)燃燒層厚度的探索研究表明，燒結(jié)過程中燃料燃燒受擴(kuò)散控制。因此，燒結(jié)混合料中固體燃料的燃燒速度及燃燒層的厚度與燃料顆粒的直徑、氣流的流速和料層的透氣性有關(guān)[5］。在其他條件一定的條件下，燃料顆粒大小就成為燒結(jié)過程決定性因素。

由表4燒結(jié)杯實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中可看出，對(duì)方案3、方案2和方案1進(jìn)行對(duì)比，隨著＜1 mm占比由35.00%提高到60.61%，燒結(jié)垂直燃速明顯提升，但是燒結(jié)礦成品率和轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度明顯降低。＜1 mm 占比由35.00%提高到60.61%，轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度下降了1.86%，同時(shí)固體燃耗上升了2.27 kg/t，同時(shí)粒級(jí)組成中5～10 mm 占比由18.42%上升到24.36%，燒結(jié)礦粒級(jí)組成指標(biāo)惡化。

當(dāng)＜1 mm占比增多時(shí)，從動(dòng)力學(xué)角度分析，燃料粒度較小，燃燒速度變快，燒結(jié)過程中料層高溫停留時(shí)間變短，燒結(jié)液相發(fā)展不充分，燒結(jié)礦質(zhì)量變差，轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度和成品率下降；同時(shí)燃料粒度小，很容易被氣流帶走，惡化燒結(jié)料層透氣性。因此，為了保證燒結(jié)礦強(qiáng)度，必須要控制＜1 mm粒度占比。在本實(shí)驗(yàn)條件下，燃料中＜1 mm不宜超過35.00%。

3.2 燃料白煤中1～3 mm比例對(duì)燒結(jié)指標(biāo)的影響

從方案1、方案4和方案5實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比來看，1～3 mm占比從24.08%升高到50.00%，燒結(jié)垂直燃速有所變慢，固體燃耗下降，成品率上升；同時(shí)轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度從71.47%上升到74.00%，提高了2.53%，粒級(jí)組成中1～3 mm 占比顯著下降，由24.36%下降到20.56%，燒結(jié)礦粒級(jí)組成得到了改善。

當(dāng)燃料中1～3 mm占比增多時(shí)，燃料粒度趨于均勻，布料偏析現(xiàn)象減少，有利于燃料的充分燃燒，燃燒時(shí)間變長，燃燒帶變寬，能夠增加高溫時(shí)間，為液相反應(yīng)提供較多的時(shí)間，有利于提高燒結(jié)礦強(qiáng)度改善質(zhì)量，同時(shí)能夠降低固體燃耗。因此，實(shí)際生產(chǎn)中1～3 mm占比應(yīng)該維持在一個(gè)較高的水平，在本實(shí)驗(yàn)條件下，應(yīng)當(dāng)控制在50.00%。

3.3 燃料白煤中＞3 mm比例對(duì)燒結(jié)指標(biāo)的影響

從方案6、方案1和方案7實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比看，燃料中＞3 mm占比從5.00%增大到35.00%，燒結(jié)垂直燃速提高，燒結(jié)成品率和轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度均下降，固體燃耗增加。燃料中＞3 mm占比從5.00%增大到35.00%，燒結(jié)轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度降低了2.33%，粒級(jí)5～10 mm 比例由24.16%升高到25.72%，燒結(jié)礦粒級(jí)組成變差。

當(dāng)燃料中＞3 mm 占比增多時(shí)，布料過程中偏析嚴(yán)重，燃料中大顆粒容易到下層，同時(shí)燃料總量未變，會(huì)造成燒結(jié)料層中上部燃料不足，無法形成充足的液相，導(dǎo)致燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度下降，粒級(jí)組成變差，燒結(jié)固體燃耗隨之升高。因此，結(jié)合本實(shí)驗(yàn)，燃料中＞3 mm占比應(yīng)控制在15.00%。

3.4 燃料白煤最佳粒度燒結(jié)實(shí)驗(yàn)對(duì)比

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)，可以確定出燃料白煤最合適的粒度為：＜1 mm 占比35%，1～3 mm 占比50%，＞3 mm 占比為15%。因此，用此白煤粒度作為方案8進(jìn)行燒結(jié)杯實(shí)驗(yàn)并且與方案1 進(jìn)行對(duì)比如表5 所示。同時(shí)針對(duì)方案8和方案1燒結(jié)杯實(shí)驗(yàn)所得燒結(jié)礦進(jìn)行冶金性能實(shí)驗(yàn)如表6所示。

表5 最佳燃料粒度方案8與方案1燒結(jié)杯實(shí)驗(yàn)對(duì)比

表6 最佳燃料粒度方案8與方案1燒結(jié)礦冶金性能對(duì)比

由表5可以看出燃料白煤粒度經(jīng)過優(yōu)化后，各項(xiàng)燒結(jié)指標(biāo)明顯優(yōu)于未經(jīng)優(yōu)化燃料。燃料粒度優(yōu)化后，燒結(jié)垂直燃速降低，有利于提高成品率和轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度，減少燒結(jié)礦5～10 mm粒級(jí)量；同時(shí)由于燃料白煤粒度優(yōu)化后分布均勻合理，能夠減少布料偏析現(xiàn)象，燃燒利用率提高，固體燃耗降低了0.96 kg/t。由表6可以看出，燃料粒度優(yōu)化后燒結(jié)礦荷重軟化開始溫度為1 186.1 ℃，軟化區(qū)間100.4 ℃，較方案1降低了12.5 ℃，有利于改善高爐透氣性提高煤氣利用率；燃料粒度優(yōu)化后燒結(jié)礦低溫粉化性能為73.18%，較方案1提高了2.96%。總體來說，燃料白煤粒度優(yōu)化后燒結(jié)礦冶金性能得到改善提高。

4 結(jié) 論

4.1 燒結(jié)過程中燃料粒度＜1 mm 占比越多，燃燒速度越快，容易導(dǎo)致燒結(jié)礦強(qiáng)度變差，燒結(jié)固體燃耗升高；適當(dāng)提高燃料中1～3 mm 占比，燒結(jié)燃燒帶變寬，能夠增加燒結(jié)高溫時(shí)間，改善燒結(jié)礦質(zhì)量；降低＞3 mm占比，能夠減少偏析現(xiàn)象。

4.2 從本實(shí)驗(yàn)原燃料條件考慮，燃料白煤的合理粒度控制為＜1 mm 占比35%，1～3 mm 占比50%，＞3 mm占比為15%。燃料白煤粒度經(jīng)過優(yōu)化后燒結(jié)礦軟化區(qū)間降低了12.5 ℃，低溫粉化性能達(dá)到73.18%，燒結(jié)礦冶金性能得到改善提高。

4.3 建議探索燒結(jié)固體燃料預(yù)先篩分，可將＜1 mm 部分篩分出供應(yīng)高爐噴煤使用，使燒結(jié)固體燃料按粒度分類的原則使用，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。