超厚料层烧结技术应用研究

阚永海

（天津天钢联合特钢有限公司）

0 引言

钢铁产业是我国的支柱性产业，我国生铁产量超过世界生铁产量的50%，但随着全球铁矿石资源的逐渐劣化，以及国家环保政策的日益严苛[1-3]，我国主流的铁前烧结工艺需进行改进，烧结工艺作为我国铁前最主要的工艺，技术水平居世界前列，但烧结工艺在炼铁长流程中最为耗能，且污染最为严重。如何降低烧结工艺的能量消耗，降低污染排放，提高产量质量，成为诸多学者及企业研究的热点。厚料层烧结技术是基于铁酸钙固结理论和自蓄热作用发展起来的先进烧结技术，近年来在我国被普遍采用[4]。随着我国烧结设备的大型化、工艺流程的完善及原料条件的改善，宝钢、鞍钢、柳钢等钢铁企业的烧结厂纷纷根据自身条件调整工艺参数，改造烧结设备，于2000年前后均实现了600 mm厚料层的生产，平均料层厚度约471 mm。2000年之后我国烧结机料层平均厚度逐年增加，2005年国内大中型烧结机料层厚度已达到600～800 mm，截至2020年，天钢联合特钢、鞍钢、陕钢、湘钢、马钢等部分钢铁企业的烧结机料层厚度均已经超过900 mm，其中天钢联合特钢的料层厚度更是长期稳定在1 000 mm。

烧结料层厚度达到或超过850 mm的烧结被定义为超厚料层烧结[4]，超厚料层烧结能够更好地发挥烧结料层的自蓄热作用，进一步提高烧结矿的质量和产量，降低燃料消耗，减少烧结烟气中CO2、氮氧化物、硫氧化物的排放量。随着烧结料层厚度的增加，烟气经上部热烧结矿带入下部料层热量增加，余热利用率提高，固体燃耗降低[5]。当料层内配碳量降低时，有效抑制了料层底部烧结矿的过熔现象，提高了烧结料层温度场的均匀性，同时料层内氧气含量提高，氧化性气氛增强，有利于降低成品矿中的FeO含量，改善入炉烧结矿的还原性。同时，随着料层厚度的增加，空气通过料层时的阻力增加，料层底部抽风负压增大，下部过熔，因此需严格控制混匀料粒度及水分。但料层厚度增加总体上会造成垂直烧结速度下降，延长了料层在高温下的保持时间，高温区时间的延长可有效促进烧结矿中液相的生产，有利于硅铝复合铁酸盐（SFCA）的生成，从而提高了烧结矿的强度和成品率，改善了烧结矿的质量[6]。

1 超厚料层烧结生产技术的主要影响因素

1.1 生产设备对超厚料层烧结的影响

烧结生产设备决定了烧结工艺的水平，为了进一步提高烧结料层厚度，需对烧结机进行系统改造，保证烧结料层的良好透气性和烧结机本体的低漏风率。综合分析国内外先进企业的成功经验，得出一系列设备改进建议。

首先，需做好超厚料层烧结相关设备的适应性改造，保证各级设备协同作用，改进混料装置及布料设备，尽可能使混匀料粒度分布合理，保证烧结料层透气性良好。适当增加烧结机挡板高度，优化布料方式，实现偏析布料，充分利用超厚料层烧结的自蓄热作用，降低燃料消耗，充分发挥低温烧结的优势。改进烧结机料面压板，增加松料器、支撑板等设施用来提高料层透气性。对烧结机烟风系统设备（螺栓、滑道、栏板、风箱等）进行密封处理，保证较低的漏风率。此外，还可以对烧结喷嘴进行改造，控制火苗长度，改善点火效果。

其次，需逐步实现设备的智能化，采用先进的科技手段，使各流程规范化、可视化、智能化。这样不仅能有效提高生产效能，还可以更好地把控产品的质量及产量。

1.2 原燃料对超厚料层烧结的影响

烧结工艺中的原燃料主要包括铁料、熔剂、燃料，对实现超厚料层烧结起着至关重要的作用，适宜的铁料配比，能在保证烧结矿质量的同时实现资源利用优化，通过合理搭配高、低、中熔点铁料，保证较为适宜的液相生成量，减少燃料消耗。通过单品种矿粉烧结性能及流动性试验对比，确定高、低熔点矿粉上限配比[7]。根据单品种矿粉的性能评价及相互间的替代关系，优化入烧结构，为提高料层厚度提供了原料基础。适宜的熔剂结构不仅可以促进烧结矿液相生成，改善烧结矿技术经济指标，还可以增加烧结料料温，降低燃料消耗，辅助制粒，进一步提高料层透气性[8]。燃料影响着烧结料层的热量分布，决定着烧结矿的质量，对燃料你实行偏析布料，保证热量的均匀性，充分利用厚料层的蓄热，降低燃料消耗[9]。另外，原燃料粒度分布对制粒效果影响较大，需综合考虑各影响因素的作用效果，协调控制原燃料的配比。

1.3 生产操作工艺参数对超厚料层烧结的影响

超厚料层烧结，不仅对烧结设备和原燃料有严格要求，还需要格外注意生产工艺参数（水分、料温、料层透气性等）对超厚料层的影响。水分对于烧结制粒以及过湿带起着至关重要的作用，需控制适宜的水分含量，在保证制粒效果的同时减弱或者杜绝对过湿带的影响，保证料层透气性。高料温在一定程度上能够很好地提高烧结露点，降低过湿带的影响，同时节约预热所需的热量[10-14]。大量的水分能够有效地保证制粒效果，但是也会加剧过湿带的形成，因此高水操作一般和高料温一起使用，同时对操作人员的生产操作水平有一定的要求。许多企业还通过偏析布料、料面打孔、负压点火等操作来提高料层透气性，进一步保证超厚料层烧结生产操作工艺参数的优良。生产实践中除了需要严格控制工艺参数外，还需严格控制操作流程，规范化操作，将烧结机漏风率、垂直烧结速度等纳入监控，降低不必要的能量损耗。

2 超厚料层烧结生产实践案例分析

2.1 天钢联合特钢230 m2烧结机1 000 mm超厚料层烧结生产实践

天钢联合特钢2台230 m2烧结机进行了1 000 mm超厚料层烧结，在很多方面取得了不错的生产应用成果。天钢联合特钢之所以能够长期稳定料层厚度1 000 mm生产，除了其操作技术先进之外，最主要的特点在于其采用高水高料温的混料模式，且添加的熔剂均采用高活性石灰，生石灰消化放热进一步提高混匀料温度，高料温操作可很好地降低过湿带对透气性的影响。另外，随着设备改造、工艺优化以及操作制度的改善，烧结机的漏风率由原来的55%下降至34.68%；同时，随着烧结料层的升高，气体经上部热烧结矿带入下部料层的热量增加，余热利用率提高，固体燃耗降低，2019年固体燃料单耗下降至43.73 kg/t，电能单耗也降至19.24 kWh/t，利用系数提升至1.87 t/（m2·h）[6,7,10,15]。

2.2 陕钢265 m2烧结机1 000 mm超厚料层烧结生产实践

陕钢汉钢265 m2烧结机进行了超厚料层1 000 mm烧结，其主要的技术改进在于设备和原燃料控制方面。首先，从设备方面来讲，陕钢将栏板高度增加至1 000 mm，同时严格管控烧结机的漏风，保证烧结机零部件气密性，混料机加装热水箱，使混合料露点温度尽可能维持在65 ℃以上，降低过湿带对料层透气性的影响。其次，对内返高返及铺底料粒度进行控制，使其≤5.0 mm粒度返矿占比超过75%，对燃料粒径及质量也进行了严格控制。设备改造之后，成品烧结矿转鼓指数由73%增加至75%，粒径≥16 mm质量分数由55%增加至65%，入炉固体单耗由60 kg/t降低至55 kg/t，极大地提高了烧结矿质量及产量[9]。

2.3 湘钢360 m2烧结机920 mm超厚料层烧结生产实践

湘钢为了实现920 mm超厚料层烧结生产，采取的主要技术措施有：首先，开发了雾化水制粒系统，强化制粒，开发微负压点火技术，改型炉箅条，减缓炉条板结，使用新型松料器等措施提高料层透气性。其次，改造烧结机栏板，降低漏风率[16-17]。最后，优化改造布料系统，恒定料温，改造加水系统，稳定加水量及加水方式。通过一系列的设备改造和生产操作优化，在一定程度上提高了烧结的矿产、质量，降低了烧结的生产成本，同时达到了节能减排的目的。920 mm料层超厚度生产实施后，烧结矿转鼓强度达到80%以上，提高了2.95%，利用系数提高至1.4 t/m2·h以上，提高了5.2%，同时烧结矿生产成本也大幅度降低，电耗降低至40.5 kWh/t，固体燃料消耗降低至53.89 kg/t，降低了9.94%[18]。

2.4 马钢360 m2烧结机900 mm超厚料层烧结生产实践

马钢380 m2烧结机于2010年进行了900 mm超厚料层生产，其技术优势在于对混料机加水系统进行了优化改造，使得混合料加水量稳定性明显提高，混料机加水偏差值减小，烧结机废气温差减少，烧结过程的稳定性明显上升。同时，根据马钢的实际情况对烧结机和点火炉均进行了改造，以适应超高料层厚度烧结需要[19,20]。马钢超厚料层烧结设备改造与优化的应用，成功实现了900 mm超厚料层烧结，降低固体燃料单耗1.03 kg/t，烧结生产率和烧结矿质量明显改善，烧结机利用系数上升了0.098 t/（m2·h），烧结矿合格率提高了2.30%。

3 超厚料层烧结相关技术

3.1 支撑烧结技术

随着料层厚度的增加，烧结料层重力对烧结各带的透气性影响加剧，尤其是燃烧熔融带。随着烧结过程的持续进行，自蓄热作用越来越显著，燃烧带温度逐渐增加，液相量逐渐增加。上部烧结料层荷重压力对燃烧熔融带的影响加剧，熔融带矿石相和液相被充分压缩，气体流动受阻，料层透气性急剧恶化，烧结矿质量下降。为此开发出支撑烧结技术，通过在料层底部添加烧结支撑板，减少焙烧过程中因为荷重压力带来的透气性差的问题。试验证明，安装支撑板后，烧结料层透气性明显改善，烧结矿质量增加，垂直烧结速度增加，燃耗降低，成品率波动降低，利用系数增大，烧结矿产量增加[21]。

3.2 双层烧结技术

双层烧结技术的主要特点在于其将布料和点火分级进行，首先布料65%厚度，进行点火烧结。当烧结接近预烧结终点时，快速进行上层二次布料，二次布料结束后立即进行二次点火烧结[16]。双层烧结技术显著改善了料层厚度增加带来的透气性差、烧结矿质量低、料层下部缺氧等问题，通过分层预烧结，使得料层中部形成透气性良好的预烧结矿带，降低了因为蓄热作用和料层荷重带来的透气性差等问题，也很好的利用了上部烧结烟气的预热作用节约了燃料消耗，以及下部燃烧带对烧结烟气的高温分解作用，保持了超厚料层节能减排的优势，使得垂直烧结速度加快，烧结机利用系数增加。

3.3 其他相关技术

近年来对于超厚料层相关研究较多，常见技术还包括强混技术、料面打孔技术、分层布料技术等，通过改进圆筒混料机，保证烧结原料制粒效果良好，粘附粉和核颗粒分布均匀，难烧结的含铁原料和液相流动性好的铁料混合效果良好，可有效保证超厚料层烧结的高产低耗，料面打孔技术可有效改善超厚料层的透气性，保证焙烧过程下部氧气供应。分层布料技术能更好的利用自蓄热作用，通过将燃料的偏析布料，最大限度的利用了烧结烟气的预热，进一步节约了能源。

4 结语

超厚料层烧结技术的应用对于我国铁前工艺有着不可替代的作用，分析对比国内先进企业的成功经验，得出如下超厚料层烧结的先进经验：

（1）生产设备方面，需对设备进行系统的改造，保证各设备协调作用，充分发挥效能，保证混匀料的制粒效果，烧结机料层具备较高的透气性，烧结机漏风率低，另外可增加类似于支撑板，打孔器等设备改进烧结 料层透气性，进一步保证超厚料层烧结的稳定性。

（2）原燃料方面，应该优化含铁原料种类，合理搭配不同烧结性能的铁矿粉；采用合适的熔剂结构，保证较好的制粒效果，以及优良的液相生成条件；燃料方面应当注意粒度分布及偏析布料，保证热量的均匀分布。

（3）工艺参数方面，水分、料温、料层透气性等参数需严格把控，其中水分对于烧结制粒以及过湿带的形成有着至关重要的作用，需控制适宜的水分含量，减弱或者杜绝过湿带的影响，保证料层透气性；料温可以降低露点，减少过湿带的形成；料层透气性更是直接决定超厚层烧结能否实现。

（4）生产技术方面，应当规范化生产应用，将烧结机漏风率、垂直烧结速度烟气成分等及进行严格把控，降低不必要的能力损耗，同时企业应根据自身设备及原料情况，对自己的操作进行合理优化。