基于凌钢烧结原燃料优化配矿研究

马晓勇，张建良，张宝付，王桂林，王耀祖，刘征建

（1.凌源钢铁股份有限公司,辽宁122500;2.北京科技大学，冶金与生态工程学院，北京100083；3.北京科技大学，人工智能研究院，北京100083）

0 引言

随着近几年铁矿石价格的波动，如何通过优化烧结配矿实现低成本炼铁和提高烧结矿质量成为各钢铁企业的研究重点，因此业内专家对不同配矿下烧结矿的性能进行了大量和广泛的研究[1-4]。 王峰等人研究表明，寻找铁矿粉基础性能与烧结产量和质量的耦合联系，是实现钢铁企业优化配矿的关键因素[5]。 王喆等人通过烧结杯实验，探讨了不同高温基础特性的铁矿粉对烧结矿产量和冶金性能的影响[6]。 邯钢基于铁矿粉的基础物性，依据高温特性互补原理，通烧结杯实验为改善烧结矿质量提供了依据[7]。 王桂林等人通过实验，制备了低镁烧结矿并研究了基于低镁烧结矿和熔剂性球团的熔滴性能[8]。张琦等人针对钢铁企业富矿粉烧结，调节南非富矿粉、南非精粉和巴西卡粉的配比，实现了转鼓指数63.39%，熔滴特性1419 kPa·℃[9]。 承强等人对炼钢污泥在烧结生产中的应用进行了研究，探究了炼钢污泥对烧结矿相结构及冶金性能的影响[10]。 王耀祖等人通过调节铁矿粉配比改变烧结矿的TiO2含量，探究了其对烧结液相量、固体燃耗及熔滴性能的影响规律[11]。 牛乐乐等人对混匀矿的矿物组成进行了研究，混合配矿后混匀矿的针铁矿FeO（OH）更有利于烧结过程中生成良好针状铁酸钙结构，提高烧结矿质量[12]。

本文主要以凌钢烧结原燃料为基础，在不改变烧结矿碱度和铁精粉配比的基础上，通过调整凌钢烧结所用进口矿粉的种类和配比，形成7 种适宜的烧结配矿方案，并结合烧结杯实验和冶金性能研究分析确定适合凌钢的烧结配矿方案，以提升凌钢烧结生产技术水平和烧结矿产质量。

1 实验原料和方法

1.1 实验原料

本实验研究所使用的铁矿粉为凌钢烧结所用的铁矿粉，主要为外矿OB、OP、ON、OR、OF、OC、金布巴矿粉、铁谷粉及地方矿，其化学成分如表1 所示。 由表1 可以看出，外矿中OB、OP、ON 和OR 四种矿粉的TFe 较高，均大于59.70%，OB 矿粉的Al2O3含量相对较低，为1.42%，且其烧损较低。 OF和OC 矿粉的烧损较高，为半赤、半褐铁矿粉。

表1 烧结杯所用铁矿粉化学成分分析 /wt%

1.2 烧结实验方法

1.2.1 烧结实验方案

实验主要研究了在半赤、 半褐铁矿粉高配比下，不同铁矿粉配比对烧结矿性能的影响，其烧结杯实验方案进口矿配比设计如表2 所示。 方案A 系列主要通过调整OB、OP、ON 和OR 矿粉的配比；方案B 系列主要通过OF 与OC 矿粉的互相替换进行研究，其余矿粉及含铁原料配比固定。 实验所用的燃料为焦粉，熔剂为石灰石和白云石。 烧结杯燃料配比5.30%，烧结矿碱度设计为2.31。各原料配比均为湿料配比。

表2 烧结杯实验方案进口矿配比设计

1.2.2 烧结杯实验

实验所使用的烧结杯尺寸为Φ230 mm×700 mm，点火温度1050 ℃，点火负压控制在6 kPa，烧结负压10 kPa，以废气温度最高时为烧结终点。 烧结杯结构示意图如图1 所示。

1.2.3 烧结矿还原性实验

本次烧结矿的还原性实验，是按照国标（GB13241－91） 检验方法规定的装置及工艺参数进行。 将一定粒度范围（10～12.5 mm）的烧结矿试样置于中温管式炉的固定床上，用由CO 和N2组成的还原气体，在900 ℃的温度下进行等温还原。每隔一定时间称试样质量。 还原气体成分（体积分数）为30%CO、70%N2，整个实验期间，还原气体标态（0 ℃和101.325 kPa）流量保持15±0.5 L/min。

1.2 .4 烧结矿低温还原粉化实验

低温还原粉化实验的还原温度为500±10 ℃，还原时间为60 min，还原气体成分为20%CO，20%CO2，60%N2。 还原后试样通入N2冷却，然后全部装入小转鼓（φ130 mm×200 mm）内，以30 r/min 的转速转动10 min，然后进行筛分，以≥3.15 mm 粒级的质量与还原后入鼓的试样总质量之比的百分数作为还原粉化指数。

图1 烧结杯主体实验装置示意图

1.2.4 烧结矿荷重软化熔滴实验

荷重软化熔滴实验工艺流程为： 炉料荷重为1 kg/cm2，升温速度、煤气成分均模拟高炉实际生产情况制定。

升温制度为：20 ℃～900 ℃区间升温速度5 ℃/min；900 ℃恒温30 min；900℃～1600 ℃区间升温速度5 ℃/min。

通气制度为：20 ℃～100 ℃区间还原氮气3L/min，100 ℃～500 ℃区间还原氮气5 L/min；500 ℃开始通入还原气体，CO:3 L/min，N2:7 L/min。

炉料的S 特性值为熔融开始温度和熔融终了温度之间的压差积分。

1.2.5 烧结矿矿物组成观察

实验过程将10.0～12.5 mm 烧结矿进行磨样和剖光，然后进行SEM-EDS 电镜观察，以确定不同烧结矿的矿物组成。

2 实验结果分析研究

2.1 不同配矿对烧结经济技术指标的影响

烧结经济技术指标是反应烧结矿生产过程中的重要技术参数，通过2 种不同配矿系列（7 组烧结杯实验）得出了不同烧结杯实验方案下的烧结经济技术指标，主要为垂直烧结速度、成品率、利用系数、转鼓强度和固体燃耗。 不同实验方案下的垂直烧结速度、利用系数、成品率和固体燃耗如图2 所示。 图中：（a）为A 系列方案垂直烧结速度；（b）为A系列方案利用系数；（c） 为A 系列方案成品率；（d）为A 系列方案固体燃耗；（e） 为B 系列方案垂直烧结速度；（f）为B 系列方案利用系数；（g）为B 系列方案成品率；（h）为B 系列方案固体燃耗。

2.1.1 不同配矿对烧结利用系数的影响

图2 不同配矿方案下烧结经济技术指标变化

从图2 中可看出，当采用OP 和ON 矿粉替代OB 矿粉后，垂直烧结速度和烧结利用系数呈现增长趋势，其中方案A-3 的垂直烧结速度为34.74 mm/min，利用系数为1.86 t/（m2·h）。 A-3 混合料的粒度分布的标准差相比A-1 降低1.49，因此其粒度分布较为均匀，烧结料层的透气性较好，所以其垂直烧结速度和利用系数较高。

B 系列方案配矿中，B-2 方案的混合料平均粒度为3.76 mm，相比B-1 和B-3 都较高，因此垂直烧结速度和利用系数都较高。 三组烧结杯方案的成品率差异较小。

2.1.2 不同配矿对烧结转鼓强度的影响

烧结矿转鼓强度是衡量烧结矿的冷态下强度的重要指标，不同实验方案下烧结矿转鼓强度指标如图3 所示。

由图3（a）可以看出，A 系列烧结杯实验中，方案A-1 烧结矿的转鼓强度最好，为71.33%。 从矿粉角度分析，铁矿粉OB 的液相流动性指数相比其他三种矿粉较好，有利于增强烧结过程中的液相流动，因此其转鼓强度较好。

由图3（b）可以看出，B 系列烧结杯实验中，当OC 矿粉配比增加后，烧结矿的冷态强度增强，方案B-3 烧结矿的转鼓强度为68.00%。 OC 矿粉作为一种半赤半褐矿粉，其配比增加后一定程度上使得烧结的同化性温度降低，有利于烧结过程的液相生成，促进固相的黏结，因此其转鼓强度较高。

图3 不同配矿方案下烧结矿转鼓强度变化

为探究不同配矿方案下烧结矿转鼓强度的变化，对不同方案烧结矿进行矿相结构研究。 A、B 系列烧结矿矿相结构如图4、图5 所示

由图4 可以看出，A-1 烧结矿主要为赤铁矿、磁铁矿和硅酸盐相，其固相反应较为充分，因此其强度较好；A-2 矿相结构中铁酸盐液相生成量较少，因此其转鼓强度较差；A-4 相比A-3 的铁酸钙相较少，因此其转鼓强度下降。

图4 A系列配矿方案下烧结矿矿相结构

由图5 可以看出，B-1 烧结矿中存在一定的铁酸钙相；B-2 和B-3 烧结矿矿相主要为磁铁矿和硅酸盐相，矿相中孔隙较少，固结较为充分，因此其转鼓强度较好。

图5 B系列配矿方案下烧结矿矿相结构

2.2 不同配矿对烧结矿冶金性能的影响

2.2.1 对烧结矿还原性和低温还原粉化性的影响

烧结矿的还原性能和低温还原粉化性能是评价烧结矿冶金性能的重要指标。 烧结矿还原性强，则在高炉中温区还原出来的金属铁相多，间接还原发展充分，有利于降低高炉的焦比。 低温还原粉化性能反应的是烧结矿在低温还原过程中发生破碎粉化的特性。 不同配矿下烧结矿的还原度和低温还原粉化指数（RDI+3.15）如图6 所示。 图中：（a）为A系列还原度；（b） 为A 系列低温还原粉化指数；（c）为B 系列方案还原度；（d） 为B 系列方案低温还原粉化指数。

由图6（a）可以看出，由于A-3 烧结矿的矿相中存在较多的铁酸钙相，因此其还原性能优于其余3组烧结矿。 由图6（b）可以看出，A 系列4 组烧结矿的低温还原粉化指数均高于85%，主要是受其碱度及磁铁矿相影响。

由图6（c）可以看出，由于B 系列增加OC 矿粉后，烧结矿相中磁铁矿矿相较多，其还原性能略有降低，因此烧结生产过程中增加OC 矿粉配比后应适当调整燃料配比，避免在烧结过程中还原性氛围较强。

图6 不同配矿下烧结矿还原度和低温还原粉化指数变化

2.2.2 对烧结矿荷重软化性能的影响

烧结矿的软熔性能影响到高炉生产过程中软熔带的位置和厚薄，对高炉的透气性具有重要的影响。 实验得出不同配矿下烧结矿的软化熔滴实验结果如表3 和图7 所示。

由表3 可以看出，A-4 烧结矿软化温度与B-3烧结矿相比较高，A-2 烧结矿中高熔点物相较多，因此还原过程中不易滴落，B 系列中烧结矿均较难滴落。 从熔滴结果分析，增加ON 和OR 矿粉配比后烧结矿单矿的S 特性值分别为1228.90 kPa·℃和1133.28 kPa·℃，透气性指数相对较好。表明还原过程中烧结矿的透气性较好，有利于降低高炉软熔带的透气性。

表3 烧结矿单矿荷重软化熔滴实验结果

图7 优化配矿方案下烧结矿熔滴曲线

3 结语

为适应当前铁矿价格波动形势，基于凌钢烧结所用原燃料结构，通过调整铁矿粉配比，制定了2种系列烧结配矿方案（7 组烧结杯实验）。 通过对不同配矿下烧结矿经济技术指标和冶金性能指标的分析，得出以下结论：

（1） 方案A 系列中采用10%OP 矿粉替换OB矿粉后，烧结利用系数提升至1.73 t/（m2·h），垂直烧结速度提高至33.46 mm/min，烧结矿的还原度提升至73.21%，低温还原粉化指数为85.76%；

（2） 方案A 系列中采取10%ON 矿粉替换OB矿粉方案更为优异，适合烧结生产。 烧结利用系数由1.65 t/（m2·h）增长至1.86 t/（m2·h）；转鼓强度为70%，与A-1 实验基本维持相同水平；烧结矿的还原度由72.68%增长至75.93%； 烧结矿单矿熔滴实验S 特性值降低至1228.90kPa·℃，炉料透气性改善，冶金性能较好。

（3） 方案B 系列中OC 矿粉配比由10%提升至17%后方案更为优异。 烧结利用系数由1.50 t/（m2·h）增长至1.83 t/（m2·h）；转鼓强度改善；烧结矿低温还原粉化指数由84.23%增长至85.95%； 软化开始温度提升至1133 ℃，软熔性能提升；熔滴压差降低至7.77 kPa，熔融滴落温度基本不变。