建立科学钒钛烧结矿冶炼过程的评价体系

吴 迪

钒钛烧结矿冶炼工艺虽复杂、参数多变量、生产工况难以控制，但是经过数十年如一日的实践与探索，加之各种先进烧结工艺与自动化控制技术的提升，在高产量、低消耗、绿色环保烧结前提下高质量钒钛烧结矿的冶炼有其必然内在的运行规律。本文详实论述冶炼钒钛烧结矿过程中科学评价体系，在国家产业与环保政策要求下指导实际操作过程在清洁高效条件下生产出高质量钒钛烧结矿并满足世界上最大钒钛高炉（2500m3）所需“精料”的严格要求。

1 烧结过程的五个阶段

冶炼普通烧结矿与钒钛烧结矿的工艺相差不太多。在烧结过程中的物化反应均在5个烧结层级间进行。烧结机台车混合料经过点火炉点燃燃料，燃料中无烟煤和焦粉随抽入的空气继续燃烧，于是料层的表面形成了燃烧层，当这一层的燃料燃烧完毕后，烧结机主抽风机提供16Kpa负压使其下部料层中的燃料继续燃烧，于是燃烧层向下移动形成了烧结矿层。

（1）烧结矿层：烧结矿层在料层的最上部，抽入的空气首先要穿过烧结矿层，而烧结矿层中已无燃料的燃烧，所以被抽入的空气所冷却，发生熔融矿物的结晶和新相的形成过程，并将自身的热量传递给空气，使空气温度升高（称为自动蓄热作用）。由于气流作用和来不及逸出的气泡及冷却时的体积收缩，熔融物冷却后成为多孔状块矿，使料层透气性增加，负压降低。在与空气接触的烧结矿表面层，还可能发生低价氧化物的再氧化反应，主抽风机压力损失不多。下层产生的高温废气进入燃烧层以下的料层之后，很快将热量传递给烧结混合料，使料温急剧上升。随着温度的升高，到100℃以上，首先出现混合料中的水分蒸发，达到300℃～400℃，水分蒸发完毕，继续升高到800℃，混合料中的燃料着火，进入燃烧层。

（2）燃烧层：预热的空气和燃料作用产生1300℃～1550℃的高温。燃烧速度一般控制30mm/min～50mm/min.这样高的温度使一些低熔点物质软化熔融，生成30mm～50mm厚的液相，此时发生很多化学反应，碳素的燃烧：C+O2=CO2，部分烧结料熔化，碳酸盐的分解，硫化物和磁铁矿被氧化，4FeS2+8O2=Fe3O4+6SO2和4FeS2+11O2=2Fe3O4+8SO2等 一 系 列反应，使矿粉粘结成块。生成液相的多少，直接影响着烧结矿的产量和质量。液相的产生是烧结混合料生成烧结矿的过程，并且由于温度高，使气体体积膨胀，使气体通过时阻力增加，气体通过料层的阻力增加，透气性变坏，不利于提高产量，因此，生产中要求燃烧层的厚度不要太大，一般在15mm～50mm之间。

（3）预热层：温度由1300℃～1350℃逐渐下降400℃～800℃之间的预热层，此处焦粉温度700℃～800℃，煤粉温度400℃～500℃。预热层温度较高，料球被破坏（容易发生炸裂），透气性较差，恶化料层透气性。发生化学反应是有部分碳酸盐的分解MeCO3=MeO+CO2，有结晶水分解，有部分Fe3O4被 还 原。固 相 反 应：CaO和SiO2，MgO和SiO2，CaO和Fe2O3，CaO和Al2O3化合，生成一些低熔点物质。

（4）干燥层：由于烧结过程的气流速度很快，烧结料又是细粒散料，所以，烧结料温度能迅速提高，预热层中焦粉温度还在降低，预热层下面部形成了100℃～400℃之间以水分蒸发为主的10mm～30mm厚干燥层。此处大量水分蒸发，料球被破坏，透气性很差。

（5）过湿层：干燥层以下的料层，温度在60℃～65℃，当温度下降到水蒸气的露点（大约60℃）以下时，在干燥层中蒸发进入废气的水分在这里重新凝结，形成了过湿层。水气的凝结，料球被破坏，透气性很差，为消除过湿层，把料预热到露点以上。

随着烧结过程的进行，燃烧层、预热层和干燥层逐渐下移，烧结矿层逐渐扩大，湿料层逐渐减小，最后全部烧结料变为烧结矿层。

2 厚料层烧结技术冶炼钒钛烧结矿的探索

钒和钛在自然界主要存在钒钛磁铁矿中，两种元素在钢铁、化学、航空航天、国防等领域的作用巨大。我国钒钛磁铁矿主要分布在攀西（四川攀枝花-西昌）和河北省承德地区。钒钛烧结矿特点是易发生“三高”氧化镁、三氧化二铝、二氧化钛含量高，“三低”烧结矿含铁、氧化铁、二氧化硅含量低。给高炉冶炼造成渣稠、粘罐和难控制，钒钛烧结矿在高炉还原铁水的过程中流动性能差，是造成高炉炉矿产生波动的主要原因，甚至给后序炼钢生产和提取钒钛造成很大困难。在节能、环保、高产量要求下采用厚料层烧结技术是有效的操作工艺。厚料层操作有利于降低FeO含量和提高强度。由于料层有自动蓄热作用，为低配碳提供了条件，一般料层每提高100mm，固体燃耗可下降10kg/t。

烧结料层的厚薄对烧结矿强度有着重要的影响，当烧结料层薄时，由于烧结机运转速度比较快，使烧结过程中高温保持时间短，导致烧结矿强度降低。随着烧结料层的加厚，在保持垂直烧结速度不变的情况下，因机速减慢，点火时间与高温保持时间延长，有利于提高烧结矿的强度。提高料层厚度，能够降低表层烧结矿所占比重，提高成品率，降低返矿率，减少FeO含量，提高烧结矿的还原性，并可充分利用烧结过程中的自动蓄热作用达到降低固体燃耗的目的。

360平烧结机冶炼钒钛烧结矿的设备最佳状况是：主抽风机流量18500m3/min，风箱负压16Kpa以上，机速基本控制在1.35m/min左右。经过料层550mm逐渐增加800mm，由于料层厚度对垂直烧结速度和成品率都有影响，因此其产量是两种影响共同的结果。利用系数先是随料层的厚度增加而提高，当料层厚度提高到700mm后，又会开始下降，结合固定能耗、转鼓指数等要素，最佳范围控制在750mm左右，烧结机的利用系数最高。固体燃耗由50kg/t降低到48kg/t，转鼓强度提高了0.12%，FeO降低了0.37%，返矿率降低1.6%，成品率提高约2.2%。

3 燃烧层对钒钛烧结矿的影响

燃烧层是烧结生产过程中最重要的部分，固体碳的燃烧为液相的生成和一切反应提供了热量和气氛。这里发生很多各种反应，并直接影响烧结矿产量与质量。燃烧层是烧结料层中温度最高的区域，因此也称高温区。该温度是固体碳燃烧放出的热量占烧结总热量的90%以上。高温区温度水平和厚度对烧结过程的影响非常显著。

高温区移动速度，即垂直燃烧速度，是决定烧结矿产量的主要因素。产量同垂直烧结速度成正比关系，而垂直烧结速度和风速成0.77～1.05次方的关系。因此，增加风速即可提高垂直烧结速度，提高产量。固体碳燃烧的好坏，决定了烧结矿的质量和产量。烧结料层中固体碳含量低，并且分散，只占总料量3%～5%。燃料少、分散，使空气和燃料接触困难，为保证碳完全燃烧，需要较大空气过剩系数。一般为：1.4～1.5。系数大：O2多，有利于完全燃烧，而且生成的CO有更多机会接触O2，因此，废气中CO2、O2数量多。系数小：则废气中CO2、O2数量少，CO多。

但是垂直烧结速度也不能过快，过快会引起烧结矿强度下降，成品率低。混合料的热容量大，导热性好，粒度小，以及吸热反应发展，都能增加混合料从废气中吸热的能力，从而使烧结速度减小，降低烧结矿产量。而适当增加混合料的水分和溶剂用量时，由于改善了烧结料层的透气性，有利于提高烧结速度。

高温区温度高，生成的液相多，可以提高烧结矿强度，但温度过高会造成过溶现象，降低烧结矿的还原性，同时，液相过多，增加气流阻力，降低烧结速度，影响产量。

高温区厚度过大，也会增加气流阻力，降低烧结速度，但厚度过小，又不能保证各种高温反应所必需的时间，影响烧结矿质量。因此，必须有一个合适的高温区温度和厚度，才能使烧结生产过程得到改善。

经过反复试验，钒钛矿冶炼特点，燃料投产初期燃料配比最高达到11.2%，燃料配比平均达到5.2%～5.5%生产逐步进入正常期后固定碳逐步下调现在一般控制在4.7%～4.3%。

4 水分的冷凝、蒸发

水分影响造球的质量，影响烧结的透气性。同时水分蒸发时消耗热量，会影响到燃料用量。因水分导热系数大（126KJ/m2h℃～419KJ/m2h℃），矿石导热系数小（0.63KJ/m2h℃）。水分主要作用是提高烧结混合料的传热能力使燃料在较窄的范围内燃烧，燃烧层较薄，透气性好。由于烧结料的性质和组成的差异，一般混合料含水在6%～8%，投产初期，参照老烧的水分（6.9±0.2）加以控制，结果混合料粒度组成差，料层难以提高。后经探索逐步提高水分，由7.0±0.2逐渐提高到7.5±0.2%，混合料粒度组成与烧结状况大为改善，水分7.5为适宜水平。

5 碳酸盐的分解和CaO的矿化

烧结中加入的熔剂和矿石本身都带入一定的碳酸盐石灰石（CaCO3）。白云石（MgCO3和菱铁矿（FeCO3）。菱锰矿（MnCO3）这些碳酸盐如果分解不完全，就会影响烧结矿的质量，因此我们要研究碳酸盐的分解过程，掌握控制其分解的因素，以保证烧结过程顺利进行。CaCO3720℃开始分解，在880℃激烈分解CaCO3＝CaO+CO2，在料中存在SiO2、Fe2O3，要进行固相反应。

CaO+SiO2=CaO·SiO2，CaO+Fe2O3=CaO·Fe2O3时开始温度降低，在550～650℃开始分解。

以上反应作用是，可提高烧结矿的强度。实验证明：加5%的CaO，能降低燃烧层温度，缩短烧结时间，可提高产量。CaO在预热带与Fe2O3矿化生成CaO·Fe2O3，其熔点低，产生液相多，能提高结矿强度（即质量）。

影响CaO矿化的因素：

（1）石灰石粒度有关石灰石粒度小，接触面积多，反应数量就多。粒度为：1mm～0mm时，在1250℃，矿化程度为80%～95%。粒度为：3mm～0mm时，在1250℃，矿化程度为55%～74%。（时间都是10min）。

（2）温度升高，有利于CaO的矿化。1200℃，粒度为〈0.6mm，只有50%矿化。1350℃，粒度为1.7mm～3.0mm，则100%矿化。矿粉的粒度越小，矿化的数量越多（一分钟）。

6 液相生成与冷却结晶

液相的形成是各种物理化学反应的结果。混合料颗粒之间在高温作用下产生的低熔点物质变成熔融的液体状态，这些液体通过对周围物料浸润、熔解、粘附和填充空隙使相互间粘结起来，经过冷却而成为烧结矿，因而液相的数量、组成和性质在很大程度上决定烧结矿的还原性和强度。液相数量增加可以增加物料颗粒之间的接触面积，进而提高烧结矿的强度。但是液相过多不利于铁矿物的还原，因而需要根据原料及操作条件来确定合适的液相量。烧结过程中绕结料生成部分液相，是烧结矿固结成型的基础。

影响液相生成量的主要因素随着烧结温度升高，液相增加液相生成量都是随温度的升高而增加的，尤其是温度升到1400，液相生成量几乎随温度的升高而直线增加。

烧结矿碱度，在相同的温度下，碱度越高，液相量越大。也就是说碱度高，易烧结，并且强度好当FeO升高时，熔点下降，易于生成液相。

随着焦炭用量增加，烧结料层将会由氧化性气氛变成弱还原性气氛，铁的高价氧化物将还原成低价氧化物，使Fe0增多。烧结料中SiO2含量越高，烧结过程中产生的液相就越多。SiO2含量低于5%时，在烧结生产中就会觉得液相不足。高品位的铁矿石烧结时，往往遇到这种情况。

7 影响烧结矿矿物组成和显微结构的因素

（1）燃料用量：烧结料中的配碳量决定烧结温度、烧结速度和气氛条件，烧结速度和气氛条件对烧结矿物组成影响很大。

在正常燃料用量下，烧结矿矿物主要是磁铁矿和铁橄榄石，还有少量浮士体，磁铁矿结晶程度提高，粘结相主要是铁橄榄石，孔洞少，烧结矿强度提高。当燃料消耗量过多时（＞7%），烧结温度升高还原气氛增加，生成大量的浮士体和铁橄榄石，磁铁矿减少，可能出现金属铁·烧结矿，因过熔造成大孔薄壁或气孔度少的烧结矿，使强度和还原性都变坏。生产熔性烧结矿时，随着含碳量增加，磁铁矿结晶程度提高，生成大粒结晶，粘结相主要是钙铁橄榄石，孔洞少，烧结矿强度提高，但用碳量过多时，浮士体和钙铁橄榄石增加，磁铁矿减少，易生成过熔烧结矿。同时，高温下易生成正硅酸钙，在冷却时发生晶型转变，使烧结矿粉化，强度和还原性都变坏。

（2）烧结矿碱度：在燃料用量一定的条件下，烧结矿的最终矿物组成主要取决于烧结矿碱度，碱度为1.5～2.5的熔剂性烧结矿，含铁矿物与上面基本相同，粘结相主要为钙铁橄榄石、铁酸钙、硅酸钙及玻璃体等，随着碱度升高，钙铁橄榄石和玻璃体含量急剧下降，铁酸钙和硅酸钙含量明显增加。由于粘结相矿物的强度较差，并且冷却时发生正硅酸钙由B--r晶型转变，造成烧结矿严重粉化，烧结矿质量下降。同时过量的CaO起了稳定B-2CaO·SiO2的作用，所以此类烧结矿不发生粉化现象、强度和还原性均好，高碱度烧结矿具有上述特点，是由于燃料用量一定时，随着碱度的提高，熔剂量逐渐增多，放出CO2，降低了烧结料层温度和还原气氛，有利于提高烧结矿的氧化度，所以磁铁矿减少，以至消失。而过量的CaO有利于生成CaO·Fe2O3和CaO-SiO2体系矿物

8 烧结过程中有害杂质的去除

在烧结过程中，烧结料中的硫沿料层高度会发生再分布现象。在燃烧层气化的硫，以S、SO2和SO3的形式逐渐进入预热层和过湿层，气体中含硫量向下逐渐降低，烧结料中的含硫量则向下逐渐增加。这是因为在较低温度下硫蒸汽能沉积下来，SO2和SO3溶于水，以及SO2与石灰作用生成CaSO4的结果。但因烧结过程逐渐向下推移，预热层和过湿层最终消失，硫再分布对产品的影响就不大了。

9 建立科学钒钛烧结矿评价体系内涵

综上一至八项从钒钛烧结工艺过程的角度进行大致论述，简要揭示冶炼钒钛烧结矿各种粉状含铁原料，配入一定数量的燃料和熔剂，均匀混合制粒，然后放到烧结设备上点火烧结。在燃料燃烧产生高温和一系列物理化学反应的作用下，混合料中部分易熔物质发生软化、熔化，产生一定数量的液相，并润湿其它未熔化的矿石颗粒。当冷却后，液相将矿粉颗粒粘结成块状烧结矿。烧结工艺包括配料、混匀、造粒、布料、点火和烧结、烧结矿的破碎、成品矿得的筛分、冷却和输送7个过程。在这多过程多变量连续大生产作业环境中，构建真实客观重量、水分、温度、压力、速度、料层厚度6个参数测量体系是科学评价烧结矿生产的基础支撑。

下面仅以重量配料法为例论述：

（1）过程控制掌握趋势。钒钛烧结矿使用重量配料并实现配料自动化，配料过程采用趋势法进行控制。

（2）数据追溯溯源，保证数据真实可靠。每天供应1#、5#、新2#、新3#烧结机混合铁料约28500吨。承担混料72台配料工艺秤的计量设备对混匀配料的质量产生决定性影响。72台配料工艺秤进行实物校准。依据《JJG195-2002_连续累计自动衡器（皮带秤）》和《JJG+560-1988悬臂式电子皮带秤试行检定规程》的相关规定，对物料进行实物校准。

（3）构建网络，比对验证结果。除此之外，构建物料进出比对网络，班产配料实际过程。

（4）数据追溯，当化验烧结矿理化指标发生变化。查看烧结原燃料化学成分检测数据

10 结语

钒钛烧结矿生产是个复杂、多种因素互相影响作用的结果，构建科学的评价体系要素要齐全，对原料化学成分、生产过程、设备稳定性能、岗位操作标准化四个方面都有影响。本文篇幅限制无法详实展开论述，只按本文思路对燃料、容积、温度、压力进行系统校准，精心操作，合理探索实践，使钒钛烧结矿生产达到高产高效节能环保的一流水准。