燒結(jié)新技術(shù)培訓(xùn)第二講(畢學(xué)工)-鑲嵌式燒結(jié)工藝

1、鑲嵌式燒結(jié)工藝鑲嵌式燒結(jié)工藝 武漢科技大學(xué)教育部鋼鐵冶金與資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室武漢科技大學(xué)教育部鋼鐵冶金與資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 畢學(xué)工教授畢學(xué)工教授 2 1 鑲嵌式燒結(jié)工藝的提出背景 世界鋼產(chǎn)量大幅增加，導(dǎo)致高品位赤鐵礦的 耗盡和針鐵礦、褐鐵礦和含結(jié)晶水鐵礦石使 用量的增加。例如在日本，粗顆粒的褐鐵礦 類型的豆鐵礦（pisolitic ores）的比例已經(jīng) 增加了好幾倍。而且大量?jī)?chǔ)存的粉狀Marra Mamba針鐵礦（goethite ores）已經(jīng)在澳 大利亞被開(kāi)發(fā)并出口到亞洲國(guó)家。這樣的趨 勢(shì)未來(lái)會(huì)繼續(xù)。 3 鐵礦石的性能變化影響的不只是燒結(jié)的產(chǎn)、質(zhì)量， 還影響著礦石在高爐里的冶金特性，因此需

2、要更一步地 開(kāi)發(fā)包括原料預(yù)處理方法在內(nèi)的燒結(jié)技術(shù)和燒結(jié)過(guò)程。 為了做關(guān)于上述問(wèn)題的更深入研究，2005年開(kāi)始， ISIJ（日本鋼鐵協(xié)會(huì)）成立了“通過(guò)設(shè)計(jì)合成造粒床結(jié) 構(gòu)的新燒結(jié)工藝”的研究項(xiàng)目，這是日本鋼鐵公司和幾 所大學(xué)的合作項(xiàng)目。 New Sintering Process through Designing of Composite Granulation & Bed Structure 4 項(xiàng)目的主要目的： - 研究豆鐵礦和針鐵礦的特性，了解其在燒結(jié)過(guò)程中的行 為。 - 針對(duì)礦石的特性，進(jìn)行有關(guān)原料混合、造粒、床層結(jié)構(gòu) 的最優(yōu)化設(shè)計(jì)和燒結(jié)礦冶金性能的基礎(chǔ)研究。 課題發(fā)明了一個(gè)新燒結(jié)過(guò)程

3、的工藝原理，名叫鑲嵌式鐵礦 石燒結(jié)工藝（MEBIOS） Mosaic EmBedding Iron Ore Sintering Process 5 圖1 MEBIOS工藝流程圖 MEMIOS工藝的特點(diǎn)用馬拉曼巴 礦制備的生球（燒成層）均勻地 分布在誘導(dǎo)層中 6 料層設(shè)計(jì)為兩個(gè)部分: （1）誘導(dǎo)層（induction bed），要有很好的透氣性， 并為下層提供充足的熱量； （2）燒成層（aging bed），含大的料粒或壓塊，被來(lái) 自誘導(dǎo)層的熱量燒結(jié)。 在這種情況下，因?yàn)閮蓪拥臒岱植际遣灰粯拥?，所以?以根據(jù)使用鐵礦石的性能對(duì)各層的功能進(jìn)行優(yōu)化。 因此，可以預(yù)期既提高燒結(jié)礦的產(chǎn)量，又改善燒結(jié)礦的

4、質(zhì) 量。 7 成立了三個(gè)工作組成立了三個(gè)工作組 工作組工作組1 1的成果（制粒）：的成果（制粒）： 原料原料的制粒過(guò)程對(duì)燒結(jié)的生產(chǎn)率和的制粒過(guò)程對(duì)燒結(jié)的生產(chǎn)率和生產(chǎn)的燒結(jié)礦的生產(chǎn)的燒結(jié)礦的冶金冶金 性能影響很大。因此，性能影響很大。因此，提出并運(yùn)用了提出并運(yùn)用了各種提高制粒效果各種提高制粒效果 的技術(shù)。比如用細(xì)顆粒的技術(shù)。比如用細(xì)顆粒Marra MambaMarra Mamba褐鐵礦粉制成褐鐵礦粉制成 10mm15mm10mm15mm的小球用作的小球用作MEBIOSMEBIOS過(guò)程的下層過(guò)程的下層 8 圖圖2 MEBIOS工藝改善料層透氣性的原理，以及大球與氣流之間傳熱和氣體流動(dòng)的示意圖工藝改

5、善料層透氣性的原理，以及大球與氣流之間傳熱和氣體流動(dòng)的示意圖 9 圖2顯示了采用MEBIOS燒結(jié)改進(jìn)透氣性的原理。 粗顆粒的作用像一堵墻，這里的堆密度低于整個(gè)料層的堆密度。這樣就提高 了料層的透氣性和燒結(jié)速度。 粗顆粒可以是生球，但是它們要有干凈而硬的表面以及良好強(qiáng)度，以受得了 從制粒到布料過(guò)程的輸送過(guò)程。 當(dāng)小球的尺寸在10mm15mm時(shí)（干球團(tuán)密度為3.1 g/cm3），目標(biāo)強(qiáng)度 應(yīng)達(dá)到200 kPa。 球團(tuán)的強(qiáng)度指數(shù)FN，用球團(tuán)從0.5m高度落下破碎的次數(shù)表示。 干濕球團(tuán)的抗壓性分別為Std和Stw，單位kPa，用以下關(guān)系式計(jì)算： FN = 0.052 Stw(1) Std = f St

6、w(2) 在這里，f是指干球團(tuán)與濕球團(tuán)的強(qiáng)度之比，赤鐵礦、馬馬拉曼巴和豆?fàn)畹V鐵礦 的f值分別為0.180.32、4.0、7.8。f值同時(shí)還和制粒物料中小顆粒（-10 m）的比例有關(guān)。馬馬拉曼巴和豆?fàn)畹V鐵礦的料粒通過(guò)干燥可能會(huì)提高抗壓強(qiáng) 度。 10 Kawachi等人指出，在造球工藝中原料的合適水含量會(huì)隨 著能懸浮在水中的微小顆粒（10m）的增加和添加分 散劑而減小，這意味著，細(xì)顆粒作為懸浮液會(huì)滲入料粒中 顆粒之間的縫隙中，在干燥過(guò)程中，將進(jìn)一步形成固體鍵 橋（圖3），而導(dǎo)致公式2中的強(qiáng)度比f(wàn)的增大。 圖3 微顆粒在制粒和干燥過(guò)程中的行為 11 工作組工作組2 2的成果（模擬）：的成果（模擬）：

7、 通過(guò)數(shù)值模擬來(lái)設(shè)計(jì)滲透作用和床身結(jié)構(gòu)通過(guò)數(shù)值模擬來(lái)設(shè)計(jì)滲透作用和床身結(jié)構(gòu) 燒結(jié)過(guò)程數(shù)學(xué)模型的基本方程式：燒結(jié)過(guò)程數(shù)學(xué)模型的基本方程式： CGG(TG/t) = hs(Ts - TG)+ug CG(TG/Z) (3) (1 -) CsG(Ts/t) = hs(Ts - TG) + Rc(-H) (4) Rc = 4r2 nc kcCO2 (5) 12 方程組中與燒結(jié)料層結(jié)構(gòu)有關(guān)的參數(shù)：方程組中與燒結(jié)料層結(jié)構(gòu)有關(guān)的參數(shù)： - 料層的孔隙度，取決于料粒的粒度分布 s- 傳熱面積，取決于料粒的直徑和形狀 ug- 氣流速度，取決于料層的孔隙度 kc- 焦炭顆粒的燃燒反應(yīng)速度，取決于焦炭在料粒中的 存在

8、形式，即添加方式和制粒方式 因此，在MEBIOS燒結(jié)工藝中，采用了大顆粒的料粒， 即燒成層，來(lái)改善燒結(jié)床的透氣性和熱效率。因此，優(yōu) 化燒成層的組成、形狀和大小與排列方式是使MEBIOS 過(guò)程的優(yōu)點(diǎn)發(fā)揮到最大的關(guān)鍵問(wèn)題。 13 圖 4 MEBIOS燒結(jié)床不同位置固體溫度的變化 顯示了料層高度方向上溫度的均勻分布 14 圖5 通過(guò)DEM數(shù)值模擬獲得的燒結(jié)床顆粒分布的一系列快照 空心虛線圓圈表示礦石被隔開(kāi)區(qū)域，原圖中鐵礦石顆粒為灰白色 DEM仿真顯示了MEBIOS燒結(jié)工藝能改善料層的透氣性和減小床層高度收縮的程度 15 工作組工作組3 3的成果（燒結(jié)反應(yīng)）：的成果（燒結(jié)反應(yīng)）： 增加高爐配礦中燒結(jié)礦

9、的比例和提高燒結(jié)礦的還原性， 能夠有效降低高爐煉鐵的燃料消耗、CO2排放 圖6顯示：原料顆粒中的孔洞（顆粒內(nèi)部的外氣孔、內(nèi) 氣孔和顆粒之間的空隙），包括石灰石和結(jié)晶水分解形 成的氣孔和顆粒外部和內(nèi)部的孔隙，主要會(huì)通過(guò)鐵酸鈣 熔體的流動(dòng)而重新排列。這是燒結(jié)時(shí)燒結(jié)料層中形成氣 體流動(dòng)通道的空隙網(wǎng)絡(luò)和氣孔的機(jī)理，它會(huì)影響燒結(jié)礦 的強(qiáng)度和還原性等性質(zhì)。 16 圖6 燒結(jié)床結(jié)構(gòu)變化示意圖 17 料層結(jié)構(gòu)在燒結(jié)過(guò)程中的變化 18 MEMIOS工藝的特點(diǎn)用馬拉曼巴礦制備的生球（燒成 層）均勻地分布在誘導(dǎo)層中 因?yàn)橹饕P(guān)心的是燒結(jié)餅的透氣性和產(chǎn)量，作為固結(jié)塊 的骨料，燒成層主要應(yīng)發(fā)揮形成合適的合成料床結(jié)構(gòu)的

10、作用。因此，它既要牢固地與誘導(dǎo)床結(jié)合，但又不能完 全吸收消化。這牽涉到液相的生成量和流動(dòng)性問(wèn)題。 當(dāng)鐵酸鈣熔體滲入鐵礦石顆?；蛐∏驎r(shí)，熔體中的CaO 含量降低，其粘度有增大的傾向。 因此，通過(guò)設(shè)計(jì)誘導(dǎo)層的化學(xué)成分和細(xì)顆粒的數(shù)量來(lái)控 制熔體的滲透深度。 19 MEMIOS工藝的特點(diǎn)用馬拉曼巴礦制備的生球（燒成 層）均勻地分布在誘導(dǎo)層中 因?yàn)橹饕P(guān)心的是燒結(jié)餅的透氣性和產(chǎn)量，作為固結(jié)塊 的骨料，燒成層主要應(yīng)發(fā)揮形成合適的合成料床結(jié)構(gòu)的 作用。因此，它既要牢固地與誘導(dǎo)床結(jié)合，但又不能完 全吸收消化。這牽涉到液相的生成量和流動(dòng)性問(wèn)題。 當(dāng)鐵酸鈣熔體滲入鐵礦石顆粒或小球時(shí)，熔體中的CaO 含量降低，其粘

11、度有增大的傾向。 因此，通過(guò)設(shè)計(jì)誘導(dǎo)層的化學(xué)成分和細(xì)顆粒的數(shù)量來(lái)控 制熔體的滲透深度。 20 Sato等人報(bào)道，有尺寸為6 cm3的大塊殘留而沒(méi)有在燒 結(jié)時(shí)被吸收，它們可以起到骨架作用，對(duì)保持高透氣性 有幫助，而尺寸為2 cm3小塊被完全吸收。因此，需要 找到一個(gè)條件，使得大料粒即燒成層，被保留下來(lái)并維 持其強(qiáng)度直到裝入高爐為止。 Otomo等人證實(shí)，當(dāng)選擇適當(dāng)?shù)臈l件，例如焦炭含量 和誘導(dǎo)層的原料化學(xué)成分，在燒結(jié)后這些大球能夠不發(fā) 生明顯的形變而得到保留，如圖8所示。 例子一 誘導(dǎo)層的化學(xué)成分： CaO/Fe2O3：0.1 CaO/SiO2：1.8 焦粉配比：4% 21 圖8大顆粒周圍燒結(jié)礦橫

12、截面結(jié)構(gòu)的CTS X射線圖像 22 在這個(gè)項(xiàng)目中，動(dòng)態(tài)地評(píng)價(jià)了MEBIOS燒結(jié)礦的還原性， 發(fā)現(xiàn)恰當(dāng)?shù)卦跓蓪雍驼T導(dǎo)層之間形成氧化鈣的偏析會(huì)顯 著改善生產(chǎn)出來(lái)的燒結(jié)礦的還原性，這種燒結(jié)礦是由高低 堿度兩部分組成的復(fù)合物。 Sugiyama對(duì)SFCA樣品進(jìn)行還原性測(cè)試，發(fā)現(xiàn)SFCA-I （高鐵低硅SFCA，一般認(rèn)為其還原性良好）并不是一種很 好還原的礦物，而圍繞它形成的微孔結(jié)構(gòu)使它具有了高還 原性（如圖10）。 它表明控制孔隙結(jié)構(gòu)，粒度分布和孔隙率對(duì)生產(chǎn)具有高還 原性和好的礦物組成的燒結(jié)礦非常重要。 23 圖10 (a) SFCA-I和(b) SFCA和它們的還原樣品XRD圖像 24 燃料種類對(duì)

13、燒結(jié)過(guò)程的影響 按單位質(zhì)量的發(fā)熱量排列，從大到小依次為重油、甲烷、 焦炭。 按單位氧消耗量的發(fā)熱量排列，軋鋼皮最大。從抽入料層 中的空氣的角度，它是最有效的一種燃料。 即使燒結(jié)原料中不含金屬鐵或低價(jià)鐵，燒結(jié)過(guò)程中也會(huì)發(fā) 生低價(jià)鐵的氧化放熱 加熱階段發(fā)生吸熱反應(yīng)和冷卻階段發(fā)生放熱反應(yīng)，可以被 用于料層中溫度的分布 使用含碳物質(zhì)和金屬鐵/低價(jià)鐵時(shí)的燒結(jié)料層孔隙度的變化 很不相同，因?yàn)榍罢咴谌紵戤厱?huì)消失，而后者的體積和 重量卻會(huì)增加 25 圖7 使用模擬料粒和不同結(jié)塊劑（指焦炭和金屬鐵）的燒結(jié)餅的剖面圖 26 液相作為橋鍵存在于未熔化顆粒之間并形成聚團(tuán)比較好， 液相淌下來(lái)并形成大塊會(huì)影響料層的透氣

14、性 金屬鐵/低價(jià)鐵氧化后體積會(huì)增大，生成的液相因?yàn)镕eO含 量高而流動(dòng)性太好，因此會(huì)形成第二種結(jié)構(gòu) 研究表明，使用金屬鐵/低價(jià)鐵時(shí)燒結(jié)產(chǎn)量會(huì)顯著下降 所以，不僅要控制液相的生產(chǎn)量，而且要通過(guò)控制成分來(lái) 控制液相的流動(dòng)性 27 通過(guò)改變焦炭的添加和制粒方式，優(yōu)化焦炭在料粒中的分 布，達(dá)到改善燃燒和傳熱、燒結(jié)反應(yīng)（包括液相生成、礦 物結(jié)晶等）的目的 JFE公司福山5號(hào)燒結(jié)機(jī) HPS球團(tuán)燒結(jié)礦工藝流程的改造 28 圖1 HPS和新的涂層制粒生產(chǎn)線流程圖 29 外滾返礦提高料粒強(qiáng)度的技術(shù) 住友金屬工業(yè)(株) 総合技術(shù)研究所 首先進(jìn)行了水分含量對(duì)料粒強(qiáng)度影響的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn) 礦石品種：A和B 低水分制粒方案：A和B混合制粒后加水 高水分制粒方案：A+B+水一起混合制粒 B+水混合后制粒，再加干燥A粒子 tan是內(nèi)摩擦系數(shù) C是附著力或內(nèi)聚力 是垂直應(yīng)力 料粒中的水分起到潤(rùn)滑作用，使內(nèi)摩擦力降低 Ctan 30 圖1 RF-MEBIOS對(duì)燒結(jié)料層抗破壞能力的影響 31 又研究了水分含量對(duì)料層空隙度的影響 礦石品種：C和D，粒度24mm E：粒度小于0.25mm 方案1：C、D、E一起加水混合制粒 方案2：C、D一起加水混合制粒后，外滾干燥的D 以200mm的落差，裝入一個(gè)直徑20mm、高5