燒結(jié)新技術(shù)培訓第二講(畢學工)-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 武漢科技大學教育部鋼鐵冶金與資源利用重點實驗室武漢科技大學教育部鋼鐵冶金與資源利用重點實驗室 畢學工教授畢學工教授 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。而且大量儲存的粉狀Marra Mamba針鐵礦（goethite ores）已經(jīng)在澳 大利亞被開發(fā)并出口到亞洲國家。這樣的趨 勢未來會繼續(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 開發(fā)包括原料預處理方法在內(nèi)的燒結(jié)技術(shù)和燒結(jié)過程。 為了做關(guān)于上述問題的更深入研究，2005年開始， ISIJ（日本鋼鐵協(xié)會）成立了“通過設(shè)計合成造粒床結(jié) 構(gòu)的新燒結(jié)工藝”的研究項目，這是日本鋼鐵公司和幾 所大學的合作項目。 New Sintering Process through Designing of Composite Granulation & Bed Structure 4 項目的主要目的： - 研究豆鐵礦和針鐵礦的特性，了解其在燒結(jié)過程中的行 為。 - 針對礦石的特性，進行有關(guān)原料混合、造粒、床層結(jié)構(gòu) 的最優(yōu)化設(shè)計和燒結(jié)礦冶金性能的基礎(chǔ)研究。 課題發(fā)明了一個新燒結(jié)過程

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工藝的特點用馬拉曼巴 礦制備的生球（燒成層）均勻地 分布在誘導層中 6 料層設(shè)計為兩個部分: （1）誘導層（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?；驂簤K，被來 自誘導層的熱量燒結(jié)。 在這種情況下，因為兩層的熱分布是不一樣的，所以可 以根據(jù)使用鐵礦石的性能對各層的功能進行優(yōu)化。 因此，可以預期既提高燒結(jié)礦的產(chǎn)量，又改善燒結(jié)礦的

4、質(zhì) 量。 7 成立了三個工作組成立了三個工作組 工作組工作組1 1的成果（制粒）：的成果（制粒）： 原料原料的制粒過程對燒結(jié)的生產(chǎn)率和的制粒過程對燒結(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，提出并運用了提出并運用了各種提高制粒效果各種提高制粒效果 的技術(shù)。比如用細顆粒的技術(shù)。比如用細顆粒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過程的下層過程的下層 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的示意圖 9 圖2顯示了采用MEBIOS燒結(jié)改進透氣性的原理。 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?？梢允巧?，但是它們要有干凈而硬的表面以及良好強度，以受得了 從制粒到布料過程的輸送過程。 當小球的尺寸在10mm15mm時（干球團密度為3.1 g/cm3），目標強度 應(yīng)達到200 kPa。 球團的強度指數(shù)FN，用球團從0.5m高度落下破碎的次數(shù)表示。 干濕球團的抗壓性分別為Std和Stw，單位kPa，用以下關(guān)系式計算： FN = 0.052 Stw(1) Std = f St

6、w(2) 在這里，f是指干球團與濕球團的強度之比，赤鐵礦、馬馬拉曼巴和豆狀礦鐵礦 的f值分別為0.180.32、4.0、7.8。f值同時還和制粒物料中小顆粒（-10 m）的比例有關(guān)。馬馬拉曼巴和豆狀礦鐵礦的料粒通過干燥可能會提高抗壓強 度。 10 Kawachi等人指出，在造球工藝中原料的合適水含量會隨 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，細顆粒作為懸浮液會滲入料粒中 顆粒之間的縫隙中，在干燥過程中，將進一步形成固體鍵 橋（圖3），而導致公式2中的強度比f的增大。 圖3 微顆粒在制粒和干燥過程中的行為 11 工作組工作組2 2的成果（模擬）：的成果（模擬）：

7、 通過數(shù)值模擬來設(shè)計滲透作用和床身結(jié)構(gòu)通過數(shù)值模擬來設(shè)計滲透作用和床身結(jié)構(gòu) 燒結(jié)過程數(shù)學模型的基本方程式：燒結(jié)過程數(shù)學模型的基本方程式： 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 過程的優(yōu)點發(fā)揮到最大的關(guān)鍵問題。 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，主要會通過鐵酸鈣 熔體的流動而重新排列。這是燒結(jié)時燒結(jié)料層中形成氣 體流動通道的空隙網(wǎng)絡(luò)和氣孔的機理，它會影響燒結(jié)礦 的強度和還原性等性質(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)過程中的變化 18 MEMIOS工藝的特點用馬拉曼巴礦制備的生球（燒成 層）均勻地分布在誘導層中 因為主要關(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性問題。 當鐵酸鈣熔體滲入鐵礦石顆?；蛐∏驎r，熔體中的CaO 含量降低，其粘度有增大的傾向。 因此，通過設(shè)計誘導層的化學成分和細顆粒的數(shù)量來控 制熔體的滲透深度。 19 MEMIOS工藝的特點用馬拉曼巴礦制備的生球（燒成 層）均勻地分布在誘導層中 因為主要關(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性問題。 當鐵酸鈣熔體滲入鐵礦石顆?；蛐∏驎r，熔體中的CaO 含量降低，其粘

11、度有增大的傾向。 因此，通過設(shè)計誘導層的化學成分和細顆粒的數(shù)量來控 制熔體的滲透深度。 20 Sato等人報道，有尺寸為6 cm3的大塊殘留而沒有在燒 結(jié)時被吸收，它們可以起到骨架作用，對保持高透氣性 有幫助，而尺寸為2 cm3小塊被完全吸收。因此，需要 找到一個條件，使得大料粒即燒成層，被保留下來并維 持其強度直到裝入高爐為止。 Otomo等人證實，當選擇適當?shù)臈l件，例如焦炭含量 和誘導層的原料化學成分，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 誘導層的化學成分： 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 在這個項目中，動態(tài)地評價了MEBIOS燒結(jié)礦的還原性， 發(fā)現(xiàn)恰當?shù)卦跓蓪雍驼T導層之間形成氧化鈣的偏析會顯 著改善生產(chǎn)出來的燒結(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合物。 Sugiyama對SFCA樣品進行還原性測試，發(fā)現(xiàn)SFCA-I （高鐵低硅SFCA，一般認為其還原性良好）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

13、燒結(jié)過程的影響 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鐵，燒結(jié)過程中也會發(fā) 生低價鐵的氧化放熱 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/低價鐵時的燒結(jié)料層孔隙度的變化 很不相同，因為前者在燃燒完畢會消失，而后者的體積和 重量卻會增加 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比較好， 液相淌下來并形成大塊會影響料層的透氣

14、性 金屬鐵/低價鐵氧化后體積會增大，生成的液相因為FeO含 量高而流動性太好，因此會形成第二種結(jié)構(gòu) 研究表明，使用金屬鐵/低價鐵時燒結(jié)產(chǎn)量會顯著下降 所以，不僅要控制液相的生產(chǎn)量，而且要通過控制成分來 控制液相的流動性 27 通過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號燒結(jié)機 HPS球團燒結(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度的技術(shù) 住友金屬工業(yè)(株) 総合技術(shù)研究所 首先進行了水分含量對料粒強度影響的實驗室試驗 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滑作用，使內(nèi)摩擦力降低 Ctan 30 圖1 RF-MEBIOS對燒結(jié)料層抗破壞能力的影響 31 又研究了水分含量對料層空隙度的影響 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，裝入一個直徑20mm、高5