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烧结矿质量分析
烧结矿质量分析
摘要:
烧结矿是我国高炉炼铁最主要的原料之一,近几年,我国生铁产量不断上升,烧结矿用量大幅增加。
所以,烧结矿的质量问题就显得尤为重要,本文从烧结主要工艺参数方面分析烧结矿的质量。
关键词:
质量、碱度、品位、FeO含量
0.引言
钢铁工业是国家的基础工业之一,在国民经济中占有极其重要的位置。
自进入21世纪来,我国的钢铁工业得到了飞速的发展,钢铁产品在各类原材料中用途最广泛,其质量直接关系到工程结构的质量和安全。
烧结矿是高炉炼铁的主要原料之一,其质量直接影响到钢铁质量。
烧结原料、烧结性能不同,烧结矿中矿物的组成和结构也不同,而烧结矿的组成和结构是影响其质量最主要的因素。
因此,研究烧结矿的质量具有非常重要的现实意义。
1.烧结矿的质量要求
烧结矿的质量要求见表一
类别
品级
化学成分/%
物理性能/%
冶金性能/%
TFe
wCaO/
wSio2
FeO
S
转鼓指数
(+6.3mm)
抗磨指数
(-0.5mm)
筛分指数
(-5mm)
低温还原
粉化指数
(+3.15mm)
RDI
还原度指数RI
允许波动范围
不大于
碱
度
1.50~
2.50
一级品
±0.5
±0.08
11.0
0.06
≥68.0
≤7.0
≤7.0
≥72
≥78
二级品
±1.0
±0.12
12.0
0.08
≥65.0
≤8.0
≤9.0
≥70
≥75
1.00~
1.50
一级品
±0.5
±0.05
12.0
0.04
≥64.0
≤8.0
≤9.0
≥74
≥74
二级品
±1.0
±0.1
13.0
0.06
≥61.0
≤9.0
≤11.0
≥72
≥72
表一烧结矿质量指标(YB/T421-2005)
烧结矿的质量指标包括化学成分、物理性能和冶金性能三个方面。
凡这三个方面所包含的各个指标都符合冶金部规定标准的产品,称为合格品。
我国高炉用烧结矿的质量表如上图,其中TFe和碱度ω(Cao)/ω(SiO2)由企业根据实际情况而定,以能获得较高强度和还原性良好的产品并保证高炉不加或少加石灰为原则。
合适的碱度有利于改善高炉的还原和造渣过程,大幅度降低焦比,提高产量。
烧结矿碱度应保持稳定,这是稳定造渣制度的重要条件。
只有造渣制度稳定,才有助于热制度稳定和炉况顺行,并使炉渣具有良好的脱硫能力,改善生铁质量。
烧结矿的强度好,粒度均匀,粉末少,是保证高炉合理布料及获得良好料柱透气性的重要条件,因而对炉况顺行有积极影响。
首钢实验表明,烧结矿中小于5mm的粉末含量每减少1%,高炉产量提高1%,焦比降低0.5%。
烧结矿的质量指标中,转鼓指数和筛分指数表示烧结矿的常温机械强度和粉末含量,前者较高,后者越低越好。
2.烧结矿质量对高炉冶炼的影响
从化学成分看,烧结矿品位越高,愈有利于提高生铁质量,降低焦比;硫的影响则相反,其含量愈低,对冶炼愈有利。
但烧结矿品位取决于所使用的原料条件,烧结生产中只能通过合理准确的配料,使之保持稳定,这对高炉冶炼至关重要。
入炉矿含铁量稳定是炉温稳定的基础,而炉温稳定又是高炉顺行、获得良好冶炼效果的前提。
3.烧结矿质量的影响因素
(3.1)烧结矿中FeO含量对质量的影响
烧结矿中FeO含量,在一定程度上决定着烧结矿的还原性。
因为对普通烧结矿和自熔性烧结矿而言,FeO的高低与铁橄榄石、钙铁橄榄石等难还原相的含量密切相关,直接受烧结温度水平、气氛性质和烧结矿碱度的硬度的影响,因而也可间接反映烧结矿的熔融程度、气孔数量与性质、显微结构等影响其还原性的诸多因素。
研究表明,精粉率越高,烧结含铁原料氧化度越低,烧结矿FeO越高。
烧结矿碱度高,容易形成生成铁酸钙,有利于降低烧结矿FeO。
改善料层透气性,增加料层厚度,有利于降低烧结矿FeO。
配碳增加,还原气氛增强,烧结矿FeO明显上升。
另外,随着烧结矿FeO含量的提高,烧结成品率提高,利用系数亦相应提高,当FeO含量提高到一定值后,成品率趋于稳定,但由于配碳量的增加,烧结过程透气性变差,利用系数有降低的趋势。
同时,当烧结矿FeO含量的提高,烧结成品率提高,利用系数亦相应提高,当FeO含量提高到一定值后,成品率趋于稳定,但由于配碳量的增加,烧结过程透气性变差,利用系数有降低的趋势。
同时,当烧结矿FeO含量大于10%时,粉化率急剧上升。
同一碱度条件下,烧结矿中铁酸钙和硅酸钙随FeO含量变化而变化。
FeO含量升高,铁酸钙降低,硅酸二钙显著提高。
FeO含量在6%~8%时,铁酸钙达到30%,硅酸二钙为7%。
为此,从FeO对烧结矿自然粉化的影响分析,适宜烧结矿FeO含量一般为6%~8%。
(3.2)配碳和混合料水分对烧结矿质量的影响
水、碳是烧结生产获得高产、优质的保证。
从混合料水分对垂直烧结速度、成品率、利用系数和转鼓指数的影响的实验研究表明,水分不是越低越好,而是在一定料层厚度的基础上,有一个最佳值。
因此,烧结生产要达到高产、优质的目标,就应该探索在具体条件下混合料水分的最佳值。
配碳的高低对烧结矿的质量有明显影响。
配碳过高,会扩大燃烧带,增加烧结层的阻力,致使产量降低;同时,还会因还原气氛增强,是Fe2O3分解,铁酸钙含量下降,直接影响烧结矿质量。
反之,配碳过低,将造成烧结带温度不足,成品率下降,影响烧结矿的质量。
(3.3)抽风负压对烧结矿质量的影响
在影响烧结生产的几种工艺参数中,料层的透气性是关键。
在料层增厚的同时,提高抽分负压和减慢机速,虽然不能增加产量,但可使烧结矿质量明显改善,且能耗降低,成品烧结矿FeO降低,转鼓指数提高。
点火负压也是一项不可忽视的工艺参数,点火负压太低,则不易点好火,使之顺利地将燃烧带往下引,从而影响垂直烧结速度和产量;点火负压过高,则会破坏料的原始透气性,严重影响产量。
(3.4)机速对烧结矿质量的影响
机速及垂直烧结速度对烧结矿质量的影响,是对立统一的一对矛盾。
为追求产量,就需要加快机速和垂直烧结速度;而要追求质量,又需要放慢机速和垂直烧结速度。
(3.5)料层厚度对烧结矿质量的影响
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后厚度增加而提論,当料层厚度提高到60m后,又会开始下降,现在料层厚度有所增加,最佳范围控制在750m左右,烧结机的利用系数最高。
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。
此外,还是得烧结料表层供热充足,提高台车表层烧结矿质量。
不仅如此,料层增厚还可使烧结矿层的自动蓄热作用得到充分发挥,烧结料的配碳量减少,烧结矿中FeO含量减少,改善烧结矿的还原性。
(3.6) 烧结矿的品位
在高炉的精料方针中,品位是第一位,只有提高了品位,高炉才有可能增铁节焦。
由于国内矿粉的品位比较低,要提高烧结矿的品位,只有采取提高进口矿的比率的措施。
在烧结矿铁料的配比中,科技开发中心将进口粉矿的比率控制在50%以上。
4.提高烧结矿质量的措施
(4.1)优化入烧原料结构,稳定控制烧结矿化学成分
原料性能的好坏直接影响到整个烧结工艺过程,因此我们配矿的原则要满足生产高质量的烧结矿的条件:
一方面要使烧结的产量高,质量好,能耗低;另方面希望烧结矿的冶金性能良好,满足高炉的需求,同时取得良好的经济效益因此我们要从铁料、熔剂、燃料三方面入手。
方面车间对配加的不同品种外粉的水分及粒级组成及时监测,严格控制粒级组成较差的原料配比,与粒级组成好的外粉合理搭配使用,尽可能减少原料中1m粒级及10m大颗粒料含量,优化入烧原料的粒级组成,使入烧混合料粒级更适宜造球,保证良好的烧结透气性,进一步提高烧结矿产质量。
另一方面稳定控制烧结矿Si02含量,通过加强原料的跟踪管理和变料过程控制,实现了变料过程的平稳过渡,使烧结矿Si02含量控制在5.8%~6.2%范围内,既保证了烧结液相的充分适宜,同时又提高了烧结矿的碱稳率,确保了烧结矿成分的稳定,且有利于烧结矿强度的提高。
(4.2)生产高碱度烧结矿
通常情况下,普通(酸性)烧结矿机械强度较高,但其还原性差,高炉使用时,铁的直接还原度提高,増大了炉内热量的消耗,不利于提高炉温与降低高炉焦比自熔性烧结矿的还原性比普通烧结矿好,但强度差,易粉化,有碍高炉冶炼进一步强化,解决上述问题的有效途径是发展高碱度烧结矿。
高碱度烧结矿既是铁料,又是熔剂,既有良好的机械强度和还原性,又有较好的低温还原粉化率。
这是因为第一,高碱度烧结矿的粘结相主要是强度与还原性均好的铁酸一钙,脆性大、还原性差的玻璃质比较少;第二,高碱度烧结矿有利于铁酸三钙的生成,使易于发生晶型转变的B型正硅酸钙减少,或少量晶粒细小的正硅酸钙分散在铁酸钙粘结相中,其晶型转变受到抑制。
对于低硅精矿而言,高碱度烧结矿使粘结相数量显著增加,磁铁矿晶粒粘结情况变好,既有利于烧结矿强度的提高,又有利于烧结矿微气孔率增大,烧结矿还原性改普。
(4.3)操作技术改进
(1)自动配料技术
配料是烧结生产的一个重要工序,它直接影响着烧结矿质量的稳定和烧结过程的稳定。
广州凯士称重设备有限公司一般采用人工跑盘秤料(即容积配料法),缺点是误差大、精度低。
借助电气和计量改进、程序软件开发,实施自动配料技术,下料量会根据设定配比自动调节,稳定了下料量,极大提高了烧结质量。
(2)低温点火技术
高温点火,提高了表层烧结矿强度,但带来表层过熔,进而透气性差等缺点。
鞍钢采用低温1050±20℃点火,避免了表层过熔现象,改善了料层透气性,使得垂直烧结速度提高。
(3)强化造球技术
烧结混合料成球率直接影响到烧结料层的透气性。
邯钢采用逆螺旋导料板高度由入料端至出料端方向按一定斜率变化,实现混合料粒度自动分级,达到大颗粒物料向外走,小颗粒物返重新造球,实现强力造球,延长造球时间,改善了造球效果
(4.4)设备技术改造
(1)添加剂仓技术改造
宣钢炼铁厂烧结车间配料添加剂仓原设计容积小,一次只能放四袋添加剂,且上部进料口为立方体状,下部出料口为圆柱状。
上部仓四角容易粘死料,致使仓实际使用容积缩小,且料流不畅,配加不稳定,经常断料,被迫人工振打、捅料处理,不仅使岗位工人的劳动强度增加,而且由于配加不稳定,对烧结矿强度造成影响。
针对这种状况,车间对添加剂料仓进行了改造,制作一圆台状料仓,截面积及高度增大,料仓容积扩大,上截面直径为1000m,下截面直径为160m,下截面直径与原出料ロ直径吻合,且斜面倾角∠50°,有利于料自动下流,解除了粘料死角问题。
保证了料仓内添加剂由出料口卸灰阀技一定的比例配加入混合料。
使岗位工劳动强度降低,烧结矿强度进一步提高。
(2)混料系统改造技术
唐钢炼铁厂利用年初年修时间对混四、混八皮带进行了技术改造,将原混四、混八皮带由D=800mm皮带机改造为D=1000m皮带机,同时降低了两条皮带的带速,提高了皮带机的运输能力,解决了过去皮带运转速度快,磨损严重,事故率高的问题,减少了事故停机,提高了设备运转率,稳定了烧结生产工艺。
(3)筛分系统技术改造
梅河二井选煤厂原冷筛设备采用人字孔筛板,在筛分过程中不能筛尽≤5mm部分,供高炉的成品料中含粉多一定程度上影响高炉生产,且在使用过程中易磨损,致使返矿中大颗粒烧结矿经常偏多,对烧结矿质量造成影响。
车间利用年修时间对冷筛设备进行了技术改造,将原冷筛改为棒条筛,筛板分上下两层,上层筛棍直径为12mm,筛棍间距11m,下层筛棍直径为6mm和8m交错排列,筛棍间距为4mn冷却后的烧结矿经第一层筛分后进入第二层继续筛分,更利于≤5mm小颗粒烧结矿筛出,降低了成品矿中含粉率,有利于高炉生产,返矿中大于5mm量减少,有利于强化烧结过程,提高烧结矿质量。
稳定工艺操作,加强烧结生产过程控制一是:
稳定烧结生产关键在于稳定烧结生产过程中水、碳、返矿的控制,合理控制好烧结工艺参数。
5.烧结矿的质量评价及检验指标
具体的质量评价与检验指标主要有:
化学成分及其稳定性、粒度组成与筛分指数、转鼓强度、落下强度、低温还原粉化性、还原性、软化-软熔特性等。
化学成分及其稳定性:
化学成分主要检测:
TFe,FeO,CaO,SiO2,MgO,Al2O3,MnO,TiO2,S,P等,要求有效成份高,脉石成份低,有害杂质(P、S等)少。
(烧结矿样本见下表二)
表二烧结矿样本分析
烧结矿化学成分稳定是高炉顺行的前提条件。
烧结矿含铁量和碱度波动会引起高炉炉温和造渣制度波动,严重时会引起悬料、崩料等现象,使冶炼过程难以操作,导致焦比升高,生铁产、质量下降。
烧结矿品位高低及波动大小,对高炉冶炼的影响很大。
品位提高,单位炉容装入的铁量增加,高炉渣量减少,有利于提高高炉利用系数和焦比降低。
鞍钢高炉生产实践证明,烧结矿品位提高1%,可降低焦比2%,高炉增产3%。
(5.1)粒度组成与筛分指数
筛分指数:
取100Kg试样,等分为5份,用筛孔为5X5的摇筛,往复摇动10次,以5mm出量计算筛分指数:
C=(100-A)/100*100,其中C为筛分指数,A为大于5mm粒级的量。
粒度组成:
烧结矿中小于5毫米粉末每增加10%,高炉减产6%~8%,焦比升高。
烧结矿粒度均匀,可以增加料柱空隙度,增加透气性和改善气流分布,有利于增产节焦。
(5.2)落下强度
评价烧结矿冷强度,测量其抗冲击能力,试样量为20±0.2Kg,落下高度为2m,自由落到大于20mm钢板上,往复4次,用10mm筛分级,以大于10mm的粒级出量表示落下强度指标。
F=m1/m2X100,其中F为落下强度,m1为落下4次后,大于10mm的粒级出量,m2为试样总量。
F=80~83为合格烧结矿,F=86~87为优质烧结矿。
强度好的烧结矿有利于强化高炉的冶炼。
烧结矿在运往炼铁,装入高炉的过程中及在炉内的运动都受到冲击、摩擦、挤压等作用而使其破碎。
强度差的烧结矿产生大量的粉末,使炉料透气性恶化,破坏顺行,影响生产。
(5.3)转鼓强度
转鼓强度反映了烧结矿耐冲击、耐挤压、耐磨的能力。
a.高碱度烧结矿的转鼓强度随FeO含量的增加而降低,采取低配炭烧结把焦粉配比控制在5%-6%之间.以降低烧结还原气氛;b.改善熔剂和焦粉的粒度使粒度在3mm达90.9%以上;c.稳定返矿圆盘的热返矿量,加强圆筒混合制粒,严格控制混合料水分;d.严格布料工艺,做到料面平整,不拉钩布料不宜过紧过松,以反射板13锉料适宜;及时清理混合料仓四周粘料,保证料仓2/3仓料以上;e.加强同燃调的联系,保证点火煤气的发热值不低于6500kJ/m3,保证点火温度在(11±5)℃,以提高烧结矿表层质量。
加少量钢渣、轧钢皮等,提高液相量。
(5.4)还原性
是模拟炉料自高炉上部进入高温区的条件,用还原气体从烧结矿中排除与铁结合的样的难易程度的一种度量。
是评价烧结矿冶金性能的主要质量标准。
烧结矿中FeO含量的高低,是高炉原料还原性能好坏的重要标志。
一般来说,在同一原料和生产工艺条件下生产的烧结矿,FeO越低,还原性越好。
通常情况下,烧结矿FeO降低19%,而强度变化不大时,可降低焦比。
但烧结矿的FeO含量降低至一定范围后会使烧结矿强度变差。
所以不能单一追求降低FeO含量。
(5.5)软熔特性
一般以软化温度及软化区间,熔融带透气性,融滴下物的性状作为评价指标。
评价烧结矿软化性有3项指标:
(1)软化开始温度。
表示软化开始的判据、无统一规定,一般以开始收缩时的温度或收缩率为49%时的温度为软化开始温度。
(2)软化终了温度。
也无统的判据。
25%收缩率曾被用作软化终了的判据,后来改为40%的收缩率。
一般认为软化终了即为熔化开始,由于铁矿石是一个含多种氧化物的复杂体系,不存在明确的熔化温度,只有一个温度区间,所以熔化开始温度常以通过试样层的气流压差陡升时的温度来表示。
(3)软化区间。
即软化终了温度和软化开始温度之间的温度差。
温差大表示软化区间长,软熔带的透气性不好。
影响铁矿石还原荷重软化性的因素:
(1)矿石还原程度低,软化前矿石FeO含量高,会促使低熔点渣相形成,软化开始温度即低若矿石还原程度高,矿石中FeO低,并可能还原成部分金属铁则软化开始温度高。
(2)减度升高,软温度一般升高。
(3)增加加MgO,形成高熔点镁浮士体和含MgO的硅酸盐,软化温度则提高。
(4)提高矿石品位和降低SiO2含量,可以减少低熔点渣相,使软化温度提高。
(5)矿石中含有K20和Na2O时,形成渣相的温度下降,软化温度会大幅度降低。
低温还原粉化性:
根据烧结矿显微结分析结果,认为产生低温还原粉化的主要原因是烧结矿中200-500微米的晶状菱形赤铁矿。
在烧结料中配加米砂,可使烧结反应进行得比较充分时形成Mgo,Fe3O4抑制Fe304在冷却过程中再氧化成Fe203晶,从而降低了烧结矿的低温还原粉化率。
6.成品矿质量的常规检验
常规化学成分包括:
TFe、FeO、SiO2、CaO、MgO、AL2O3、S、P等,通常用化学分析法进行分析,但由于该法速度慢,误差大,于20世纪80年代起,核解(使用荷兰产的PW-1606型多通道自动X射线光谱仪)、宝钢等企业采用国外进口的X射线荧光分析仪分析,除了FeO与Ig外,其余成分皆可在5min之内得出准确结果。
同试样经10次压样化验的TFe的标准偏差,荧光法仅0.0629,而化学分析法为0.174;SiO2的标准偏差分别为0.0258与0.1976
攀钢、包钢、酒钢等企业使用特殊矿治炼,需要分析TO2、V2O3、F、BaO等成分有些矿石根据需要应分析Mn、Cu、Ni、Cr、Co、Sb、Bi、Sn、Mo等成分。
对于新使用的原料必须进行有害元素的分析,以便在配矿、造块、高炉治炼、炼钢等各工艺环节采取相应措施。
这些项目包括Pb、As、Zn、K2O、Na2O等。
微量元素的分析一般采用色谱分析法。
(1)粒度组成通常使用标准方孔板筛进行分,常用的筛的大小有5mm、10mm、16mm、25mm和40mm几种,个别的有用3mm和50mm筛进行筛分。
炼铁原料在烧结厂出厂前与高炉入炉前进行筛分。
筛分后,还需计算出平均粒度。
(2)物理性能炼铁原料物理性能主要有:
真密度、视密度、堆积密度、微气孔率、开口气孔率、全气孔率、气孔表面积与自然堆角等。
视密度的测定一般采用石蜡法。
微气孔率般用显微镜测定。
气孔表面积有用压汞法、液态氮吸附法或化学吸附法测定的。
(3)特殊检验主要特殊检验有以下:
①矿相鉴定可用于鉴定铁氧化物的形态、结晶的完整程度、结晶颗粒的大小;脉石或黏结相的种类与性质、储存状态;各种矿物的数量检测。
还可鉴定还原产物的性质。
②对某种矿石需用物理和化学方法进行物相分析,如用磁性吸附法配合测定金属铁、磁铁矿;用化学法测定游离CaO,用还原法测定酸性烧结矿中难还原的2Feo*Sio2;用加热法测定结晶水含量;还可以进行硫的形态分析,判定是硫酸盐还是硫化物;也可以用重液分离法分离不同密度的矿物。
③用电子探针或扫描电子显微镜进行矿物鉴定或微区分析。
7、结论
以上主要分析了烧结矿的质量和各项性能指标,列举了影响烧结矿质量的因素和提高烧结矿质量的方法,经生产实践证明,要生产优质、高效、低耗烧结矿,必须稳定原料条件,精心原料准备,加强烧结生产操作,创新改造传统生产工艺,拥有高质量的烧结矿才是提升高炉冶炼技术的基础。
参考文献
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化学工业出版社.2013
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[3]赵峰博.科技与创新.龙源期刊网.2016
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