鋼鐵企業(yè)燒結(jié)制粒工藝與設(shè)備優(yōu)化進展及趨勢
劉征建1，牛樂樂1，張建良1，王耀祖2，李思達1，單長冬1
(1. 北京科技大學冶金與生態(tài)工程學院， 北京 100083；2. 北京科技大學人工智能研究院， 北京 100083)
摘要：為明晰當前燒結(jié)制粒工藝的發(fā)展進展及未來發(fā)展的趨勢，對鋼鐵企業(yè)燒結(jié)制粒工藝與設(shè)備進行了充分的總結(jié)與分析。燒結(jié)制粒性能直接影響著料層透氣性以及準顆粒結(jié)構(gòu)分布，是鋼鐵企業(yè)燒結(jié)工序中重要的環(huán)節(jié)，長期以來鐵礦石燒結(jié)工序的熱態(tài)性能受到較多關(guān)注，但制粒性能欠缺重視。近年來，隨著理論和工藝的發(fā)展，燒結(jié)制粒受到鋼鐵企業(yè)越來越多的重視，隨之針對制粒也采取了諸多工藝與設(shè)備的優(yōu)化措施。首先闡述了燒結(jié)制粒優(yōu)化的意義，進而總結(jié)了近些年來國內(nèi)外鋼鐵企業(yè)在原料預處理、滾筒設(shè)備、生石灰消化以及混合料水分監(jiān)測4個方面針對制粒做出的優(yōu)化進展，并基于對燒結(jié)制粒的理解和新興人工智能技術(shù)的認識展望了在可預見的未來鋼鐵企業(yè)燒結(jié)制粒優(yōu)化的趨勢。
關(guān)鍵詞：燒結(jié)制粒；工藝設(shè)備優(yōu)化；透氣性；準顆粒；智能化趨勢
文獻標志碼： A 文章編號： 0449-749X（2021）10-0028-08
Status quo and trend of technology and equipment optimization for sintering granulation in iron and steel enterprises
LIU Zheng-jian1,NIU Le-le1,ZHANG Jian-liang1,WANG Yao-zu2,LI Si-da1,SHAN Chang-dong1
(1. School of Metallurgical and Ecological Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China;2. Institute of Artificial Intelligence, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)
Abstract： In order to clarify the current development progress of the sintering granulation process and future development trends, the sintering granulation process and equipment of steel enterprises have been fully summarized and analyzed. Sintering granulation performance directly affects the air permeability of the materials layer and the distribution of quasi-particle structure and it is an important link in the sintering process of iron and steel enterprises. For a long time, the thermal performance of the iron ore sintering process has received more attention, while the granulation performance has not been paid much attention. In recent years, with the development of theory and technology, sintering granulation has received more and more attention from iron and steel enterprises and then many optimization measures of technology and equipment have been adopted for granulation. First, the significance of sintering granulation optimization was explained and then the optimization technologies made by domestic and foreign steel enterprises in the four aspects of raw material pretreatment, mixer equipment, quicklime digestion, and mixture moisture monitoring in recent years were summarized. The understanding of sintering granulation and the knowledge of emerging artificial intelligence technologies help to look forward to the trend of sintering granulation optimization in steel enterprises in the foreseeable future at the end.
Key words： sintering granulation; technology and equipment optimization; air permeability; quasi-particle; intelligent trend
燒結(jié)制粒狹義上指的是燒結(jié)物料在滾筒中混合成球的過程，然而在鐵礦石燒結(jié)實際生產(chǎn)中，從原料場的原料運作開始，原燃料分布和顆粒行為就已經(jīng)受到了工藝和設(shè)備的影響。長期以來，鋼鐵企業(yè)對于鐵礦石燒結(jié)工藝，重視于臺車點火后的熱態(tài)行為以及最終的經(jīng)濟技術(shù)指標，乃至原燃料優(yōu)化搭配原則也是基于化學成分和高溫反應(yīng)性能的優(yōu)劣，而以物理反應(yīng)作用為主的制粒過程，更多地只是在生產(chǎn)中出現(xiàn)黏料、生石灰消化明顯不足等情況時受到關(guān)注。
制粒作為燒結(jié)流程中承前啟后的關(guān)鍵工序，除了對料層透氣性的影響之外，也對混合料中準顆粒的結(jié)構(gòu)、空間分布特征有著重要影響，可以說既影響著前序的原燃料選擇與搭配，又影響著后序的燒結(jié)效果和最終的產(chǎn)質(zhì)量指標。在學術(shù)意義上，制粒是一個普適性的顆粒離散運動、碰撞聚集的概念，有著較多的工程理論研究，而對于鋼鐵企業(yè)鐵礦石燒結(jié)來說，在顆粒理論的指導之下，制粒過程的優(yōu)化與控制更多地需要結(jié)合原料特點、工藝與制粒設(shè)備。近些年來，鋼鐵企業(yè)對燒結(jié)制粒已經(jīng)有了更多的認識，在工藝改進和設(shè)備投入方面也給予了制粒越來越多的重視，研究了一些新的制粒工藝理論和取得了制粒實踐優(yōu)化的進展，同時在制粒技術(shù)理論持續(xù)發(fā)展以及工業(yè)生產(chǎn)模式加快變革的當下，與燒結(jié)制粒密切相關(guān)的研究趨勢也漸漸顯露。
本文總結(jié)了鋼鐵企業(yè)近年來在實際生產(chǎn)中對燒結(jié)制粒采取的工藝及設(shè)備優(yōu)化進展，并基于對當下的新興技術(shù)理論的認識和對燒結(jié)制粒的新理解，展望了在可預見的未來燒結(jié)制粒優(yōu)化的發(fā)展趨勢。
1 燒結(jié)制粒優(yōu)化的意義
燒結(jié)制粒優(yōu)化的意義可以從兩方面來說。在燒結(jié)領(lǐng)域的傳統(tǒng)認知里，制粒與料層的透氣性直接相關(guān)聯(lián)，制粒性能往往通過混合料粒度組成、臺車料層透氣性、垂燒速度、負壓等參數(shù)予以表征，良好的制粒性能能夠有效改善混合料粒度組成，進而改善燒結(jié)料層的透氣性，從而垂直燒結(jié)速度加快，燒結(jié)機利用系數(shù)也能得到有效的提高，尤其對于近年來厚料層燒結(jié)快速的發(fā)展趨勢來說，以改善料層透氣性為目的、具有針對性的制粒優(yōu)化意義重大。
此外，基于近些年來對燒結(jié)原燃料熱態(tài)反應(yīng)行為的研究和不斷加深的理解，優(yōu)化制粒過程中準顆粒結(jié)構(gòu)的優(yōu)化也具有極為重要的意義?；旌狭现屏：鬁暑w粒結(jié)構(gòu)分布示意圖如圖1所示，在一個準顆粒中，熔劑、燃料、粘附鐵礦粉顆粒、核顆粒都具有一定的空間位置和分布特征，而往往這個空間分布特征決定了布料后的熱態(tài)反應(yīng)行為，乃至影響燒結(jié)液相生成，進而影響產(chǎn)、質(zhì)量指標。合理的準顆粒結(jié)構(gòu)里，內(nèi)核應(yīng)為鐵礦核顆粒，燃料顆粒、熔劑顆粒與鐵礦黏附粉接觸應(yīng)該是相對均勻的，使得液相的生成、流動與冷凝也都優(yōu)質(zhì)且均勻。傳統(tǒng)的認知里，以鐵礦粉的熱態(tài)性能評價指標指導優(yōu)化熱態(tài)反應(yīng)行為雖然具有一定意義，但不能全面地表征制粒后顆粒的反應(yīng)行為，顆?？赡芤驗榻佑|條件和分布位置不佳而未發(fā)生礦化，這也是近年來鋼鐵企業(yè)普遍采取一些偏析布料技術(shù)的原因，因而通過制粒優(yōu)化措施改善準顆粒結(jié)構(gòu)特征也同樣具有重要意義。
2 鋼鐵企業(yè)制粒優(yōu)化進展
2.1 原料預處理工藝
原燃料性質(zhì)直接影響著后序制粒性能，鐵礦石燒結(jié)作為原燃料種類最為繁多、性質(zhì)最為復雜的鐵前工序，對于原燃料的控制與處理是制粒優(yōu)化的第一步。
近年來，國內(nèi)鋼鐵企業(yè)對外鐵礦石依賴度超過了70%，大量外礦的使用本身就是一種有利于制粒的措施，典型富礦粉和鐵精粉表面形貌如圖2所示，進口富礦粉大多粒度偏粗，且微觀形貌上主要呈現(xiàn)圓潤狀，有利于顆粒團聚形成準顆粒，而鐵精粉普遍呈現(xiàn)棱角狀，表面光滑難以聚附顆粒，在制粒性能和料層透氣性較為不利。天鋼聯(lián)合特鋼通過嚴格控制鐵精粉使用比例不超過8%，主要使用進口富礦粉，幫助實現(xiàn)了超厚料層的良好透氣性，當前中國大部分中東部鋼鐵企業(yè)大量使用進口富礦粉，其中PB礦、紐曼礦等典型進口粗粒度礦粉被普遍使用，作為燒結(jié)鐵料的主礦種幫助改善燒結(jié)制粒性能。
對于位于西北內(nèi)陸的鋼鐵企業(yè)，距離港口距離遠，使用外礦運輸成本過高，且中國如新疆、內(nèi)蒙古等地的本地鐵精礦資源豐富，因而精粉往往作為配礦的主礦種。然而鐵精粉形貌棱角分明，粒度較細，不利于燒結(jié)制粒，因而針對高比例鐵精粉的使用，鋼鐵企業(yè)開發(fā)了一些預處理工藝改善制粒和料層的透氣性。早在20世紀80年代末，日本就開發(fā)了小球燒結(jié)法，并于1987年在福山鋼鐵公司進行了試投產(chǎn)，此方法大量使用鐵精粉，降低了原料成本，并維持了較好的燒結(jié)礦強度。復合造塊及鋼泥預處理工藝流程如圖3所示。國內(nèi)中南大學基于小球燒結(jié)法進一步開發(fā)了復合造塊的方法，流程如圖3(a)所示，將部分細粒度難制粒的精粉預先造球，作為核顆粒加入到燒結(jié)混合料中，改善高比例精粉條件下的制粒性能，包鋼使用此方法進行了工業(yè)生產(chǎn)并取得了良好的效果。攀西地區(qū)的鈦精礦在制粒前添加黏結(jié)劑進行預處理也受到了一些企業(yè)的關(guān)注。
燃料和熔劑分別作為強疏水性和強吸水性物料，對制粒過程也有著一定的影響，已有大量研究表明，燃料配比和粒度增加會導致混合料粒度減小，而生石灰等熔劑能夠充當制粒過程的黏結(jié)劑改善制粒，對于熔劑和燃料一般要求粒度小于3 mm部分所占比例應(yīng)該高于80%。寶鋼4號燒結(jié)機根據(jù)入廠的燃料粒度采用振動給料機粗破、篩分、細破的工藝，將小于3 mm的燃料輸送進粉焦槽，保證了制粒性能和燃燒性能。首鋼股份遷安鋼鐵公司的360 m2燒結(jié)機的燒結(jié)料層自2000年提高到800 mm后采用了四輥破碎機著重控制焦粉和無煙煤粒度，優(yōu)化制粒性能。
此外，燒結(jié)作為吸收工業(yè)固廢的主要工序，難處理固廢物的預處理對改善制粒也較為重要。如圖3(b)流程所示，天鋼聯(lián)合特鋼將煉鋼污泥在料場就與高爐返礦預先混合、篩分，使進入制粒工序的鋼泥與高返混合料粒度小于5 mm，該預處理工藝使得出滾筒的混合料粒度組成明顯改善。達鋼集團燒結(jié)工序?qū)ξ勰喾叟浼由?、小粒級返礦進行提前制粒，使得污泥粉中粒級大于3 mm部分所占比例從71.6%降到了68.12%，達到了污泥粉強化制粒的目的。
2.2 混合制粒滾筒優(yōu)化
混合滾筒是燒結(jié)工序制粒的直接使用設(shè)備，通常使用兩個銜接著的滾筒，一次混合為了混勻原燃料，二次混合為了原燃料制粒成球，滾筒的轉(zhuǎn)速、傾角、內(nèi)壁材質(zhì)、長度、填充率等都影響著整個制粒過程。當前鋼鐵企業(yè)的滾筒優(yōu)化調(diào)控主要分為滾筒內(nèi)襯以及滾筒轉(zhuǎn)動效率。
燒結(jié)制?；旌蠞L筒一般設(shè)有內(nèi)襯板以達到更好的揚料作用，當下鋼鐵企業(yè)燒結(jié)混合滾筒普遍采用錐形逆流內(nèi)襯，螺旋方向與筒體轉(zhuǎn)動方向相反，以實現(xiàn)混合料良好的混勻、制粒效果，如圖4所示。山東泰山鋼鐵公司在混合機中添加80 mm高、相鄰螺旋距離700 mm的逆流螺旋后，物料在滾筒中的停留時間增加，混合料分散和制粒效果也得到了顯著提升，大于3 mm的混合料所占比例從70%～75%增加到80%～85%，且球形混合料顆粒所占比例也從65%提高到80%左右，混合料粒徑和形狀特性均有改善。此外，針對滾筒制粒過程最常見的惡性問題-粘料，漣鋼通過試驗研究了現(xiàn)場最初使用的橡膠陶瓷襯板與小陶瓷襯板、高分子材料襯板等材質(zhì)的差異，結(jié)果表明,高分子材料襯板黏附料量最少，不易發(fā)生卡料，對制粒性能最為有利。
另一方面，大量試驗研究表明，隨著滾筒轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動效率的提高，混合料粒徑增大，分散均勻性也相應(yīng)改善，料層透氣性大幅提高，且隨著速度增大，顆粒運動狀態(tài)由平緩滑動逐漸變?yōu)閺娔Σ翝L動，顯著強化了制粒過程。另一方面，滾筒混合和強力混合中的顆粒生長示意圖如圖5所示，強力混合促進了準顆粒逐層長大，而傳統(tǒng)混合主要還是依靠接觸聚合?；谶@一原理，強力混合機近年來開始被越來越多鋼鐵企業(yè)使用。日本新日鐵將強力混合機投入到燒結(jié)制粒工序，混合效果顯著改善，垂直燒結(jié)速度提高了12%。巴西Usiminas燒結(jié)廠、安賽樂米塔爾比利時根特廠燒結(jié)廠以及國內(nèi)諸如寶鋼二燒、本鋼560 m2燒結(jié)機均采用了強力混合機，太鋼也做了強力混合機試驗，都取得了良好的使用效果，其中寶鋼600 m2 4號燒結(jié)機為一次混合采用強力混合機，二、三段混合制粒仍然采用傳統(tǒng)圓筒混合機，且二、三段混合時間保持在9 min。還有諸如臺灣龍鋼等企業(yè)，使用強力混合機配合多項強化制粒工藝，有效提高了含固廢混合料的制粒性能。強力混合機在提高燒結(jié)料混合均勻度、料層透氣性，提高精礦粉配加比例以及降低固體燃耗等方面有著一定的優(yōu)勢。
2.3 生石灰高效消化工藝
生石灰在制粒過程中，遇水消化生成Ca(OH)2膠體，有較強的濕容量、黏性和分散性，有利于黏附顆粒的聚集長大，對制粒過程和透氣性的提高有著不可取代的作用。近年來，盡管富礦粉燒結(jié)的趨勢在一定程度上掩蓋了生石灰在制粒方面的獨到作用，但仍有多數(shù)鋼鐵企業(yè)逐漸深刻認識了生石灰對制粒的作用，尤其在高比例精粉燒結(jié)時，生石灰制粒作用會被進一步放大。然而，生石灰在大量使用時面臨的主要挑戰(zhàn)就是消化問題，消化效果不佳不僅難以充分發(fā)揮生石灰的制粒功效，而且影響其礦化，產(chǎn)生劣質(zhì)白點，惡化燒結(jié)礦強度。鋼鐵企業(yè)長期以來采用最多的工藝方法就是添加白灰消化器，雖然在一定程度上強化了消化反應(yīng)的進行，但是普遍消化效果一般且面臨除塵問題。
天鋼聯(lián)合特鋼在開發(fā)1 000 mm超厚料層燒結(jié)時，確立使用生石灰為核心的理念，采用100%生石灰熔劑，相應(yīng)地，采用近9%的高水分配合生石灰消化，并在一次混合滾筒配加高溫熱水促進生石灰消化，高活性度生石灰配合高效消化帶的大量熱量也提高了混合料料溫，前后銜接的生石灰高效消化工藝理念促成了滿足1 000 mm料層對透氣性需求的制粒性能，其生石灰高效消化技術(shù)理念促成超厚料層燒結(jié)的流程如圖6所示。
首鋼股份遷安鋼鐵二燒360 m2燒結(jié)機使用20%以上的本地大石河粉、水廠粉等磁鐵精粉燒結(jié)，隨著料層的持續(xù)增加，使用高比例的生石灰，遷鋼創(chuàng)新性地在一次混合和二次混合滾筒中間加裝中間倉，如圖7所示，中間倉分為3層蒸鍋，安裝有倉壁振動器，直角對稱分布，一方面提高了制粒混勻效果，另一方面混合料從中間倉自上而下的下料過程極大程度地滿足了生石灰完全消化的時間條件。
2.4 混合料水分監(jiān)測與控制
水分是燒結(jié)工序中最重要的黏結(jié)劑及潤滑劑，直接影響著燒結(jié)制粒效果，不同的配料結(jié)構(gòu)、工藝參數(shù)對適宜水分有著不同的要求，諸多的研究已經(jīng)給出了基于工藝條件預測適宜水分的模型，長期的燒結(jié)生產(chǎn)經(jīng)驗也能幫助判斷混合料的適宜水分。對于燒結(jié)過程而言，水分偏高，混合料過濕且燒速過快，對燒結(jié)礦質(zhì)量不利，而水分偏低則混合料團聚效果不佳，料層透氣性惡化。因而制粒過程對混合料水分的精準檢測與控制至關(guān)重要。
當前鋼鐵企業(yè)對制?；旌狭纤值谋O(jiān)測主要通過紅外法、中子法和微波法。紅外水分儀是燒結(jié)工序中使用較多的自動加水控制設(shè)備，基于水分對特定波長紅外線的選擇以及吸收特性設(shè)計，混合料內(nèi)部的含水量高，則會吸收更多的紅外線能量，紅外線減少量與混合料含水量之間的擬合關(guān)系能夠?qū)崿F(xiàn)對混合料中水分的監(jiān)測。宣鋼對2臺360 m2燒結(jié)機安裝了6臺紅外水分儀，其制?；旌狭纤直O(jiān)測誤差保持在±0.3%以內(nèi)，混合料水分穩(wěn)定率也達到了90%以上。張鋼基于紅外水分儀搭建了混合料水分監(jiān)測自動控制系統(tǒng)，促進了混合料水分的穩(wěn)定和燒結(jié)生產(chǎn)的良性循環(huán)。微波監(jiān)測方法的原理是利用液態(tài)水與固體混合料或者水蒸氣之間介電常數(shù)的差異，用微波信號穿透混合料，分析微波信號穿過的混合料介質(zhì)信息和微波強度的衰減得到水分含量，山東萊蕪九羊集團使用微波監(jiān)測法監(jiān)測水分，燒結(jié)混合料水分實測值與在線分析值絕對平均誤差僅為0.293，結(jié)果趨勢基本一致。中子測量法則早在20世紀70年代就由首鋼集團研制開發(fā)并應(yīng)用在首鋼燒結(jié)廠2號燒結(jié)上，標定精度達到了±0.2%，利用了快中子穿過混合料時由于水的慢化作用衰減程度判斷混合料水分含量，近年來也有酒鋼等企業(yè)繼續(xù)使用基于中子監(jiān)測方法的水分控制系統(tǒng)。
在水分得到精準監(jiān)測的同時，形成綜合的燒結(jié)制粒水分控制系統(tǒng)也至關(guān)重要，如圖8所示，當前鋼鐵企業(yè)燒結(jié)工序?qū)τ谒肿詣诱{(diào)節(jié)控制系統(tǒng)一般依賴于前饋-反饋配合PID控制，利用水分監(jiān)測傳感器和控制器、調(diào)節(jié)閥等的耦合協(xié)同，實現(xiàn)混合料水分監(jiān)測、反饋并實時調(diào)節(jié)系統(tǒng)功能，有效地實現(xiàn)混合料水分精準控制，保證了制粒性能。
3 結(jié)論與展望
自燒結(jié)成為主流鐵礦石造塊工藝以來，煉鐵工作者們就更為關(guān)心原燃料性質(zhì)和熱態(tài)反應(yīng)給最終產(chǎn)質(zhì)量指標帶來的影響，近些年來，科研工作者們在普適性的制粒理論發(fā)展之后，針對燒結(jié)制粒做了比較多的實驗室研究工作，相應(yīng)地，鋼鐵企業(yè)堅持科學指導、理論結(jié)合實踐，越來越深刻地認識到了燒結(jié)制粒的重要性，在設(shè)備和工藝操作方面做出了實踐創(chuàng)新，主要體現(xiàn)在了原燃料預處理工藝、混合制粒滾筒優(yōu)化、生石灰高效消化工藝和制粒水分監(jiān)測和控制系統(tǒng)4個方面，很大程度上優(yōu)化了燒結(jié)制粒性能，保證了燒結(jié)工序的產(chǎn)、質(zhì)量指標。就設(shè)備和工藝而言，在當前的原燃料條件下，制粒工藝已經(jīng)優(yōu)化到了比較高的水平。
