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1、镶嵌式烧结工艺,武汉科技大学教育部钢铁冶金与资源利用重点实验室 毕学工教授,1 镶嵌式烧结工艺的提出背景,世界钢产量大幅增加，导致高品位赤铁矿的耗尽和针铁矿、褐铁矿和含结晶水铁矿石使用量的增加。例如在日本，粗颗粒的褐铁矿类型的豆铁矿（pisolitic ores）的比例已经增加了好几倍。而且大量储存的粉状Marra Mamba针铁矿（goethite ores）已经在澳大利亚被开发并出口到亚洲国家。这样的趋势未来会继续。,铁矿石的性能变化影响的不只是烧结的产、质量， 还影响着矿石在高炉里的冶金特性，因此需要更一步地 开发包括原料预处理方法在内的烧结技术和烧结过程。 为了做关于上述问题的更深入研
2、究，2005年开始， ISIJ（日本钢铁协会）成立了“通过设计合成造粒床结 构的新烧结工艺”的研究项目，这是日本钢铁公司和几 所大学的合作项目。 New Sintering Process through Designing of Composite Granulation & Bed Structure,项目的主要目的： - 研究豆铁矿和针铁矿的特性，了解其在烧结过程中的行为。 - 针对矿石的特性，进行有关原料混合、造粒、床层结构的最优化设计和烧结矿冶金性能的基础研究。 课题发明了一个新烧结过程的工艺原理，名叫镶嵌式铁矿石烧结工艺（MEBIOS） Mosaic EmBedding Iron
3、Ore Sintering Process,图1 MEBIOS工艺流程图,MEMIOS工艺的特点用马拉曼巴 矿制备的生球（烧成层）均匀地 分布在诱导层中,料层设计为两个部分: （1）诱导层（induction bed），要有很好的透气性， 并为下层提供充足的热量； （2）烧成层（aging bed），含大的料粒或压块，被来 自诱导层的热量烧结。 在这种情况下，因为两层的热分布是不一样的，所以可 以根据使用铁矿石的性能对各层的功能进行优化。 因此，可以预期既提高烧结矿的产量，又改善烧结矿的质量。,成立了三个工作组 工作组1的成果（制粒）： 原料的制粒过程对烧结的生产率和生产的烧结矿的冶金性能影响
4、很大。因此，提出并运用了各种提高制粒效果的技术。比如用细颗粒Marra Mamba褐铁矿粉制成10mm15mm的小球用作MEBIOS过程的下层,图2 MEBIOS工艺改善料层透气性的原理，以及大球与气流之间传热和气体流动的示意图,图2显示了采用MEBIOS烧结改进透气性的原理。 粗颗粒的作用像一堵墙，这里的堆密度低于整个料层的堆密度。这样就提高了料层的透气性和烧结速度。 粗颗粒可以是生球，但是它们要有干净而硬的表面以及良好强度，以受得了从制粒到布料过程的输送过程。 当小球的尺寸在10mm15mm时（干球团密度为3.1 g/cm3），目标强度应达到200 kPa。 球团的强度指数FN，用球团从0
5、.5m高度落下破碎的次数表示。 干湿球团的抗压性分别为Std和Stw，单位kPa，用以下关系式计算： FN = 0.052 Stw (1) Std = f Stw (2) 在这里，f是指干球团与湿球团的强度之比，赤铁矿、马拉曼巴和豆状矿铁矿的f值分别为0.180.32、4.0、7.8。f值同时还和制粒物料中小颗粒（-10 m）的比例有关。马拉曼巴和豆状矿铁矿的料粒通过干燥可能会提高抗压强度。,Kawachi等人指出，在造球工艺中原料的合适水含量会随着能悬浮在水中的微小颗粒（10m）的增加和添加分散剂而减小，这意味着，细颗粒作为悬浮液会渗入料粒中颗粒之间的缝隙中，在干燥过程中，将进一步形成固体键
6、桥（图3），而导致公式2中的强度比f的增大。,图3 微颗粒在制粒和干燥过程中的行为,工作组2的成果（模拟）： 通过数值模拟来设计渗透作用和床身结构 烧结过程数学模型的基本方程式： 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),方程组中与烧结料层结构有关的参数： - 料层的孔隙度，取决于料粒的粒度分布 s- 传热面积，取决于料粒的直径和形状 ug- 气流速度，取决于料层的孔隙度 kc- 焦炭颗粒的燃烧反应速度，取决于焦炭在料粒中的存在
7、形式，即添加方式和制粒方式 因此，在MEBIOS烧结工艺中，采用了大颗粒的料粒，即烧成层，来改善烧结床的透气性和热效率。因此，优化烧成层的组成、形状和大小与排列方式是使MEBIOS过程的优点发挥到最大的关键问题。,图 4 MEBIOS烧结床不同位置固体温度的变化,显示了料层高度方向上温度的均匀分布,图5 通过DEM数值模拟获得的烧结床颗粒分布的一系列快照 空心虚线圆圈表示矿石被隔开区域，原图中铁矿石颗粒为灰白色,DEM仿真显示了MEBIOS烧结工艺能改善料层的透气性和减小床层高度收缩的程度,工作组3的成果（烧结反应）： 增加高炉配矿中烧结矿的比例和提高烧结矿的还原性，能够有效降低高炉炼铁的燃料
8、消耗、CO2排放 图6显示：原料颗粒中的孔洞（颗粒内部的外气孔、内气孔和颗粒之间的空隙），包括石灰石和结晶水分解形成的气孔和颗粒外部和内部的孔隙，主要会通过铁酸钙熔体的流动而重新排列。这是烧结时烧结料层中形成气体流动通道的空隙网络和气孔的机理，它会影响烧结矿的强度和还原性等性质。,图6 烧结床结构变化示意图,料层结构在烧结过程中的变化,MEMIOS工艺的特点用马拉曼巴矿制备的生球（烧成层）均匀地分布在诱导层中 因为主要关心的是烧结饼的透气性和产量，作为固结块的骨料，烧成层主要应发挥形成合适的合成料床结构的作用。因此，它既要牢固地与诱导床结合，但又不能完全吸收消化。这牵涉到液相的生成量和流动性问
9、题。 当铁酸钙熔体渗入铁矿石颗粒或小球时，熔体中的CaO含量降低，其粘度有增大的倾向。 因此，通过设计诱导层的化学成分和细颗粒的数量来控制熔体的渗透深度。,MEMIOS工艺的特点用马拉曼巴矿制备的生球（烧成层）均匀地分布在诱导层中 因为主要关心的是烧结饼的透气性和产量，作为固结块的骨料，烧成层主要应发挥形成合适的合成料床结构的作用。因此，它既要牢固地与诱导床结合，但又不能完全吸收消化。这牵涉到液相的生成量和流动性问题。 当铁酸钙熔体渗入铁矿石颗粒或小球时，熔体中的CaO含量降低，其粘度有增大的倾向。 因此，通过设计诱导层的化学成分和细颗粒的数量来控制熔体的渗透深度。,Sato等人报道，有尺寸为
10、6 cm3的大块残留而没有在烧结时被吸收，它们可以起到骨架作用，对保持高透气性有帮助，而尺寸为2 cm3小块被完全吸收。因此，需要找到一个条件，使得大料粒即烧成层，被保留下来并维持其强度直到装入高炉为止。 Otomo等人证实，当选择适当的条件，例如焦炭含量和诱导层的原料化学成分，在烧结后这些大球能够不发生明显的形变而得到保留，如图8所示。,例子一 诱导层的化学成分： CaO/Fe2O3：0.1 CaO/SiO2：1.8 焦粉配比：4%,图8大颗粒周围烧结矿横截面结构的CTS X射线图像,在这个项目中，动态地评价了MEBIOS烧结矿的还原性，发现恰当地在烧成层和诱导层之间形成氧化钙的偏析会显著改
11、善生产出来的烧结矿的还原性，这种烧结矿是由高低碱度两部分组成的复合物。 Sugiyama对SFCA样品进行还原性测试，发现SFCA-I（高铁低硅SFCA，一般认为其还原性良好）并不是一种很好还原的矿物，而围绕它形成的微孔结构使它具有了高还原性（如图10）。 它表明控制孔隙结构，粒度分布和孔隙率对生产具有高还原性和好的矿物组成的烧结矿非常重要。,图10 (a) SFCA-I和(b) SFCA和它们的还原样品XRD图像,燃料种类对烧结过程的影响 按单位质量的发热量排列，从大到小依次为重油、甲烷、焦炭。 按单位氧消耗量的发热量排列，轧钢皮最大。从抽入料层中的空气的角度，它是最有效的一种燃料。 即使烧
12、结原料中不含金属铁或低价铁，烧结过程中也会发生低价铁的氧化放热 加热阶段发生吸热反应和冷却阶段发生放热反应，可以被用于料层中温度的分布 使用含碳物质和金属铁/低价铁时的烧结料层孔隙度的变化很不相同，因为前者在燃烧完毕会消失，而后者的体积和重量却会增加,图7 使用模拟料粒和不同结块剂（指焦炭和金属铁）的烧结饼的剖面图,液相作为桥键存在于未熔化颗粒之间并形成聚团比较好，液相淌下来并形成大块会影响料层的透气性 金属铁/低价铁氧化后体积会增大，生成的液相因为FeO含量高而流动性太好，因此会形成第二种结构 研究表明，使用金属铁/低价铁时烧结产量会显著下降 所以，不仅要控制液相的生产量，而且要通过控制成分
13、来控制液相的流动性,通过改变焦炭的添加和制粒方式，优化焦炭在料粒中的分布，达到改善燃烧和传热、烧结反应（包括液相生成、矿物结晶等）的目的 JFE公司福山5号烧结机 HPS球团烧结矿工艺流程的改造,图1 HPS和新的涂层制粒生产线流程图,外滚返矿提高料粒强度的技术 住友金属工業(株) 総合技術研究所 首先进行了水分含量对料粒强度影响的实验室试验 矿石品种：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是内摩擦系数 C是附着力或内聚力 是垂直应力 料粒中的水分起到润滑作用，使内摩擦力降低,图1 RF-MEBIOS对烧结
14、料层抗破坏能力的影响,又研究了水分含量对料层空隙度的影响 矿石品种：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，外滚干燥的D 以200mm的落差，装入一个直径20mm、高50mm的容器中，形成物料层 用CT扫描，测定其空隙度,图2 料层的CT扫描图像,外滚干颗粒提高了混合制粒后 料粒抵抗运输、储存和布料时 冲击力的能力，使得形成料层 的空隙度增大,图1 带旁路制粒路线的返矿添加法示意图,图3 干混返矿量对制粒效果的影响,以试验期后的一段时间作为基准期 小时产量：增加 了20多吨 垂直烧结速：提高1mm/min左右 制粒效率：提高2.5%左右,GI的计算方法： 一般以-1mm的含量作为依据 这里使用-0.25mm,
