鑲嵌式燒結工藝

武漢科技大學教育部鋼鐵冶金與資源利用重點實驗室

畢學工教授1鑲嵌式燒結工藝的提出背景

世界鋼產量大幅增加，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（pisoliticores）的比例已經增加了好幾倍。而且大量儲存的粉狀MarraMamba針鐵礦（goethiteores）已經在澳大利亞被開發并出口到亞洲國家。這樣的趨勢未來會繼續。鐵礦石的性能變化影響的不只是燒結的產、質量，還影響著礦石在高爐里的冶金特性，因此需要更一步地開發包括原料預處理方法在內的燒結技術和燒結過程。為了做關于上述問題的更深入研究，2005年開始，ISIJ（日本鋼鐵協會）成立了“通過設計合成造粒床結構的新燒結工藝”的研究項目，這是日本鋼鐵公司和幾所大學的合作項目。NewSinteringProcessthroughDesigningofCompositeGranulation&BedStructure項目的主要目的：

-研究豆鐵礦和針鐵礦的特性，了解其在燒結過程中的行為。

-針對礦石的特性，進行有關原料混合、造粒、床層結構的最優化設計和燒結礦冶金性能的基礎研究。

課題發明了一個新燒結過程的工藝原理，名叫鑲嵌式鐵礦石燒結工藝（MEBIOS）

MosaicEmBeddingIronOreSinteringProcess

圖1MEBIOS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料層設計為兩個部分:（1）誘導層（inductionbed），要有很好的透氣性，并為下層提供充足的熱量；（2）燒成層（agingbed），含大的料粒或壓塊，被來自誘導層的熱量燒結。在這種情況下，因為兩層的熱分布是不一樣的，所以可以根據使用鐵礦石的性能對各層的功能進行優化。因此，可以預期既提高燒結礦的產量，又改善燒結礦的質量。成立了三個工作組工作組1的成果（制粒）：原料的制粒過程對燒結的生產率和生產的燒結礦的冶金性能影響很大。因此，提出并運用了各種提高制粒效果的技術。比如用細顆粒MarraMamba褐鐵礦粉制成10mm~15mm的小球用作MEBIOS過程的下層圖2MEBIOS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圖2顯示了采用MEBIOS燒結改進透氣性的原理。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10mm~15mm時（干球團密度為3.1g/cm3），目標強度應達到200kPa。球團的強度指數FN，用球團從0.5m高度落下破碎的次數表示。干濕球團的抗壓性分別為Std和Stw，單位kPa，用以下關系式計算：

FN=0.052Stw (1)Std=fStw (2)在這里，f是指干球團與濕球團的強度之比，赤鐵礦、馬拉曼巴和豆狀礦鐵礦的f值分別為0.18~0.32、4.0、7.8。f值同時還和制粒物料中小顆粒（-10μm）的比例有關。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。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（<10μm）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工作組2的成果（模擬擬）：通過數值模擬擬來設計滲透透作用和床身身結構燒結過程數學學模型的基本本方程式：εCGρG(TG/t)=hαs(Ts-TG)+ugCG(TG/Z)<氣相熱平衡>(3)(1-ε)CsρG(Ts/t)=hαs(Ts-TG)+Rc(-ΔH)<固相熱平衡>(4)Rc=4πr2nckcCO2<焦炭燃燒速率率>(5)方程組中與燒燒結料層結構構有關的參數數：ε-料層的孔隙度度，取決于料料粒的粒度分分布αs-傳熱面積，取取決于料粒的的直徑和形狀狀ug-氣流速度，取取決于料層的的孔隙度kc-焦炭顆粒的燃燃燒反應速度度，取決于焦焦炭在料粒中中的存在形式式，即添加方方式和制粒方方式因此，在MEBIOS燒結工藝中，，采用了大顆顆粒的料粒，，即燒成層，，來改善燒結結床的透氣性性和熱效率。。因此，優化化燒成層的組組成、形狀和和大小與排列列方式是使MEBIOS過程的優點發發揮到最大的的關鍵問題。。圖4MEBIOS燒結床不同位位置固體溫度度的變化顯示了料層高高度方向上溫溫度的均勻分分布圖5通過DEM數值模擬獲得得的燒結床顆顆粒分布的一一系列快照空心虛線圓圈圈表示礦石被被隔開區域，，原圖中鐵礦礦石顆粒為灰灰白色DEM仿真顯示了MEBIOS燒結工藝能改改善料層的透透氣性和減小小床層高度收收縮的程度工作組3的成果（燒結結反應）：增加高爐配礦礦中燒結礦的的比例和提高高燒結礦的還還原性，能夠夠有效降低高高爐煉鐵的燃燃料消耗、CO2排放圖6顯示：原料顆顆粒中的孔洞洞（顆粒內部部的外氣孔、、內氣孔和顆顆粒之間的空空隙），包括括石灰石和結結晶水分解形形成的氣孔和和顆粒外部和和內部的孔隙隙，主要會通通過鐵酸鈣熔熔體的流動而而重新排列。。這是燒結時時燒結料層中中形成氣體流流動通道的空空隙網絡和氣氣孔的機理，，它會影響燒燒結礦的強度度和還原性等等性質。圖6燒結床結構變變化示意圖料層結構在燒燒結過程中的的變化MEMIOS工藝的特點用用馬拉曼巴礦礦制備的生球球（燒成層））均勻地分布布在誘導層中中因為主要關心心的是燒結餅餅的透氣性和和產量，作為為固結塊的骨骨料，燒成層層主要應發揮揮形成合適的的合成料床結結構的作用。。因此，它既既要牢固地與與誘導床結合合，但又不能能完全吸收消消化。這牽涉涉到液相的生生成量和流動動性問題。當鐵酸鈣熔體體滲入鐵礦石石顆粒或小球球時，熔體中中的CaO含量降低，其其粘度有增大大的傾向。因此，通過設設計誘導層的的化學成分和和細顆粒的數數量來控制熔熔體的滲透深深度。MEMIOS工藝的特點用用馬拉曼巴礦礦制備的生球球（燒成層））均勻地分布布在誘導層中中因為主要關心心的是燒結餅餅的透氣性和和產量，作為為固結塊的骨骨料，燒成層層主要應發揮揮形成合適的的合成料床結結構的作用。。因此，它既既要牢固地與與誘導床結合合，但又不能能完全吸收消消化。這牽涉涉到液相的生生成量和流動動性問題。當鐵酸鈣熔體體滲入鐵礦石石顆粒或小球球時，熔體中中的CaO含量降低，其其粘度有增大大的傾向。因此，通過設設計誘導層的的化學成分和和細顆粒的數數量來控制熔熔體的滲透深深度。Sato等人報道，有有尺寸為6cm3的大塊殘留而而沒有在燒結結時被吸收，，它們可以起起到骨架作用用，對保持高高透氣性有幫幫助，而尺寸寸為2cm3小塊被完全吸吸收。因此，，需要找到一一個條件，使使得大料粒即即燒成層，被被保留下來并并維持其強度度直到裝入高高爐為止。Otomo等人證實，當當選擇適當的的條件，例如如焦炭含量和和誘導層的原原料化學成分分，在燒結后后這些大球能能夠不發生明明顯的形變而而得到保留，，如圖8所示。例子一誘導層的化學學成分：CaO/Fe2O3：0.1CaO/SiO2：1.8焦粉配比：4%圖8大顆粒周圍燒燒結礦橫截面面結構的CTSX射線圖像在這個項目中中，動態地評評價了MEBIOS燒結礦的還原原性，發現恰恰當地在燒成成層和誘導層層之間形成氧氧化鈣的偏析析會顯著改善善生產出來的的燒結礦的還還原性，這種種燒結礦是由由高低堿度兩兩部分組成的的復合物。Sugiyama對SFCA樣品進行還原原性測試，發發現SFCA-I（高鐵低硅SFCA，一般認為其其還原性良好好）并不是一一種很好還原原的礦物，而而圍繞它形成成的微孔結構構使它具有了了高還原性（（如圖10）。它表明控制孔孔隙結構，粒粒度分布和孔孔隙率對生產產具有高還原原性和好的礦礦物組成的燒燒結礦非常重重要。圖10(a)SFCA-I和(b)SFCA和它們的還原原樣品XRD圖像燃料種類對燒燒結過程的影影響按單位質量的的發熱量排列列，從大到小小依次為重油油、甲烷、焦焦炭。按單位氧消耗耗量的發熱量量排列，軋鋼鋼皮最大。從從抽入料層中中的空氣的角角度，它是最最有效的一種種燃料。即使燒結原料料中不含金屬屬鐵或低價鐵鐵，燒結過程程中也會發生生低價鐵的氧氧化放熱加熱階段發生生吸熱反應和和冷卻階段發發生放熱反應應，可以被用用于料層中溫溫度的分布使用含碳物物質和金屬屬鐵/低價鐵時的的燒結料層層孔隙度的的變化很不不相同，因因為前者在在燃燒完畢畢會消失，，而后者的的體積和重重量卻會增增加圖7使用模擬料料粒和不同同結塊劑（（指焦炭和和金屬鐵））的燒結餅餅的剖面圖圖液相作為橋橋鍵存在于于未熔化顆顆粒之間并并形成聚團團比較好，，液相淌下下來并形成成大塊會影影響料層的的透氣性金屬鐵/低價鐵氧化化后體積會會增大，生生成的液相相因為FeO含量高而流流動性太好好，因此會會形成第二二種結構研究表明，，使用金屬屬鐵/低價鐵時燒燒結產量會會顯著下降降所以，不僅僅要控制液液相的生產產量，而且且要通過控控制成分來來控制液相相的流動性性通過改變焦焦炭的添加加和制粒方方式，優化化焦炭在料料粒中的分分布，達到到改善燃燒燒和傳熱、、燒結反應應（包括液液相生成、、礦物結晶晶等）的目目的JFE公司福山5號燒結機HPS球團燒結礦礦工藝流程程的改造圖1HPS和新的涂層層制粒生產產線流程圖圖外滾返礦提提高料粒強強度的技術術住友金屬工工業(株)総合技術研研究所首先進行了了水分含量量對料粒強強度影響的的實驗室試試驗礦石品種：：A和B低水分制粒粒方案：A和B混合制粒后后加水高水分制粒粒方案：A+B+水一起混合合制粒B+水混合后制制粒，再加加干燥A粒子tanφ是內摩擦系系數C是附著力或或內聚力σ是垂直應力力料粒中的水水分起到潤潤滑作用，，使內摩擦擦力降低圖1RF-MEBIOS對燒結料層層抗破壞能能力的影響響又研究了水水分含量對對料層空隙隙度的影響響礦石品種：：C和D，粒度2~4mmE：粒度小于于0.25mm方案1：C、D、E一起加水混混合制粒方案2：C、D一起加水混混合制粒后后，外滾干干燥的D以200mm的落差，裝裝入一個直直徑20mm、高50mm的容器中，，形成物料料層用CT掃描，測定定其空隙度度圖2料層的CT掃描圖像外滾干顆粒粒提高了混混合制粒后后料粒抵抗運運輸、儲存存和布料時時沖擊力的能能力，使得得形成料層層的空空隙隙度度增增大大圖1帶旁旁路路制制粒粒路路線線的的返返礦礦添添加加法法示示意意圖圖圖3干混混返返礦礦量量對對制制粒粒效效果果的的影影響響以試試驗驗期期后后的的一一段段時時間間作作為為基基準準期期小時時產產量量：：增增加加了了20多噸噸垂直直燒燒結結速速：：提提高高1mm/min左右右制粒粒效效率率：：提提高高2.5%左右右GI的計計算算方方法法：：一般般以以-1mm的含含量量作作為為依依據據這里里使使用用-0.25mm9、靜夜四無無鄰，荒居居舊業貧。。。12月-2212月-22Wednesday,December28,202210、雨中中黃葉葉樹，，燈下下白頭頭人。。。21:24:3221:24:3221:2412/28/20229:24:32PM11、以我獨沈沈久，愧君君相見頻。。。12月-2221:24:3221:24Dec-2228-Dec-2212、故故人人江江海海別別，，幾幾度度隔隔山山川川。。。。21:24:3221:24:3221:24Wednesday,December28,202213、乍見見翻疑疑夢，，相悲悲各問問年。。。12月月-2212月月-2221:24:3221:24:32December28,202214、他鄉生生白發，，舊國見見青山。。。28十十二月20229:24:32下午午21:24:3212月-2215、比不了得得就不比，，得不到的的就不要。。。。十二月229:24下下午12月-2221:24December28,202216、行行動動出出成成果果，，工工作作出出財財富富。。。。2022/12/2821:24:3221:24:3228December202217、做前前，能能夠環環視四四周；；做時時，你你只能能或者者最好好沿著著以腳腳為起起點的的射線線向前前。。。9:24:32下下午9:24下下午午21:24:3212月月-229、沒有失敗，，只有暫時停停止成功！。。12月-2212月-22Wednesday,December28,202210、很多事情努努力了未必有有結果，但是是不努力卻什什么改變也沒沒有。。21:24:3221:24:3221:2412/28/20229:24:32PM11、成成功功就就是是日日復復一一日日那那一一點點點點小小小小努努力力的的積積累累。。。。12月月-2221:24:3221:24Dec-2228-Dec-2212、世間間成事事，不不求其其絕對對圓滿滿，留留一份份不足足，可可得無無限完完美。。。21:24:3221:24:3221:24Wednesday,December28,202213、不知香積積寺，數里里入云峰。。。12月-2212月-2221:24:3221:24:32December28,202214、意志堅強的的人能把世界界放在手中像像泥塊一樣任任意揉捏。28十二月月20229:24:32下午21:24:3212月-2215、楚塞三三湘接，，荊門九九派通。。。。十二月229:24下午午12月-2221:24December28,202216、少年十十五二十十時，步步行奪得得胡馬騎騎。。2022/12/2821:24:3221:24:3228December202217、空山山新雨雨后，，天氣氣晚來來秋。。。9:24:32下下午9:24下下午午21:24:3212月月-229、楊柳散和和風，青山山澹吾慮。。。12月-2212月-22Wednesday,December28,202210、閱讀一切好好書如同和過過去最杰出的的人談話。21:24:3