燒結(jié)用生石灰質(zhì)量不穩(wěn)定原因分析及改進(jìn)

王小強，顏慶雙，滕雪亮，李向通，馬賢國，劉杰，李金蓮

（1.鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司，遼寧 營口 115007；2.鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009）

作為燒結(jié)熔劑，生石灰為燒結(jié)礦提供CaO分子，是生成鐵酸鈣、提高燒結(jié)礦強度的物質(zhì)之一，具有調(diào)劑燒結(jié)礦酸堿性的作用。生石灰與其它熔劑的區(qū)別在于：① 生石灰遇水消化放熱，能夠提高燒結(jié)混合料溫度；②生石灰加水反應(yīng)生成消石灰，具有一定黏性，在燒結(jié)混合料制粒中發(fā)揮粘結(jié)劑的作用；③生石灰能夠提高混合料溫度和強化混合料制粒，改善燒結(jié)礦產(chǎn)質(zhì)量效果明顯。

燒結(jié)生產(chǎn)中應(yīng)關(guān)注生石灰質(zhì)量的三個方面：①生石灰化學(xué)成分，生石灰CaO含量越高越好，雜質(zhì)含量越低越好；②生石灰粒度，要求小于3 mm占比達(dá)到85%以上，生石灰消化后在燒結(jié)過程中能夠充分混勻；③生石灰活性度，一般要求不低于260 mL，生石灰的活性度越高，生石灰在燒結(jié)過程中提高料溫和改善制粒的效果越明顯。

鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司（以下簡稱“鲅魚圈”）生產(chǎn)燒結(jié)生石灰用的石灰石CaO含量低、雜質(zhì)多，在石灰石原料條件發(fā)生變化且生產(chǎn)操作參數(shù)調(diào)整應(yīng)對不當(dāng)時，就會出現(xiàn)生石灰質(zhì)量下降且不穩(wěn)定的問題，對燒結(jié)生產(chǎn)造成影響。針對上述問題，分析了燒結(jié)生石灰質(zhì)量不穩(wěn)定原因并提出改進(jìn)措施，實踐后效果良好，本文對此做一介紹。

1 生石灰質(zhì)量不穩(wěn)定原因分析

1.1 石灰石化學(xué)成分合格率低

石灰石采購標(biāo)準(zhǔn)中要求CaO含量≥48.50%、SiO2含量≤4.5%。據(jù)統(tǒng)計，鲅魚圈石灰石化學(xué)成分合格率僅為62.50%。石灰石中CaO和SiO2含量具體如圖1所示。由圖1可以看出，石灰石中CaO和SiO2含量不穩(wěn)定，給冶煉優(yōu)質(zhì)生石灰造成了很大困難。

圖1 石灰石中CaO和SiO2含量Fig.1 Contents of CaO and SiO2in Limestone

1.2 石灰石欠燒和過燒

在冶煉生石灰過程中，存在石灰石欠燒和過燒的情況，影響生石灰質(zhì)量。經(jīng)過對生產(chǎn)過程的分析和研究，得出造成上述情況的原因有：

（1）石灰石粒度組成不合理。石灰石粒度組成如表1所示。因石灰石粒度范圍跨度大，生產(chǎn)參數(shù)優(yōu)化對穩(wěn)定生石灰質(zhì)量作用不太明顯，造成小粒度的石灰石過燒而大粒度的石灰石沒燒透，生石灰質(zhì)量不達(dá)標(biāo)。

表1 石灰石粒度組成Table 1 Particle Size Composition of Limestone %

（2）回轉(zhuǎn)窯操作參數(shù)控制不合理，造成生石灰質(zhì)量差，生石灰中CaO含量為70%～73%。不同產(chǎn)量條件下的回轉(zhuǎn)窯操作參數(shù)如表2所示。

表2 不同產(chǎn)量條件下的回轉(zhuǎn)窯操作參數(shù)Table 2 Operating Parameters of Rotary Kiln Based on Different Output

由表2可以看出，回轉(zhuǎn)窯冷卻器控制料位較低，導(dǎo)致二次風(fēng)溫偏低，窯內(nèi)煅燒帶輻射溫度不夠，預(yù)熱器頂部溫度偏低，石灰石預(yù)分解效果差，成品CaO含量偏低。

1.3 生石灰敞口存放

在回轉(zhuǎn)窯工藝環(huán)節(jié)，利用緩沖倉臨時存儲生石灰。由于緩沖倉為敞口空間，生石灰在空氣中不穩(wěn)定，會吸收二氧化碳和水，從而使活性CaO成分失效。研究發(fā)現(xiàn)，生石灰放置于敞口器皿中，CaO含量會隨著放置時間的延長而降低，其中在24 h內(nèi)降低的趨勢比較明顯[1]。因此，為了保證生石灰加工完成后的產(chǎn)品質(zhì)量，應(yīng)盡量減少生石灰在敞口緩沖倉中的存放時間。

1.4 生石灰取樣位置影響檢驗結(jié)果

生石灰復(fù)驗樣品與回轉(zhuǎn)窯生石灰檢驗樣品檢驗結(jié)果常常有不一致且差距很大的情況發(fā)生，如表3所示。

表3 回轉(zhuǎn)窯生石灰檢驗樣品和生石灰復(fù)驗樣品檢驗結(jié)果Table 3 Inspection Results of Check Samples and Reinspection Samples of Quicklime for Rotary Kiln

分析發(fā)現(xiàn)，生石灰在回轉(zhuǎn)窯工藝環(huán)節(jié)和燒結(jié)工藝環(huán)節(jié)的取樣點分別位于回轉(zhuǎn)窯出料皮帶處和燒結(jié)生石灰礦槽槽下，取樣時間間隔為38 h左右，同一時間段的化驗結(jié)果不代表同一批次樣品，而且當(dāng)燒結(jié)槽下發(fā)現(xiàn)檢驗結(jié)果異常時，對生石灰質(zhì)量的監(jiān)督及反饋也比較滯后。因此，應(yīng)改變?nèi)游恢?，盡量縮短兩處取樣的時間間隔。

2 改進(jìn)措施

2.1 增加石灰石取樣化驗頻次

為了強化對原料化學(xué)成分的監(jiān)控，石灰石取樣化驗由500 t一個批次縮短為250 t一個批次，增加了石灰石取樣化驗頻次。改進(jìn)后，石灰石中CaO和SiO2含量如圖2所示，可以看出，石灰石中CaO和SiO2含量波動幅度和范圍均減小，石灰石質(zhì)量明顯改善。經(jīng)統(tǒng)計，改進(jìn)后石灰石合格率為86.57%，較改善前提高了24.07個百分點。

圖2 改進(jìn)后石灰石中CaO和SiO2含量Fig.2 Contents of CaO and SiO2in Limestone after Improvement

2.2 調(diào)整石灰石粒度組成

控制石灰石粒度組成是穩(wěn)定生石灰質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。針對小粒度石灰石過燒導(dǎo)致生石灰活性度降低的問題，將石灰石粒度控制范圍由18～45 mm調(diào)整到30～50 mm，如表4所示，石灰石粒度趨于均勻。經(jīng)統(tǒng)計，調(diào)整后的生石灰生燒率和過燒率綜合指數(shù)降低了14.5%，生石灰質(zhì)量改善。

表4 改進(jìn)后石灰石粒度組成Table 4 Particle Size Composition of Limestone after Improvement %

2.3 優(yōu)化回轉(zhuǎn)窯焙燒參數(shù)

改進(jìn)后不同產(chǎn)量條件下的回轉(zhuǎn)窯操作參數(shù)如表5所示。通過動態(tài)調(diào)整冷卻器控制料位，保證正常生產(chǎn)時二次風(fēng)溫控制在550℃，增加回轉(zhuǎn)窯焙燒煤氣量，提高回轉(zhuǎn)窯預(yù)熱器頂部溫度，生石灰質(zhì)量得到有效提升，生石灰中CaO含量達(dá)到78%～83%。

表5 改進(jìn)后不同產(chǎn)量條件下的回轉(zhuǎn)窯操作參數(shù)Table 5 Operating Parameters for Rotary Kiln Based on Different Output after Improvement

2.4 改變生石灰儲存及運輸方式

根據(jù)燒結(jié)生產(chǎn)實際用量，生石灰緩沖倉內(nèi)儲存量要小于每日的使用量，保證生石灰的周轉(zhuǎn)率；同時，生石灰運輸采用全封閉式罐車，通過氣力輸送的方式輸入到燒結(jié)配料槽內(nèi)，生石灰配料倉采用全封閉式結(jié)構(gòu)。

生產(chǎn)過程中，燒結(jié)停機檢修會造成煉鋼生石灰緩沖倉中物料存儲量大于使用量，生石灰周轉(zhuǎn)下降，生石灰在緩沖倉內(nèi)存貯時間增加，導(dǎo)致生石灰活性度降低，影響使用效果。因此，當(dāng)燒結(jié)停機檢修超過1 h時，應(yīng)根據(jù)需求調(diào)整生石灰生產(chǎn)，保證供需平衡。

2.5 調(diào)整生石灰取樣位置

為了使生石灰取樣更具有代表性，并能夠在回轉(zhuǎn)窯區(qū)域和燒結(jié)區(qū)域同時反映生石灰質(zhì)量變化情況，將回轉(zhuǎn)窯出料皮帶取樣改為環(huán)錘破碎后取樣，燒結(jié)槽下取樣改為輸灰罐車輸灰管道取樣。取樣位置改變后，兩個取樣點的取樣樣品均為粉狀物料，兩點取樣的時間間隔約為8 h，減少了30 h，化驗結(jié)果的一致性較好。

生石灰進(jìn)槽前如何進(jìn)行取樣是個難點，通過對標(biāo)相關(guān)行業(yè)得知，安裝自動取樣裝置投資費用較高且運行較復(fù)雜。鲅魚圈通過自主研究，制作出了一種投資費用較低、操作安全簡單的生石灰取樣管裝置，具體如圖3所示。

圖3 生石灰取樣管裝置Fig.3 Sampling Tube Device for Quicklime

生石灰通過氣力輸送，沿圖中箭頭所示方向進(jìn)入取樣管，當(dāng)一次輸灰結(jié)束后，打開取樣管，將取樣管收集的物料倒出裝樣袋后進(jìn)行化檢驗。

3 改進(jìn)效果

3.1 生石灰質(zhì)量變化

改進(jìn)前后生石灰質(zhì)量變化如表6所示。

表6 改進(jìn)前后生石灰質(zhì)量變化Table 1 Changes in Quality of Quicklime before and after Improvement %

由表6可以看出：

（1）改進(jìn)后，生石灰CaO含量提高了10.25個百分點，生石灰質(zhì)量得到改善。

（2）生產(chǎn)要求生石灰破碎粒度小于3 mm占比達(dá)到85%，小于5 mm占比達(dá)到95%以上。改進(jìn)前生石灰破碎粒度粗，破碎粒度不能滿足生產(chǎn)要求。改進(jìn)后，生石灰破碎粒度細(xì)，產(chǎn)品質(zhì)量能滿足生產(chǎn)要求。

（3）改進(jìn)后，生石灰活性度提高，生石灰在遇水消化的過程中放熱能力增強，產(chǎn)生的消石灰比例升高，能夠提高混合料溫度和強化混合料制粒[2]。實踐證明配加高活性生石灰不僅能強化燒結(jié)，提高燒結(jié)礦的產(chǎn)量與質(zhì)量，而且能影響燒結(jié)礦中鐵酸鈣的結(jié)晶形狀及鐵酸鈣的數(shù)量，有利于細(xì)針狀和針狀鐵酸鈣的形成。

3.2 生石灰質(zhì)量對燒結(jié)生產(chǎn)指標(biāo)影響

3.2.1 燒結(jié)混合料粒度及溫度

改進(jìn)前后燒結(jié)混合料粒度及溫度如表7所示。

表7 改進(jìn)前后燒結(jié)混合料粒度及溫度Table 7 Particle Size and Temperature of Sinter Mixture before and after Improvement

由表7可以看出，生石灰質(zhì)量改善后，燒結(jié)混合料粒度組成中，＜3 mm占比降低了12.02個百分點，3～5 mm 占比升高了 11.88個百分點，5～8 mm占比降低了4.01個百分點，＞8 mm占比升高了4.16個百分點，混合料平均粒徑增大，混合料溫度提升9℃?？梢姡屹|(zhì)量改善對改善燒結(jié)混合料制粒和提高混合料溫度效果顯著。

3.2.2 燒結(jié)機主要操作參數(shù)

改進(jìn)前后燒結(jié)機主要操作參數(shù)如表8所示。

表8 改進(jìn)前后燒結(jié)機主要操作參數(shù)Table 8 Main Operating Parameters for Sintering Machine before and after Improvement

由表8可以看出，當(dāng)生石灰質(zhì)量改善后，燒結(jié)負(fù)壓降低、廢氣溫度升高、臺時產(chǎn)量提高、主抽電耗降低。可見，提高生石灰質(zhì)量對提高燒結(jié)生產(chǎn)能力、降低燒結(jié)電耗有明顯作用。

3.2.3 燒結(jié)礦質(zhì)量指標(biāo)

改進(jìn)前后燒結(jié)礦化學(xué)指標(biāo)如表9所示。由表9可以看出，生石灰質(zhì)量改進(jìn)后，燒結(jié)礦品位有所提高、SiO2含量有所下降。由于生石灰質(zhì)量與冶煉用石灰石的化學(xué)成分和穩(wěn)定性、入窯的石灰石粒度組成及冶煉過程參數(shù)控制均有關(guān)系。當(dāng)冶煉用石灰石質(zhì)量在物理指標(biāo)和化學(xué)指標(biāo)方面均有波動時，將會造成生石灰質(zhì)量波動，從而會影響燒結(jié)礦質(zhì)量的穩(wěn)定。所以，為了保證燒結(jié)礦化學(xué)成分穩(wěn)定，在生石灰質(zhì)量控制方面，關(guān)鍵是保證冶煉生石灰用的石灰石質(zhì)量穩(wěn)定。

表9 改進(jìn)前后燒結(jié)礦化學(xué)指標(biāo)Table 9 Chemical Indexes of Sinter before and after Improvement

改進(jìn)前后燒結(jié)礦物理指標(biāo)如表10所示。由表10可以看出，生石灰質(zhì)量改進(jìn)對燒結(jié)礦物理指標(biāo)改善具有一定作用，主要表現(xiàn)在：① 燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓強度提高了0.47個百分點；②燒結(jié)礦大塊比例降低，粒度組成更趨于均勻，符合高爐用料需求。

表10 改進(jìn)前后燒結(jié)礦物理指標(biāo)Table 10 Physical Indexes of Sinter before and after Improvement

4 經(jīng)濟效益分析

（1）熔劑成本增加效益

經(jīng)統(tǒng)計，生石灰強化生產(chǎn)冶煉，煤氣使用量提高了約500 m3/h，生石灰成本增加12.65元/t。燒結(jié)生石灰單耗為60 kg/t，合計燒結(jié)礦增加成本0.76元/t。另外，因生石灰質(zhì)量改善，石灰石單耗降低 9.8 kg/t（單價 76.68元/t）、菱鎂石單耗增加2.94 kg/t（單價 92.10元/t），計算燒結(jié)礦成本降低0.58元/t。燒結(jié)用熔劑成本合計增加0.18元/t。

（2）固體燃耗降低效益

生石灰質(zhì)量改善后，混合料溫度提高9℃，固體燃料消耗降低約1.3 kg/t[3]。燃料用量為焦粉65%、無煙煤35%，綜合單價704.13元/t。降低固體燃料消耗的效益為 1.3×704.13÷1 000≈0.915 元/t。

（3）電耗降低效益

因燒結(jié)過程透氣性改善，燒結(jié)主抽電耗降低[4-5]。主抽小時電耗計算方法見式（1）。

式中，U為電機線電壓，kV；I為電機電流，A；cosφ表示電機功率因數(shù)，取平均數(shù)0.80。已知單臺燒結(jié)機對應(yīng)兩臺主抽風(fēng)機，主抽風(fēng)機的電機線電壓為固定值10 000 V、電流為工作電流的計算平均值，

計算得改進(jìn)前后主抽小時電耗分別為9 491.36、8 881.69 kW·h。按照噸燒結(jié)礦主抽用電量計算，已知改善前后燒結(jié)礦小時產(chǎn)量分別為524、549 t，電耗降低為 1.935 （kW·h）/t。 按照綜合電價 0.56 元/（kW·h）計算，燒結(jié)礦成本降低約1.084元/t。

綜上所述，綜合效益為0.18-0.915-1.084=-1.819元/t，即燒結(jié)礦成本降低1.819元/t。按照年產(chǎn)780萬t燒結(jié)礦計算，年燒結(jié)成本降低約1 419萬元。

5 結(jié)語

鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司生石灰質(zhì)量不穩(wěn)定，存在石灰石化學(xué)成分合格率低、石灰石欠燒和過燒、生石灰敞口存放及取樣位置不佳等問題。通過采取縮短取樣化驗周期、調(diào)整石灰石粒度組成、優(yōu)化回轉(zhuǎn)窯焙燒參數(shù)、改變生石灰儲存及運輸方式和調(diào)整生石灰取樣位置等措施，在燒結(jié)工藝過程中有效改善了二混后混合料制粒，提高了混合料溫度，降低了燒結(jié)電耗，提高了燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓強度，降低了燒結(jié)礦大塊比例，使粒度組成更趨于均勻。經(jīng)濟效益方面，雖然生石灰提質(zhì)穩(wěn)質(zhì)過程中成本升高了12.65元/t，但燒結(jié)礦成本降低了1.819元/t，綜合成本呈下降趨勢。