李文武，李祥，易毅輝

(北京首鋼國際工程技術(shù)有限公司北京中國100043)

摘要：鉻系鐵合金冶煉中，利用鉻精礦生產(chǎn)的鉻燒結(jié)礦可有效降低鐵合金冶煉成本。文章針對鉻精礦燒結(jié)的特點(diǎn)，論述了鉻精礦燒結(jié)的工藝流程和主要設(shè)備選型，創(chuàng)新設(shè)計(jì)并建造了國內(nèi)最大的一條采用120 m² 帶式燒結(jié)機(jī)配套環(huán)冷機(jī)生產(chǎn)鉻燒結(jié)礦的生產(chǎn)線。通過對生產(chǎn)的跟蹤，摸索出每噸鉻燒結(jié)礦配加膨潤土量控制在110±10 kg、混合料的水分控制在7． 5%±0． 5%時(shí)，混合料制粒效果和燒結(jié)料層的透氣性較好;每噸鉻燒結(jié)礦配加焦粉量控制在130±10 kg 時(shí)，能夠保證燒結(jié)礦質(zhì)量滿足要求，鉻燒結(jié)礦的成品率達(dá)70%，并提出了穩(wěn)定燒結(jié)生產(chǎn)的措施。該生產(chǎn)線的投產(chǎn)為鉻精礦燒結(jié)的大型化發(fā)展提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：鉻鐵合金；鉻精礦鉻；燒結(jié)礦；帶式燒結(jié)機(jī)

前言

鉻塊礦和鉻粉礦是冶煉鉻鐵合金的主要原料，由于在冶煉過程中對爐料透氣性的要求，通常鉻塊礦更適合于冶煉^［1］。隨著當(dāng)前鉻鐵合金工業(yè)對資源的大量需求，適合直接入爐的鉻塊礦越來越少，價(jià)格隨之攀高，受金融危機(jī)影響價(jià)格稍有回落。與此同時(shí)，隨著鉻礦開采量的加大和原礦品位的降低，鉻粉礦的產(chǎn)出量越來越高。目前，鉻粉礦的市場占有率已經(jīng)達(dá)到50%^［2-4］。在冶煉方面，與鉻塊礦相比，鉻粉礦容易導(dǎo)致礦熱爐透氣性變差，不能直接入爐，但在品位和價(jià)格方面優(yōu)于鉻塊礦。因此，利用廉價(jià)粉礦，加強(qiáng)鉻礦粉的造塊是降低我國鉻系鐵合金生產(chǎn)成本、提高鉻系鐵合金市場競爭力的有效措施之一^{［5］。}

鉻燒結(jié)礦作為鉻精礦造塊的主要方式之一，具有以下優(yōu)點(diǎn):①經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)的鉻鐵礦尖晶石礦物結(jié)構(gòu)與原礦截然不同:礦石中的Fe^{2 +} 轉(zhuǎn)變成Fe^{3 +} ，有些鐵離子脫離了尖晶石，集中在晶粒表面，利于冶煉還原反應(yīng)^［6］。②燒結(jié)礦氣孔率很高，比表面積很大，這有利于提高還原反應(yīng)速度。采用燒結(jié)法生產(chǎn)，產(chǎn)量可提高10%～17%。③燒結(jié)礦強(qiáng)度高、粒度均勻，使電爐透氣性改善。

與塊礦和冷壓球團(tuán)相比，燒結(jié)礦結(jié)構(gòu)疏松，高溫電阻率比塊礦和冷壓球團(tuán)大得多，鐵合金冶煉單位電耗可降低200～300 kWh /t^［7］。但是，鉻礦粉燒結(jié)溫度高、產(chǎn)量低及能耗高，尤其是鉻精礦粉制粒性能差，燒結(jié)過程透氣性差^［8］，生產(chǎn)波動(dòng)大，操作難度高。

國內(nèi)某鐵合金廠新建一臺120 m² 帶式燒結(jié)機(jī)生產(chǎn)線生產(chǎn)鉻燒結(jié)礦，該項(xiàng)目由北京首鋼國際工程技術(shù)有限公司(以下簡稱首鋼國際) 總承包，這是目前國內(nèi)最大規(guī)模的采用帶式燒結(jié)機(jī)配套環(huán)式冷卻機(jī)進(jìn)行鉻礦粉燒結(jié)的生產(chǎn)線。該生產(chǎn)線于2017 年3 月27 日點(diǎn)火試生產(chǎn)成功。

1 原料條件

生產(chǎn)使用的含鉻原料包括土耳其鉻礦粉和南非鉻精礦，固體燃料為焦粉，添加劑采用蛇紋石和膨潤土。

各種原料的化學(xué)成分詳見表1 至表4。

2 鉻礦燒結(jié)工藝及主要設(shè)備選型

2.1 主要工藝系統(tǒng)

鉻礦燒結(jié)工藝生產(chǎn)線從原料的接受開始至成品燒結(jié)礦的運(yùn)出，其工藝流程如圖1 所示。

原料的接受設(shè)置了鉻鐵礦粉和焦粉的汽車受料槽;燃料破碎系統(tǒng)采用1 臺四輥破碎機(jī)將焦粉破碎至3 mm 以下;配料系統(tǒng)設(shè)置了11 個(gè)配料倉，倉下采用定量配料設(shè)備;混合系統(tǒng)設(shè)置了一次、二次圓筒混合機(jī);燒結(jié)冷卻系統(tǒng)配置了一臺帶式燒結(jié)機(jī)和一臺環(huán)式冷卻機(jī);成品篩系統(tǒng)串聯(lián)布置了2 臺懸臂篩，分出成品燒結(jié)礦、鋪底料和燒結(jié)返礦;燒結(jié)主抽風(fēng)系統(tǒng)設(shè)置1 臺主抽風(fēng)機(jī)、1 臺機(jī)頭電除塵器;煙氣脫硫設(shè)施采用石灰-石膏法，主要包括脫硫劑的接受、脫硫塔、制漿系統(tǒng)、水系統(tǒng)、綜合樓及副產(chǎn)物處理設(shè)施;全廠的除塵灰采用濃相氣力輸送至配料室除塵灰倉;全廠配套帶式輸送機(jī)通廊及轉(zhuǎn)運(yùn)站。

2.2 主要公輔設(shè)施

鉻礦燒結(jié)工藝生產(chǎn)線配套輔助設(shè)施設(shè)置了主控樓、高低壓配電室、綜合水泵房及環(huán)境除塵設(shè)施等。

2.3 主要工藝設(shè)備規(guī)格

四輥破碎機(jī):Φ900 mm×700 mm;

一次混合機(jī):Φ3 000 mm×9 000 mm;

二次混合機(jī):Φ3 400 mm×15 000 mm;

燒結(jié)機(jī):有效燒結(jié)面積120 m²，臺車有效寬度3.0 m(加寬3.3 m)，有效長度40 m，臺車欄板高度600 mm;

環(huán)冷機(jī): 有效燒結(jié)面積140m²，環(huán)冷機(jī)中徑22 m，臺車寬度2.6 m;

燒結(jié)主風(fēng)機(jī):入口流量13000 m³ /min，靜升壓17 500 Pa;

機(jī)頭電除塵器:處理風(fēng)量13000 m³ /min，流通面積140 m²，雙室四電場;

燒結(jié)礦振動(dòng)篩:一次篩規(guī)格1.5 m×5.2 m，篩分粒級5 mm、10 mm;二次篩規(guī)格1.5 m ×5.0 m，篩分粒級20 mm;

脫硫塔:脫硫塔直徑8 m，塔高50 m。

3 生產(chǎn)實(shí)踐

由于鉻礦粉燒結(jié)在世界上的生產(chǎn)實(shí)踐較少，特別是帶式燒結(jié)機(jī)配套環(huán)式冷卻機(jī)工藝，所以本生產(chǎn)線于2017 年3 月27 日點(diǎn)火試生產(chǎn)成功后經(jīng)過4 個(gè)多月的生產(chǎn)摸索，總結(jié)出以下燒結(jié)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)。

3.1 原料粒度對混合、制粒的影響

試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，生產(chǎn)中使用的鉻鐵礦粉粒度偏細(xì)，平均粒度在0.6～1.92 mm 之間，其中－ 0.5 mm 粒級含量大于40%，焦粉平均粒度為1.07 mm，其中－ 1 mm 粒級含量大于90%，蛇紋石－ 0.074 mm 占96.5%，膨潤土－ 0.074 mm 占99%，自產(chǎn)返礦粒度小于5 mm，除塵灰粒度小于3 mm。

由于上述原料粒度較細(xì)，部分物料親水性差，造成在一次混合機(jī)內(nèi)不易混勻，二次混合機(jī)制粒效果較差，制粒后混合料粒度差異較大，部分大顆粒物料外表面黏附有小顆粒物料，造成燒結(jié)機(jī)上混合料透氣性差，燒結(jié)負(fù)壓高。針對原料粒度對混合、制粒的影響，為了強(qiáng)化制粒效果、提高燒結(jié)料層的透氣性，摸索出每噸鉻燒結(jié)礦配加膨潤土的量控制在110 kg 左右。

3.2 混合料水分的影響

由于生產(chǎn)線未安裝混合料水分的在線檢測儀表，所以操作上根據(jù)燒結(jié)機(jī)風(fēng)箱溫度、風(fēng)箱壓力、機(jī)尾燒結(jié)料斷面情況，結(jié)合人工觀察二次混合機(jī)的出料情況判斷混合機(jī)加水量的多少，主控室指揮崗位工人調(diào)節(jié)給水閥門。

混合料水分過低料層透氣性變差，水分過高造成固體燃料增加，根據(jù)給水管道上流量計(jì)顯示的數(shù)據(jù)，推算出混合料的水分控制在7.5% ± 0.5% 時(shí)，混合料的制粒效果和燒結(jié)料層的透氣性較好。

3.3 鉻鐵礦粉的燒結(jié)特性

3.3.1 點(diǎn)火溫度較高

根據(jù)燒結(jié)機(jī)風(fēng)箱溫度和機(jī)尾料層斷面顯示，要實(shí)現(xiàn)燒結(jié)所需要的點(diǎn)火強(qiáng)度，保證表層燒結(jié)礦的質(zhì)量，點(diǎn)火溫度控制在1 150～1 300 ℃之間。

3.3.2 固體燃料消耗高

鉻燒結(jié)礦固結(jié)以Cr₂O₃再結(jié)晶固相固結(jié)為主，輔以20%左右橄欖石液相固結(jié)。由于鉻鐵礦中高熔點(diǎn)的物質(zhì)多，其燒結(jié)液相量明顯低于普通鐵礦燒結(jié)液相量(30%～40%)^［5］，因此需要大量的焦粉或煤粉燃燒供熱，生產(chǎn)中每噸鉻燒結(jié)礦焦粉的消耗量為130 kg。

3.3.3 固體燃料的粒度對燒結(jié)過程的影響

生產(chǎn)使用的焦粉為外購，來料粒度差異很大，大顆粒難破碎的雜質(zhì)較多，影響四輥破碎機(jī)的破碎效果，輥間隙不能保證，破碎后焦粉大小粒度分級嚴(yán)重，造成燒結(jié)機(jī)臺車上的混合料中燃料分布不均勻，燒結(jié)煙氣溫度高低變化頻繁且幅度較大，機(jī)尾斷面顯示燒結(jié)礦部分過燒，部分未燒透，生產(chǎn)極不穩(wěn)定。

鉻鐵礦燒結(jié)所需的溫度高于鐵礦燒結(jié)，焦粉粒度燒結(jié)試驗(yàn)表明，小于3 mm 占57.98% 的焦粉適于鉻鐵礦燒結(jié)^［5］。

3.3.4 混合料透氣性差、燒結(jié)負(fù)壓高、廢氣溫度高

由于原料粒度細(xì)，尤其是細(xì)粒鉻鐵礦粉本身成球性差，所以混合料的透氣性差，在料層高度為400mm 的情況下，燒結(jié)風(fēng)箱負(fù)壓大多在－ 16 500 Pa 以上，有時(shí)會(huì)因?yàn)樵吓浔?、水分等原因的波?dòng)，燒結(jié)風(fēng)箱負(fù)壓出現(xiàn)高于－ 18 000 Pa 的情況。

由于固體燃料消耗高，燒結(jié)廢氣溫度長時(shí)間保持在200 ℃左右，惡化了機(jī)頭燒結(jié)風(fēng)機(jī)和靜電除塵器工作狀態(tài)，造成濕法脫硫系統(tǒng)用水量增加，部分設(shè)備由于高溫變形。

3.3.5 燒結(jié)溫度高

燒結(jié)機(jī)尾斷面顯示，臺車篦條呈現(xiàn)出大面積紅亮、白亮現(xiàn)象，現(xiàn)場采用紅外測溫槍測量臺車梁下邊緣溫度為200～300 ℃，而普通鐵礦燒結(jié)此位置溫度為150 ℃左右，因此鉻礦粉燒結(jié)溫度較普通鐵礦燒結(jié)溫度高，有研究數(shù)據(jù)表明在鉻鐵礦燒結(jié)過程中，料層的最高溫度為1 450～1 500 ℃，燃燒帶厚度75 mm，且高溫保持時(shí)間( ＞ 1 400 ℃)長達(dá)5 min 左右。由于鉻鐵礦粉燒結(jié)所需溫度高，必須采用鋪底料工藝才能保護(hù)篦條，減少設(shè)備損耗^［5］。生產(chǎn)中鋪底料厚度50～70 mm，而普通鐵礦燒結(jié)鋪底料厚度為30～40 mm。

3.3.6 鉻燒結(jié)礦的固結(jié)

有關(guān)研究表明，鉻燒結(jié)礦固結(jié)以Cr₂O₃再結(jié)晶固相固結(jié)為主，輔以20% 左右橄欖石液相固結(jié)。由于鉻鐵礦中高熔點(diǎn)的物質(zhì)多，其燒結(jié)液相量明顯低于普通鐵礦燒結(jié)液相量(30%～40%)。雖然Cr₂O₃及FeO·Cr₂O₃的熔點(diǎn)高達(dá)1 990 ℃、1 850 ℃，但根據(jù)塔曼學(xué)派的研究，其固相反應(yīng)開始的溫度TC約等于0.57Tm，即Cr₂O₃及FeO·Cr₂O₃的塔曼溫度為1 134 ℃、1 055 ℃。在燒結(jié)過程中，當(dāng)燒結(jié)料層溫度高于Cr₂O₃的塔曼溫度時(shí)，礦粒晶格內(nèi)的原子獲得足夠的能量，克服周圍健力的約束進(jìn)行表面擴(kuò)散，礦粒之間形成連接橋，產(chǎn)生再結(jié)晶和再結(jié)晶長大。這種Cr₂O₃的再結(jié)晶是鉻燒結(jié)礦的重要固結(jié)方式。此外，由于結(jié)最高溫度達(dá)到1 450～1 500 ℃，超過了鐵橄欖石(1 205 ℃)、鈣鐵橄欖石(1 150 ℃) 等的熔點(diǎn)，這些橄欖石液相在燒結(jié)負(fù)壓和毛細(xì)力的共同作用下遷移、填充到礦物顆粒的間隙中，使鉻燒結(jié)礦強(qiáng)度好，成品率高^［5］。

自2017 年3 月27 日點(diǎn)火試生產(chǎn)成功后，隨著燒結(jié)工況逐步穩(wěn)定，鉻燒結(jié)礦的成品率逐步提高到70%以上，外觀照片如圖2 所示。

3.3.7 鉻燒結(jié)礦的冷卻

由于燒結(jié)過程中燒結(jié)溫度高，混合料中固體燃料的配比較高，而且燃料的粒度極不均勻，所以造成燒結(jié)終點(diǎn)后存在固體燃料未燃燒完全的情況，機(jī)尾燒結(jié)礦斷面顯示紅料層較厚，有火焰在燃燒，卸到環(huán)冷機(jī)上的燒結(jié)礦存在較多紅料，燒結(jié)過程還在繼續(xù)，造成環(huán)冷機(jī)設(shè)備熱膨脹大，卸料處出現(xiàn)卡臺車現(xiàn)象。

4 燒結(jié)主要指標(biāo)

4.1 燒結(jié)礦的化學(xué)成分

燒結(jié)礦的化學(xué)成分見表5。

4.2 燒結(jié)機(jī)運(yùn)行參數(shù)

圓輥給料機(jī)轉(zhuǎn)速3.10 r /min，燒結(jié)機(jī)機(jī)速0.92m/min，料層厚度400～500 mm，燒結(jié)機(jī)利用系數(shù)0.6t /m2·h，環(huán)冷機(jī)機(jī)速0.65 m/min，由于生產(chǎn)階段原料條件不穩(wěn)定，自動(dòng)化控制系統(tǒng)未完善，因此燒結(jié)機(jī)利用系數(shù)未達(dá)到設(shè)計(jì)值。

5 穩(wěn)定生產(chǎn)的措施

鉻礦粉燒結(jié)的特點(diǎn)及生產(chǎn)操作的難度較大，通過4 個(gè)多月的生產(chǎn)實(shí)踐摸索，需要采取以下措施穩(wěn)定生產(chǎn)過程，提高燒結(jié)礦產(chǎn)量和質(zhì)量。

(1)建立各種原料、混合料、成品燒結(jié)礦的檢驗(yàn)分析制度，及時(shí)提供檢測數(shù)據(jù)指導(dǎo)生產(chǎn)。

(2)嚴(yán)格控制進(jìn)廠燃料的質(zhì)量，減少雜質(zhì)，粒度要求＜ 10 mm，必要時(shí)進(jìn)行預(yù)篩分作業(yè)，避免存在大部分的過細(xì)粒級再次參加破碎，造成燃料的過粉碎現(xiàn)象，增加固體燃耗，影響燒結(jié)過程。

(3)穩(wěn)定鉻鐵礦粉、膨潤土和蛇紋石的供配料，調(diào)整配料倉下設(shè)備的計(jì)量精度，保證物料順行和配比的穩(wěn)定。

(4)根據(jù)生產(chǎn)變化情況建立合理的燒結(jié)返礦和除塵灰的配加制度，減少由于配加量的頻繁變化引起燒結(jié)過程的波動(dòng)，影響燒結(jié)礦的產(chǎn)量和質(zhì)量。

(5)增加二次混合機(jī)后混合料水分的在線檢測設(shè)備，及時(shí)指導(dǎo)生產(chǎn)調(diào)整混合料水分，穩(wěn)定燒結(jié)過程。

(6)增加混合料的預(yù)熱手段，提高混合料溫度，提高料層透氣性，降低料層阻力，有利于降低能耗，提高產(chǎn)量。

(7)加強(qiáng)崗位工人的技術(shù)培訓(xùn)，提高理論知識水平和生產(chǎn)操作技能，強(qiáng)化相關(guān)法律和規(guī)章制度。

6 結(jié)語

(1)120 m² 帶式燒結(jié)機(jī)配套環(huán)冷機(jī)生產(chǎn)鉻燒結(jié)礦生產(chǎn)線的成功投運(yùn)，實(shí)現(xiàn)了鉻精礦資源的有效利用，并且為鉻精礦燒結(jié)的大型化發(fā)展提供寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

(2)通過對生產(chǎn)的緊密跟蹤，摸索出每噸鉻燒結(jié)礦焦粉的消耗量為130 kg、膨潤土的配加量為110kg、混合料的水分控制在7.5%±0.5%、點(diǎn)火溫度控制在1 150～1 300 ℃之間、鋪底料厚度50～70 mm、燒結(jié)廢氣溫度在200 ℃左右。

(3)結(jié)合投產(chǎn)后出現(xiàn)的問題，提出穩(wěn)定燒結(jié)生產(chǎn)的措施，使得燒結(jié)機(jī)的速度提高到1.1 m/min，燒結(jié)礦成品率提高到70%。

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