铁矿石烧结技术及烧结机设计优化

铁矿石烧结技术及烧结机设计优化  

最基本形式的烧结技术非常简单，自二十世纪初以来一直在使用。然而，虽然基本技术简单，但工艺控制依赖于许多极其复杂的相互依赖的工艺参数，需要深入了解这些参数对产能和烧结矿质量的影响。

基本烧结技术

烧结技术基本上是铁矿石粉的团聚过程，它依靠热量将较小颗粒的表面熔化在一起形成较大的团块。典型的烧结厂由多个连续的操作单元组成，烧结机位于工厂的核心。简化的流程顺序如下。

原料包括铁矿粉、焦粉、石灰石、白云石、锰矿、石灰、石英岩、沙子等熔渣改性剂，以及磨皮、筛分、粉尘、污泥、转炉渣等废料。 . 被分批并传送到混合系统。原料在添加烧结回料和水后在旋转的混合筒中混合，以实现a过程的生料。混合过程通常被称为“球化”。球化生坯进料被装入烧结机的铸坯中，在一定尺寸的炉床层顶部形成“烧结床”。该床通过点火炉（罩）以引发反应。烟罩中的燃烧器点燃以焦粉形式装入的生料中的碳。该反应通过碳与排气扇通过烧结床吸入的空气之间的化学反应进行传播。烧结矿垂直烧穿，而床层水平向排放端移动。烧结材料通过热烧结破碎机排放到烧结冷却器上，在该冷却器中，环境空气从下方吹过粉碎的烧结热材料。冷却后的烧结矿被输送到破碎筛分段，在此进行分级，最后输送到高炉库房或烧结矿库。

通常使用的烧结机是用于大型烧结厂的直线机和用于小型烧结厂的环形机。废气在排放到大气中之前，通常在旋风分离器和静电分离器中进行净化。

除了所有其他要求外，带条式烧结机的现代烧结厂的设计还应满足原材料制备和处理以及产品尺寸和处理的要求，以及合理复杂的控制和仪表。

烧结原料混合物的优越的均匀性和高渗透性是实现烧结矿的高生产率和质量以及减少能源消耗的决定性因素。

冷却后，烧结产品在破碎和筛分段进行筛分。在那里，冷却后的烧结材料被缩小尺寸以用于三种不同的应用，即 (i) 将细粉返回烧结工艺，(ii) 炉床层，以及 (iii) 用于高炉炉料。颗粒细小的颗粒再循环回烧结工序，中颗粒一般作为炉床层保护托盘车，大颗粒输送到高炉。

烧结机本身仍然是烧结技术的核心，具有主要部件（图 1），即（i）球团车，（ii）烧结机驱动装置，（iii）收线机构，（iv）点火炉， (v) 防撞甲板和热烧结破碎机。下文概述了烧结机这些部件的设计要求和工程方法。

图1烧结机主要部件  

托盘车

托盘车在生料的烧结过程中沿机器线和风箱上方（存在负系统压力的地方）输送生料。烧结带由若干个球团车组成，由于其运动性，可以看作是一条不连贯的无端链条。因此，托盘车会受到以下压力的影响。

• 由于铸坯烧结（上）侧的高温以及铸坯返回侧（下）发生的汽车冷却，会导致循环热变化。
• 承受来自生料/烧结矿质量的循环静载荷。
• 承受由驱动链轮以及托盘车相互施加的力所产生的循环动态负载。

尽管链式烧结机及其部件材料的开发已经进行了一个多世纪，但事实仍然是，上述苛刻的任务导致最合适的材料（球状石墨、片状石墨和白口铸铁等）在有限的循环次数内。因此，许多烧结厂通常根据平均使用寿命为 10 年，每年不到 330 天来制定球团车的更换计划。

托盘车部件的材料和形状的选择进一步取决于以下要求，即（i）通过篦条的最小压降，（ii）篦条的最大耐磨性，（iii）最大延展性和耐磨性颊板在生料和烧结材料相对滑动运动方面的影响，以及 (iv) 由非熟练人员快速更换磨损或无法使用的部件。

烧结机驱动

未连接的托盘车由驱动链轮沿着机器框架的顶部链推动，驱动链轮在公共轴上装有收缩盘。链轮通常配备可更换的齿段，由特殊钢精密铸造而成。齿对短轴组件的内轮施加滚动作用，其中四个连接到每个托盘车上。短轴组件的外轮用于在托盘返回点（即驱动站和卸料站）引导托盘，而内轮在托盘沿钢绞线推动时承载静态和动态负载。

出于热和可维护性的原因，烧结机的驱动装置通常不放置在机的出料端。可用的原动机选择是 (i) 电动机械，带变速驱动，或 (ii) 电动液压，带可变排量泵或马达。可以使用双驱动器或单驱动器。选择驱动器和驱动装置的主要原因是（i）通过使用轴装行星齿轮箱减少悬臂负载，（ii）速度范围，以及（iii）可维护性。

收线机制

设置了收紧机构，用于补偿移动的托盘车和框架之间的差异热膨胀以及烧结机的导轨和风箱，同时保持足够的压力以避免托盘主体面分离。收紧机构通常通过配重/滑轮系统或液压系统自动实现。液压系统的好处是 (i) 可以保持最小压力，以减少托盘体表面之间的摩擦磨损，以及 (ii) 使用双作用气缸有助于更换单个托盘组件（打开钢绞线） （或气缸）。

出于正当的技术原因，机器制造商通常会为大型机器的绞线提供位于绞线卸料端的收线机构。但对于较小的机器，在冷驱动端提供收线机构更为可行。在任何一种情况下，相应的机构都应设计为移动单元，或者安装在轮/轨装置上，或者悬挂在轮轨装置上。需要一个精确的导向机构，使驱动站可以对准钢绞线的中心线。

点火炉

烧结机中的点火炉可以描述为内衬耐火材料的钢箱，其中布置了两个或多个水平相对的燃烧器。任何一种燃料，如气体燃料（焦炉煤气、高炉煤气、混合气或天然气等）、液体燃料或固体燃料（煤粉）都可以用作热源。垂直可操作的门将点火炉的表面关闭到生料进料的顶部，以最大限度地减少热量损失。点火炉的目的是通过点燃生料中焦粉的碳来点燃上层。

为满足上述要求，点火炉应具备以下特点。

• 燃烧器的火焰应以低速运行，以免干扰生料床。
• 扁平的火焰有利于生料的快速均匀点火。
• 适当的供应对于控制向燃烧器供应冷却空气以达到所需的火焰温度至关重要。
• 应有足够的燃烧器控制装置，易于操作。
• 所有熔炉控制装置都应具备故障保护功能。
• 引燃火焰应可靠，例如如果燃烧器使用低热值和/或波动热值的气体（如高炉煤气或混合气体）运行，则引燃火焰应使用液化石油气 (LPG)。

碰撞甲板和热烧结破碎机

防撞板用于引导热烧结材料从托盘车中排出，进入热烧结破碎机，有时也称为“手指破碎机”。由于防撞甲板受到严重的冲击和磨损，因此它的衬里很厚。在某些机器中，防撞板衬有陶瓷立方体。这些衬里的使用寿命与每年计划的工厂维护期相匹配。在较小容量的烧结机的情况下，防撞板的衬里通常使用耐磨板，甚至使用通常认为足够的耐磨材料的铸板。

热烧结破碎机将烧结饼块减小到小于 150 毫米的尺寸，为冷却和二次破碎做准备。由于烧结饼在离开铸坯时保持在 850 摄氏度左右的温度，因此热烧结破碎机在非常恶劣的环境中运行。因此，热烧结破碎机的设计就是要照顾这种恶劣的环境。这个问题需要注意以下设计特点，例如 (i) 可更换的指/指轮，(ii) 屏蔽轴承，(iii) 水冷轴（在较大的烧结机上），以及 (iv) 整个轴的快速更换组件，包括手指、轴承和轴承护罩。这就要求有便于拆卸防尘罩的设施，以及易于断开破碎机驱动装置的设施。

具有热回收替代方案的烧结冷却技术

烧结机冷却机往往成为烧结矿生产的瓶颈，技术落后导致生产效率低，运维成本高。通常环形冷却器用于烧结矿冷却。在一些烧结机中也使用直线冷却器。

环形冷却器的设计现在主要由刚性环形框架结构组成，以实现轻松且可持续的材料定心。冷却器装料溜槽的先进设计确保了烧结矿更均匀地分布在烧结矿冷却器上，使直径较大的碎片靠近底部，而直径较小的碎片则留在顶部。这提高了冷却性能，降低了风扇功耗，并​​防止损坏相关设备。冷却器在移动的冷却槽和风道系统之间有特殊的橡胶密封圈，可以更有效地利用冷却空气。

为进一步提高烧结厂的能源效率，在烧结冷却机处安装了多种不同类型的热回收系统，其中废气的显热用于产生电能或工艺蒸汽。通常采用三种可能的热回收替代方案。这些是 (i) 点火炉的燃烧空气预热和新点燃的烧结矿的后加热，(ii) 选择性废气再循环系统，提供焦炭和二氧化碳（二氧化碳）保护，以及 (iii) 废热用于蒸汽和/或发电的回收装置。

在设计烧结厂时测试的作用

通常，设计烧结厂时的测试有三个目标。目标包括（i）根据现有的类似烧结厂确认某些预先选择的工艺参数，（ii）根据烧结厂的拟议生产能力评估选定的参数，以及（iii）获得特定的设计信息到拟建的烧结厂。

改变参数，例如焦粉添加百分比以及较小程度的水添加百分比，通常用于达到一组操作参数的优化点。如果选择的条件集充分接近目标，则通过“烧结矿粉比”（产生的细粉重量/返回生料的细粉重量）来判断优化，要求尽可能接近 1（烧结矿如果比率在 0.95 和 1.05 之间，则认为是好的）。

如果水和焦粉的变化未能达到烧结细粉比例，则只能通过改变向生料混合物输入的烧结细粉以设定床层深度和压降（吸力）来进一步优化。

以下工艺参数通常最初是为直线机器确定的，并设置为指定的预选值以进行测试。

• 吸入压力 - 1200 至 1400 毫米水位计 (WG)
• 床高 - 400 至 450 毫米
• 点火时间 - 1.5 - 2.0 分钟
• 点火温度 - 约 1000 摄氏度
• 炉膛层 - 30 至 50 毫米
• 返还细粉 – 占烧结矿产量的 25 % 至 30 %

通常根据拟建烧结厂的预计运行要求选择测试替代方案。一些建议的替代方案是 (i) 基本情况仅由矿粉组成，不添加粉尘或污泥，(ii) 在矿粉中添加一定百分比的粉尘和污泥，但不进行球化，以及 (iii)添加到矿粉中但这次在与矿粉混合之前预先球化的粉尘和污泥的百分比。

加水的作用

将水添加到烧结混合物中的原因有很多，其中最重要的原因是在球化过程中细粉尘团聚到较大颗粒上的传播。这与球化时间一起在控制烧结混合物的渗透性以及因此控制烧结饼的渗透性中起关键作用。然而，它也影响烧结饼的质量（冷强度）和生产率、产量和烧结细粉比。因此，在烧结过程中必须控制水分。通常，当加水率高时，烧结期间需要更高的能量，而当加水率低于所需时，则不会发生适当的球化。因此，需要通过测试来优化加水率。由于这个原因，控制最佳加水量对于稳定运行至关重要，并且需要在设计期间对此进行充分的准备。然而，加水量是一个在全厂调试过程中可以很容易进一步优化的参数。

可乐粉添加

烧结反应是通过熔炼矿粉的单个颗粒的表面层并将它们熔合在一起来进行的。可用于该反应的热量（能量）由添加到烧结混合物中的焦炭粉中的碳与通过床吸入的空气中的氧气之间的反应控制。这两个参数之间的相互作用是复杂的，并且在给定一组固定工艺参数的情况下，在确定工艺产出（即生产率、良率、烧结矿粉比和烧结矿质量）方面起着重要作用。

值得注意的是，不同的工艺参数（压降、产量、生产率、点火温度和焦粉添加等）都不是完全相互独立的。然而，添加到生烧结料中的焦粉形式的碳量可能是最关键的控制，因为它决定了烧结过程中床的行为，并且也在一定程度上影响了冷却性能。

通常情况下，烧结混合物中的碳含量过多，床层熔化太远并开始关闭，从而阻止空气流过床层以获得固定的压降。这又导致烧结时间长和生产率低。相反，烧结混合物中的碳太少会妨碍充分烧结，并增加工艺中返回的细粉量，同时降低产量。测试是确定优化烧结工艺所需的最佳碳（焦粉）百分比的最佳方法。

在为工厂设计进行测试期间，根据特定生烧结混合物的最佳可用数据选择一组参数。添加到进料中的焦炭粉的量是不同的，烧结的有效性由该过程产生的细粉（减去 5 毫米部分）的量（基本上是未烧结的材料）来判断。根据进出粉的比例，调整焦粉的用量。

压降

如前所述，烧结反应的传播受系统中碳（焦粉）和空气的量控制，因为它为反应提供能量。然而，在烧结机中，控制通过床体的气流既困难又不切实际，因此控制的是压降而不是气流。通过烧结床吸入的空气量取决于床中烧结混合物在特定压降下的渗透性，因此由于渗透性的变化，它沿烧结带的长度变化。通过气体净化系统排气扇产生的吸力将整个系统的压降保持在预定水平。可以在线控制单个吸油盒，但不是必需的，除了点火罩下的吸油盒。点火发生在 180 -200 mm WG 左右，很大程度上与床层深度无关，但烧结压降与床层深度有关。

床深

实际上，对于任何给定的生产率，尽管改变床的宽度、长度或深度，但其影响略有不同，但有多种烧结厂配置可能。更深的床层的主要影响是由于表面积和所生产的烧结矿体积之间的关系。随着床层深度的增加，体积与面积的比值增加，因此预计未烧结的表面细粒会减少。这通常会影响成品率和烧结矿比例，但不一定会影响生产率。

通常，只要调整了压降，生产率就不会受到影响，因为在固定的垂直烧结速度（通过床的燃烧速度，也称为火焰前锋速度）下，不同的床深度需要成比例的时间。但由于烧穿点随烧结时间的变化而变化，可能会影响烧结线的水平速度。

通常可以看出，烧结混合物在床层越深的情况下表现得越好。在保持所需的生产能力的同时，更深床层的烧结细料比和线速度更容易接受。更深床的另一个好处是焦粉消耗量大幅下降。还普遍认为，随着床层高度的增加，通过床层所需的压降存在一定的灵活性。

点火时间

生烧结料的点火是通过燃烧器点燃的，可能有任何燃料来源。只要顶层中的焦粉被充分点燃以使反应进一步通过床层传播，则点燃时间不被认为是关键参数。根据矿源的不同，点火时间可能在 0.5 到 2.0 分钟之间变化，但通常认为 1.5 分钟的点火时间就足够了。

点火温度

与点火时间相反，点火温度通常被认为是关键的。点火过程中的温度控制着顶层的数量，因此也控制着最终产品的产量。此外，它还会影响最终产品的质量（强度）、产品良率和生产率。此外，经常观察到来自过高点火温度的热冲击会导致在通常发生气流短路的烧结床上形成裂纹。在这些裂纹附近区域，烧结不完全被认为是导致产量低、生产率低和烧结矿质量差的主要原因。

但是，需要注意的是，点火温度和点火所需的能量是不同的，不能相互混淆。此外，理想情况下，这两个参数可以单独控制，这在烧结厂通常是困难的。

炉膛层

炉缸层基本上有一个非关键的功能，就是防止饼块烧结到炉缸上对托盘车和栅条造成损坏。已经看到，一些由特定低品位铁矿石制成的烧结混合物甚至不需要炉床层。通常预计炉床层厚度和尺寸分布对烧结饼渗透性的影响非常轻微，但对于所有实际目的来说它们仍然是微不足道的。然而，在烧结厂操作过程中存在一种担忧，即循环炉床层的供应连续性可能存在困难。有时没有足够数量的正确尺寸范围可用于供应炉床层。在这种情况下，有必要控制烧结过程下游的烧结矿破碎。

烧结产量

烧结过程的产率通常表示为与进入该过程的原材料的量相比产生的烧结物的量。根据计算的电池限制（绞线末端或最终产品），计算结果可能会有所不同。钢绞线末端产量仅表示由于 LOI（点火损失）和吸入废气系统的粉尘造成的损失，而最终产品产量还考虑了细粉部分（小于 5 毫米）的产生。根据对输入材料的分析，通常预期的 LOI 为 20% 左右，端部烧结产量为 80%。

生产率

生产速度或生产指标已成为判断烧结厂产能的标准，通常以每小时每平方米活动炉床面积生产的烧结矿质量来表示。在某些地方，它表示为每平方米活动炉床面积每 24 小时生产的烧结矿质量。然而，关于活动炉床面积的定义以及电池限制（与最终产品相比的线端）可能存在一些混淆。因此，将这些术语定义如下是实用的。

• 对生产的烧结矿质量的电池限制是在最终产品筛选之后，因此它不包括那些被回收到生烧结料进料中的细粉，并忽略了被认为是连续再循环负载的炉床层分数。
• 活动炉床面积定义为从点火罩入口开始到烧穿点可用于烧结的总面积。需要理解的是，如果一种特定类型的矿石在同一条链上比另一种矿石燃烧得更快，这并不意味着生产率更高。需要调整绞线速度，将烧穿点推到绞线末端，以增加绞线的有效面积。这反过来又提高了生产率。

烧结细粉比例

烧结细料比是决定烧结过程性能的参数。因此，合理的说法是，理想的目标是比率为 1，此时产生的细粉量等于返回生料的量，并且过程处于平衡状态。在烧结过程中，烧结细粉比一般允许在0.95-1.05之间变化，需要缓冲储存。