大型工业磁化焙烧回转窑结圈研究及预防控制.pdf

有色金属 选矿部分2 0 1 3 年增刊 d o i 1 0 ．3 9 6 9 t j ．i s s n ．1 6 7 1 - 9 4 9 2 ．2 0 1 3 ．z 1 ．0 6 1 大型工业磁化焙烧回转窑结圈研究及预防控制 付向辉，毛拥军，薛生晖 长沙矿7 台研究院有限责任公司，长沙4 1 0 0 1 2 摘要以工业运行的科m 6 0m 磁化焙烧回转窑为基础，对菱 褐 铁矿磁化焙烧窑内结圈进行了分析研究。采 用周期性的调节火焰、变换工艺及设备运行参数等手段，通过在结圈区使用合适的耐火材料及砌筑方式，使形成的结圈物周 期性地脱落，脱落的结圈物通过窑口专门的分级和破碎装置进行处理。从而形成了一套完整的磁化焙烧结圈控制及处理方 法，提高了回转窑作业率，具有显著的经济效益。 关键词结圈；磁化焙烧；回转窑；菱铁矿；褐铁矿 中图分类号T F 0 3 3文献标志码A文章编号1 6 7 1 9 4 9 2 2 0 1 3 S 0 - 0 2 3 6 0 4 “低品位菱、褐铁矿回转窑磁化焙烧一磁选” 工艺技术和回转窑成套装置解决了贫铁矿磁化焙烧 工业应用的技术难题，为这些难选矿的利用找到了 一条技术可靠、经济可行的方法。目前，菱铁矿、 褐铁矿磁化还原焙烧技术和大型磁化焙烧回转窑成 套装置已经在全国范围内多地推广应用，取得了完 善的工业应用数据和经验[ 1 I 。 在磁化焙烧回转窑工业运行过程中，结圈是一 个突出的问题。由于结圈挡料，引起窑内工况变 化，造成工艺参数波动，工艺控制难度加大，容易 出现焙烧矿料指标不稳定等情况。另外由于结圈脱 落需减料生产，对回转窑产能造成一定的影响。当 结圈物无法自动脱落时，就必须停窑处理，导致回 转窑作业率下降。 因此，防止和减缓结圈现象，是磁化焙烧工艺 需解决的一个技术环节。工业实践中通过调节火 焰、调整工艺参数，以及通过对耐火材料的选择， 可以使形成的结圈物周期性地脱落；脱落的结圈物 通过窑口的分级和破碎装置进行处理，形成了一套 完整的磁化焙烧结圈控制及处理方法。这对促进磁 化焙烧成套技术和装备的应用和推广，具有十分积 极的意义。 甜m x 6 0m 磁化焙烧回转窑上进行。 试验原料为新疆某地铁矿石，其可供选矿回收 的铁矿物主要是菱铁矿和褐铁矿，金属硫化物以黄 铁矿为主，脉石矿物含量较高的有石英和白云母， 其它尚见方解石、绢云母、阳起石等零星分布。主 要矿物组成如表1 所示。 表1原料矿石组成 名称菱铁矿褐铁矿石英白云母方解石黄铁矿其它 1试验 1 ．2 检测与表征 1 ．1 试验对象及原料按照国家行业标准对试样进行化学成分分析， 以新疆及云南某地工业运行的磁化焙烧回转窑采用日本理学D ／m a x r AX 射线衍射仪 X R D 对 结圈物为研究对象。工业实践在新疆某地运行的产品的物相组成进行分析。 收稿日期2 0 1 3 1 0 2 5 撵著简介付向辉 1 9 7 7 一 ，男，河北新河人，博士研究生，工程师，主要从事回转窑还原焙烧技术及冶金工艺研究。 万方数据 2 0 1 3 年增刊付向辉等大型工业磁化焙烧回转窑结圈研究及预防控制 2 3 7 2 结圈物特性 2 ．1 结圈物的形成 新疆某公司贫铁矿磁化焙烧回转窑采用天然气 作为主燃料。一般开车7 ～1 0d 就在火焰前方有了 3 0 0 5 0 0m m 厚的结圈，当结圈厚度达到8 0 0 1 0 0 0 m m 时，如果不能自动脱落，则无法保持焙烧工艺 条件稳定，必须停窑处理结圈。 云南某公司贫铁矿磁化焙烧回转窑采用粉煤作 为燃料，结圈也是一个影响回转窑正常作业的重要 因素。一般开车5 ～1 0d 结圈厚度即有4 0 0 ～7 0 0 m m ，导致磁化焙烧工况恶化，造成焙烧矿指标不 稳定，影响了生产调试的进行。 2 ．2 结圉物化学组成 对工业现场采集的结圈物进行了化学分析，结 果如表3 所示。分析表明，不同位置的结圈物成分 略有差异。 表3窑内结圈物的主要化学成分 ／％ 2 ．3 结圈物物相组成 X R D 分析表明，结圈物的主要金属矿物成分 是磁铁矿；脉石矿物成分主要为铁橄榄石、玻璃 体、石英以及原矿残留体。结圈物组成矿物的结晶 程度较差，主要表现在x 射线衍射分析图谱的背 景值偏高、矿物衍射峰弥散。结果如图1 所示。 6 0 0 斟 爱 5 0 0 4 0 0 一 f 船么础。 ～k 础 FF ‰“ j 圳引l6 0 1 f I7 【 图1 结圈物的X R D 图谱 F 铁橄榄石；Q 一石英；M 一磁铁矿 3 影响回转窑结圈的因素分析 影响回转窑结圈的因素很多，叶匡吾[ 2 1 认为 产生回转窑结圈的宏观因素有用煤量大、煤挥发分 含量高、矿物发生碎裂和粉化、形成低熔点共融物 相等几个因素。范晓慧等[ 3 ] 认为结圈物的形成机 理是由物料粉末固相扩散粘附和液相黏附不断积累 形成的，其中以固相扩散黏附为主，液相黏附对固 相扩散黏附起促进作用。 本文以工业生产调试实践为基础，从焙烧温度 及温度场分布、焙烧气氛、耐火材料的影响等方面， 对磁化焙烧回转窑结圈的影响因素进行了分析。 3 ．1 焙烧温度及温度场分布对结圈的影响 固相反应的一个显著特点是其开始进行的温度 远远低于反应物的熔点或者它们的低共熔点[ 4 一。由 于回转窑磁化焙烧的原料为全粒级给料，内含部分 粒度较细的物料。这些细物料具有较大的表面自由 能，很容易克服周围质点的作用在晶体内部进行位 置的交换，并扩散到与之接触的邻近的其他晶体内 进行化学反应，导致了固相反应的发生。常见的固 相反应产物开始出现的温度如表4 所示。 表4窑内结圈物的主要化学成分 ／％ S i O z F e 2 0 ，F e 2 0 3 在S i 0 2 中的同溶体 S i 0 2 F e O2 F e O S i O 。 铁橄榄石 2 M g O S i O 2 M g O S i O z 镁橄榄石 M g O F e 2 0 3m g O F e z 0 3 铁酸镁 C a C 0 3 F e 2 0 3C a O F e 2 0 3 铁酸一钙 贫铁矿磁化焙烧回转窑工作温度为7 0 0 ～8 5 0 ％， 高于镁橄榄石、铁酸镁、铁酸一钙等固溶体的生成 温度。另外因燃烧器火焰会产生局部高温达到1 2 0 0 。C 以上，因此亦可以生成铁橄榄石。这说明在 磁化焙烧工作温度下就可以发生产生结圈物的反 应，因此结圈的形成不可避免。 实践表明，通过改进燃烧器结构、控制窑身二 次供风变化、采用窑头抛煤和窑尾配煤相结合等技 术，将窑内高温反应带拉长，延长了物料高温停留 反应时间，这样就可以在较低的焙烧温度下完成焙 烧过程，降低了生成结圈的温度推动因素，延缓结 圈的生成。 传统的回转窑供热为内热式，必然在燃烧器火 焰的局部产生高温带。而结圈也主要是在火焰前方 形成。因此，借鉴水泥回转窑的燃烧制度[ 引，通过 改变燃烧供风，调整火焰形状，结合定时移动燃烧 器位置，形成火焰高温点的规律性位移，使形成的 结圈物的不同部位产生温度的高低变化，从而在其 内部形成裂痕，达到一定程度后自动脱落。 9 “ 一舳∞帅 5 O 6 6 5 99 万方数据 2 3 8 有色金属 选矿部分 2 0 1 3 年增刊 3 ．2 焙烧气氛对结圈影响 褐铁矿、菱铁矿磁化焙烧的反应原理如下所示 3 F e 2 0 3 C 2 F e 3 0 4 C 0 3 F e z 0 3 C O 2 F e 3 0 4 C 0 2 2 F e C 0 3 F e 3 0 4 2 C 0 2 C O 为了保证上述还原反应的进行，采用窑尾配煤 与窑头抛煤相结合的技术手段，不仅能够保持窑内 的还原性气氛，而且可以确保焙烧温度带得到进一 步延长，又能够使煤及其挥发分直接参与还原，提 高了燃料的利用效率。 分析表明，菱褐铁矿磁化焙烧的结圈物的主要 成分为铁橄榄石。而铁橄榄石只有在F e 0 ，还原或分 解为F e ，0 。时才能发生[ 4 一。其生成反应如下式所示 F e 3 0 4 2 S i 0 2 2 C 0 3 2 F e O S i O z 2 C 0 2 因此，提高燃料消耗可以促进铁橄榄石的形 成。当燃料用量较大时，S i 0 2 和F e O 可以直接形 成铁橄榄石⋯。这与工业应用的结果吻合。实践中 当燃料用量偏大时，结圈生成速度增加，一般5 7 d 就会在窑内形成高4 0 0m m 左右的结圈物。说明 当提高燃料用量时，一方面是提高了生成结圈的反 应物浓度，推动反应速度的增加，另一方面提高燃 料用量也提高了窑内的局部焙烧温度，从而形成了 更多游离的F e O ，促使S i O 和F e O 直接反应生成 铁橄榄石。 因此，在保证基本磁化焙烧温度和窑内弱还原 气氛的前提下降低燃料用量，结圈的速度明显降 低，平均生成高4 0 0m m 的结圈的时间由7 ～1 0d 提高到1 5 ～2 0d ，效果显著。 3 ．3 耐火材料对结圈的影响 结圈不仅会恶化工艺条件，降低产量，还会增 加设备负荷。其中对窑衬耐火材料的破坏十分严 重。因回转窑结圈而导致耐火材料损坏引起的频繁 检修，是影响回转窑作业率的一个重要因素。有研 究㈨表明结圈对耐火材料会产生侵蚀，并在侵蚀 层上形成结圈。当采用人工清除结圈时，容易造成 耐火材料的损坏。 新疆某公司一期项目耐火材料采用低铝莫来石 耐火砖，采用顶杆法环形砌筑。当处理结圈物时， 因是环形砌筑，由于周期性停窑会引起耐火砖开 裂、剥落、断裂乃至掉砖问题，修复时必须用顶杆 进行复砌，检修周期长，强度大。严重影响了回转 窑作业率。 针对磁化焙烧回转窑工艺温度低，要求耐磨、 耐腐蚀、热振性能好等工艺特点，采用莫来石材料 和碳化硅材料组成的莫来石一碳化硅复合预制砖及 莫来石一碳化硅浇注料复合砌筑的方法，同时在高 温段采用不同配比的耐火材料，提高了耐火材料的 热稳定性，延缓结圈物对耐火材料的侵蚀和破坏作 用，减缓了结圈现象，取得了良好的应用效果。 对耐火材料的砌筑方式也进行了相应改进。在 回转窑轴向确定预制砖和浇注带的宽度并放线，将 复合预制砖由锚固件焊接固定在窑体上，两行砖之 间分层用轻质浇注料和耐磨浇注料填充，保证了耐 火材料砌筑的整体性、牢固性及保温陛。 砌筑过程中，为了防止窑体偏重，在砌完四行 预制砖后转动窑体，将其转到顶部再进行下四行的 砌筑。完成后，依次旋转砌筑。砌筑方法示意图如 图2 所示。 零。、㈠』，罗 、I ∥主、，、 o ∥』；＼o ，，I 必蚴函7 ’、‰≯7 7 1 V ⋯ 图2 耐火材料施工砌筑示意图 通过以上方法，缓解了耐火材料与物料的相互 作用，延缓了结圈现象。而且采用复合预制砖加耐 磨浇注料的砌筑方式加强了耐火材料的强度，处理 结圈时对耐火材料的损伤小，维修周期短。经新疆 二期项目实践，耐火材料的检修周期由原来的2 ～3 月延长至1 年以上，提高了回转窑作业率，具有显 著的经济效益。 4 工业处理方法及应用效果 4 ．1 处理方法 贫铁矿回转窑磁化焙烧结圈物主要成分的生成 温度低于磁化焙烧工作温度，因此结圈不可避免。 但是通过对燃烧器结构的改进，调整窑身二次供 风、采用窑头抛煤和窑尾配煤相结合、稳定焙烧气 氛等手段优化工艺参数，并选用热态强度高和抗热 震稳定性好的耐火材料，优化其砌筑方式的综合手 段，可以延缓结圈物的生成并使其周期脱落。 针对周期性脱落的结圈物，在回转窑排料口设 置了专门的分级和破碎装置处理大块物料，形成了 一套完整的磁化焙烧结圈物处理方法。经长时间的 实践表明，该处理方法成熟可靠，与磁化焙烧工艺 上下游工段配合良好，是一种可靠的处理脱落结圈 物的方法。 万方数据 2 0 1 3 年增刊付向辉等大型工业磁化焙烧回转窑结圈研究及预防控制 ‘2 3 9 4 ．2 应用效果 通过对结圈的成因分析及对结圈物的合理处 理，可以使结圈物自动周期性脱落，利用分级和破 碎装置处理大块物料，形成了对磁化焙烧回转窑结 圈物进行有效控制和处理的方法，确保了工艺指标 的稳定，解决了因结圈导致回转窑作业率低的问 题，实现了磁化焙烧回转窑的连续运转。 新疆某公司一期贫铁矿磁化焙烧项目2 0 0 9 年 1 0 月按照磁化焙烧工艺结圈处理方法进行了试生 产，运行周期4 6d ，没有因结圈问题停窑。期间 焙烧指标稳定，如表5 所示。 表5综合选矿指标 ／％ 嘉綦乏产率 品位㈣瞰鞭e 精矿 5 8 ．6 26 2 ．9 6 8 9 ．3 0 尾矿4 1 ．3 8 1 0 ．5 7 1 0 ．7 0 焙烧矿 1 0 0 ．0 4 5 ．4 6 1 0 0 ．0 原矿 一 4 0 ．0 0 一 二期项目调试期间平均运转周期为3 0 7 5d 。 磁化焙烧回转窑能够达到连续运转条件，不会因结 圈问题而停窑。因其他原因停窑检修时，并不需要 人工处理结圈。窑内附着的结圈物可在下一个运转 周期内可控的脱落，减少了检修时间，减轻了工人 劳动强度，提高了回转窑作业率，经济效益显著。 5 结论 贫铁矿磁化焙烧结圈物的主要金属矿物成分是 磁铁矿，脉石矿物成分主要为铁橄榄石、玻璃体、 石英以及原矿残留体，结圈物的形成机理主要是固 相固结，焙烧温度、焙烧温度场分布以及焙烧气氛 对结圈的形成均有重要影响，选用合适的耐火材料 可以降低物料与耐火材料的相互作用，从而减缓结 圈现象。 结圈物自动周期性脱落是磁化焙烧工艺减缓和 控制结圈的核心技术。脱落的结圈物通过窑口专门 的分级和破碎装置进行处理，是磁化焙烧工艺工业 处理结圈物的重要方法。通过研究和处理结圈问 题，回转窑磁化焙烧工艺可以实现连续生产，经济 效益显著。 参考文献 [ 1 ] 薛生晖，陈启平，毛拥军，等．低品位菱褐铁矿回转窑磁 化焙烧工业试验研究[ J ] ．矿冶工程，2 0 1 0 ，3 0 增刊 2 9 3 1 ． [ 2 ] 叶匡吾．回转窑结圈的防止和消除[ J ] ．烧结球团， 1 9 9 8 ，2 3 1 3 2 3 4 ． [ 3 ] 范晓慧，甘敏，袁礼顺，等．氧化球团链篦机一回转窑结 圈机理的研究[ J ] ．钢铁，2 0 0 8 ，4 3 3 1 5 2 0 ． [ 4 ] 龙红明，袁晓丽，刘自民，等．铁矿粉烧结原理与工艺 [ M ] ．北京冶金工业出版社，2 0 1 0 5 6 5 9 ． [ 5 ] 肖业俭．水泥回转窑结圈问题的初步探讨[ J ] ．冶金矿山 设计与建设，1 9 9 9 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