低品位块矿烧结工艺正交试验优化研究.pdf

低品位块矿烧结工艺正交试验优化研究 ① 易正明1，2， 陈 轩1，3， 杨 福1， 聂 礼4， 杜 东4， 张东升4 （1.武汉科技大学 钢铁冶金新工艺湖北省重点实验室，湖北 武汉 430081； 2.武汉科技大学 钢铁冶金与资源利用省部共建教育部重点实验室，湖北 武 汉 430081； 3.武汉科技大学 高温材料与炉衬技术国家地方联合工程研究中心，湖北 武汉 430081； 4.水城钢铁集团有限公司，贵州 六盘水 553000） 摘 要 为了合理利用低品位矿产资源，以褐铁矿、赫章块矿为研究对象，设计四因素三水平正交试验，分别使用褐铁矿、赫章块矿、 烧结矿作铺底料，研究了烧结碱度、MgO 含量、配碳量对烧结成品率、烧结矿转鼓强度与冶金性能等烧结指标的影响，并获得了优化 的烧结工艺参数。 验证试验结果表明，选取褐铁矿作烧结铺底料，最佳烧结工艺参数为烧结碱度 2.2、配碳量 6.0％、MgO 含量 1.9％，在此工艺下烧结成品率可以达到 72.80％，烧结矿转鼓指数 68.01％，低温还原粉化性 83.0％，还原性 85.08％；在烧结过程中能 有效脱除块矿所含结晶水、硫等有害杂质，提高块矿铁品位，冶金性能得到改善，有助于高炉顺行。 关键词 烧结杯试验； 褐铁矿； 正交设计； 低品位矿； 烧结； 铺底料 中图分类号 TF046文献标识码 Adoi10.3969／ j.issn.0253-6099.2019.03.018 文章编号 0253-6099（2019）03-0073-04 Optimization of Orthogonal Test for Low-grade Iron Ore Sintering Process YI Zheng-ming1，2， CHEN Xuan1，3， YANG Fu1， NIE Li4， DU Dong4， ZHANG Dong-sheng4 （1.Hubei Provincial Key Laboratory for New Processes of Ironmaking and Steelmaking， Wuhan University of Science and Technology， Wuhan 430081， Hubei， China； 2.Key Laboratory for Ferrous Metallurgy and Resources Utilization of Ministry of Education， Wuhan University of Science and Technology， Wuhan 430081， Hubei， China； 3.National-Provincial Joint Engineering Research Center of High Temperature Materials and Lining Technology， Wuhan University of Science and Technology， Wuhan 430081， Hubei， China； 4.Shuicheng Iron ＆ Steel Group Co Ltd， Liupanshui 553000， Guizhou， China） Abstract To make appropriate utilization of the low-grade ore resources， a four-factor and three-level orthogonal test was carried out for principally studying limonite and Hezhang ore. In the test， with limonite， Hezhang ore and sinter ore as bedding materials， the influences of sinter basicity， MgO content and carbon content on sinter yield， tumbler strength， metallurgical properties and other sintering indicators were investigated， and an optimal combination of sintering process parameters were obtained. In the verification test with limonite as the bedding material， sinter basicity of 2.2， as well as contents of carbon and magnesium respectively at 6.0％ and 1.9％， the sinter yield reached 72.80％， tumbler strength was 68.01％， low-temperature reduction disintegration index was 83.0％ and reduction index was 85.08％. In addition， the detrimental impurities such as crystalized water and sulphur were effectively removed in the sintering process， resulting in the iron grade increased and the metallurgic perance improved， which could facilitate the normal operation of blast furnace. Key words sinter pot test； limonite； orthogonal design； low-grade ore； sintering process； bedding material 随着钢铁行业竞争加剧，以及富矿资源逐渐减少， 合理开发利用储量丰富、价格低廉的低品位矿产资源 已经成为钢铁行业大幅降低烧结成本、解决资源危机 的有效途径[1]。 目前，国内外大多数烧结厂采用从成 品烧结矿中筛分 10～20 mm 粒级的烧结矿作铺底料， 然而这种方法会导致烧结成品率下降，烧结成本上升。 使用块矿替代烧结矿作为铺底料不仅具有保护台车篦 条、防止烧结粉料由台车篦条空隙抽走、提高风机寿命 等优点，同时可以避免使用成品烧结矿作铺底料所带 来的成品率下降、烧结成本升高等弊端[2-3]。 ①收稿日期 2018-12-23 基金项目 国家自然科学基金（51604199） 作者简介 易正明（1973-），男，湖北荆州人，教授，博士，主要研究方向为冶金过程数学模型及烧结工艺优化。 通讯作者 聂 礼（1975-），男，贵州六盘水人，高级工程师，主要研究方向为铁前技术工艺优化。 第 39 卷第 3 期 2019 年 06 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.39 №3 June 2019 万方数据 国内外对低品位块矿的应用做了大量研究[4-9]， 发现褐铁矿与赫章块矿是富含结晶水的低铁品位块 矿，具有粒度较粗、疏松多孔、同化速度快、堆比重小、 还原性好、熔化温度低等特征，在适宜的烧结工艺参数 下，低品位块矿可以得到良好的利用。 使用低品位块 矿生产烧结矿过程中，配碳量、烧结碱度和 MgO 含量 等工艺参数对烧结矿的最终性能具有较大影响[9-11]。 本文以低品位块矿为铺底料，采用四因素三水平的 L9（34）正交试验方法设计 9 组试验，利用极差分析法 与综合平衡法分析铺底料、配碳量、烧结碱度和 MgO 含量对烧结矿最终烧结性能的影响，并得出试验范围 内的最优组合方案。 1 试验原料与方法 1.1 试验原料 烧结试验所用原料均取自某烧结厂现场，原料化 学成分见表 1。 表 1 试验原料化学成分（质量分数） ／ ％ 原料名称TFeSiO2CaOMgOH2OIg 混匀料56.325.951.121.627.005.49 生石灰1.0481.008.00 白云石1.3832.5020.006.0044.00 石灰石1.2053.008.0042.00 焦煤粉0.508.501.000.309.0080.00 褐铁矿52.0212.553.747.205.7912.14 赫章块矿34.343.200.300.200.3233.29 1.2 试验方法 试验在尺寸为 Φ200 mm 550 mm 的烧结杯中进 行，分别使用相同粒度（10～20 mm）及质量（1.5 kg／ 次） 的褐铁矿、赫章块矿、烧结矿作铺底料进行烧结杯试 验，铺底料层厚度 30 mm，每次试验混合干料量 21 kg， 另外每次添加在相应铺底料条件下所产生的返矿 6.3 kg，加水混匀、制粒，且每次试验均在相同条件下 混匀制粒。 烧结杯试验主要操作参数为点火温度 1 150～1 200 ℃，点火负压 4 kPa，烧结抽风负压 10 kPa， 点火时间 2 min，烧结料层高度（包括铺底料）550 mm。 烧结结束后让烧结矿在烧结杯中自然冷却，然后取 出烧结饼进行烧结矿落下、转鼓试验，取粒度为 10 ～ 12.5 mm 的成品烧结矿 500 g，采用铁矿石还原性测 定方法（GB／ T 1324191）测定成品烧结矿 900 ℃还 原性，采用铁矿石低温还原试验静态还原后使用冷 转鼓方法（GB／ T 1324291）测定成品烧结矿 500 ℃ 低温还原粉化性能。 对于多因素多水平的试验研究，传统的控制变量 法不仅要花费大量的人力、物力，且要花费相当长的时 间，而正交试验设计是一种不影响试验效果的高效率 试验设计方法[12]。 结合该厂近年原料情况，共设计 9 组烧结试验，各次试验配料方案如表 2 所示。 表 2 烧结配料比 试验号 配碳量 混匀粉 生石灰 石灰石 白云石 碱度MgO铺底料 15.8078.005.507.600.901.801.70烧结矿 26.0078.005.508.101.802.001.90烧结矿 36.2078.005.509.002.702.202.10烧结矿 45.8078.005.508.102.702.002.10 赫章块矿 56.0078.005.509.000.902.201.70 赫章块矿 66.2078.005.507.601.801.801.90 赫章块矿 75.8078.005.509.001.802.201.90褐铁矿 86.0078.005.507.602.701.802.10褐铁矿 96.2078.005.508.100.902.001.70褐铁矿 试验选取铺底料、配碳量、烧结碱度、MgO 含量 4 个因素，每个因素设置 3 个水平，四因素三水平正交试 验方案见表 3。 表 3 正交试验因素-水平表 水平 因素 铺底料（A）配碳量（B） ／ ％碱度（C）MgO 含量（D） ／ ％ 1烧结矿5.81.81.7 2赫章块矿6.02.01.9 3褐铁矿6.22.22.1 2 试验结果与分析 2.1 正交试验结果分析 正交试验结果见表 4。 表 4 正交试验结果 试验 号 因素 ABCD 成品率 ／ ％ 转鼓指数 ／ ％ 低温还原 粉化性／ ％ 还原性 ／ ％ 1111154.7861.8775.080.33 2122262.4964.2179.682.68 3133350.9562.9378.981.74 4212368.3164.5378.981.04 5223167.7165.0778.581.41 6231264.2465.6079.482.70 7313271.5167.8381.284.01 8321367.3265.0176.883.38 9332165.3862.9379.482.67 2.1.1 各因素对成品率的影响分析 各因素水平下，烧结成品率的均值大小与极差分 析结果见表 5。 47矿 冶 工 程第 39 卷 万方数据 表 5 各因素对成品率的影响分析 成品率ABCD 均值 156.0764.8762.1162.62 均值 266.7565.8465.3966.08 均值 368.0760.1963.3962.19 极差12.005.653.283.89 优化方案A3B2C2D2 从表 5 可知，铺底料种类对烧结矿成品率影响最 大，各因素对成品率的影响排序为铺底料＞配碳量＞ MgO 含量＞碱度。 对各因素不同水平均值进行对比， 得出各因素对成品率最佳因素水平组合为 A3B2C2D2， 即褐铁矿作烧结铺底料，配碳量 6.0％，碱度 2.0，MgO 含量 1.9％。 2.1.2 各因素对转鼓指数的影响分析 各因素水平下，烧结矿转鼓指数的均值大小与极 差分析结果见表 6。 从表 6 可知，铺底料种类对烧结 矿的转鼓指数影响最大，各因素对转鼓指数的影响排 序为铺底料＞MgO 含量＞碱度＞配碳量。 各因素对转 鼓指数最佳因素水平组合为 A3B2C3D2，即使用褐铁矿 作烧结铺底料，配碳量为 6.0％，碱度为 2.2，MgO 含量 为 1.9％时，所得烧结矿转鼓指数较好。 表 6 各因素对转鼓指数的影响分析 转鼓指数ABCD 均值 163.0064.7464.1663.29 均值 265.0764.7663.8965.88 均值 365.2663.8265.2864.16 极差2.680.941.392.59 优化方案A3B2C3D2 2.1.3 各因素对低温还原粉化性的影响分析 各因素水平下烧结矿低温还原粉化性的均值及其 极差分析结果见表 7。 由表 7 可知，碱度对低温还原 粉化性的影响最大，配碳量对烧结矿低温还原粉化性 影响最小，各因素对低温还原粉化性的影响排序为碱 度＞MgO 含量＞铺底料＞配碳量。 各因素对低温还原粉 化性最佳因素水平组合为 A3B3C3D2，即使用褐铁矿作 铺底料，配碳量 6.2％，碱度 2.2，MgO 含量 1.9％时，成 品烧结矿具有较好的低温还原粉化性。 表 7 各因素对低温还原粉化性的影响分析 低温还原粉化性ABCD 均值 177.8378.3777.0777.63 均值 278.9378.3079.3080.07 均值 379.1379.2379.5378.20 极差1.300.932.462.44 优化方案A3B3C3D2 2.1.4 各因素对还原性的影响分析 各因素水平下烧结矿还原性的均值大小及极差分 析结果见表 8。 从表 8 可知，铺底料种类对烧结矿的 还原性影响最大，各因素对还原性的影响排序为铺底 料＞MgO 含量＞配碳量＞碱度，各因素对还原性最佳因 素水平组合为 A3B2C3D2，即褐铁矿作烧结铺底料，配 碳量 6.0％，碱度 2.2，MgO 含量 1.9％。 表 8 各因素对还原性的影响分析 还原性ABCD 均值 181.5881.7982.1481.47 均值 281.7282.4982.1383.13 均值 383.3582.3782.3982.05 极差1.770.700.261.66 优化方案A3B2C3D2 2.1.5 正交试验结果分析 根据表 5～8，利用综合平衡法，综合分析各因素对 烧结指标的影响如下 1） 铺底料对于烧结矿成品率、转鼓指数、低温还 原粉化性、还原性，铺底料都是取 A3最好，即选择褐铁 矿作烧结铺底料最佳。 2） 配碳量对烧结矿成品率、转鼓指数、还原性， 配碳量取 B2最好；而取 B3时低温还原粉化性最好，但 从表 7 看出，配碳量的极差最小，对烧结矿低温还原粉 化性影响最小，综合考虑，配碳量取 B2，即配碳量为 6.0％最佳。 3） 碱度对于转鼓指数、低温还原粉化性、还原 性，碱度取 C3最好，而烧结矿成品率取 C2时最好，但 从表 5 看出，碱度极差最小，对成品率影响最小。 综合 分析，碱度取 C3，即碱度为 2.2 时最佳。 4） MgO 含量对于烧结矿成品率、转鼓指数、低温 还原粉化性、还原性，MgO 含量都是取 D2最好，即 MgO 含量为 1.9％时最佳。 综合以上分析，试验最佳因素水平组合为铺底料 为褐铁矿，配碳量 6.0％，碱度 2.2，MgO 含量 1.9％，此 时烧结成品率与烧结矿性能最优。 2.2 烧结杯验证试验结果分析 正交试验结果分析得出最佳试验组合为烧结铺底 料使用褐铁矿、配碳量 6.0％、烧结碱度 2.2、MgO 含量 1.9％。 由于上述所选取的 9 组试验不包含最佳试验 组合，因此需补充试验验证上述分析结果。 以上分析 结果显示因素铺底料及 MgO 含量在各指标中最佳值 不变，因此在补充的验证试验中控制这两种因素不变， 改变其他两个因素，设定 3 组试验，试验方案及结果如 表 9 所示。 由表 9 可知，试验 1 烧结矿的整体性能指 57第 3 期易正明等 低品位块矿烧结工艺正交试验优化研究 万方数据 标最好，试验 2 相对于试验 1 改变了配碳量，配碳量的 提高导致烧结过程中还原气氛增强，赤铁矿含量减少， FeO 含量增多，成品率、转鼓指数和还原性有所下降， 低温还原粉化性改变不明显，其中对成品率的影响最 大；试验 3 相对于试验 1 降低了碱度，意味着生石灰、 石灰石粉配加量减少，混合料制粒性与透气性降低，烧 结时间增加，有利于烧结过程中烧结矿的结晶，提高烧 结成品率，但生石灰、石灰石粉配加量减少不利于铁酸 钙的生成，从而降低了烧结矿的转鼓指数，同时，降低 碱度导致烧结矿中 Al2O3含量上升，降低了烧结矿的 低温还原粉化性和还原性。 表 9 烧结杯验证试验结果 试验 号 因素 ABCD 成品率 ／ ％ 转鼓指数 ／ ％ 低温还原 粉化性／ ％ 还原性 ／ ％ 1323272.8068.0183.085.08 2333268.3066.7882.884.51 3322273.0166.5082.784.33 表 10 给出了验证试验 1 烧结前后两种块矿的化 学成分。 由表 10 可知，烧结后两种块矿的铁品位均有 所提高，且两种块矿中的结晶水被脱除，有害杂质 P、S 均有所降低，但两种块矿的烧损比较大。 表 10 验证试验 1 产品化学成分（质量分数） ／ ％ 产品名称TFeFeOPSH2OIg 褐铁矿52.021.050.0440.095.7912.14 赫章块矿34.3441.830.0250.400.3233.29 焙烧后褐铁矿57.910.780.0240.06 焙烧后赫章块矿50.700.520.0120.34 表 11 给出了验证试验 1 烧结后两种块矿的常温 性能和冶金性能。 可见两种块矿烧结后均具有良好的 低温还原粉化性与还原性。 表 11 验证试验 1 两种块矿焙烧后常温性能与冶金性能 名称 转鼓 指数 ／ ％ 低温还原 粉化性 ／ ％ 还原 性 ／ ％ 软化开始 温度 ／ ℃ 软化终了 温度 ／ ℃ 软化 区间 ／ ℃ 熔滴 温度 ／ ℃ 褐铁矿65.0883.474.51 0431 1951521 503 赫章块矿 63.2487.268.01 0781 2081301 480 由表 10～11 可知，烧结过程中两种块矿所含结晶 水被完全脱除，有害杂质含量降低，铁品位提高，且两 种块矿的转鼓强度与冶金性能均得到改善。 烧结后两 种块矿软化区间较窄，有利于降低软熔层厚度，改善熔 滴带透气性，提高煤气利用率，有助于高炉顺行。 3 结 论 1） 通过极差分析表明在烧结铺底料、配碳量、碱 度、MgO 含量等主要影响参数因素中，铺底料对烧结矿 性能的影响最为明显，MgO 含量、碱度和配碳量次之。 2） 正交试验得到了使用低品位块矿替代烧结矿作 铺底料的优化工艺参数为铺底料使用褐铁矿、配碳量 6.0％、碱度 2.2、MgO 含量 1.9％。 经验证试验结果分析 可知，在最佳组合条件下烧结成品率可以达到 72.80％， 烧结矿转鼓指数 68.01％、低温还原粉化性 83.0％、还原 性 85.08％。 3） 使用褐铁矿替代烧结矿作铺底料在适宜的烧 结工艺参数下可以提高烧结成品率，获得质量更佳的 烧结矿，同时烧结过程中块矿所含结晶水、硫等有害杂 质被有效脱除，块矿铁品位得到提高，冶金性能得到改 善，有利于高炉顺行。 参考文献 [1] 马建明，吴初国. 对我国低品位铁矿资源开发利用的思考[J]. 国 土资源情报， 2008（2）27-28. [2] 刘晓军，康学军. 块矿作烧结铺底料技术及其应用[J]. 烧结球 团， 2014，39（5）18-19. [3] 张小龙. 烧结使用块矿铺底料的生产实践[J]. 钢铁研究， 2013， 41（1）41-43. [4] 洪益成. 褐铁矿烧结基础性能的研究[J]. 钢铁研究学报， 2010， 22（9）9-12. [5] 付菊英，姜 涛，朱德庆. 烧结球团学[M]. 长沙中南大学出版 社， 1995. [6] 肖志新，薛正良，胡正刚，等. 合理使用低品位矿粉的烧结试验研 究[J]. 钢铁研究， 2014，42（4）1-5. [7] Zhang F， Zhu D Q， Pan J. Sintering Perance of Blends Contai- ning High Proportion of Limonite[M]. Springer International Publish- ing， 2017. [8] Kou J， Sun T C， Li Y L， et al. Studies on the Effects of Particle Size in Direct Reduction Roasting of Limonite Ores[J]. Advanced Materi- als Research， 2012，402546-551. [9] Chen J A， Liu J. Direct Reduction Experiment on Low-Grade Limo- nite at Jiang Xi[J]. Advanced Materials Research， 2013（5）1029- 1032. [10] 武 强，朱子宗，曾见华，等. 低品位复杂矿烧结碱度优化试验[J]. 钢铁， 2016，51（1）8-12. [11] Xiao Z， Chen L， Yang Y， et al. Effect of Coarse-grain and Low- grade Iron Ores on Sinter Properties[J]. ISIJ International， 2017，57 （5）795-804. [12] 陈 魁. 试验设计与分析[M]. 北京清华大学出版社， 2005. 引用本文 易正明，陈 轩，杨 福，等. 低品位块矿烧结工艺正交试验 优化研究[J]. 矿冶工程， 2019，39（3）73-76. 67矿 冶 工 程第 39 卷 万方数据