钢铁企业烧结制粒工艺与设备优化进展及趋势

刘征建1，牛乐乐1，张建良1，王耀祖2，李思达1，单长冬1

(1. 北京科技大学冶金与生态工程学院， 北京 100083；2. 北京科技大学人工智能研究院， 北京 100083)

摘要：为明晰当前烧结制粒工艺的发展进展及未来发展的趋势，对钢铁企业烧结制粒工艺与设备进行了充分的总结与分析。烧结制粒性能直接影响着料层透气性以及准颗粒结构分布，是钢铁企业烧结工序中重要的环节，长期以来铁矿石烧结工序的热态性能受到较多关注，但制粒性能欠缺重视。近年来，随着理论和工艺的发展，烧结制粒受到钢铁企业越来越多的重视，随之针对制粒也采取了诸多工艺与设备的优化措施。首先阐述了烧结制粒优化的意义，进而总结了近些年来国内外钢铁企业在原料预处理、滚筒设备、生石灰消化以及混合料水分监测4个方面针对制粒做出的优化进展，并基于对烧结制粒的理解和新兴人工智能技术的认识展望了在可预见的未来钢铁企业烧结制粒优化的趋势。

关键词：烧结制粒；工艺设备优化；透气性；准颗粒；智能化趋势

文献标志码： A    文章编号： 0449-749X（2021）10-0028-08

Status quo and trend of technology and equipment optimization for sintering granulation in iron and steel enterprises

LIU Zheng-jian1,NIU Le-le1,ZHANG Jian-liang1,WANG Yao-zu2,LI Si-da1,SHAN Chang-dong1

(1. School of Metallurgical and Ecological Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China;2. Institute of Artificial Intelligence, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)

Abstract： In order to clarify the current development progress of the sintering granulation process and future development trends, the sintering granulation process and equipment of steel enterprises have been fully summarized and analyzed. Sintering granulation performance directly affects the air permeability of the materials layer and the distribution of quasi-particle structure and it is an important link in the sintering process of iron and steel enterprises. For a long time, the thermal performance of the iron ore sintering process has received more attention, while the granulation performance has not been paid much attention. In recent years, with the development of theory and technology, sintering granulation has received more and more attention from iron and steel enterprises and then many optimization measures of technology and equipment have been adopted for granulation. First, the significance of sintering granulation optimization was explained and then the optimization technologies made by domestic and foreign steel enterprises in the four aspects of raw material pretreatment, mixer equipment, quicklime digestion, and mixture moisture monitoring in recent years were summarized. The understanding of sintering granulation and the knowledge of emerging artificial intelligence technologies help to look forward to the trend of sintering granulation optimization in steel enterprises in the foreseeable future at the end.

Key words： sintering granulation; technology and equipment optimization; air permeability; quasi-particle; intelligent trend

烧结制粒狭义上指的是烧结物料在滚筒中混合成球的过程，然而在铁矿石烧结实际生产中，从原料场的原料运作开始，原燃料分布和颗粒行为就已经受到了工艺和设备的影响。长期以来，钢铁企业对于铁矿石烧结工艺，重视于台车点火后的热态行为以及最终的经济技术指标，乃至原燃料优化搭配原则也是基于化学成分和高温反应性能的优劣，而以物理反应作用为主的制粒过程，更多地只是在生产中出现黏料、生石灰消化明显不足等情况时受到关注。

制粒作为烧结流程中承前启后的关键工序，除了对料层透气性的影响之外，也对混合料中准颗粒的结构、空间分布特征有着重要影响，可以说既影响着前序的原燃料选择与搭配，又影响着后序的烧结效果和最终的产质量指标。在学术意义上，制粒是一个普适性的颗粒离散运动、碰撞聚集的概念，有着较多的工程理论研究，而对于钢铁企业铁矿石烧结来说，在颗粒理论的指导之下，制粒过程的优化与控制更多地需要结合原料特点、工艺与制粒设备。近些年来，钢铁企业对烧结制粒已经有了更多的认识，在工艺改进和设备投入方面也给予了制粒越来越多的重视，研究了一些新的制粒工艺理论和取得了制粒实践优化的进展，同时在制粒技术理论持续发展以及工业生产模式加快变革的当下，与烧结制粒密切相关的研究趋势也渐渐显露。

本文总结了钢铁企业近年来在实际生产中对烧结制粒采取的工艺及设备优化进展，并基于对当下的新兴技术理论的认识和对烧结制粒的新理解，展望了在可预见的未来烧结制粒优化的发展趋势。

1  烧结制粒优化的意义

烧结制粒优化的意义可以从两方面来说。在烧结领域的传统认知里，制粒与料层的透气性直接相关联，制粒性能往往通过混合料粒度组成、台车料层透气性、垂烧速度、负压等参数予以表征，良好的制粒性能能够有效改善混合料粒度组成，进而改善烧结料层的透气性，从而垂直烧结速度加快，烧结机利用系数也能得到有效的提高，尤其对于近年来厚料层烧结快速的发展趋势来说，以改善料层透气性为目的、具有针对性的制粒优化意义重大。

此外，基于近些年来对烧结原燃料热态反应行为的研究和不断加深的理解，优化制粒过程中准颗粒结构的优化也具有极为重要的意义。混合料制粒后准颗粒结构分布示意图如图1所示，在一个准颗粒中，熔剂、燃料、粘附铁矿粉颗粒、核颗粒都具有一定的空间位置和分布特征，而往往这个空间分布特征决定了布料后的热态反应行为，乃至影响烧结液相生成，进而影响产、质量指标。合理的准颗粒结构里，内核应为铁矿核颗粒，燃料颗粒、熔剂颗粒与铁矿黏附粉接触应该是相对均匀的，使得液相的生成、流动与冷凝也都优质且均匀。传统的认知里，以铁矿粉的热态性能评价指标指导优化热态反应行为虽然具有一定意义，但不能全面地表征制粒后颗粒的反应行为，颗粒可能因为接触条件和分布位置不佳而未发生矿化，这也是近年来钢铁企业普遍采取一些偏析布料技术的原因，因而通过制粒优化措施改善准颗粒结构特征也同样具有重要意义。

2  钢铁企业制粒优化进展

2.1  原料预处理工艺

原燃料性质直接影响着后序制粒性能，铁矿石烧结作为原燃料种类最为繁多、性质最为复杂的铁前工序，对于原燃料的控制与处理是制粒优化的第一步。

近年来，国内钢铁企业对外铁矿石依赖度超过了70%，大量外矿的使用本身就是一种有利于制粒的措施，典型富矿粉和铁精粉表面形貌如图2所示，进口富矿粉大多粒度偏粗，且微观形貌上主要呈现圆润状，有利于颗粒团聚形成准颗粒，而铁精粉普遍呈现棱角状，表面光滑难以聚附颗粒，在制粒性能和料层透气性较为不利。天钢联合特钢通过严格控制铁精粉使用比例不超过8%，主要使用进口富矿粉，帮助实现了超厚料层的良好透气性，当前中国大部分中东部钢铁企业大量使用进口富矿粉，其中PB矿、纽曼矿等典型进口粗粒度矿粉被普遍使用，作为烧结铁料的主矿种帮助改善烧结制粒性能。

对于位于西北内陆的钢铁企业，距离港口距离远，使用外矿运输成本过高，且中国如新疆、内蒙古等地的本地铁精矿资源丰富，因而精粉往往作为配矿的主矿种。然而铁精粉形貌棱角分明，粒度较细，不利于烧结制粒，因而针对高比例铁精粉的使用，钢铁企业开发了一些预处理工艺改善制粒和料层的透气性。早在20世纪80年代末，日本就开发了小球烧结法，并于1987年在福山钢铁公司进行了试投产，此方法大量使用铁精粉，降低了原料成本，并维持了较好的烧结矿强度。复合造块及钢泥预处理工艺流程如图3所示。国内中南大学基于小球烧结法进一步开发了复合造块的方法，流程如图3(a)所示，将部分细粒度难制粒的精粉预先造球，作为核颗粒加入到烧结混合料中，改善高比例精粉条件下的制粒性能，包钢使用此方法进行了工业生产并取得了良好的效果。攀西地区的钛精矿在制粒前添加黏结剂进行预处理也受到了一些企业的关注。

燃料和熔剂分别作为强疏水性和强吸水性物料，对制粒过程也有着一定的影响，已有大量研究表明，燃料配比和粒度增加会导致混合料粒度减小，而生石灰等熔剂能够充当制粒过程的黏结剂改善制粒，对于熔剂和燃料一般要求粒度小于3 mm部分所占比例应该高于80%。宝钢4号烧结机根据入厂的燃料粒度采用振动给料机粗破、筛分、细破的工艺，将小于3 mm的燃料输送进粉焦槽，保证了制粒性能和燃烧性能。首钢股份迁安钢铁公司的360 m2烧结机的烧结料层自2000年提高到800 mm后采用了四辊破碎机着重控制焦粉和无烟煤粒度，优化制粒性能。

此外，烧结作为吸收工业固废的主要工序，难处理固废物的预处理对改善制粒也较为重要。如图3(b)流程所示，天钢联合特钢将炼钢污泥在料场就与高炉返矿预先混合、筛分，使进入制粒工序的钢泥与高返混合料粒度小于5 mm，该预处理工艺使得出滚筒的混合料粒度组成明显改善。达钢集团烧结工序对污泥粉配加生石灰、小粒级返矿进行提前制粒，使得污泥粉中粒级大于3 mm部分所占比例从71.6%降到了68.12%，达到了污泥粉强化制粒的目的。

2.2  混合制粒滚筒优化

混合滚筒是烧结工序制粒的直接使用设备，通常使用两个衔接着的滚筒，一次混合为了混匀原燃料，二次混合为了原燃料制粒成球，滚筒的转速、倾角、内壁材质、长度、填充率等都影响着整个制粒过程。当前钢铁企业的滚筒优化调控主要分为滚筒内衬以及滚筒转动效率。

烧结制粒混合滚筒一般设有内衬板以达到更好的扬料作用，当下钢铁企业烧结混合滚筒普遍采用锥形逆流内衬，螺旋方向与筒体转动方向相反，以实现混合料良好的混匀、制粒效果，如图4所示。山东泰山钢铁公司在混合机中添加80 mm高、相邻螺旋距离700 mm的逆流螺旋后，物料在滚筒中的停留时间增加，混合料分散和制粒效果也得到了显著提升，大于3 mm的混合料所占比例从70%～75%增加到80%～85%，且球形混合料颗粒所占比例也从65%提高到80%左右，混合料粒径和形状特性均有改善。此外，针对滚筒制粒过程最常见的恶性问题-粘料，涟钢通过试验研究了现场最初使用的橡胶陶瓷衬板与小陶瓷衬板、高分子材料衬板等材质的差异，结果表明,高分子材料衬板黏附料量最少，不易发生卡料，对制粒性能最为有利。

另一方面，大量试验研究表明，随着滚筒转速和转动效率的提高，混合料粒径增大，分散均匀性也相应改善，料层透气性大幅提高，且随着速度增大，颗粒运动状态由平缓滑动逐渐变为强摩擦滚动，显著强化了制粒过程。另一方面，滚筒混合和强力混合中的颗粒生长示意图如图5所示，强力混合促进了准颗粒逐层长大，而传统混合主要还是依靠接触聚合。基于这一原理，强力混合机近年来开始被越来越多钢铁企业使用。日本新日铁将强力混合机投入到烧结制粒工序，混合效果显著改善，垂直烧结速度提高了12%。巴西Usiminas烧结厂、安赛乐米塔尔比利时根特厂烧结厂以及国内诸如宝钢二烧、本钢560 m2烧结机均采用了强力混合机，太钢也做了强力混合机试验，都取得了良好的使用效果，其中宝钢600 m2 4号烧结机为一次混合采用强力混合机，二、三段混合制粒仍然采用传统圆筒混合机，且二、三段混合时间保持在9 min。还有诸如台湾龙钢等企业，使用强力混合机配合多项强化制粒工艺，有效提高了含固废混合料的制粒性能。强力混合机在提高烧结料混合均匀度、料层透气性，提高精矿粉配加比例以及降低固体燃耗等方面有着一定的优势。

2.3  生石灰高效消化工艺

生石灰在制粒过程中，遇水消化生成Ca(OH)2胶体，有较强的湿容量、黏性和分散性，有利于黏附颗粒的聚集长大，对制粒过程和透气性的提高有着不可取代的作用。近年来，尽管富矿粉烧结的趋势在一定程度上掩盖了生石灰在制粒方面的独到作用，但仍有多数钢铁企业逐渐深刻认识了生石灰对制粒的作用，尤其在高比例精粉烧结时，生石灰制粒作用会被进一步放大。然而，生石灰在大量使用时面临的主要挑战就是消化问题，消化效果不佳不仅难以充分发挥生石灰的制粒功效，而且影响其矿化，产生劣质白点，恶化烧结矿强度。钢铁企业长期以来采用最多的工艺方法就是添加白灰消化器，虽然在一定程度上强化了消化反应的进行，但是普遍消化效果一般且面临除尘问题。

天钢联合特钢在开发1 000 mm超厚料层烧结时，确立使用生石灰为核心的理念，采用100%生石灰熔剂，相应地，采用近9%的高水分配合生石灰消化，并在一次混合滚筒配加高温热水促进生石灰消化，高活性度生石灰配合高效消化带的大量热量也提高了混合料料温，前后衔接的生石灰高效消化工艺理念促成了满足1 000 mm料层对透气性需求的制粒性能，其生石灰高效消化技术理念促成超厚料层烧结的流程如图6所示。

首钢股份迁安钢铁二烧360 m2烧结机使用20%以上的本地大石河粉、水厂粉等磁铁精粉烧结，随着料层的持续增加，使用高比例的生石灰，迁钢创新性地在一次混合和二次混合滚筒中间加装中间仓，如图7所示，中间仓分为3层蒸锅，安装有仓壁振动器，直角对称分布，一方面提高了制粒混匀效果，另一方面混合料从中间仓自上而下的下料过程极大程度地满足了生石灰完全消化的时间条件。

2.4  混合料水分监测与控制

水分是烧结工序中最重要的黏结剂及润滑剂，直接影响着烧结制粒效果，不同的配料结构、工艺参数对适宜水分有着不同的要求，诸多的研究已经给出了基于工艺条件预测适宜水分的模型，长期的烧结生产经验也能帮助判断混合料的适宜水分。对于烧结过程而言，水分偏高，混合料过湿且烧速过快，对烧结矿质量不利，而水分偏低则混合料团聚效果不佳，料层透气性恶化。因而制粒过程对混合料水分的精准检测与控制至关重要。

当前钢铁企业对制粒混合料水分的监测主要通过红外法、中子法和微波法。红外水分仪是烧结工序中使用较多的自动加水控制设备，基于水分对特定波长红外线的选择以及吸收特性设计，混合料内部的含水量高，则会吸收更多的红外线能量，红外线减少量与混合料含水量之间的拟合关系能够实现对混合料中水分的监测。宣钢对2台360 m2烧结机安装了6台红外水分仪，其制粒混合料水分监测误差保持在±0.3%以内，混合料水分稳定率也达到了90%以上。张钢基于红外水分仪搭建了混合料水分监测自动控制系统，促进了混合料水分的稳定和烧结生产的良性循环。微波监测方法的原理是利用液态水与固体混合料或者水蒸气之间介电常数的差异，用微波信号穿透混合料，分析微波信号穿过的混合料介质信息和微波强度的衰减得到水分含量，山东莱芜九羊集团使用微波监测法监测水分，烧结混合料水分实测值与在线分析值绝对平均误差仅为0.293，结果趋势基本一致。中子测量法则早在20世纪70年代就由首钢集团研制开发并应用在首钢烧结厂2号烧结上，标定精度达到了±0.2%，利用了快中子穿过混合料时由于水的慢化作用衰减程度判断混合料水分含量，近年来也有酒钢等企业继续使用基于中子监测方法的水分控制系统。

在水分得到精准监测的同时，形成综合的烧结制粒水分控制系统也至关重要，如图8所示，当前钢铁企业烧结工序对于水分自动调节控制系统一般依赖于前馈-反馈配合PID控制，利用水分监测传感器和控制器、调节阀等的耦合协同，实现混合料水分监测、反馈并实时调节系统功能，有效地实现混合料水分精准控制，保证了制粒性能。

3  结论与展望