潘建磊 趙立偉 安志偉 劉玉龍 張潤芝

（承德建龍特殊鋼有限公司）

摘  要：為了優化燒結工序的熔劑結構，提高企業效益，對石灰石粉替代白灰進行了實驗研究。結果表明：不同石灰石粉配比下具有各自的適宜燃料比。利用石灰石粉替代白灰時，適當提高燃料比可以改善燒結礦的粒級組成和轉鼓強度，同時縮短燒結時間和維持一定的燒結負壓。對于過大的石灰石粉配比，單一的提高燃料比措施已不能夠保證燒結礦質量和燒結指標。綜合考慮燒結礦質量、燒結指標、燃料比和企業綜合效益等，在當前生產條件下，石灰石粉替代白灰的最佳比例為1.5%，燃料比為4.3%。

關鍵詞：燒結工序；石灰石粉；白灰；燃料比

承德建龍特殊鋼有限公司的燒結工序以當地的釩鈦磁鐵礦為主要礦石原料，為了保證混料時的制粒性和燒結過程的透氣性，一直利用白灰+白云石粉的熔劑結構進行配料。白灰為燒結生產中較好的熔劑，但由于使用石灰石粉的成本遠低于白灰，所以在面對原材料價格上漲、鋼材供大于求和鋼鐵企業利潤下降的現狀下，考慮使用石灰石粉替代白灰對于燒結工序降本增效具有很好的實際意義^[1]，目前已經有了一定研究^[2-4]。白灰和石灰石粉具有不同的基礎特性和燒結特性，對燒結過程會產生不同的影響，所以將白灰和石灰石粉合理搭配，尋求合適的熔劑結構，既能提高燒結礦質量，又能夠降低原料成本^[5,6]。但由于石灰石粉在高溫下需要吸熱分解，所以在石灰石粉加入后需要額外增加燃料比例。

在當前承德建龍燒結機生產條件下，本文旨在通過對石灰石粉替代白灰的燒結杯試驗研究，在綜合分析燒結礦質量、燒結指標、企業效益的基礎下確定合適的石灰石粉替代白灰比例和燃料比，為下一步的工業試驗提供參數指導。

1  試驗

1.1  試驗原料

本次試驗所使用的燒結原料均取自承德建龍原料場，其化學成分見表1。

表1 燒結原料的化學成分

Table.1  Chemical composition of sintering raw materials

1.2  試驗方案與方法

燒結正常生產時的熔劑結構為白灰+白云石粉。考慮到2做白灰窯生產白灰富余，對單白灰窯生產燒結用熔劑進行平衡，不足部分用石灰石粉補充。

表2為單白灰窯生產期間的白灰平衡，主要用作燒結和煉鋼的生產原料。在回轉窯單獨生產時，燒結所用的白灰配比達到了最低，為1.5%。在實際生產情況，熔劑結構為白灰3.3%+白云石粉6.0%、燃料4.3%。以此作為基準，在白灰1.5%+白云石粉6.0%+石灰石粉3.0%的熔劑結構條件下，石灰石粉按0.5%步調進行調整，最大為5.5%（即石灰石粉全部替代白灰），最小為1.5%，同時燃料按照每次增加0.1%步調進行調整，最終使得燒結礦轉鼓強度達到或優于基準水平。試驗過程中石灰石粉由低向高逐步提高配比，燃料按照上一次試驗合適的燃料配比進行調整。試驗方案見表3，其中鐵礦粉配比為金布巴粉、遠通釩鈦礦和天寶釩鈦礦的配比總和，白灰記為SA，白云石粉記為SB，石灰石粉記為SC。

表2 燒結所用白灰平衡

Table.2  Lime balance for sintering

表3 燒結杯試驗方案

Table.3  Sintering pot test scheme

燒結杯試驗開始時，先按表3配比進行人工稱料，然后將配好的混合料裝入筒式混料機中進行一次混合，時間為3 min。然后將混合料裝入二次混料機中進行制粒3 min，轉速為17 r/min，同時根據原料含水率加入適量水，控制混合料最終含水率約為7.4%。在布料前，在燒結杯底部加入10~25 mm粒級的燒結礦作為鋪底料，厚度約為40 mm，然后將制粒后的混合料裝入燒結杯（見圖1）中，料面與燒結杯杯口齊平，并在表層混合料中均勻摻入100 g燃料。之后啟動除塵風機、助燃風機、煤氣閥等設備，待助燃風壓力穩定后開始點火，點火負壓控制為8 KPa，點火時間為90 s。點火結束后，開始抽風燒結，控制燒結負壓在12 KPa，當燒結廢氣溫度開始下降時，燒結結束。待廢氣溫度低于250 ℃時，啟動破碎機，并提升燒結杯倒料。

燒結結束后根據國標GB/T 24531，利用轉鼓及搖擺篩等設備對燒結礦的粒級組成、轉鼓強度等質量指標進行檢測；燒結過程的燒結時間、廢氣溫度、燒結負壓等指標由計算機自動記錄并獲取。

圖1 燒結杯試驗平臺

Fig. 1  Sintering pot test platform

2  結果與討論

2.1  燒結礦粒級組成

不同石灰石粉和燃料配比條件下的燒結礦粒級組成見圖2。從方案1看，在石灰石粉配比1.5%條件下，在與基準料相同4.3%燃料配比時，粒級＞40 mm的燒結礦比例明顯上升，當燃料配比增加到4.4%時，粒級在16~40 mm的比例上升，粒級＞40 mm的比例下降。從整體看，在石灰石粉配比1.5%條件下，＞10 mm粒級的燒結礦比例一直維持在58%左右，對粒徑組成影響不大，燃料配比的影響程度較低。

從方案2看，在石灰石粉配比2.0%條件下，與基準料相比，在燃料配比為4.3%時，粒級＜10 mm的燒結礦比例明顯上升，粒級組成變差。隨著燃料配比的上升，粒級＞25 mm的比例上升，＜10 mm的比例下降，在燃料配比為4.4%時，粒級組成已優于基準料。

從方案3看，在石灰石粉配比2.5%條件下，隨著燃料配比的上升，10~40mm中間粒級的燒結礦占比上升，＞40 mm和＜10 mm粒級的比例下降。與基準料相比，在燃料配比為4.4%和4.5%時，＞10 mm粒級的燒結礦比例一直維持在58%左右，沒有太大影響。當燃料配比為4.6%時，粒級組成有了較為明顯的改善，＞10 mm粒級的燒結礦比例達到了63.60%。

從方案4看，在石灰石粉配比3.0%條件下，隨著燃料配比的上升，＞25 mm和＜5 mm粒級的比例上升，中間粒級的比例下降。與基準料相比，在燃料配比為4.4~4.6%時，粒級組成均變好，＞10 mm粒級的比例分別由基準料的57.98%上升到59.60%、59.92%和62.03%。

從方案5看，在石灰石粉全部替代白灰條件下，除了燃料配比為4.6%時，＞10 mm粒級的比例為58.26%，其余燃料配比條件下的粒級組成均比基準料要差，并且燃料配比為4.8%時粒級組成最差。所以5.5%的石灰石配比并不適宜，而且會使得燃料成本有較大的上升。

圖2 燒結礦的粒級組成變化

Fig. 2  Change of particle composition of sinter

2.2  燒結礦轉鼓指數

圖3為不同石灰石粉和燃料配比條件下的燒結礦的轉鼓強度測試結果。

圖3 燒結礦的轉鼓強度

Fig. 3  Drum strength of sinter

從圖3看，隨著石灰石粉配加量的增加，想要維持與基準料相同水平的轉鼓強度，配碳量需要增加。從方案1看，在不增加燃料配比時，轉鼓強度就已經優于基準料，說明在1.5%石灰石粉的配加比例下，相較全部使用白灰和白云石粉作為熔劑，燒結礦具有更好的強度。這主要是由于石灰石粉在高溫分解后產生的CaO活性要高于白灰中的CaO活性，使得在燒結過程中更容易生成鐵酸鈣等液相^[4,7]，在較低的石灰石粉優化配比條件下，不需要提高燃料比即可實現提高燒結礦強度的效果。

隨著石灰石粉配比達到2.0%時，在基準料相同燃料配比條件下，轉鼓強度開始下降。在增加燃料配比后，轉鼓強度明顯上升，在燃料比為4.4%時，轉鼓強度達到最值為56.40%。當石灰石粉配比為2.5%和3.0%時，轉鼓強度的變化趨勢與石灰石粉配比為1.5%時的相同，都隨著燃料配比的增加而提高，并且較高的燃料配比下的轉鼓強度要由于基準料。當利用石灰石粉全部替代白灰時，在燃料比為4.6%時轉鼓強度達到最值為53.60%，之后隨著燃料配比的增加，轉鼓強度維持在與基準料相同的水平。這主要是燃料配比達到4.7%和4.8%時，由于燃料配比過量，燒結礦出現了大孔薄壁結構，使得燒結礦強度下降。所以在利用石灰石粉替代白灰時，在一定石灰石粉配加比例下，具有一個合理的燃料配加量，并非燃料比越高越好。

2.3  燒結指標

圖4為不同石灰石粉和燃料配比條件下的燒結指標變化情況。從終點溫度看，隨著石灰石粉和燃料配比的改變，終點溫度沒有呈現明顯的變化規律，在基準料終點溫度的±40 ℃范圍內變化。

從燒結負壓看，在添加石灰石粉后，燒結負壓基本上都大于基準料。當石灰石粉比例為1.5~2.5%時，在控制燃料配比條件下，仍然可以使得燒結負壓穩定與基準料相同的水平，但當石灰石粉比例達到3.0%以上時，燒結負壓明顯惡化，并且提高燃料配比并不能使得負壓達到基準料的水平。從混料制粒情況看，推測是由于白灰配加量的降低會導致混合料制粒效果差，使得燒結負壓升高^[8]。

從燒結時間看，在配入石灰石粉后，適當提高燃料比例可以降低燒結時間。在石灰石粉配比小于2.5%時，燒結時間與基準料相差不大。在相同燃料配比條件下，在石灰石粉配比為2.0%時，燒結時間甚至要短于基準料。當石灰石粉配比達到3.0%以上時，燒結時間明顯增加，并且燃料消耗也隨之增大，對燒結指標產生很大影響，此時石灰石粉的配比量明顯過大。

圖4 燒結指標變化

Fig. 4  Change of sintering index

2.4  最優參數確定

通過對燒結礦質量和燒結指標的研究分析，確定了在不同石灰石粉替代白灰比例下的適宜燃料比，如圖5所示。燒結配加1.5%石灰石粉時，合適的燃料配比為4.3%；配加2.0%石灰石粉時，合適的燃料配比為4.4%；配加2.5%石灰石粉時，合適的燃料配比為4.5%；配加3.0%石灰石粉時，合適的燃料配比為4.5%；全部配加石灰石粉（5.5%）時，合適的燃料比為4.6%。

圖5 不同石灰石粉配比下的合理燃料比

Fig. 5  Reasonable fuel ratio under different ratio of limestone powder

在合理的燃料比下，在考慮配加石灰石粉后，白灰窯產量降低對白灰成本影響以及燒結全配石灰石粉時高爐生產需增加0.5%返礦率的基礎上，對不同石灰石粉替代白灰比例下的公司效益進行了核算，結果見表4。從表4看，在石灰石粉配加比例為1.5%時，企業效益達到最高，為56.34萬元/月。隨著石灰石粉配比的繼續提高，綜合效益下降，甚至出現了負增長。所以綜合燒結礦質量、燒結指標、燃料配比和企業綜合效益等分析，在當前生產條件下，石灰石粉替代白灰的最佳比例為1.5%，燃料比為4.3%。

表4 不同石灰石粉配比下的企業效益

Table.4  Enterprise benefit under different limestone powder ratio

3  討論

圖6為石灰石礦物的X射線衍射結果，其中主要成分為CaCO₃（方解石）和Ca_3.24Mg_2.76CO₃（白云石）。CaCO₃分解反應為吸熱反應，，其熱化學反應方程式為：

在煅燒過程中，石灰石在高溫下分解，其晶體結構遭受破壞，離子鍵斷裂，產生的CaO活性相較于生石灰更高，這有利于鐵酸鈣的形成。然而，在添加石灰石進行燒結時，必須特別留意其分解后與水的隔離，因為游離的CaO遇水會迅速反應，體積膨脹一倍，可能導致燒結礦因內應力而破碎，進而影響燒結的透氣性和燒結礦的轉鼓強度。

圖6 石灰石X射線衍射結果

如圖6所示，當石灰石粉在白灰中的替代比例增加時，在恰當的燃料配比下，燒結礦的轉鼓強度呈現上升趨勢。燒結礦的礦相構成主要包括赤鐵礦、磁鐵礦、鐵酸鈣、鈣鈦礦、硅酸鹽、玻璃質，而其粘結相則主要由硅酸鹽、玻璃質和鐵酸鈣構成。這些粘結相通過自身的粘結特性以及磁鐵礦的連晶作用，共同確保了燒結礦的穩固性。值得注意的是，隨著燒結混合料中石灰石配比的增加，燒結礦中高強度的赤鐵礦和鐵酸鈣的含量也相應增加。

石灰石的分解反應速度受多種因素影響，如溫度、石灰石的顆粒大小以及氧化鈣生成的擴散等。一般而言，較小的石灰石顆粒更容易分解，且煅燒溫度越高，反應速度越快。此外，通風和保溫條件也對煅燒反應有重要影響。

再觀察圖4，隨著石灰石粉替代白灰的比例上升，燒結時間也相應延長。石灰石的顆粒大小對其燒結性能有顯著影響，因為粒徑直接關系到石灰石的分解時間。除了主要成分CaCO₃外，石灰石中還含有Mg、Al、Si等雜質元素，這些元素在同一塊石灰石中的分布并不均勻。熔劑中的SiO₂和Al₂O₃等雜質可能與熔劑中的有效成分CaO發生反應，降低熔劑的有效含量和活性度。當燒結料中強度較高的石灰石含量增加時，容易在燒結礦中形成活性CaO，進而在玻璃相中產生脆性點，降低燒結料的透氣性。

石灰石的煅燒分解是一個復雜的物理化學過程，涉及石灰石的結構、化學性質以及煅燒條件的控制等多個方面。理論上，石灰石在約700℃開始分解，920℃時分解劇烈。然而，在實際操作中，由于石灰石具有一定的塊度，其分解過程往往是從外到內逐漸進行的。當分解到一定程度時，表面會形成一層導熱性能較差的CaO層，這會影響石灰石中心的加熱和分解速度。同時，內層反應產生的CO₂氣體需要通過反應層向外擴散，因此石灰石的分解速度在很大程度上受到反應層CO₂氣體擴散速度和CaO層導熱性能的影響。這表明石灰石的粒度對其分解速度具有顯著影響，因此，在高爐中加入較大粒度的石灰石時，部分CaCO₃可能進入900℃以上的高溫區進行分解。具體的分解溫度取決于石灰石的類型和所需的產物純度。較純的石灰石通常需要更高的溫度才能達到較完全的分解。

最后，圖5展示了石灰石粉替代白灰比例上升時，燒結合理燃料比的升高趨勢。石灰石的主要成分為碳酸鈣（CaCO₃），其晶體結構由鈣離子（Ca²⁺）和碳酸根離子（CO3^2-）之間的離子鍵構成。在高溫下，石灰石中的鈣離子和碳酸根離子熱運動加劇，開始發生煅燒反應，分解為氧化鈣（CaO）和二氧化碳（CO₂）。由于碳酸鈣的分解是吸熱反應，相較于白灰，石灰石在燒結時需要消耗更多的熱量，因此其燒結時的燃料比會相應升高。

4  結論

（1）利用石灰石粉替代白灰時，適當提高燃料比可以改善燒結礦的粒級組成和轉鼓強度，同時降低燒結時間和維持一定的燒結負壓。對于過大的石灰石粉配比，單一的提高燃料比已不能夠保證燒結礦質量和燒結指標。

（2）不同石灰石粉配比下的適宜燃料比為：配加1.5%石灰石粉時，燃料比為4.3%；配加2.0%石灰石粉時，燃料比為4.4%；配加2.5%石灰石粉時，燃料比為4.5%；配加3.0%石灰石粉時，燃料比為4.5%；全部配加石灰石粉（5.5%）時，燃料比為4.6%。

（3）綜合燒結礦質量、燒結指標、燃料配比和企業綜合效益等分析，在當前生產條件下，石灰石粉替代白灰的最佳比例為1.5%，燃料比為4.3%。

參考文獻

[1]  李坤. 燒結使用石灰石代替生石灰研究[D].東北大學,2019.

[2]  張紅彪,王偉剛. 提高石灰石粉配比對燒結礦物質量的影響研究與應用[J].世界有色金屬, 2020(02): 273+275.

[3]  唐斌,田鵬,王明,等. 石灰石粉代替生石灰的燒結生產試驗[C]//.2017年低成本煉鐵技術研討會論文集.[出版者不詳],2017:235-238.

[4]  劉海軍. 生石灰及石灰石在高硅燒結生產中性價分析[C]//.2013年河北省煉鐵技術暨學術年會論文集.[出版者不詳],2013:137-140.

[5]  李榮玲,王亞利,黃曉東,等. 石灰石在燒結配料中適宜配比的試驗研究[C]//.2012年河北省煉鐵技術暨學術年會論文集.[出版者不詳],2012:41-44.

[6]  鐘健. 石灰石及生石灰對燒結的影響[C]//.2010年全國煉鐵新技術應用及節能減排研討會會議論文集.[出版者不詳],2010:84-85+90.

[7]  亢慶鋒,張建良,劉征建,等. 燒結熔劑活性度及高溫液相行為研究[J].鋼鐵研究,2017,45(04):8-12.

[8]  隋孝利,鐘闖,田巖松. 石灰石粉代替部分生石灰生產釩鈦燒結礦的研究與應用[J].河北冶金, 2018(01): 6-9.