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摘要 ：中国钢铁行业存在烧结矿质量低下的问题，因此提 高烧结矿质量对于钢铁行业发展起到重要作用。烧结生产的工 艺流程复杂，需要优化和调整的细节较多，如烧结负压、燃料配 比、料层高度等因素均对烧结矿的质量产生较大影响。为了进一 步提高烧结矿的质量和成品率， 本文展开了一系列相关研究。研 究结果表明，随着烧结负压的增加，烧结时间变快、废气温度降 低、烧结矿成品率、<10mm 粒级指标变差、烧结矿转鼓强度变 差。因此在实际生产中要合理控制烧结负压， 从而得到理想指标 的烧结矿，这对于改善烧结矿产质量和优化烧结工艺具有重要的指导作用。
关键词 ：烧结矿,烧结负压,烧结矿性能,烧结优化
随着经济社会的发展，我国对于钢铁的需求迅速增加，钢铁 的质量问题变得尤为重要， 烧结矿作为钢铁主要原材料， 如何提 高烧结矿的质量成为了核心问题。在烧结生产的过程中， 主要的 工艺参数为 ：料层高度、混合料水分、燃料配比、烧结负压，这 些参数对烧结矿的质量产生直接影响。印度金尔尔钢铁公司曾 在烧结料层上开展了烧结负压在 900mm ~ 1700mm 水柱范围内 的烧结杯试验。试验结果表明 ：在 1300mm 水柱负压下，烧结机 的利用系数达到最大。我国首钢、武钢和梅山等厂也曾对抽风机 转子进行了改造， 通过提高抽风负压， 实验也取得了不同程度的 效果。Xinying Ren 等利用转鼓指数的变化对烧结矿质量的影响 进行了研究， 利用机器学习相关算法预测了烧结转鼓强度， 通过 大量数据试验建立了有关转鼓指数的预测模型。张兰泉在《烧结 过程大风量高负压问题的探讨》中探讨了负压对烧结矿的厚度 以及生产率的影响，指出风机负压提高，适宜的料层厚度会随 之提高 ;料层的厚度增加生产率得到提高，但达到一定程度后 生产率则会有所降低。周江虹在《烧结过程风量合理分布实验研 究》中通过烧结杯模拟，改变烧结负压，在最优的方案下提高了 烧结成品率、利用系数以及垂直烧结速度。范兰涛等研究烧结负 压与烧结矿转鼓指数的关系， 通过散点图拟合趋势线方程， 得出 结论 ：烧结矿转鼓指数随着烧结负压的增大而提高。胡锐等人 发现，低负压点火技术可保持原始料层透气性，降低主抽电耗，改善烧结机料面点火效果， 提高表层烧结矿成品率， 且使烧结矿外观质量明显改善，入炉烧结矿粒级趋于均匀，取得可观效益。 李旺在研究研山铁精矿粉的粒度组成时，得出结论 ：烧结负压 升高，垂直烧结速度下降，不利于提高烧结生产率。庞锦琨在探 究烧结负压对烧结矿转鼓强度的规律时，发现垂直烧结速度与 负压成正相关，当烧结负压不大于 9.0kpa 时，烧结负压的升高有 助于烧结矿转鼓强度的增加。蒋大军采用高负压大风烧结的方 式进行试验，根据烧结气体力学基本理论得出烧结产量与电耗 的公式，实践表明，利用系数与负压呈直线上升关系，电耗呈下 降的趋势。刘京在烧结机上进行低负压点火烧结试验， 实验指出 低负压点火有利于提高烧结产量、减少电耗。
以往的学者和工厂在提高烧结矿质量的问题上取得了成果， 奠定了烧结矿研究的基石， 推动了钢铁行业的发展。本文在上述 理论基础上，在固定配比的烧结料层上进行烧杯负压的烧结杯 试验，更加全面地检测分析不同负压制度下烧结时间、烧损、烧 结矿转鼓强度、烧结矿成品率、最高废气温度、烧结矿颗粒成分 等指标的变化。本文研究有利于提高烧结矿的质量， 从而增加相 关企业的效益， 促进我国社会工业化向前发展。
1 烧结实验设计
1.1烧结实验的作用
烧结技术是中国目前最大的铁矿石制块法，在中国的钢材 产量中占据重要地位。中国大部分的炉料是高碱性烧结矿石， 占 比约 76%， 同时加有24% 的酸性球团石和天然块矿。通过对原料 配比、质量优化及矿相结构的分析，发现碱性对矿物组成、经济 技术指标及冶金性质具有重要的作用。
从20 年代~ 60 年代以来，中国烧结厂的平均碱性总体上呈 现上升的态势 ：解放前中国刚进入炼铁产业，铁产量低，质量 差，焦比高，钢厂采用天然碱性烧结法和天然块矿法进行熔炼 ; 1960年代~ 1970年代， 随着中国的炼钢厂技术水平的不断提高， 采用了一种单炉自熔烧结矿，其冶炼技术与解放前有了提高 ; 上世纪 70 年代以后，中国大规模采用高碱性烧结法冶炼钢铁， 由于天然优质块石的数量不断减少，需要提高技术水平，因此，高碱度烧结法得到快速发展，中国的高炉炉料发展到今天的高碱性烧结矿和酸块矿石。中国多数钢厂在实际产品中， 碱性较高 的烧结石的碱性值在 1.80 ~ 2.10 左右，因此一些钢厂的碱性高 于2.10 的烧结石，通常被视为极碱性的烧结石。随着碳达峰进程 的加快，各钢铁公司对节能、环保的需求不断提高，而烧结法在 工业生产中所产生的大量固体废物，往往造成烧成能力的短缺。 与烧结工艺比较，球磨工艺在节能环保、粒度、性能等方面具有 较大的优越性， 对技术和经济效益产生直接影响。
1.2 烧结实验的设计思路
烧结矿是高炉冶炼的主要入炉原料，往往占入炉料的 70% 以上， 烧结矿的质量对高炉的稳定产生影响。烧结矿质量稳定是 高炉冶炼过程中影响高炉顺行的因素之一，对高炉炼铁中炉料 的还原以及炉料结构的合理配置都有重要的影响，还直接影响 到铁水的产量与质量。本文基于控制烧结负压对烧结生产和烧 结矿质量的影响，通过烧结杯试验研究不同负压制度下烧结矿 质量变化情况。
本文实验针对经济型配矿方案的制定。实验控制点火温度均 为 1100℃，控制料层高度均为750mm，控制一混时间均为6分钟， 控制二混时间均为3min。所用实验方案共有 13种相关的原料，这 些成分依次为PB粉、巴西粉、混合粉、金步巴、铁精粉、自铁、石 灰石、高返、除尘灰、钢渣、菱镁石粉、白灰、焦粉。以该配矿方 案作为实验的基础，以烧结负压作为主要变量参数，将生料水分 限定在 8%，从而展开烧结时间、烧结矿粒度组成、最高废气温度、 转鼓指数、成品率方面的实验和研究。
2 烧结实验分析
2.1 烧结实验主要工艺指标分析
烧结生产是一个复杂的物理化学过程，影响因素有 80 多种。 本章利用第一章阐述的配矿方案进行烧结实验，通过控制烧结 过程中的烧结负压，记录实验数据并进行数据预处理以及分析， 最终得出负压与烧结时间、最高废气温度、烧结矿粒度组成与转 鼓指数指标之间的关系。通过散点图拟合出各指标随烧结负压 变化的趋势方程，表明烧结矿转鼓指数是随着烧结负压的增大 而提高。
2.1.1 烧结负压对烧结时间的影响
合理地控制烧结风量是提高烧结生产质量的重要措施，其 对烧结矿产量、质量与能耗指标造成较大影响。实际烧结过程风 量的合理优化能够影响垂直烧结速度和各烧结矿层的高温保持 时间， 对提高烧结矿的产量与质量指标有重要的现实意义。本节 以宁夏建龙特钢烧结原料结构为基础进行不同烧结负压下的烧结杯实验，通过采用控制不同负压的方式改变烧结过程的有效风量，研究负压对烧结矿产量、质量指标的影响，以期为烧结生 产建立合理的风量分配体系提供数据支撑。
通过设置 8组烧结杯烧结实验，得出了烧结时间随负压变化 的曲线。其趋势随着烧结负压的增大， 烧结时间呈现了减小的趋 势，在烧结负压减小的过程中其对烧结时间的影响也变得越来 越小。增加烧结负压，未利用的空气占比上升，导致烧结过程中 的气流有效利用程度低。在实际生产中， 减少烧结负压能够使气 流分布更加合理，燃烧条件更好，燃烧带下移速度加快，加速烧 结反应的进行。
2.1.2 烧结负压对最高废气温度的影响
烧结废气温度越高，烧结料的整体温度就越高。烧结高温区 的温度水平对烧结矿的机械强度影响很大 ：温度高生成的液相 多。可以提高烧结矿的强度 ;但温度过高又会产生过熔， 导致烧 结矿的还原性变差。调整烧结负压会直接影响最高废气温度， 下 述实验揭示了烧结负压对最高废气温度的影响。
因试验固定料层厚度为 750mm，随着负压风量的增加，空 气通过料层的速率会随之增加， 相应地造成热量流失， 最终导致 烧结时间变快、废气温度降低。当燃烧层至炉蓖时由于燃料己燃 烧完，且过剩空气大大增加，温度会受到烧结负压的影响而降 低。料层上下部温度不均匀的现象越大， 给烧结成品的质量造成 负面影响。因此，为保证燃烧层在上、下部具有适当而均匀的温 度水平， 使上部烧结矿层较慢冷却， 是烧结过程合理加热制度的 基本要求。实际生产中通过动态控制烧结负压， 结合废气温度的 反馈， 一定程度上能够改善烧结料层温度分布不均的问题。
2.2 烧结矿粒度组成分析
烧结矿的粒度组成是烧结矿质量的重要考察标准之一，也 是评价烧结矿成品率的决定性指标。
2.2.1 烧结负压和小于 5mm 烧结矿的粒度组成
烧结矿的粒度组成在实验和生产过程中也占据重要的地位， 因此对于粒度组成的实验和研究也至关重要。在本次实验中进 行了 8组与粒度组成相关的实验和分析。
随着烧结负压的增加，小于 5mm 的烧结矿粒度组成的占比 呈现增加的趋势。增加烧结负压等同增加了通过烧结料层上层 的风量， 从而增加了烧结料层上层的烧结速度， 使烧结矿表面液 相不够均匀， 料层透气性变差。动态降低烧结负压有利于完善上 层烧结矿结晶，从而提高烧结矿的成品率(即粒度大于 5mm 的 烧结矿占比)。
2.2.2 烧结负压和小于 10mm 烧结矿的粒度组成
小粒度烧结矿的形成原因烧结矿急速冷却的关系非常大，烧结过程中负压过大，即风量过大造成强度下降和返矿量增加，不利于提高烧结矿质量， 对高炉顺行也有很大影响。
随着烧结负压的增加， 小于 10mm 的烧结矿粒度组成的占比 也呈现了增加的趋势，烧结负压和粒度组成是正相关的线性关 系。提高烧结负压，烧结杯的气流利用率降低，相应的烧结机漏 风率较高，导致强度较差的表层烧结矿含量和内循环返矿增加。 合理控制烧结负压， 加强烧结机的密封板， 并利用尾部热量的优 势，能够有效减少小粒度烧结矿的产生。
2.3 烧结矿化学成分组成
在烧结矿的化学成分组成分析中对 14 种化学成分进行了 分析和研究。主要包含 了 TFe、FeO、CaO、MgO、SiO2、TiO2、 Al2O3、Cr、Ni、Cu、Mn、P、S 等成分。
随着烧结负压的提高，FeO 呈现了先上升再下降的趋势。而 TFe 铁品位会在 16KPa左右从平稳状态转为下降状态。显然TFe 下降对铁水的成本影响起到决定性作用，因此烧结负压控制在 16KPa 以内有利于直接降低铁水成本。合理控制 TFe 和 FeO 成 分有利于高炉中的还原过程，提高铁水的质量，降低铁水生产 的成本。
烧结矿的碱度在这个过程中呈现先快速上升再在 12KPa左 右趋于稳定的趋势。在高炉生产中，随着高炉入炉料碱度的提 高，炉渣黏度熔化性温度逐步提高， 从黏度看提高碱度后渣铁能 够顺利分离。而当高炉入炉料碱度超过 1.07 后开始降低，不利于 高炉顺行。烧结矿作为入炉料占比 70% 以上的重要原料，其碱 度对高炉的影响非常大。适当提高烧结负压有利于提高炉渣碱 度，使高炉生产更顺利。
2.4 烧结矿物理性能分析
烧结矿在物理性能方面主要包含转鼓指数，与此同时成品 率和烧损指标也是非常重要的两个衡量标准。因此本实验也将 烧结负压作为参数变量， 考察其对转鼓指数、成品率和烧损等指标的影响， 进行了重点的实验和研究。
烧结负压对烧结矿转鼓指数的影响 ：
由于烧结负压在一定程度上影响烧结矿的质量。烧结工艺 表明，增加透气性对烧结矿转鼓指数产生较大影响，尤其是负 压过大则会降低转鼓的强度，进而降低烧结矿的质量。因此研 究烧结负压至关重要，本节主要研究烧结负压与转鼓强度之间 的关系。
通过设置 8组烧结杯烧结实验，得出了烧结矿转鼓指数随负 压变化的曲线。其趋势是烧结矿转鼓指数随烧结负压的上升而下降， 呈现波动状态。主要原因是烧结料层的温度对烧结矿转鼓强度产生较大影响，同时烧结矿孔隙度也影响了烧结矿的转鼓 指数。在长时间的高温条件下， 由于孔隙度减小及玻璃相含量增 加，烧结矿将会形成致密化结构及生成熔体， 这将导致烧结矿强 度迅速得到提高。反之当负压增加时，烧结时间随之缩短，在缺乏长时间的高温条件下， 将导致强度不高。
生产过程的负压稳定在 14.7kPa ~ 15.5kPa，烧结矿的转鼓 指标最好，烧结矿的颜色、粒度、成品率等指标较好。既可以保 证烧结矿的质量，又可以保证烧结矿产量的稳定。烧结负压在 14.7kPa ~ 15.5kPa 的区间内，曲线的斜率最高，代表烧结负压和 转鼓指数处于平衡过渡的区间， 此时二者之间的关系最协调。
3 结论
(1) 烧结时间随着烧结负压的提高而减少，烧结负压越高， 燃烧层下降的速度就越快， 最终导致烧结时间变短。合理的烧结 负压能够控制燃烧层的移动速度， 使气流分布更均匀， 烧结环境更好。
(2) 最高废气温度会随着烧结负压的提高而下降，烧结负压 越高， 烧结料各层的温度差距就越大， 尤其是上层料会出现冷却过快的现象， 最终导致烧结矿质量下降。
(3) 小粒度的烧结矿占比随着烧结负压的提高而增加，烧结 负压越高， 导致上层烧结矿的烧结速度过快， 从而降低烧结矿质 量，小粒度的烧结矿占比升高。
(4) 烧结负压在 12kPa ~ 16KPa 的区间内时，TFe、FeO 和 烧结矿碱度均比其他负压区间好。良好的化学指标最终有助于 高炉顺行， 提高高炉产量并降低铁水成本。
(5) 烧结矿转鼓指数在负压为 14kPa ~ 16KPa 的区间内出现 大幅下降，表明该区间代表烧结负压和转鼓指数处于平衡过渡的区间， 此时二者之间的关系最协调。展望 ：本文探究了不同负压制度下不同工艺指标对烧结矿 质量的影响， 在实际生产中钢铁企业要综合考虑， 合理控制烧结 负压，得到较为理想的烧结矿指标，进而实现降本增效，达到可 持续发展的目标。
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