1、鑲嵌式燒結工藝鑲嵌式燒結工藝武漢科技大學教育部鋼鐵冶金與資源利用重點實驗室武漢科技大學教育部鋼鐵冶金與資源利用重點實驗室畢學工教授畢學工教授21 鑲嵌式燒結工藝的提出背景 世界鋼產量大幅增加，導致高品位赤鐵礦的耗盡和針鐵礦、褐鐵礦和含結晶水鐵礦石使用量的增加。例如在日本，粗顆粒的褐鐵礦類型的豆鐵礦（pisolitic ores）的比例已經增加了好幾倍。而且大量儲存的粉狀Marra Mamba針鐵礦（goethite ores）已經在澳大利亞被開發并出口到亞洲國家。這樣的趨勢未來會繼續。 3 鐵礦石的性能變化影響的不只是燒結的產、質量，還影響著礦石在高爐里的冶金特性，因此需要更一步地開發包括原料

2、預處理方法在內的燒結技術和燒結過程。為了做關于上述問題的更深入研究，2005年開始，ISIJ（日本鋼鐵協會）成立了“通過設計合成造粒床結構的新燒結工藝”的研究項目，這是日本鋼鐵公司和幾所大學的合作項目。New Sintering Process through Designing of Composite Granulation & Bed Structure4項目的主要目的：- 研究豆鐵礦和針鐵礦的特性，了解其在燒結過程中的行為。- 針對礦石的特性，進行有關原料混合、造粒、床層結構的最優化設計和燒結礦冶金性能的基礎研究。課題發明了一個新燒結過程的工藝原理，名叫鑲嵌式鐵礦石燒結工藝（M

3、EBIOS）Mosaic EmBedding Iron Ore Sintering Process5圖1 MEBIOS工藝流程圖 MEMIOS工藝的特點用馬拉曼巴礦制備的生球（燒成層）均勻地分布在誘導層中 6料層設計為兩個部分:（1）誘導層（induction bed），要有很好的透氣性，并為下層提供充足的熱量；（2）燒成層（aging bed），含大的料粒或壓塊，被來自誘導層的熱量燒結。在這種情況下，因為兩層的熱分布是不一樣的，所以可以根據使用鐵礦石的性能對各層的功能進行優化。因此，可以預期既提高燒結礦的產量，又改善燒結礦的質量。7成立了三個工作組成立了三個工作組工作組工作組1 1的成果（制

4、粒）：的成果（制粒）：原料原料的制粒過程對燒結的生產率和的制粒過程對燒結的生產率和生產的燒結礦的生產的燒結礦的冶金冶金性能影響很大。因此，性能影響很大。因此，提出并運用了提出并運用了各種提高制粒效果各種提高制粒效果的技術。比如用細顆粒的技術。比如用細顆粒Marra MambaMarra Mamba褐鐵礦粉制成褐鐵礦粉制成10mm15mm10mm15mm的小球用作的小球用作MEBIOSMEBIOS過程的下層過程的下層8圖圖2 MEBIOS工藝改善料層透氣性的原理，以及大球與氣流之間傳熱和氣體流動的示意圖工藝改善料層透氣性的原理，以及大球與氣流之間傳熱和氣體流動的示意圖9圖2顯示了采用MEBIOS

5、燒結改進透氣性的原理。粗顆粒的作用像一堵墻，這里的堆密度低于整個料層的堆密度。這樣就提高了料層的透氣性和燒結速度。粗顆粒可以是生球，但是它們要有干凈而硬的表面以及良好強度，以受得了從制粒到布料過程的輸送過程。當小球的尺寸在10mm15mm時（干球團密度為3.1 g/cm3），目標強度應達到200 kPa。球團的強度指數FN，用球團從0.5m高度落下破碎的次數表示。干濕球團的抗壓性分別為Std和Stw，單位kPa，用以下關系式計算： FN = 0.052 Stw(1) Std = f Stw(2)在這里，f是指干球團與濕球團的強度之比，赤鐵礦、馬馬拉曼巴和豆狀礦鐵礦的f值分別為0.180.32、

6、4.0、7.8。f值同時還和制粒物料中小顆粒（-10 m）的比例有關。馬馬拉曼巴和豆狀礦鐵礦的料粒通過干燥可能會提高抗壓強度。10Kawachi等人指出，在造球工藝中原料的合適水含量會隨著能懸浮在水中的微小顆粒（10m）的增加和添加分散劑而減小，這意味著，細顆粒作為懸浮液會滲入料粒中顆粒之間的縫隙中，在干燥過程中，將進一步形成固體鍵橋（圖3），而導致公式2中的強度比f的增大。圖3 微顆粒在制粒和干燥過程中的行為11工作組工作組2 2的成果（模擬）：的成果（模擬）：通過數值模擬來設計滲透作用和床身結構通過數值模擬來設計滲透作用和床身結構燒結過程數學模型的基本方程式：燒結過程數學模型的基本方程式：

7、 CGG(TG/t) = hs(Ts - TG)+ug CG(TG/Z) (3)(1 -) CsG(Ts/t) = hs(Ts - TG) + Rc(-H) (4)Rc = 4r2 nc kcCO2 (5)12方程組中與燒結料層結構有關的參數：方程組中與燒結料層結構有關的參數：- 料層的孔隙度，取決于料粒的粒度分布s- 傳熱面積，取決于料粒的直徑和形狀ug- 氣流速度，取決于料層的孔隙度kc- 焦炭顆粒的燃燒反應速度，取決于焦炭在料粒中的存在形式，即添加方式和制粒方式 因此，在MEBIOS燒結工藝中，采用了大顆粒的料粒，即燒成層，來改善燒結床的透氣性和熱效率。因此，優化燒成層的組成、形狀和大小

8、與排列方式是使MEBIOS過程的優點發揮到最大的關鍵問題。13圖 4 MEBIOS燒結床不同位置固體溫度的變化顯示了料層高度方向上溫度的均勻分布14圖5 通過DEM數值模擬獲得的燒結床顆粒分布的一系列快照空心虛線圓圈表示礦石被隔開區域，原圖中鐵礦石顆粒為灰白色DEM仿真顯示了MEBIOS燒結工藝能改善料層的透氣性和減小床層高度收縮的程度15工作組工作組3 3的成果（燒結反應）：的成果（燒結反應）：增加高爐配礦中燒結礦的比例和提高燒結礦的還原性，能夠有效降低高爐煉鐵的燃料消耗、CO2排放圖6顯示：原料顆粒中的孔洞（顆粒內部的外氣孔、內氣孔和顆粒之間的空隙），包括石灰石和結晶水分解形成的氣孔和顆粒

9、外部和內部的孔隙，主要會通過鐵酸鈣熔體的流動而重新排列。這是燒結時燒結料層中形成氣體流動通道的空隙網絡和氣孔的機理，它會影響燒結礦的強度和還原性等性質。 16圖6 燒結床結構變化示意圖17料層結構在燒結過程中的變化18MEMIOS工藝的特點用馬拉曼巴礦制備的生球（燒成層）均勻地分布在誘導層中因為主要關心的是燒結餅的透氣性和產量，作為固結塊的骨料，燒成層主要應發揮形成合適的合成料床結構的作用。因此，它既要牢固地與誘導床結合，但又不能完全吸收消化。這牽涉到液相的生成量和流動性問題。當鐵酸鈣熔體滲入鐵礦石顆粒或小球時，熔體中的CaO含量降低，其粘度有增大的傾向。因此，通過設計誘導層的化學成分和細顆粒

10、的數量來控制熔體的滲透深度。 19MEMIOS工藝的特點用馬拉曼巴礦制備的生球（燒成層）均勻地分布在誘導層中因為主要關心的是燒結餅的透氣性和產量，作為固結塊的骨料，燒成層主要應發揮形成合適的合成料床結構的作用。因此，它既要牢固地與誘導床結合，但又不能完全吸收消化。這牽涉到液相的生成量和流動性問題。當鐵酸鈣熔體滲入鐵礦石顆粒或小球時，熔體中的CaO含量降低，其粘度有增大的傾向。因此，通過設計誘導層的化學成分和細顆粒的數量來控制熔體的滲透深度。20Sato等人報道，有尺寸為6 cm3的大塊殘留而沒有在燒結時被吸收，它們可以起到骨架作用，對保持高透氣性有幫助，而尺寸為2 cm3小塊被完全吸收。因此，

11、需要找到一個條件，使得大料粒即燒成層，被保留下來并維持其強度直到裝入高爐為止。Otomo等人證實，當選擇適當的條件，例如焦炭含量和誘導層的原料化學成分，在燒結后這些大球能夠不發生明顯的形變而得到保留，如圖8所示。例子一誘導層的化學成分：CaO/Fe2O3：0.1CaO/SiO2：1.8焦粉配比：4%21圖8大顆粒周圍燒結礦橫截面結構的CTS X射線圖像22在這個項目中，動態地評價了MEBIOS燒結礦的還原性，發現恰當地在燒成層和誘導層之間形成氧化鈣的偏析會顯著改善生產出來的燒結礦的還原性，這種燒結礦是由高低堿度兩部分組成的復合物。Sugiyama對SFCA樣品進行還原性測試，發現SFCA-I（

12、高鐵低硅SFCA，一般認為其還原性良好）并不是一種很好還原的礦物，而圍繞它形成的微孔結構使它具有了高還原性（如圖10）。它表明控制孔隙結構，粒度分布和孔隙率對生產具有高還原性和好的礦物組成的燒結礦非常重要。23圖10 (a) SFCA-I和(b) SFCA和它們的還原樣品XRD圖像24燃料種類對燒結過程的影響按單位質量的發熱量排列，從大到小依次為重油、甲烷、焦炭。按單位氧消耗量的發熱量排列，軋鋼皮最大。從抽入料層中的空氣的角度，它是最有效的一種燃料。即使燒結原料中不含金屬鐵或低價鐵，燒結過程中也會發生低價鐵的氧化放熱加熱階段發生吸熱反應和冷卻階段發生放熱反應，可以被用于料層中溫度的分布使用含碳

13、物質和金屬鐵/低價鐵時的燒結料層孔隙度的變化很不相同，因為前者在燃燒完畢會消失，而后者的體積和重量卻會增加25圖7 使用模擬料粒和不同結塊劑（指焦炭和金屬鐵）的燒結餅的剖面圖26液相作為橋鍵存在于未熔化顆粒之間并形成聚團比較好，液相淌下來并形成大塊會影響料層的透氣性金屬鐵/低價鐵氧化后體積會增大，生成的液相因為FeO含量高而流動性太好，因此會形成第二種結構研究表明，使用金屬鐵/低價鐵時燒結產量會顯著下降 所以，不僅要控制液相的生產量，而且要通過控制成分來控制液相的流動性27通過改變焦炭的添加和制粒方式，優化焦炭在料粒中的分布，達到改善燃燒和傳熱、燒結反應（包括液相生成、礦物結晶等）的目的JFE

14、公司福山5號燒結機HPS球團燒結礦工藝流程的改造28圖1 HPS和新的涂層制粒生產線流程圖29外滾返礦提高料粒強度的技術住友金屬工業(株) 総合技術研究所首先進行了水分含量對料粒強度影響的實驗室試驗 礦石品種：A和B 低水分制粒方案：A和B混合制粒后加水 高水分制粒方案：A+B+水一起混合制粒 B+水混合后制粒，再加干燥A粒子tan是內摩擦系數C是附著力或內聚力是垂直應力料粒中的水分起到潤滑作用，使內摩擦力降低Ctan30圖1 RF-MEBIOS對燒結料層抗破壞能力的影響31又研究了水分含量對料層空隙度的影響礦石品種：C和D，粒度24mm E：粒度小于0.25mm方案1：C、D、E一起加水混合制粒方案2：C、D一起加水混合制粒后，外滾干燥的D以200mm的落差，裝入一個