水分对增强铁矿粉烧结制粒效果的影响研究

张志超

(天津工业职业学院， 天津300400)

0 前言

在铁矿粉烧结生产过程中， 各种含铁原料、熔剂和燃料按照一定的比例配制成混合料。 在配料的过程之后，为了将各种物料成分更加均匀，同时在烧结过程中增加可燃气氛的流动，需要对配成的混合料进行混合制粒处理。 制粒工序在混合机内进行，通过加入一定量的水分，使各种成分的物料均匀地混合成球。 混合工序分两次进行，一次混合加水占总加水量的80%～90%，润湿并混匀物料；二次混合加水仅占总加水量的10%～20%，主要是为了强化制粒[1]。 混合过程中通过添加适量的水，把粉状散料润湿成为球状散料， 使其具有一定的成球性能，以提高烧结过程的透气性和导热性。 通常以混合料中大于3 mm 颗粒所占的百分比作为衡量混合料制粒效果。 合理控制混合料水分，增强制粒效果，对提高烧结质量，提高烧结产能，降低烧结工序能耗，都起到重要作用。 因此优化水分控制已成为当前混合料制度重要的强化生产工艺。

1 混合料加水的制粒过程

混合料制粒过程中，细磨物料被水润湿，分两个阶段进行：首先吸着吸附水、薄膜水，然后吸着毛细水、重力水。 吸附水和薄膜水是靠电分子力形成的分子膜把颗粒紧密地粘在一起，它对提高制粒成球的强度具有决定意义。 毛细水是靠表面张力作用将粉料拢到一起， 毛细水的迁移速度决定于物料的制粒速度， 毛细水在制粒成球过程中起着主导作用。 重力水是在重力及压力差的作用下自由水发生移动而产生， 处于矿粒本身的吸附与吸附力作用影响之外。 重力水对矿粒具有浮力作用，不利于物料制粒。 在混合过程中要尽量形成3 mm 以上矿粉颗粒，需要合理控制混合料的水分，最大限度利用吸附水、薄膜水润湿矿粉颗粒，毛细水制粒成球。

2 影响水分控制的因素

烧结所用铁矿粉，燃料，熔剂的物理化学性质如亲水性，自身含水量，熔剂消化反应过程，以及混合过程加水位置和加水量等因素都会对混合料的制粒效果产生影响。

2.1 物料的亲水性

混合料的水分含量与物料的亲水性有关。 亲水性是指物料被水润湿的难易程度。 铁矿石内部结构不同亲水性不同。 铁矿石的亲水性依下列顺序递增：磁铁矿→赤铁矿→菱铁矿→褐铁矿[2]。 物料的亲水性强，有利于混合制粒造球。

2.2 物料自身含水量

原燃料自身含水量也影响混合料的制粒效果。生产中精矿水分通常在4%～10%范围内， 即在此范围内，水分处于基本的饱和状态，而水分大于或小于此范围都会影响混合料的制粒效果。 另外体积密度越小，内部空隙越大，越有利于水分子与物料之间结合。

2.3 消化过程

配料过程中熔剂需要加水消化。 作为配料过程的主要熔剂生石灰，也称白灰，需要加水消化，以促进反应进行。 生石灰遇水消化后，反应生成粒度极细的消石灰Ca(OH)2胶体颗粒。其表面能选择地吸收溶液中的Ca2+离子， 周围又聚集一群电性相反的OH-离子，两者构成了胶体颗粒的扩散层，使Ca(OH)2胶团持有大量的水，形成一定厚度的水化膜[3]。 由于这些广泛分散在混合料内强亲水性Ca(OH)2颗粒吸水能力远大于铁矿粉等物料，通过夺取矿粉颗粒表面水的方式，使矿粉颗粒向消石灰颗粒靠近。 含有Ca(OH)2小球的消石灰胶体颗粒表面积较大，因此可以吸附和持有大量的水分，而不失去物料的疏散性和透气性。

在消化过程中加水量的多少影响混合料的质量：加水量太小，生石灰不能完全消化；加水量过大，过量的水与Ca(OH)2形成悬浊溶液，使Ca(OH)2胶体作用减弱， 同时也限制了混合过程的加水量，不利于制粒。 此外生石灰消化过程放出的热量被过量的水吸收，使生石灰预热作用降低。

2.4 混合过程加水位置

混合过程中加水位置有一定要求。 一次混合要求沿着混合机长度方向，从进料端向混合机内均匀加水，并力求水压稳定。 在图1(a)中加水过程贯穿整个混合过程， 由此造成混合料水分不宜控制，尤其在混合筒出料端， 加水后水未能与物料充分混匀，影响制粒效果。 因此距出料端约三分之一处停止加水。 图1(b)为一次混合正确的加水方式。

图1 加水位置示意图

2.5 混合过程加水量

混合过程的加水量决定混合料水分。 含水量过少的混合料不能滚动成球，但水分过多也不利于制粒，也会影响混合效果。 所以要求在配料环节尤其是在熔剂消化过程中尽可能少加水，以便在混合过程能够更加合理充分的控制加水量。

根据生产现场测得加水量与混合料制粒效果的关系如图2 所示。 通常情况下，混合料中水分含量与制粒效果呈现先增加后减少的关系。 随着水分的增加，混合料中3 mm 以上粒度所占百分比增加，一般水分达到7.5%时，混合料中3 mm 以上粒度达到最大百分比。 当混合料水分进一步增加时，因球核组成被水分子破坏，3 mm 以上粒度所占百分比逐渐降低。

图2 加水量与混合料粒度组成关系

3 增强烧结制粒效果的工艺

在混合过程中喷洒适量水使混合料润湿，在水的表面张力作用下，细粒物料聚集成团。 随着混合机转动，水分子和物料分子不断结合成球，尺寸也在不断扩大， 最后成为具有一定粒度的球型混合料。 通过此机理，可从优化混合料水分控制方面采取措施提高混合制粒效果。

3.1 返矿润湿工艺

返矿作为不可缺少的原料， 对烧结过程起到重要作用。返矿是成品烧结矿的筛下物，由小颗粒的烧结矿和少部分未烧透的夹生料组成。 返矿粒度粗于使用的矿粉，且具有疏松多孔的结构，恰好可用作混合料制粒成球的核心。 生产中将混合过程中部分加水位置提前， 在返矿仓的下料口及混料皮带上加水管喷淋，充分利用水在返矿颗粒表面的张力，提前润湿返矿，提高球核吸附矿粉的能力。返矿润湿工艺不仅可以促进混合料制粒， 同时也对降低返矿扬尘起到一定作用。在相同工艺生产条件下，采用返矿润湿工艺后混合料粒度组成对比见表1 所示： 在相同水分的条件下， 采用返矿润湿工艺后混合料中颗粒度在3 mm 以上增加5.23%，1 mm 以下降低3.37%。

表1 在相同水分条件下采用返矿润湿工艺前后制粒效果 %

3.2 使用雾化喷头加水

混合过程加水普遍采用为悬挂式水管将水注入混合筒内，在水管上相隔一段距离钻孔作为出水点。 此种方式加水不均匀，接近处位置水量过多，而远离水管处水量过少而使制粒效果下降。 为解决这一问题，一些企业开始采用雾化喷头代替一般的出水管， 特别是在一次混合过程中使用雾化喷头，产生雾化水代替之前的柱状水，更易于控制加水量的同时， 也可使雾化水在混合机内与物料充分润湿。在相同工艺条件下，使用出水管和雾化喷头混合料制粒效果对比见表2 所示。

表2 改造雾化喷头前后混合料制粒效果 %

使用雾化喷头加水后，混合料水分基本稳定在7.5±0.2%范围内， 混合料3 mm 以上粒度百分比平均增加4.33%，有效提高烧结混合制粒效果。

3.3 热蒸汽提高料温

一次混合过程中加水量占总加水量的80%～90%， 二次混合主要针对加水润湿后的物料进行制粒造球。 以往为了保证制粒效果，二次混合过程也加入少量的水进一步提高矿粉颗粒成球的性能。 但混合料的含水量不宜控制， 尤其是在北方冬季，水分大多不能进入球体颗粒的内部，反而大多在颗粒之间形成重力水，破坏已有颗粒。 在二次混合过程中通入热蒸汽， 使水以蒸汽的形式作用于球体颗粒，形成毛细水把更多的矿粉颗粒牢固地结合在一起，同时也可以利用热蒸汽的温度烘干球体颗粒饱和过量的水分。 根据现场测量当蒸汽压力 0.1 MPa～0.2 MPa 时，可提高混合料温度 10 ℃～15 ℃，压力增至 0.3 MPa～0.4 MPa 时， 可提高混合料温度 15 ℃～20 ℃。 使用热蒸汽，使混合料水分更加稳定，同时提高料温，使其高于烧结露点温度，减少烧结过湿层 厚度，提高烧结料层的透气性。 在相同水分下，二次混合使用热蒸汽前后制粒效果见表 3 所示。

表3 二次混合通入蒸汽前后混合料制粒效果 %

在混合料相同的水分下， 使用热蒸汽后制粒效果好于未使用蒸汽， 混合料3 mm 以上粒度所占百分比提高7.28%，温度在65～70 ℃烧结效果最好。现场可通过利用烧结环冷余热等方式生产蒸汽，这样可实现蒸汽的自我供应，减少额外消耗成本。

4 结论

水分控制对混合料制粒起到重要作用。 烧结所用原燃料亲水性及自身含水量，熔剂消化过程，混合过程的加水位置以及加水量都会制粒效果产生影响。生产中通过润湿返矿，同时在混合过程中使用雾化喷头以及热蒸汽等工艺可有效提高制粒效果。