山钢日照烧结圆筒混合机粘料原因分析与改进

张丰皓，郑志强，张德千，穆固天，任建伟

（山东钢铁集团日照有限公司，山东 日照 276800）

1 前 言

现代炼铁技术虽有长足发展，但仍依附于高炉工艺，高碱度烧结矿因此仍为高炉炉料的主流，而通过混匀制粒制备出粒度合适、透气性良好的混合料是保障烧结矿产质量的关键[1］，圆筒混合机正是该工序的核心设备。但圆筒混合机筒壁恶性粘料问题直接影响混合料的混匀制粒效果，降低设备寿命，对烧结矿指标的稳定率和利用系数造成不利影响，严重制约烧结水平的提升。另外，因圆筒混合机粘料严重所引发的“落大块”问题导致的停机事故频发，人工清理粘料过程还存在极大的安全隐患。山东钢铁集团日照有限公司精品基地（以下简称山钢日照）现有2套500 m2烧结系统，配备规格为4台Φ5 m×23 m 的大型圆筒混合机。自投产以来，混合机筒壁积料严重，有黏结速度快、黏结厚度大的特点。为此，针对山钢日照烧结一次混合机恶性粘料现象，基于当下粘料现状，系统性分析筒壁粘料的成因，理清筒壁粘料的外在因素与内在机制，结合当下烧结配矿条件对混匀工序改进和设备改造，抑制圆筒粘料，保障烧结生产稳定。

2 山钢日照圆筒混合机粘料现状

山钢日照两套烧结系统为满足高炉用料需求主要生产高碱度烧结矿，但混合料中熔剂占比较大，加之原料水分而具备一定黏性，综合作用下引发圆筒混合机的恶性粘料[2］。而一混主要目的是加水充分润湿混匀混合料的水分、粒度及化学成分，使混合料水分达到二混造球不注或少注水的目的，混合机粘料问题因此主要集中于一混阶段。

2.1 进料端料环

烧结物料经由皮带机作用做类平抛运动，落至混合机筒壁，由于混匀料水分较大自身具备一定黏性，熔剂生石灰、白云石等在原始物料水分作用下存在类似于水泥的固化作用，混合料黏附性及亲水性得到增强，造成物料在圆筒内壁的落料点聚集，并在圆筒运转与物料不间断输入的共同作用下逐步板结压实，形成黏附于筒壁的料环如图1所示。料环增厚压缩进料口面积，易引发混匀料自进料端溢出的倒料事故，破坏生产连续性，不得不停机人工清理。

图1 圆筒混合机进料端形成的料环

2.2 衬板材质

圆筒混合机对于衬板材质核心要求是耐磨且表面具有一定光滑度。山钢日照烧结圆筒混合机初装衬板为尼龙衬板，搭配螺栓固定角钢作为压条以保障混合料扬料和前行。而当前使用的尼龙衬板弊端主要集中在角钢压条间距和高度不易掌握，压条安装间距较窄，会增大设备运行电流、加剧混合机筒体粘料加快设备损耗；而增加角钢压条间距或降低扬料边高度，又易使混合机内壁难形成保护粘料层，导致物料直接冲击衬板，增加运行成本及维保投入。

2.3 水梁处板结及屋脊材质的影响

针对传统混合机加水装置的通病，山钢日照烧结最初设计对加水装置实施改造。摒弃加水管吊挂钢丝绳的简易结构，改用H型钢制支撑水梁。设有17个喷嘴的加水管通过弧形限位固定于水梁下翼板。同时为避免混合料积聚水梁上翼板，在该位置焊制屋脊，两侧表面加装钢板。为避免滑落物料落入屋脊与筒壁链接侧，靠外的筒壁侧衬板低于内侧。但实际生产中，进料口附近的1#喷嘴上方屋脊因水梁与筒壁间隙过小最先形成粘料，部分混合料滑落时洒落在3#～10#喷嘴上方的水梁屋脊堆积起来并逐步硬化。虽然11#～17#喷嘴处的屋脊粘料程度逐步减轻，但前期所形成积料总重量高达7～8 t，致使水梁产生永久性形变，下挠度超标，形成的大块积累到一定程度发生脱落，引发混出料口堵塞，损坏漏斗及烧结料线停机等一系列事故，需停机处理，每次处理时间至少耗费2 h。

3 圆筒混合机粘料原因

3.1 原料物性

表1 为山钢日照烧结混合料粒级分布。其中＜3 mm 的细颗粒占比高达58.05%，这类细颗粒物料受原燃料自身水分影响极易黏附于大颗粒表面。这是因为混合料颗粒间隙在一混打水的外部作用力下随着粒度减小而靠近，增强混合料颗粒间作用力既黏结力（三相界面间的毛细力、颗粒间相对运动的黏滞作用力、颗粒间静电力、范德华力及洛伦兹力的合力[3］），因此混合料中细粒级粉容易发生黏附且强度较高。

表1 山钢日照烧结混合料粒级分布占比%

3.2 混合料中熔剂高占比

山钢日照烧结主要以生产高碱度烧结矿为主，混合料熔剂结构主要为生石灰、石灰石及白云石，加剧圆筒混合机内壁的粘料程度。这是因为熔剂中生石灰遇水消化会生成细粒级的消石灰（Ca（OH）2）胶体，其具有极强的吸水性和较大的比表面积，缩短了混合料中矿石颗粒与Ca（OH）2胶体颗粒间隙的同时，使得颗粒间产生自然黏结力。加之生石灰的消化过程是从颗粒表面向内部过渡，当生石灰颗粒核心位置的CaO 消化时会夺取外部新生的Ca（OH）2胶体颗粒扩散层及水化膜的水分，进一步缩短颗粒间的间隙，颗粒间黏结力因此增强，Ca（OH）2胶体颗粒得以凝聚，与混合料中其他物料相互黏结时改变物料表面的作用力提升亲水性，降低了物料继续粘黏的难度。新黏附物料的挤压、接触因此更为紧密，逐步板结，导致粘料滋生并不断增厚。

3.3 配矿结构褐铁矿配比的调整

山钢日照烧结配矿出于成本因素的考量，褐铁矿占比由2021 年的18%提升至目前的近30%，一定程度上加剧了圆筒粘料程度，这是因为褐铁矿致密程度不及赤铁矿和磁铁矿，使其含有较高质量分数的分子结合水和毛细水。另外，铁矿颗粒的黏附能力与其接触角有关，接触角越小黏附能力越强，Clout J M F[4］通过研究烧结过程中不同种类矿石黏结机理的差异指出，矿石的接触角越小黏附性能越强。因此接触角最小的褐铁矿黏附性能最强。故提升配矿结构中高褐铁矿占比是导致筒壁粘料层中褐铁矿占比提升，粘料现象加剧的原因之一。

3.4 颗粒运动过程的机械力及外部条件

烧结混合料颗粒发生黏结除颗粒间的自然黏结力外，还存在运动过程中的机械力。混合料由皮带运输至圆筒，做类平抛运动后接触到圆筒内壁，同粒级混合料颗粒所受机械力主要取决于物料的密度，因此相对密度较大的磁铁矿和褐铁矿颗粒做类平抛下落过程中具有较高的机械力。同时，圆筒内壁装有衬板并采用筋板及角钢加固和保障扬料，但也这使得相邻衬板存在折角，角钢处又存在卡槽，因此，具备机械力较高的物料率先落入衬板和提升条卡槽内，随圆筒混合机的转动，部分微细颗粒未脱落，仍残留在筒壁形成具有一定黏性粘料层并不断加厚。

4 圆筒混合机粘料的改善措施及效果

4.1 减轻圆筒内壁粘料及消除料环的措施

4.1.1 更换衬板材质

柔性碳化锆免维护陶瓷衬板相较于尼龙衬板具有表面光滑、不粘料、耐磨、重量轻等优点，多数企业实际投用取得良好效果。山钢日照利用检修将初装一次混合机更换为柔性碳化锆免维护陶瓷衬板。使用后连续观察3个检修周期，更换衬板后料环形成速度放缓，一个检修周期内基本无法形成，内壁粘料程度由换衬板前的300 mm 降至目前的100 mm。主要表现在陶瓷衬板的提升条和扬料板位置有些许粘料，一定程度上起到保护衬板表面，防止快速磨损，延长使用周期的作用。

4.1.2 加水方式优化调整

山钢日照烧结系统有效抽风面积500 m2，单位时间混合料处理量近1 000 t/h，因此配有长度27 m大型圆筒混合机以满足混合料的大处理量，加水管设有21 个喷嘴，并从混合机出料端延伸至距离进料端7.8 m处。但运行过程中因加水管较长导致一混加水水压不均，出料端水压明显高于其他部分，影响混合料混匀效果还加剧混合机中后端粘料程度。对此，山钢日照烧结提出“一管两分支同水压法”对混合机加水装置改造升级，改用雾化喷头使得加水与筒内混合料与充分接触，强化混合料润湿混匀效果，为二混制粒创造条件，有效抑制一混内壁恶性粘料。

4.2 屋脊粘料现象的处理

朱德庆[3］通过研究混合机内部结块物的化学成分及物理性质指出，在混合机内壁粘料过程中熔剂含量及强度随料层厚度的增厚而提高，导致料环及板结积料极易因原始粘料层强度不足而脱落，产生“落大块”现象，砸坏皮带和托辊及托辊支架并造成漏斗堵塞。针对水梁屋脊粘料难以缓解，山钢日照先后进行了水梁屋脊增设电振改造、屋脊材质更换，经生产实践，后者治理屋脊粘料的效果更好。

屋脊材质对比试验及优化：水梁屋脊粘料除物料自身物性影响外，屋脊材质不适宜这类外部因素同样不容忽视。原水梁屋脊采用刚性体钢板制作，具有较强的承载能力，因此积料需要板结足够的体积才能脱落，加剧了因“落大块”而停机的风险。山钢日照利用烧结机检修时机，把水梁屋脊粘料严重位置的屋脊材质部分更替为柔性体橡胶皮子和陶瓷衬板，利用压条和螺栓固定于水梁，观察不同材质屋脊的粘料情况进行对比实验，图2为试验实施前后屋脊的粘料情况。如图2所示，钢板材质的屋脊粘料依然严重，陶瓷衬板次之，而柔性体橡胶皮子效果最好，表面未形成板结的大块。这是因为柔性皮子屋脊承载能力不如钢板和陶瓷衬板，加之表面光滑度更高，所以当粘料超过皮子承载后可自行滑落，难以板结为大块，有效缓解水梁屋脊粘料的顽疾。另外，柔性体橡胶皮子多为采用废旧皮带，可周期性对磨损屋脊进行更换，符合当前钢铁生产降本增效的大趋势，预计全部屋脊改型完成后年节省屋脊备件采购费用25 万，同时，因混合机“落大块”导致全线停产的问题得到根除，预计挽回停机导致的烧结矿产量损失约140.4 万元（改善前年平均“落大块”的次数大于6次）。

图2 更换水梁屋脊材质试验实施前后的粘料情况

5 结 语

5.1 引发烧结圆筒混合机内壁粘料、料环及水梁屋脊粘料板结“落大块”等现象的根本原因可概括为烧结混合料中含铁原料水分、细颗粒物质量分数和熔剂占比较高、熔剂未完全消化的干湿共存状态等因素缩短了混合料颗粒间隙，增强颗粒间自然黏结力，黏附效果增强。

5.2 山钢日照烧结系统通过更换陶瓷材质、优化加水装置的喷嘴尺寸及进料端喷嘴位置，重新布局调整加水压力、加水喷头角度、数量，降低圆筒内壁黏料层厚度，消除了料环；通过对比试验，敲定了水梁屋脊的柔性橡胶皮子的材质，弱化水梁屋脊粘料的板结程度，降低了“落大块”导致停机次数，减轻清理的劳动强度，维持工艺稳定，提高生产效率。