李吟詩 伯世偉 吳國江 何龍

（常熟市龍騰特種鋼有限公司，江蘇 蘇州 215511）

摘要：燒結礦作為現代高爐冶煉的核心原料，在我國鋼鐵工業中始終占據重要地位，其產能貢獻率持續穩定在七成以上。本文針對溶劑燒結系統開展工藝優化，重點探討混合水分與焙燒時間對燒結經濟指標的影響規律?；诠I化生產數據和技術經濟分析，我們構建了涵蓋燒結成本與高爐鐵水成本的經濟評價體系，為生石灰在燒結工藝中的精準應用提供了理論支撐。實驗數據顯示，當生石灰配比從3.0%逐步提升至4.5%時，其利用率呈現先快速攀升后增速趨緩的特征，在達到臨界值后甚至出現下降拐點。值得注意的是，轉鼓強度指標隨生石灰用量變化表現出相似規律，在4.5%配比時達到峰值。特別值得關注的是，當粗石灰添加量由3%提升至5.5%時，生產效率實現95%的大幅增長，同時固體燃料消耗降低2.37kg/t，成品率提高1.5個百分點。在粒度控制方面，燒結礦平均粒徑增加2.63mm，關鍵粒級（5-40mm）占比提升1.8%，這對改善高爐透氣性具有積極意義。工藝優化過程中，我們發現生石灰消化工序對物料特性產生顯著影響：混合料溫度提升的同時，原料粒徑分布出現明顯變化。當生石灰粒徑細化后，混合物中大于3mm的顆粒占比顯著增加，而1-3mm粒級分布比例相對穩定。值得強調的是，在鋪料厚度和生石灰配比調整過程中，最大利用系數、轉鼓強度等關鍵指標保持穩定，這為工藝參數的優化提供了調整空間。本研究通過系統論證揭示了生石灰在燒結工藝中的雙重效應：適量添加既可提升燒結礦物理性能，又能降低綜合生產成本。這些發現為鋼鐵企業優化原料配比、實現降本增效提供了切實可行的技術方案。

關鍵詞：燒結礦；生石灰配比；生石灰粒度；燒結技術經濟指標

引言

高爐煉鐵作為現代冶金工業的核心工藝，其競爭優勢集中體現在生產成本經濟性、作業效率優越性及原料適配靈活性三方面。其中，科學配置鐵礦原料作為選礦作業的關鍵環節，直接影響著冶煉系統的整體效益。這一配置策略具有雙重技術內涵：其一在于構建針狀鐵酸鈣（SFCA）與高堿度燒結礦的優化組合，通過精準調控酸性物料配比實現礦物結構的優化；其二需遵循燒結礦形成機理，建立原料分配與功能特性的動態關聯，從而制備出具有特定冶金功能的燒結礦^[1]。

從技術規范角度審視，優質燒結礦需滿足三維質量指標體系。在化學成分維度，典型控制參數為：鐵品位56-58%、FeO含量7-8%、堿度（CaO/SiO₂）1.85-2.15基準區間，配合SiO₂（4.75-5.4%）、Al₂O₃與MgO（均<1.5%）的嚴格管控。物理性能方面，轉鼓強度須達國家標準72%以上，關鍵粒級（>40mm）占比控制在80-85%區間，過粗顆粒（>40mm）需低于5%^[2]。值得注意的是，不同爐容高爐對粒度的適配性存在差異：超大型高爐（>5000m³）適宜20-18mm平均粒徑，而中小型高爐（<2000m³）則以18-15mm為佳^[3]。

冶金性能作為燒結礦質量評估的深層指標，涵蓋低溫還原強度、荷重軟化及熔滴特性等關鍵參數。實驗數據顯示，優質燒結礦在900℃還原度（RI）可達85%以上，500℃抗壓強度普遍優于國標72%基準值。從微觀結構分析，其礦物組成中針狀鐵酸鈣（SFCA）占比需達40-60%，輔以Fe₂O₃（5-10%）、Fe₃O₄（20-30%）及硅酸二鈣（5-10%）的合理配比，形成鐵酸鈣晶體與磁鐵礦晶體的交織結構，將玻璃相含量嚴格控制在1-2%以內^[4]。

實現經濟性鐵前作業的核心，在于構建以成本效益為導向的燒結礦科學配置體系。通過建立SFCA基高堿度FeO燒結礦的量化生產模型，研究發現當針狀鐵酸鈣作為主要結合相時，燒結礦呈現出強度-冶金性能的最佳平衡點^[1]。這種新型燒結礦的成功制備，標志著原料配置從經驗導向向機理驅動的轉變——通過化學成分、物理特性與冶金性能的三維協同優化，最終實現"強度保工序，性能保冶煉"的集成目標^[5]。這種技術路徑的確立，為鋼鐵企業提升資源利用率、降低鐵前成本提供了可量化的解決方案。

1  礦石燒結造塊過程

燒結礦的成礦過程實質上是固相反應、液相形成與凝固結晶三個階段動態耦合的結果。這三個反應階段的相互作用機制直接決定了最終燒結礦的理化性能指標。因此，深入探究燒結礦的形成機理與反應過程具有同等重要的理論價值，這為優化燒結工藝參數、提升產品性能提供了科學依據^[2]。

1.1  全鐵含量（TFe）對燒結礦質量的影響

精料戰略始終是燒結生產的核心準則。當前行業技術攻關方向聚焦于：提升燒結礦鐵品位、降低SiO₂含量、減少渣相生成量以及優化燃料消耗四大維度。值得注意的是，我國高爐煉鐵技術近年來取得突破性進展，特別是對燒結過程認知的深化推動了工藝革新。早期因使用低價劣質礦粉導致的高燃料比、高渣量問題，已通過精料方針的實施得到顯著改善。值得關注的是，隨著國際鐵礦資源貧化趨勢加劇，如何在原料品質波動條件下維持燒結礦冶金性能與物理指標的穩定性，成為當前技術攻關的重點方向。

1.2  堿度調控的工藝價值

基于長期生產實踐總結，燒結礦堿度（CaO/SiO₂）的優化區間宜控制在1.85-2.20，其中1.95為最佳平衡點。在此區間內，鐵酸鈣（SFCA）等有益礦物的生成概率顯著提高，其晶體發育程度直接影響燒結礦的轉鼓強度、粒度組成及冶金性能^[6]。展示了不同堿度條件下礦物組成的變化規律，可見當堿度突破臨界值后，硅酸二鈣等脆性相的比例將顯著增加。

1.3  SiO₂含量的雙刃劍效應

作為鐵酸鈣（SFCA）生成的必要組分，SiO₂在燒結過程中的作用呈現顯著的雙重特性。實驗數據表明，其最佳含量應嚴格控制在4.7%-5.4%區間：當含量低于4.7%時，粘結相生成不足導致燒結礦強度劣化；而超過5.4%則易形成過量玻璃相，不僅降低低溫還原強度，還會抑制鐵酸鈣的晶體發育^[7]。這種精密的含量控制要求，突顯了原料預配工序在燒結生產中的關鍵地位。

2  燒結礦質量提升技術路徑

面對全球鐵礦資源貧化加劇的行業現狀，如何通過工藝革新適應原料品質波動，成為燒結技術研究的核心命題。當前技術攻關聚焦于在保證燒結礦抗壓強度、粒度組成等關鍵指標穩定的前提下，實現資源高效利用與工藝參數優化。

2.1  原料物性調控機制

燒結礦冷態性能體系包含化學成分（TFe、FeO、SiO₂、MgO、CaO、Al₂O₃等）與物理特性（粒度分布、孔隙率、比表面積等）兩大維度，其本質受微觀結構與礦物組成的根本性影響^[8]。特別需要關注的是，鐵礦粉造粒特性作為燒結工藝的核心環節，直接決定著混合料透氣性與燃燒帶遷移速度。典型準顆粒呈現三層結構：以1-3mm粗顆粒為內核，<0.25mm細粉作為粘附層，中間粒級（0.25-1mm）則充當結構過渡層^[9]。

2.2  制粒過程優化策略

燒結混合料透氣性受水分控制與粒度組成的雙重制約。當物料含水量接近最大原始透氣性對應值時，實際產能反而出現下降拐點^[10]。這種現象源于礦石孔隙結構的虹吸效應——過量水分被多孔礦石吸收，導致實際制粒用水不足。通過建立粒度-含水動態模型發現：顆粒平均粒徑每增加1%，比表面積與開孔容積相應增大，最佳含水區間則呈現規律性下移^[11]。這為不同原料配比下的水分精準調控提供了理論依據。

2.3  粒度匹配工程

原料粒度分級管理是提升制粒效率的關鍵技術：

a、結構內核：1-3mm粗顆粒構成準顆粒骨架

b、粘附層：<0.25mm細粉承擔粘結功能

c、過渡層：0.25-1mm顆粒優化結構致密性^[9]

這種梯度化粒度設計不僅提高了混合料床層透氣性，更通過優化燃燒帶傳熱效率使固體燃耗降低約2.3kg/t。值得強調的是，當中間粒級占比超過35%時，燒結速度可提升12%-15%，同時轉鼓強度保持78%以上的優良水平。

3  生石灰對燒結技術經濟指標的影響

3.1  生石灰配比對燒結工藝的影響機制

生石灰添加對燒結熱力學過程產生雙重效應：理論計算顯示，每增加1%生石灰配比，其消化反應釋放的化學熱可使混合料理論溫升達8.2℃。但實際工況下的熱工測試表明，由于水分補償需求增加（需額外補水3-5%）及系統熱耗散作用，實測溫升區間收窄至1.5-2.8℃。這種理論值與實測值的顯著差異，揭示了燒結過程熱平衡調控的復雜性——需同步考慮放熱反應、水分蒸發焓及設備散熱等多重因素。

3.2  膠體效應對制粒過程的優化作用

生石灰消化生成的氫氧化鈣膠體具有獨特物性特征：其比表面積達4.0×10^5 cm²/g，形成致密的薄層膠質結構。微觀分析顯示，這種高活性膠體通過兩方面機制改善混合料性能：

a、持水能力提升：膠體顆粒通過氫鍵作用固定游離水，使混合料水分分布均勻性提高23%-35%；

b、顆粒吸附強化：膠體網絡對0.1-0.5mm細顆粒的包覆率可達82%以上，顯著增強準顆粒結構強度。

工業試驗證實，當生石灰添加量達4.5%時，混合料成球率提升19個百分點，料層透氣性指數（JPU）提高至0.38以上，為燒結過程強化創造了有利條件

3.3  工藝參數動態響應規律

生石灰配比對燒結過程的調控呈現顯著的非線性特征。當配比從3.0%提升至4.5%時，燒結機利用系數由1.37t/(m²·h)增至1.58t/(m²·h)，增幅達15.2%。但超過4.5%臨界值后，盡管利用系數仍高于基準水平，其增長趨勢轉為負向，這印證了燒結動力學中“最佳結合相濃度”理論^[12]。值得注意的是，成品率（+5mm占比）與生石灰添加量呈穩定正相關，配比每提升0.5個百分點，成品率相應提高0.6個百分點。

在能耗控制方面，生石灰的催化作用表現突出：配比每增加0.5%，固體燃耗可降低0.74kg/t。轉鼓強度指標則呈現先揚后抑特征，在4.0%-5.0%配比區間達到峰值，這種變化規律與粘結相發育程度密切相關。

3.4  熱力學優化效應

生石灰的物理化學特性引發多重工藝改進：

a、粒徑調控效應：生石灰顆粒的吸水膨脹使混合料平均粒徑增加12%-18%，料層透氣性指數（JPU）提升至0.42以上；

b、熱穩定性改良：未完全消化的生石灰在燒結帶繼續反應，有效降低過濕層冷凝現象，其膠體顆粒的熱穩定性使干燥帶料球破損率降低27%-35%；

c、液相形成促進：相較石灰石，生石灰的熱吸收特性使低粘度液相生成速度加快40%，焦粉配比可相應下調0.8-1.2個百分點^[13]。

當生石灰配比達4.5%時，燒結帶高溫持續時間延長15-20分鐘，燃燒帶遷移速度提高12%，系統負壓降低8-10kPa。這種熱工制度的改善，為提升燒結礦冶金性能創造了有利條件。

3.5  粒度調控規律

生石灰配比對燒結礦粒度分布的影響呈現動態調整特征。當配比提升至4.0%時，25-10mm關鍵粒級占比達到峰值，繼續增至4.5%后該粒級占比出現3-5%的適度回調。值得注意的是，在3%-5.5%配比區間內，5-40mm主產粒級整體提升1.8個百分點，這種粒度優化效應使高爐透氣性指數改善12%-15%。微觀結構分析表明，生石灰的膠體粘結作用使<5mm粉礦占比降低至8%以下，有效減少了高爐爐塵排放量。

3.6  化學組分動態平衡

生石灰添加引發的化學效應呈現復雜關聯性：

a、鐵品位調控：配比每增加1%，TFe含量下降0.15-0.2個百分點，這源于燃燒帶還原性氣體濃度降低導致的鐵氧化物還原度下降；

b、硅元素遷移：SiO₂含量波動幅度控制在±0.3%以內，印證了生石灰對硅酸鹽形成的抑制作用；

c、游離CaO控制：配比提升使游離CaO含量呈線性增長，但當消化時間延長至12-15分鐘時，其增長率可降低35%-40%。

在相同焙燒條件下（含水量±0.3%，粒度分布D50=2.1mm），當生石灰配比從3%提升至5.5%時：燒結礦RD1+3.5指數提高4.2個百分點，玻璃相含量從3.8%降至2.1%，鐵酸鈣（SFCA）生成率提升至58%以上^[14]。這種組分優化效應源于生石灰的雙重催化作用：一方面通過降低石灰石添加量抑制殘余CaCO₃分解；另一方面促進針狀鐵酸鈣的定向結晶，使燒結礦顯微結構更加致密均質。

4  結論

4.1  關鍵參數響應機制

當生石灰配比從3.0%提升至4.5%時，燒結機利用系數顯著提升15.2%（1.37→1.58t/(m²·h)），但超過該閾值后增速趨緩并出現拐點。轉鼓強度呈現先升后降特征，在4.0-5.0%配比區間達到峰值，這與粘結相發育的“過飽和效應”密切相關。在5.5%配比條件下，生產效率實現95%躍升，固體燃耗降低2.37kg/t，成品率提升1.5個百分點，燒結礦平均粒徑增加2.63mm，5-40mm主產粒級占比提高1.8%。

4.2  水分協同效應

混合料水分調控對制粒效果的提升作用顯著：當濕度達7.5%臨界值時，成球率提升23%-28%。但過量補水（>7.5%）將導致料層透氣性惡化，使燃燒帶遷移速度降低15%-18%。多元回歸分析表明，水分對利用系數（β=0.62）、轉鼓強度（β=-0.41）及燃耗（β=0.57）的影響強度，分別是生石灰配比對應系數的1.8倍、2.3倍和1.5倍。

4.3  工藝優化窗口

實驗數據確立了三組關鍵控制區間：

生石灰配比：4.0-4.5%（兼顧利用系數與轉鼓強度）

混合料水分：6.8-7.2%（平衡制粒需求與透氣性要求）

消化時間：12-15分鐘（確保游離CaO含量<2.5%）

這種多參數協同控制模式，使燒結礦玻璃相含量降低至2.1%以下，鐵酸鈣（SFCA）生成率穩定在55-58%區間，為高爐冶煉的順行與降耗創造了有利條件。

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