带式焙烧机工艺优化对球团质量的影响研究

 带式焙烧机工艺优化对球团质量的影响研究

李 斌

（唐山钢铁集团有限责任公司，河北 唐山 063600）

摘 要：文章深入研究了带式焙烧机工艺优化与球团质量之间的关系。通过详细的理论分析、实验研究以及实际生产数据的对比，全面阐述了工艺优化在提高球团质量方面的重要作用和影响机制。文章首先分析了带式焙烧机在球团生产领域中的应用，其次说明了带式焙烧机的传递过程及工艺原理，最后针对当前工艺存在的问题，提出了一系列切实可行的优化策略和未来发展方向。希望能为未来的进一步改进提供清晰明确的方向，以及具有建设性和前瞻性的宝贵建议。

关键词：带式焙烧机；工艺优化；球团质量

钢铁工业作为国民经济的重要基础产业，在现代工业体系中占据着举足轻重的地位。近年来，随着全球经济的持续增长和工业化进程的加速，钢铁工业经历了显著的发展和变革。从产能规模来看，全球钢铁产量不断攀升，新兴经济体的快速发展推动了钢铁需求的大幅增加。同时，钢铁生产技术也在不断创新和进步，从传统的高炉炼铁、转炉炼钢，到更加高效、环保的电炉炼钢等工艺的逐渐普及。然而，在钢铁工业蓬勃发展的背后，也面临着一系列严峻的挑战。

资源和能源的紧张局势对钢铁工业的可持续发展提出了更高要求。为了降低生产成本、提高资源利用率，钢铁企业不断寻求优化生产流程和提高产品质量的方法。球团作为钢铁生产中的重要原料，其质量的优劣直接影响着钢铁产品的性能和质量。

高质量球团具有良好的冶金性能，如较高的抗压强度、较低的还原膨胀率、优良的还原性等，这些特性有助于提高高炉的透气性和炉料的顺行，同时降低焦比、提高生产效率，减少污染物排放。随着钢铁工业对优质钢材的需求不断增加，对球团质量的要求也日益严苛。例如，汽车用钢、高端建筑用钢等领域对钢材的强度、韧性、耐腐蚀性等性能提出了更高的标准，这就需要从源头抓起，使用高质量的球团作为原料^[1]。

1 带式焙烧机在球团生产中的应用

在球团生产领域，带式焙烧机作为一种先进的焙烧设备，正逐渐得到广泛应用。带式焙烧机具有诸多优点，使其在球团生产中展现出独特的优势。首先，它能够实现连续化生产，生产效率高，产量大，可以满足大规模钢铁生产的需求。其次，带式焙烧机的焙烧过程控制精准，能够确保球团在不同阶段获得适宜的温度、气氛和时间条件，从而有效提高球团的质量和性能。

与传统的竖炉焙烧、链篦机-回转窑焙烧工艺相比，带式焙烧机在能源利用方面更加高效。它能够充分回收利用余热、降低能耗、减少生产成本。同时，带式焙烧机的操作灵活性较高，可以根据不同的原料特性和产品要求调整工艺参数，适应多种球团矿的生产。

在环保方面，带式焙烧机配备了先进的废气处理系统，能够有效减少污染物的排放，符合现代钢铁工业绿色发展的要求。此外，带式焙烧机的设备维护相对简单，运行稳定性好，有助于提高生产的连续性和可靠性。

随着钢铁工业对高质量球团的需求不断增加，带式焙烧机的技术也在不断改进和完善。例如，通过优化炉体结构、改进燃烧系统、提高自动化控制水平等措施，

进一步提高了带式焙烧机的生产效率和球团质量^[2]。随着钢铁工业的发展现状对高质量球团的需求日益迫切，带式焙烧机在球团生产中的应用为满足这一需求提供了有力的技术支持。深入研究带式焙烧机在球团生产中的应用，对于提高钢铁企业的竞争力、推动钢铁工业的可持续发展具有重要的意义。

2 带式焙烧机传递过程及气氛控制

2.1 热传递和质量传递过程

带式焙烧机是一种用于球团矿焙烧的重要设备，其工作过程中的热传递和质量传递过程复杂而关键。在热传递方面，主要通过三种方式进行：传导、对流和辐射。首先，传导是热量在物料内部的传递方式。当球团矿在带式焙烧机的传送带上移动时，与传送带直接接触的球团底部通过固体间的直接接触，将热量从高温部分传递到低温部分。其次，对流热传递在整个过程中也发挥着重要作用。热气体在焙烧机内部的流动，与球团表面进行热交换，将热量传递给球团。此外，辐射热传递同样不可忽视。焙烧机内部的高温炉壁和燃烧器等部件以电磁波的形式向球团辐射热量，尤其是在高温区域，辐射传热的效果更为显著。

质量传递在带式焙烧机中主要涉及水分蒸发、气体扩散和化学反应物质的迁移。在预热阶段，球团中的水分受热蒸发，形成水蒸气并向周围环境扩散。随着温度的升高，球团内部发生化学反应，产生的气体需要通过孔隙扩散到外部。同时，外部的氧气也需要扩散到球团内部参与反应。这些质量传递过程与热传递相互影响，共同决定了球团的焙烧效果和质量^[3]。

2.2 焙烧气氛的控制

焙烧气氛的控制对于带式焙烧机的运行和球团质量的保障至关重要。通过精确调控空气和燃料的比例，可以实现不同的焙烧气氛。在氧化气氛下，充足的氧气供应有助于促进球团中的铁氧化物充分氧化，提高球团的强度和冶金性能。例如，在球团的预热和焙烧初期，保持较强的氧化气氛能够去除球团中的挥发分和水分，使球团结构更加致密。

此外，为了实现精确的气氛控制，还需要对进气和排气系统进行精心设计。合理分布的进气口和排气口能够确保气体在焙烧机内部均匀流动，避免出现局部气氛不均匀的情况。同时，先进的监测和控制系统可以实时检测焙烧机内不同部位的气氛组成和温度等参数，根据反馈信息及时调整进气和燃料供应，以保证整个焙烧过程始终处于理想的气氛条件下。热传递和质量传递过程以及焙烧气氛的控制是带式焙烧机工作原理中的核心要素。深入理解和精准控制这些过程，对于优化带式焙烧机的运行、提高球团质量以及降低能耗和排放具有重要意义。

3 带式焙烧机工艺原理与流程

3.1 带式焙烧机的工艺流程

3.1.1 原料准备

带式焙烧机处理的原料通常包括铁精矿粉、粘结剂和添加剂等。铁精矿粉的品位、粒度分布和化学成分对最终球团的质量有着重要影响。在原料准备阶段，需要对铁精矿粉进行严格的筛选和分析，确保其符合生产要求。粘结剂（如膨润土）的选择和添加量要根据铁精矿粉的特性来确定，以保证球团在后续工序中的强度和稳定性。此外，添加剂（如氧化镁、氧化钙等）可用于改善球团的冶金性能。

3.1.2 造球

造球是将准备好的原料制成具有一定粒度和强度的生球的过程。这通常在专门的造球设备中进行，如圆盘造球机或圆筒造球机。在造球过程中，通过加水和不断地滚动，使原料颗粒逐渐形成球形。生球的质量取决于原料的水分含量、添加的粘结剂、造球设备的参数（如转速、倾角）以及造球时间等因素。优质的生球应具有合适的粒度（一般在 8~16mm）、较高的强度和良好的孔隙率，以利于后续的焙烧过程^[4]。

3.1.3 布料

布料是将造好的生球均匀地铺设在带式焙烧机的传送带上的过程。布料的均匀性直接影响球团在焙烧过程中的受热均匀性和质量一致性，通常采用的布料设备有梭式布料机、宽皮带布料机等。在布料时，要控制好生球的料层厚度和密度，避免出现堆积或空隙过大的情况。同时，为了保证布料的均匀性，还可以采用振动装置或刮板等辅助设备。

3.1.4 焙烧是带式焙烧机工艺流程中的核心环节 焙烧 。生球在传送带上依次经过干燥、预热、焙烧、均热、冷却五个阶段。

（1）干燥阶段：以脱水为主，温度不宜过高，鼓干段240~260℃，抽干，350℃左右，重点保持系统高负压，保证风速，干燥速度，过高温度会使用生球表面迅速干燥变硬壳，从而内部水分无法迁移出去，导致生球出裂纹、爆裂现象，进而影响球团抗压强度。

（2）预热阶段：生球被逐渐加热，去除其中的水分和挥发分，同时使球团内部的粘结剂发生初步的物理和化学变化，增强球团的强度。

（3）焙烧阶段：温度进一步升高，球团内部发生复杂的化学反应，铁氧化物之间相互结合和再结晶，形成牢固的固相连接，使球团具有足够的强度和冶金性能。

（4）均热阶段：球团在相对稳定的高温下保持一段时间，以使球团内部的结构和成分更加均匀。

（5）冷却阶段：经过焙烧的球团温度较高，需要进行冷却处理。冷却通常分为自然冷却和强制冷却两种方式。自然冷却是让球团在空气中缓慢冷却，这种方式简单但冷却时间较长。强制冷却则采用风冷或水冷等方式，能够快速降低球团的温度，提高生产效率。冷却后的球团温度一般要降低到适宜的储存和运输温度。

3.2 影响球团质量的关键工艺参数

3.2.1 焙烧温度

焙烧温度是影响球团质量的关键因素之一。不同的温度区间会导致球团内部发生不同的物理化学反应。温度过低时，球团内部的化学反应不完全，铁氧化物的结合不够紧密，导致球团强度不足，冶金性能不佳。而温度过高则可能引起球团的过度烧结，使球团变得过于致密，孔隙率降低，还原性变差。此外，过高的温度还可能导致球团表面出现裂纹，影响其质量和使用寿命。因此，根据原料的特性和生产要求，精确控制焙烧温度在合适的范围内（酸球 1250~1300℃，碱球根据碱度、硅的高低略有降低，使用赤铁矿需要 1300℃以上），对于获得高质量的球团至关重要。

3.2.2 焙烧时间

焙烧时间直接关系到球团内部化学反应的进行程度和结构的形成。时间过短，球团内部反应不充分，无法形成稳定的晶体结构和良好的固结效果，从而影响球团的强度和冶金性能。相反，焙烧时间过长不仅会增加能耗和生产成本，还可能导致球团的过烧和质量下降。因此，需要根据带式焙烧机的运行速度、温度分布以及球团的原料成分等因素，合理确定焙烧时间，以确保球团在焙烧过程中达到最佳的质量状态。

3.2.3 气氛控制

气氛控制对球团的质量有着显著影响。在焙烧过程中，氧化气氛有利于去除球团中的杂质和挥发分，促进铁氧化物的氧化和固结，提高球团的强度和品位。而在某些阶段，适当的还原气氛则有助于改善球团的还原性，降低能耗。如果气氛控制不当，如氧气含量过高或过低，可能导致球团的氧化或还原不充分，影响其冶金性能。此外，气氛的稳定性和均匀性也至关重要，局部气氛的偏差可能导致球团质量的不均匀。

3.2.4 料层厚度

料层厚度直接影响球团在焙烧过程中的传热和传质效果。料层过厚会导致热量传递不均匀，内部球团受热不足，从而影响焙烧质量；同时，也会增加气体通过料层的阻力，影响气氛的均匀分布和质量传递。料层过薄则会降低生产效率，增加单位产品的能耗。因此，根据带式焙烧机的类型、热源特性和原料性质等因素，选择合适的料层厚度（一般在 150~320mm），对于保证球团的质量和生产效率具有重要意义。

4 存在的问题与展望

4.1 工艺优化过程中存在的问题与挑战

4.1.1 设备限制

在带式焙烧机的工艺优化中，设备的性能和局限性常常成为制约因素。首先，设备的老化和磨损是一个不可忽视的问题。长期运行导致的部件损坏、传动系统的精度下降以及密封装置的失效等，都会影响设备的正常运行和工艺的稳定性。其次，现有设备的设计可能无法满足日益提高的工艺要求。例如，加热系统的热效率不高、废气处理设备的能力不足等，限制了生产效率的提升和环保标准的达标。此外，设备的自动化程度和智能化水平也可能相对较低，难以实现精准的参数控制和快速的故障诊断，增加了人工干预的需求和操作失误的风险。

4.1.2 原料波动的影响

原料的质量和成分波动对带式焙烧机工艺的稳定性和球团质量带来了显著的挑战。不同来源的铁精矿粉在品位、粒度分布、含水量以及杂质含量等方面存在差异。这些波动可能导致造球过程中球团的成型困难、强度不稳定，进而影响后续的焙烧效果。在焙烧阶段，原料成分的变化会影响化学反应的进程和温度需求，使得难以维持恒定的工艺条件。例如，高杂质含量的原料可能需要更高的焙烧温度和更长的时间来达到理想的球团质量，这不仅增加了能耗，还可能对设备造成更大的压力。此外，原料供应的稳定性也难以保证，时而充足时而短缺的情况会打乱生产计划，影响整个工艺流程的连续性和产品质量的一致性。

4.1.3 操作稳定性的控制

操作稳定性的控制是带式焙烧机工艺优化中面临的一个关键问题。操作人员的技术水平和经验差异会对工艺参数的控制产生影响，导致生产过程中的波动。

例如，在调整焙烧温度、气氛和料层厚度等参数时，如果操作不当，可能会引起球团质量的下降。同时，由于生产过程中涉及多个环节和设备的协同运行，任何一个环节的故障或失调都可能引发连锁反应，影响整个系统的稳定性。此外，外部因素如电力供应的稳定性、环境温度的变化等，也会对设备的运行和工艺参数产生干扰，增加了操作稳定性控制的难度。

4.2 未来研究方向与发展趋势

随着科技的不断进步，智能化控制技术在工业生产中的应用越来越广泛。在带式焙烧机领域，智能化控制将成为未来的重要发展方向。通过引入先进的传感器、数据分析算法和自动控制系统，可以实现对工艺参数的实时监测和精确调整。例如，利用在线粒度分析仪和成分检测仪，实时获取原料的特性数据，并根据这些数据自动优化造球和焙烧参数。基于机器学习和人工智能的预测模型能够提前预测设备故障和工艺异常，从而及时采取措施进行干预，减少生产中断和质量波动。此外，智能化的能源管理系统可以根据生产负荷和能源价格，自动优化设备的运行模式，实现节能减排和降低成本的目标。

参考文献

［1］李新宇，张建良，苏步新，等.基于主成分分析的高炉用天然块矿性能评价［J］.中南大学学报（自然科学版），2016，47 （9）：2943-2950.

［2］夏雷阁，苏步新，李新宇，等.焙烧温度与球团矿强度和还原性的关系［J］.烧结球团，2014，39（1）：21-24+39.

［3］高强健，沈峰满，郑海燕，等.MgO 对铁矿球团还原冶金性能的影响［J］.东北大学学报（自然科学版），2014，35（12）：1742-1745.

［4］沈奇.利用遗传算法进一步优化 CBR 案例推理模型［J］.计算机与现代化，2013（2）：147-149+193+222