发明内容
针对上述问题,本发明的目的在于提供一种烧结矿配料方法,该方法通过热力学软件计算和实验验证,选择出合理优化的烧结配料方案,按照合理化方案中的化学成分及配比数据配制烧结矿料,确保烧结矿获得较好的烧结效果。
本发明目的是这样实现的:一种烧结矿配料方法,包括以下步骤:
1)对待烧结的各种铁矿原料进行化学分析,获得其各自的化学成分及配比数据;
2)预设定碱度,并按该碱度分别调整步骤1)中各铁矿原料的化学成分及配比数据,得到对应的各组烧结配料方案;
3)将上述各组烧结配料方案的化学成分及配比数据输入计算机,由热力学计算软件Factsage分别计算各组烧结配料方案在温度为1000~1350℃之间的液相量-温度关系曲线;
4)将同时满足以下两项条件的烧结配料方案作为待定方案:
i.初始液相产生温度不大于1100℃;
ii温度为1250℃时液相量不小于30%;
若存在同时满足上述条件的待定方案,执行步骤6),否则执行步骤5);
5)重新调整预设定的碱度,按调整后的碱度相应地调整各组烧结配料方案的化学成分及配比数据,形成多组新的烧结配料方案,然后重复步骤3)~4)
6)依照每一组待定方案分别配制配料样本,并分别对各组配料样本进行熔化特性测试实验,得到各组待定方案的熔化收缩率-温度关系曲线;
7)对照各组待定方案的液相量-温度关系曲线和熔化收缩率-温度关系曲线,在1000~1350℃之间每间隔50℃取一组对应的液相量数据和熔化收缩率数据,即在1000℃取第1组对应的液相量数据和熔化收缩率数据、在1050℃取第2组对应的液相量数据和熔化收缩率数据、在1100℃取第3组对应的液相量数据和熔化收缩率数据、……、在1350℃取最后一组对应的液相量数据和熔化收缩率数据,则每组待定方案可取得8组对应的液相量数据和熔化收缩率数据;然后,利用以下公式分别计算各组待定方案的数据吻合误差:
其中E为数据吻合误差,Lci和Hmi分别为第i组温度所对应的液相量数据和熔化收缩率数据;I为每一组待定方案中取得的对应数据组数,且I=8;
8)将同时满足以下两项条件的待定方案作为合理化方案:
①起始熔化温度低于温度阈值T0;所述起始熔化温度是指熔化收缩率为20%时所对应的温度;
②数据吻合误差小于误差阈值E0;
所述温度阈值T0的取值范围为1100~1300℃;所述误差阈值E0的取值范围为10%~50%;若存在同时满足上述条件的合理化方案,执行步骤10),否则执行步骤9);
9)重新调整预设定的碱度,按调整后的碱度相应地调整各组烧结配料方案的化学成分及配比数据,形成多组新的烧结配料方案,然后重复步骤3)~8);
10)按照合理化方案中的化学成分及配比数据配制烧结矿料。
上述技术方案中,碱度是指以烧结配料方案中CaO与SiO2的重量百分比的比值表示的二元碱度R2,即:
其预设定的范围为1.2~3.0;
作为进一步优化方案,温度阈值T0的取值为1250℃,误差阈值E0的取值为30%。
相比于现有技术,本发明具有如下有益效果:
1)基于国外先进热力学软件Factsage进行理论计算,大大减少了实验工作量和劳动强度,克服了单纯依靠主观经验进行烧结矿配料的缺陷;
2)采用熔化特性实验,能够直观的、准确的反映烧结过程的液相生成特性,比传统的烧结杯实验比,实验误差较小,实验重现性好。
3)通过衡量数据吻合误差来所得到的烧结配料方案适宜于指导实际生产。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
参见图1,本发明提供了一种烧结矿配料方法,具体按以下步骤进行:
1)选取待烧结的各种铁矿原料,通过现有的化学分析手段,对各种铁矿原料进行化学分析,获得其各自的化学成分及配比数据。这里所谓待烧结的各种铁矿原料,是指企业实际烧结中采用的铁矿原料,可能有多种,也可以仅是一种;不同的企业所常用的铁矿原料可能不尽相同,因此经化学分析所得的化学成分及配比数据也不尽相同;以这些数据作为烧结配料方案的原型基础,可让不同的企业得到与之实际生产所用铁矿原料所对应的合理配料方案,便于指导其实际的烧结矿配料。
2)预设定碱度,并按该碱度分别调整步骤1)中各铁矿原料的化学成分及配比数据,得到对应的各组烧结配料方案,一组烧结配料方案对应一种铁矿原料。此处所谓碱度是指二元碱度,记为R2,以烧结配料方案中CaO与SiO2的重量百分比的比值表示,即:
其预设定的范围在1.2~3.0之间为宜;采用不同的碱度预设定值,所得到的烧结配料方案和最终确定的合理化方案也有所不同。如果企业能够根据其实际情况以及以往的经验选择预设定的碱度,形成较适于实际应用的烧结配料方案,可以有效缩短本方案的循环周期,更快的得到需要的合理化方案。
3)将步骤2)得到的各组烧结配料方案的化学成分及配比数据输入安装有热力学计算软件Factsage的计算机,由热力学计算软件Factsage分别计算各组烧结配料方案在温度为1000~1350℃之间的液相量-温度关系曲线,从而得到每一组烧结配料方案在多个温度点所对应的液相量数据。
FactSage是化学热力学领域中世界上完全集成数据库最大的计算系统之一,于2001年推出,是FACT-Win和ChemSage两个热化学软件包的结合。它运行于Microsoft Windows系统平台,由一系列信息、数据库、计算及处理模块组成;其中,计算模块主要有Reaction、Predom、EpH、Phase Diagram、Equilib和OptiSage六个,并具有Ftoxid、Ftsalt、Fthall、FThelg等包含4500多种化合物的庞大的数据库,数据库内容丰富、计算功能强大,可以计算多种约束条件下的多元多相平衡条件,计算结果可以以图形或表格的形式输出。热力学计算软件Factsage在工业运算中的应用已比较成熟,采用Factsage计算各组烧结配料方案的液相量-温度关系,与以往通过实验获得液相量数据相比,大大减少了实验工作量和劳动强度;同时,Factsage计算得到的结果准确可靠,降低了选择烧结配料方案的盲目性。
本发明中对于烧结过程的计算主要采用FactSage中的Equilib和Phase Diagram两个计算模块,所使用的数据库主要涉及Slag(矿料数据库)以及Ftoxid(氧化物数据库);分别应用各组烧结配料方案的化学成分及配比数据作为输入条件,设定1000~1350℃的温度范围(1000~1350℃是实际工业中烧结矿的烧结适宜温度),便能够得到各组烧结配料方案对应的的液相量-温度关系曲线。
4)将同时满足以下两项条件的烧结配料方案作为待定方案:
i.初始液相产生温度不大于1100℃;
ii温度为1250℃时液相量不小于30%;
若存在同时满足上述条件的待定方案,执行步骤6),否则执行步骤5)。
5)如果初始液相量产生温度过高(超过1100℃),或者在较高温度下(1250℃)产生的液相量过少(不足30%),则以说明该烧结配料方案不适宜实际应用。因此,重新调整预设定的碱度,按调整后的碱度相应地调整各组烧结配料方案的化学成分及配比数据,形成多组新的烧结配料方案,然后重复步骤3)~4)。
6)通过上述步骤得到一组或多组烧结配料方案为待定方案,则依照每一组已确定的待定方案分别配制配料样本,并分别对各组配料样本进行熔化特性测试实验,得到各组待定方案的熔化收缩率-温度关系曲线;
配制配料样本进行熔化特性测试实验,得到各组待定方案的熔化收缩率-温度关系曲线,主要目的是为了以熔化收缩率-温度关系对计算所得的液相量-温度关系进行吻合匹配及验证。实验设备采用炉渣熔化性能测试仪,又称作炉渣半球点温度测试仪,其结构如图2所示,主要由送样器1、高温炉3、控温热电偶5、以及高倍摄像镜头8和摄像机9组成的视频成像装置构成;送样器1和高温炉3均通过底座放置于与测试台14上,送样器1设置在高温炉3的前端;测试台14上设有滑道16,送样器底座17可在送样器滑道16上滑动;送样器1上装有样本垫片2,用于放置测试样本;测试样本的温度信号通过测温热电偶18进行检测,测温热电偶18通过传感器与计算机相连;高温炉3固定于高温炉底座15上,内设有炉管6,炉管6内装有控温热电偶5,控温热电偶5通过导线与温控仪相连;炉管6的加热通过供电端子4供电实现,炉管6的末端装有滤光片7,在炉管6的末端下部设有保护气进气孔13;摄像机9设置于云台12上,云台12的设置高度保证装在摄像机9上的高倍摄像镜头8对准炉管6末端的滤光片7;摄像机9通过电源端10供电,其视频信号输出11通过图像采集卡与计算机相连。测试时,样本放在样本垫片2上送入高温炉3的炉管6内,炉管6在温控仪的控制下升温;随温度升高,样本逐渐融化,摄像机9通过高倍摄像镜头8实时采集样本的视频图像;样本的温度信号和视频信号分别通过测温热电偶18和摄像机9采集到计算机,由计算机进行温度分析和图像分析,得到相应温度下的样本高度,并通过计算样本熔化高度与原高度百分比值得到其熔化收缩率,从而得出熔化收缩率-温度关系曲线。
测试过程中保持炉管的加热速率为10℃/min的加热速率,并定义配料样本的熔化收缩率为20%、50%和80%时所对应的温度分别为配料样本的起始熔化温度、半球点温度和流淌温度。
7)对照各组待定方案的液相量-温度关系曲线和熔化收缩率-温度关系曲线,在1000~1350℃之间每间隔50℃取一组液相量和熔化收缩率的对应数据,并分别计算各组待定方案的数据吻合误差。
对于一组待定方案,计算数据吻合误差的具体方案是:基于步骤3)得到的液相量-温度关系曲线以及步骤6)得到的熔化收缩率-温度关系曲线,由计算机在1000℃~1350℃的温度范围内每间隔50℃取一组液相量和熔化收缩率的对应数据,即在1000℃取第1组对应的液相量数据和熔化收缩率数据、在1050℃取第2组对应的液相量数据和熔化收缩率数据、在1100℃取第3组对应的液相量数据和熔化收缩率数据、……、在1350℃取最后一组对应的液相量数据和熔化收缩率数据,则该组待定方案可取得8组对应的液相量数据和熔化收缩率数据;然后,计算机利用以下公式分别计算该组待定方案的数据吻合误差:
其中E为数据吻合误差,Lci和Hmi分别为第i组温度所对应的液相量数据和熔化收缩率数据。由此方法,分别得到各组待定方案的数据吻合误差,吻合误差的值越小,说明理论计算与实际应用情况吻合得越好,以此作为判断待定方案是否合理的一项指标。
8)将同时满足以下两项条件的待定方案作为合理化方案:
①起始熔化温度低于温度阈值T0;②数据吻合误差小于误差阈值E0;
其中,温度阈值T0的取值范围为1100~1300℃;误差阈值E0的取值范围为10%~50%。温度阈值T0和误差阈值E0所设定的值越低,意味着对烧结效果的要求越高。若存在满足上述条件的合理化方案,执行步骤10),否则执行步骤9)。
9)重新调整预设定的碱度,按调整后的碱度相应地调整各组烧结配料方案的化学成分及配比数据,形成多组新的烧结配料方案,然后重复步骤3)~8)。
10)按照合理化方案中的化学成分及配比数据配制烧结矿料。
通过上述方法,企业可以得到适宜于其现有铁矿原料的合理化烧结配料方案,可以指导其实际的烧结矿配料及生产,并且克服了单纯依靠主观经验进行烧结矿配料的缺陷,达到了合理、准确地控制烧结配料工艺的目的。
实施例:
本实施例选取某企业烧结所用的8种铁矿石,每一种铁矿石的烧结配料方案都各不相同。分析研究时,先通过常规化学分析方法分别分析确认这8中铁矿石的化学成分及配比数据。为减少计算的复杂性和提高准确性,本实施例只考虑矿石中主要氧化物成分;对于铁矿石中Fe的存在形式,按照TFe和FeO的比例,换算成Fe2O3和Fe3O4的形式。然后,本实施例预设定烧结矿的二元碱度为2.0,分别调整8种铁矿石的化学成分及配比数据,得到A~H共8组烧结配料方案,这8组烧结配料方案与8种铁矿石一一对应。各配料方案的化学成分及配比如表1所示:
表1(重量百分比%)
|
Fe2O3% |
Fe3O4% |
CaO% |
SiO2% |
MgO% |
Al2O3% |
A |
0.52% |
74.40% |
13.36% |
6.67% |
4.03% |
1.02% |
B |
82.44% |
1.63% |
8.28% |
4.14% |
0.12% |
3.39% |
C |
82.24% |
2.32% |
9.52% |
4.76% |
0.08% |
1.08% |
D |
8.67% |
68.10% |
11.32% |
5.66% |
5.36% |
0.89% |
E |
13.42% |
59.70% |
16.56% |
8.28% |
0.55% |
1.49% |
F |
83.59% |
3.93% |
7.18% |
3.59% |
0.14% |
1.57% |
G |
45.68% |
20.46% |
20.80% |
10.40% |
1.29% |
1.37% |
H |
35.80% |
43.04% |
12.08% |
6.04% |
2.31% |
0.73% |
将上述化学成分及配比数据输入计算机,并采用Factsage软件进行计算。经Factsage理论计算所得8组烧结配料方案在烧结过程中液相量的产生与温度的关系如图2所示。由图可知,各烧结配料方案的液相量随着温度升高而相应增加;方案G和H在1000℃就开始产生液相;1050℃时方案C产生液相;1100℃时方案A、D和E产生液相;1150℃时方案B和F开始产生液相。温度升高到1200℃后,方案G产生的液相迅速增加,1250℃时,其液相量的质量分数达到85%;1300℃时,方案G的液相量已超过90%;最终在1350℃时液相量达到97%。温度高于1200℃时,方案F产生的液相量增加最为缓慢,1250℃时产生35%的液相量;直至1300℃时其液相量仅达到45%;最终在1350℃时,方案F的液相量为56%,在各方案中为最低。8组烧结配料方案的初始液相量产生温度T%(即液相量刚从0%向上增加时的温度)和1250℃时的液相量Lc(1250℃)分别如表2所示:
表2
|
A |
B |
C |
D |
E |
F |
G |
H |
T% |
1100℃ |
1150℃ |
1050℃ |
1100℃ |
1100℃ |
1150℃ |
1000℃ |
1000℃ |
Lc(1250℃) |
34% |
46% |
42% |
27% |
40% |
35% |
78% |
45% |
将同时满足以下两项条件的烧结配料方案作为待定方案:
i.初始液相产生温度不大于1100℃;
ii温度为1250℃时液相量不小于30%;
根据图3和表2可知,同时满足两项待定方案条件的烧结配料方案共有5组,分别为方案A、C、E、G和H。然后,采用该企业所用的铁矿石,分别配制待定方案A、C、E、G和H的配料样本,进行熔化特性测试实验。对于每一配料样本进行两次熔化特性测试实验,取两次实验结果的平均值绘制其相应待定方案的熔化收缩率-温度关系曲线。待定方案A、C、E、G和H的熔化收缩率-温度关系曲线分别如图4~图8所示。其中,各待定方案的起始熔化温度T20%、半球点温度T50%和流淌温度T80%分别如表3所示:
表3
|
A |
C |
E |
G |
H |
T20% |
1268℃ |
1270℃ |
1162℃ |
1082℃ |
1239℃ |
T50% |
1382℃ |
1358℃ |
1236℃ |
1162℃ |
1376℃ |
T80% |
1436℃ |
1380℃ |
1389℃ |
1322℃ |
1419℃ |
为便于对比,将待定方案A、C、E、G和H的熔化收缩率-温度关系曲线绘制在一起,如图9所示。
由图9以及表3可知,待定方案A、C、E、G和H的起始熔化温度较低,表明这5组烧结配料方案容易熔化产生液相,该测试结果与图3中的计算结果吻合。方案E和G的半球点温度与其它烧结配料方案相比较低,分别为1236℃和1162℃;同时,当温度超过1300℃时,方案E和G的熔化收缩率均超过50%,并且方案G的收缩率接近80%,该测试结果与图3中的计算结果也是吻合的。详细对照图3与图12,对于每一组烧结配料方案,由计算机在1000~1350℃之间每间隔50℃取一组对应的液相量数据Lci和熔化收缩率数据Hmi,然后通过公式:
计算得出方案A~H的数据吻合误差。各组烧结配料方案中所取得的液相量数据Lci、熔化收缩率数据Hmi以及数据吻合误差如表4所示:
表4
设定温度阈值T0为1250℃,误差阈值E0为30%。根据表3可知,起始熔化温度低于温度阈值T0=1250℃的待定方案为方案E、G和H;根据表4可知,数据吻合误差小于误差阈值E0=30%的待定方案为方案E和G;因此,同时满足起始熔化温度低于温度阈值T0、并且数据吻合误差小于误差阈值E0的烧结配料方案为方案E和G。由此得到,烧结配料方案E和G是碱度为2.0下的合理化方案,其化学成分及配比数据可应用于实际生产中烧结矿料的配制,即:
|
Fe2O3% |
Fe3O4% |
CaO% |
SiO2% |
MgO% |
Al2O3% |
E |
13.42% |
59.70% |
16.56% |
8.28% |
0.55% |
1.49% |
G |
45.68% |
20.46% |
20.80% |
10.40% |
1.29% |
1.37% |
综合图3和图9能够看到,方案E和G的初始液相量产生温度、液相量增加速率、起始熔化温度、熔化速率等重要的烧结参数都明显优于其他烧结配料方案,说明了烧结效果的优越性;由此也说明,通过衡量数据吻合误差来设计烧结配料方案是与实际烧结情况相符的,由此确定的合理化方案并按照合理化方案中的化学成分及配比数据配制烧结矿料,确保了烧结矿能够获得较好的烧结效果,适宜于实际生产。
最后说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。