面向高爐冶煉的燒結與煉焦技術

畢學工

(武漢科技大學,鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點實驗室)

面向高爐冶煉的燒結與煉焦技術

畢學工

(武漢科技大學,鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點實驗室)

提出了應對資源劣化、充分考慮價格和成本因素開發(fā)研究高效鐵礦石造塊技術和高效煉焦技術的必要性,簡單介紹了國外面向高爐冶煉的燒結技術與煉焦技術的發(fā)展現(xiàn)狀。

高爐冶煉 燒結 煉焦 資源

0 前言

精料是高爐高效運行的基礎,是現(xiàn)代高爐技術生存和可持續(xù)發(fā)展的前提。當前的精料技術,不能再像過去一段時間那樣建立在低價優(yōu)質原料的基礎上,而應該充分考慮價格和資源供應的限制。要大力研究開發(fā)大配比低價鐵礦石的高效造塊技術,從長遠觀點看,還要研究開發(fā)大配比弱粘結煤的高效煉焦技術。而高效燒結技術和高效煉焦技術的發(fā)展,首先得搞清燒結礦質量和焦炭質量與高爐冶煉指標之間究竟是什么關系。下面筆者就日本和歐洲在面向高爐冶煉的燒結和煉焦技術方面的研究與應用現(xiàn)狀作一介紹,以資國內煉鐵同行參考。

1 焦炭反應性高、燒結礦還原性高是高爐冶煉的需要

隨著噴煤量不斷增加,焦炭作為還原劑和發(fā)熱劑的重要性越來越小,而骨架作用的重要性越來越大,所以要求焦炭不僅冷強度高,而且熱強度也高是完全正確的。由于焦炭的熱強度指標 (CSR)和反應性指標 (CR I)是同一個實驗的兩種不同結果,二者之間存在明顯的負相關關系,所以目前一般認為焦炭反應性越低越好。但從高爐理論角度分析,焦炭反應性低不利于降低焦比和增產(chǎn)。圖 1為提高反應效率改善高爐過程技術的操作線圖解。

圖1 提高反應效率改善高爐過程技術的操作線圖解

由圖 1可以看出,W點的爐身效率等于 100%。目前高爐操作水平一般超過 90%。為了進一步提高高爐的效率,有兩種途徑可供選擇:①保持目前的熱保存帶溫度不變,使操作線向W點移動 (A→B);②通過降低熱保存區(qū)的溫度,使W點向ηCO較高的一側移動,增大還原驅動力,達到加速礦石還原、擴大降焦?jié)摿Φ哪康?(B→C)。

傳統(tǒng)采取的措施,如改善燒結礦的還原性,礦石層的高溫性能(焦丁和礦石混裝等),通過控制布料改善煤氣流分布等,都屬于途徑①。而途徑②的措施,目前僅有使用高反應性焦炭和大量使用礦煤團塊。

日本新日鐵公司第三研究室 (煉鐵研究室)開發(fā)了如圖 2所示的實驗裝置,命名為絕熱高爐內部反應模擬器,簡稱 B IS[1]。反應器是一根內徑103 mm的不銹鋼管,長 5.4 m。電爐由 4個加熱爐和 10個絕熱爐組成,加熱爐的任務是將煤氣預熱到高爐軟熔帶上部的溫度 (1200℃)。B IS還具有煤氣成分在線檢測和連續(xù)調節(jié)荷重的功能。

圖2 絕熱高爐內部反應模擬器 (B IS)示意圖

在B IS上進行了使用高反應性焦炭提高高爐反應效率的研究。使用高反應性焦炭的目的是通過降低焦炭的開始反應溫度控制熱保存區(qū)溫度以及礦石的還原平衡點,通過增大高溫下的還原勢加速礦石的還原。燒結礦是生產(chǎn)燒結礦,J IS還原度 =66%,總氣孔率 32%,粒度范圍 10 mm～15 mm。考慮到高爐內堿金屬的循環(huán)富集,焦炭預加了 2%的堿,準備了幾種不同 J IS反應性的焦炭試樣。因受到反應管內徑的限制,以 10 mm～15 mm部分模擬粗顆粒焦炭,3 mm～5 mm部分模擬焦丁。

試驗結果顯示,使用高反應性焦炭不僅有效地降低了熱保存區(qū)的溫度,而且提高了燒結礦的還原度。這是因為 FeO+CO=Fe+CO2與 C+CO2=2CO是一對耦合反應,礦石的還原性不可避免地受到焦炭反應性的影響,如圖 3所示 (圖中細實線代表高反應性焦炭(J IS反應性 =93%),長虛線代表普通焦炭 (J IS反應性 =59%))。

圖3 焦炭反應性對溫度和燒結礦還原行為的影響

由圖 3可知,使用高反應性焦炭以后,熱保存區(qū)溫度明顯降低,而且當溫度超過熱保存區(qū)溫度 (此處取 1000℃)以后,燒結礦的還原度隨焦炭反應性的增大而顯著提高。也就是說,燒結礦在高爐內的高溫還原性不僅取決于燒結礦自身的性能,而且還與焦炭的反應性有密切關系。

在B IS上還進行了在燒結礦和焦炭層中混入不同粒度、不同配比高反應性焦炭 (J IS反應性 =93%)的試驗。結果表明,將高反應性焦炭混在燒結礦層里面比將其混在焦炭層里面,對改善燒結礦還原指數(shù)的效果更好;高反應性焦炭的配比越高,效果越好;焦炭粒度越小,效果越好,配加 25%的高反應性小粒度焦炭,達到的高爐內部還原指數(shù)與配加50%的大顆粒高反應性焦炭基本相同。

通過理論計算,使用高反應性焦炭可以使燃料比減少 25%～35%,燒結礦還原性越高,燃料比降低的幅度越大。

通過對降低熱保存區(qū)溫度改善燒結礦還原效率機理的研究,得到如下結論:

1)高反應性焦炭在比普通焦炭在較低的溫度下即開始與 CO2反應,結果使得 FeO-Fe還原達到平衡時的ηCO增大;

2)低溫下能夠發(fā)生 FeO到 Fe還原反應的氣孔很小,這些氣孔對改進還原速度有貢獻;

3)使用高反應性焦炭降低了浮氏體結構鐵酸鈣 (CW)還原為鐵的反應開始溫度,從而迅速減少CW量,避免其轉化為液相而堵塞氣孔,從而對改善燒結礦的高溫性能做出貢獻。

基于以上基礎研究結果,新日鐵公司的高爐一直在生產(chǎn)中試用高反應性焦炭。

3 改善燒結礦高溫性能的研究

燒結礦的質量檢測指標有許多種,但對哪些指標對高爐冶煉影響最大的問題,煉鐵界尚未達成共識。比利時 Sidmar公司通過對進廠礦石全程跟蹤和進行 SPC(統(tǒng)計過程分析技術)分析,發(fā)現(xiàn)燒結礦的各種檢測指標 (如 ISO轉鼓,低溫還原粉化指標(LTB,-0.5 mm%),<5 mm返礦量,FeO含量,900℃中溫還原性等)中,除 LTB以外,都找不到與高爐操作指標之間有什么明顯的關系[2]。日本 JFE公司的研究也發(fā)現(xiàn),燒結礦的 RD I指標與高爐的煤氣利用率有密切關系[3]。Sidmar公司將礦石分為以下四類:

1)不容易同化的礦石,燒結時可保持較多的核礦石,為燒結礦提供良好的機械強度;

2)與熔劑同化能力強的礦石,為燒結礦提供良好的熱強度;

3)赤鐵礦和褐鐵礦類礦石,為燒結礦提供良好的還原性;

4)熔點特別高的礦石,它會使燒結礦在高爐內的行為不規(guī)律。

通過生產(chǎn)實際,確定了這四種礦石在燒結混合料中的合理配比:第四類的配比不得高于 13%,第三類的配比不得低于 15%,第一類配比與第二類配比的比值不得低于 0.3。這樣生產(chǎn)的燒結礦,其低溫還原粉化率才能夠符合高爐冶煉的要求 (LTB的控制標準是 18%)。

為了改善燒結礦的低溫還原粉化性能,我國普遍采用了噴灑氯化鈣的技術。通過近年來對燒結礦低溫還原粉化率的測試,我們發(fā)現(xiàn)雖然噴灑前各車間的燒結礦 RD I有比較大的差別,但噴灑以后卻非常接近 (如圖 4和圖 5所示)。

圖4 各車間燒結礦低溫還原粉化性能的對比(噴灑 CaCl2后)

圖5 噴灑 CaCl2對燒結礦低溫還原粉化性能的影響

這意味著,在研究燒結礦 RD I指標與高爐冶煉關系的時候,應該采用噴灑后的檢測值,而不是噴灑前的檢測值;而且由于噴灑氯化鈣以后不同燒結礦的 RD I變得比較接近,因此 RD I對高爐冶煉的影響將不會像比利時和日本高爐那樣明顯。

日本新日鐵公司利用B IS實驗裝置深入探討了燒結礦高溫還原性與高爐冶煉指標之間的關系,引進了 R1000(1000℃時的還原度)和 R1200(1200℃時的還原度)兩個新指標。

停止配加蛇紋石以后,燒結礦的 R1000值有所升高,而且滴落溫度提高了 15℃(如圖 6所示)。根據(jù)實驗室研究結果,在燒結生產(chǎn)中減少了蛇紋石的配比,這種低 SiO2、低 MgO新型燒結礦在室蘭廠2號高爐上做了冶煉試驗。試驗時雖然渣量有所增加,但因為燒結礦的高溫還原性較好,高爐下部透氣性指數(shù) K值減小,煤比從 140 kg/t增加到 170 kg/t。之后,八幡廠也生產(chǎn)了低 SiO2、低 MgO燒結礦并在其 4號高爐上使用。為了不增加渣量,沒有從爐頂加塊狀熔劑,而是通過成分控制使高爐渣的粘度和熔點滿足生產(chǎn)需要。結果,高爐利用系數(shù)達到2.37 t/d.m3,焦炭負荷增加到 4.87,煤比提高到161 kg/t。

圖6 減少蛇紋石對燒結礦高溫還原行為的改善

2001年在八幡廠 3號燒結機和 4號高爐上又進行了一系列減少燒結礦中 Al2O3含量的試驗。因為減少Al2O3可多生成液相,所以減少了燒結礦中的 S iO2量;同時為了降低燒結礦的 FeO含量,適當減少了燒結配碳。采用這些措施的目的是在保證燒結礦強度的同時明顯改善還原性。在絕熱高爐內部反應模擬器 (B IS)上進行的測試證明,這種燒結礦的 S值減小,高爐的爐身效率改善。目前,在新日鐵所有高爐上都使用了新的低 Al2O3燒結礦。雖然使用了廉價的燒結性能不好的鐵礦石,但生產(chǎn)出的燒結礦質量很高,對高爐的高生產(chǎn)率和低還原劑消耗做出了貢獻。

新日鐵公司為迎接未來的挑戰(zhàn),正著力研究開發(fā)優(yōu)良高溫還原性的燒結礦,措施之一是增加微氣孔的含量。現(xiàn)在對微氣孔形成機理和如何促進微氣孔形成等問題仍然不太清楚,需進一步進行研究。

4 結束語

現(xiàn)在鋼鐵廠表征燒結礦性能的指標有很多,但說不清楚哪種指標最重要,重要到什么程度。對于焦炭的性能指標也存在同樣情況,目前一般追求熱強度高而反應性低,但這并沒有體現(xiàn)高爐對焦炭性能的本質要求。這種狀況直接到影響到燒結和煉焦技術的進步,最終對高爐生產(chǎn)帶來不利影響。

因此,有必要借鑒國外的經(jīng)驗,開展面向高爐的鐵礦石燒結技術和煉焦技術 的研究,在不斷惡化的資源形勢下,用更多的劣質礦和劣質煤生產(chǎn)出滿足高爐工藝要求的燒結礦和焦炭。

[1] 內藤誠章,岡本晃,山口一良,等.高溫熱保存帯溫度制御による高爐內反応効率向上技術 [J].新日鉄技報,第 384號(2006),95-99.

[2] L.Bonte等著.西德馬高爐的高質量低成本鐵水爐料結構[J].世界鋼鐵,1999(3):34-38.徐萬仁譯自:1999 Ironmaking Conference Proceedings,pp.13-19.

[3] Takeshi Sato,Michitaka Sato,Kanji Takeda,et al.Desirable Blast Furnace Operation conditions and Burden Quality for Reduction of Exhaust CO2[J].The 4th International Conference of Science and Technology of Ironmaking,November 26-30,2006,Osaka,Japan,343-346.

[4] Kenichi HIGUCHI,Yasushi TAKAMOTO,Takashi OR IMOTO,et al.Quality Improvement of Sintered Ore in Relation to Blast Furnace Operation[J].N IPPON STEEL TECHN I CAL REPORT No.94 July 2006.36-41.

SINTERING AND COKING TECHNOLOGIES ORIENTED TO BLAST FURNACE SM ELTING

Bi Xuegong

(KeyLaboratory for FerrousMetallurgy and ResourcesUtilization ofMinistry of Education,WuhanUniversity of Science and Technology)

The necessity of studying and developing highly effective technologies of iron ore agglomeration and coking was proposed,copingwith deteriorated resources and fully considering the price and cost factors,and the present situation of sintering technology and coking technology oriented to blast furnace smelting in abroad was briefly discussed.

Blast furnace s melting Sintering Coking Resources

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聯(lián)系人:畢學工,教授,博士生導師,中國金屬學會煉鐵學術委員會理事,湖北.武漢 (430081),武漢科技大學;

2010—1—3