高爐冶煉釩鈦磁鐵礦合理爐料結(jié)構(gòu)的研究

*儲滿生 陳立杰 柳政根 付小佼 于洪翔

(東北大學(xué))

0 前言

我國的鐵礦資源不算富裕，已探明的鐵礦資源大部分為化學(xué)成分和礦物結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的復(fù)雜鐵礦，其中，釩鈦磁鐵礦占了很大比重，它可以提取大量的生鐵和金屬V，綜合利用價(jià)值很高［1－2］。四川攀枝花地區(qū)、河北承德地區(qū)是我國重要的釩鈦磁鐵礦產(chǎn)地［3］。國內(nèi)某鋼鐵企業(yè)利用地域優(yōu)勢，進(jìn)行釩鈦磁鐵礦冶煉多年，隨著釩鈦磁鐵礦配比的升高，在釩鈦磁鐵礦高爐生產(chǎn)方面存在很多亟待解決的難題，高爐技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)尚存在很大的提高空間。隨著人們對高爐爐料結(jié)構(gòu)與冶煉關(guān)系認(rèn)識的不斷深入，尋求合理的爐料結(jié)構(gòu)作為高爐增產(chǎn)節(jié)焦的一種有效手段已逐漸被認(rèn)同。

合理的爐料結(jié)構(gòu)包括合適堿度的燒結(jié)礦和與之搭配的綜合爐料中氧化球團(tuán)的比例。而燒結(jié)礦堿度是燒結(jié)生產(chǎn)最重要的控制參數(shù)之一，它對燒結(jié)過程和燒結(jié)礦的產(chǎn)量及質(zhì)量的有主要的影響［4－8］。燒結(jié)礦是高爐煉鐵的主要爐料，燒結(jié)礦的堿度決定了高爐爐料結(jié)構(gòu)中球團(tuán)的入爐比例，目前關(guān)于燒結(jié)礦的堿度對燒結(jié)礦冶金性能的影響有一定的研究，但關(guān)于高爐冶煉釩鈦磁鐵礦，合理的燒結(jié)礦堿度以及入爐球團(tuán)比例仍缺乏相應(yīng)的研究，因此需要針對現(xiàn)場高爐煉鐵的原燃料條件及爐料結(jié)構(gòu)，通過試驗(yàn)?zāi)M高爐冶煉的條件，研究綜合爐料的軟熔滴落性能，確定高爐冶煉釩鈦礦合適的燒結(jié)礦堿度和入爐球團(tuán)比例，以保證綜合爐料具有良好的冶金性能，是高爐冶煉釩鈦磁鐵礦重要的課題。本文以現(xiàn)場燒結(jié)礦、球團(tuán)礦、焦炭為基本原料，在保證高爐爐渣二元堿度、焦比、焦丁比、煤比等不變的情況下，通過改變綜合爐料中燒結(jié)礦的堿度和入爐球團(tuán)比例，研究綜合爐料的軟熔滴落性能，并分析不同實(shí)驗(yàn)條件下鐵、釩、鈦等組元在初渣、初鐵中的遷移規(guī)律，旨在為改善現(xiàn)場高爐冶煉釩鈦磁鐵礦綜合爐料的軟熔滴落性能，為高爐冶煉釩鈦磁鐵礦合理爐料結(jié)構(gòu)的形成提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)原料與方法

1.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)采用的含鐵原料是四種不同堿度的燒結(jié)礦和一種現(xiàn)場豎爐氧化球團(tuán)，燒結(jié)礦的堿度分別為1.71、1.92、2.13 和2.36，通過化學(xué)分析得到的含鐵原料化學(xué)成分見表1 和表2。

表1 不同堿度燒結(jié)礦的化學(xué)成分

表2 氧化球團(tuán)的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及方法

軟熔滴落試驗(yàn)采用的是東北大學(xué)自制的RSZ－03 型鐵礦石高溫荷重還原熔滴實(shí)驗(yàn)裝置，其基本組成如圖1 所示。

圖1 爐料軟熔滴落性能測定系統(tǒng)

中立式電爐內(nèi)裝有內(nèi)徑為75 mm 的石墨坩堝，坩堝底部設(shè)有Φ10 mm 的滴落孔。試驗(yàn)過程中初始含鐵爐料總質(zhì)量為500 g，料柱高60 mm～62 mm，并在試樣上下均鋪有焦炭層，下層焦炭層為30 mm，以防止試樣收縮時阻塞滴落孔和排氣孔，從而保證熔化物和煤氣流順利通過。試樣和焦炭粒度為10 mm～12.5 mm。試驗(yàn)結(jié)束后，取滴落物分析成分。測試過程中，升溫速度、煤氣量以及荷重等試驗(yàn)條件均模擬高爐實(shí)際生產(chǎn)情況制定［9］。本試驗(yàn)基于現(xiàn)場生產(chǎn)條件，爐渣堿度R=1.10，噸鐵焦炭、焦丁、噴煤量均不改變，通過改變燒結(jié)礦的堿度及球團(tuán)的入爐比例來調(diào)節(jié)綜合爐料入爐成分，熔滴試驗(yàn)方案見表3。

表3 綜合爐料軟熔滴落試驗(yàn)方案

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 軟熔滴落試驗(yàn)結(jié)果

高爐的操作條件對軟熔帶的位置、形狀以及厚薄有一定的影響，但是礦石的軟化及熔滴特性將起決定性作用［10－11］。綜合爐料的軟熔滴落試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 綜合爐料軟熔滴落試驗(yàn)結(jié)果

2.2 軟化性能

不同堿度燒結(jié)礦和球比下，綜合爐料軟化性能如圖2 所示。

圖2 不同堿度燒結(jié)礦和球比的綜合爐料的T4、T40及T40－T4

由圖2 可以看出，隨著燒結(jié)礦堿度的提高，為保證高爐爐渣堿度穩(wěn)定，爐料結(jié)構(gòu)中球團(tuán)比例應(yīng)相應(yīng)提高;隨著爐料結(jié)構(gòu)中燒結(jié)礦堿度提高，綜合爐料的軟化開始溫度T4基本不變，維持在1100℃左右，軟化終了溫度T40從1245.7℃上升到1291.4℃，而軟化區(qū)間(T40－T4)變寬，從149.3℃加寬到181.7℃;對高爐冶煉釩鈦磁鐵礦而言，軟化開始溫度高，軟化區(qū)間適當(dāng)?shù)淖儗挘欣跉猓滔噙€原反應(yīng)的進(jìn)行，可以促進(jìn)釩鈦礦的還原，保持爐況穩(wěn)定。顯然，釩鈦燒結(jié)礦堿度的升高和釩鈦球團(tuán)比例的增加，有利于高爐冶煉釩鈦磁鐵礦綜合爐料的軟化性能。

2.3 熔化性能

不同堿度燒結(jié)礦和球比對綜合爐料熔化性能的影響如圖3 所示。

圖3 不同堿度燒結(jié)礦和球比的綜合爐料的TS、TD及熔化區(qū)間

由圖3 可以看出，隨著入爐燒結(jié)礦堿度和入爐球團(tuán)比例的增加，綜合爐料的熔化開始溫度TS逐漸升高，從1209.5℃上升到1278.1℃，熔化終了溫度TD 逐漸上升，從1387.5℃上升到1414.8℃，但后者的上升幅度小于前者，所以熔化區(qū)間(TD－TS)明顯收窄，從178.0℃收窄至123.9℃;隨著燒結(jié)礦堿度和入爐球團(tuán)比例的提高，綜合爐料在爐內(nèi)的熔化區(qū)間位置下移，熔化區(qū)間明顯收窄。高爐操作要求熔化開始溫度高一些，熔化區(qū)間小一些，可知，燒結(jié)礦堿度和入爐球團(tuán)比例的提高有利于提高綜合爐料熔化性能。

配加不同堿度燒結(jié)礦對綜合爐料熔化區(qū)間的影響如圖4 所示。

圖4 不同堿度燒結(jié)礦和球比的綜合爐料軟熔帶位置

由圖4 可以看出，對于高爐生產(chǎn)操作來說，較高的熔化開始溫度、較窄的熔滴區(qū)間(軟熔帶)是比較理想的狀態(tài)。從綜合爐料熔的軟熔滴落性能考慮，高爐冶煉釩鈦磁鐵礦時，其燒結(jié)礦二元堿度在2.13左右，入爐球團(tuán)比例約為38%時，較為合理。

2.4 滴落性能

滴落性能一般包括滴落溫度、滴落壓差和滴落率等。燒結(jié)礦堿度對綜合爐料滴落性能的影響如圖5 所示。

圖5 不同堿度燒結(jié)礦和球比的綜合爐料滴落性能

由圖5 可以看出，隨著燒結(jié)礦的增加，綜合爐料的滴落壓差變化不大;當(dāng)燒結(jié)礦堿度低于1.92 時，綜合爐料的滴落重量和滴落率均較低，當(dāng)燒結(jié)礦堿度大于1.92 時，綜合爐料的滴落率明顯升高。

2.5 透氣性

為了更好地衡量爐料的軟熔滴落性能，引入了熔滴性能總特征值S 的概念，S 值越小，軟熔滴落性能越好。其計(jì)算式為［12］:

式中:TD——開始滴落溫度，℃;

TS——開始熔化溫度，℃;

Pm——任一溫度T 時的壓差，Pa;

△PS——開始熔化時的壓差，Pa。

不同堿度燒結(jié)礦和球比的綜合爐料的熔滴性能特征值S 如圖6 所示。

圖6 不同堿度燒結(jié)礦和球比的綜合爐料的熔滴性能特征值S

由圖6 可知，隨著燒結(jié)礦堿度的提高和球團(tuán)比例的增加，熔滴性能特征值S 呈逐漸降低的趨勢，這就說明綜合爐料的透氣性能得到了明顯的改善。因此，提高入爐燒結(jié)礦堿度和入爐球團(tuán)比例有助于高爐爐料透氣性的改善，有利于高爐操作順行。

2.6 燒結(jié)礦堿度對V，Cr 遷移規(guī)律的影響

在高溫爐中對滴落的渣鐵進(jìn)行熔分，使渣鐵分離，分別化驗(yàn)渣、鐵中V，Cr 的含量，由于配礦用燒結(jié)礦R=1.71 時，滴落的渣量極少，難以取樣分析，故暫缺數(shù)據(jù)，滴落渣鐵化驗(yàn)分析結(jié)果見表5、表6。

表5 滴落鐵中V，Cr 含量 %

表6 滴落渣中V2O5，Cr2O3含量

隨綜合爐料中燒結(jié)礦堿度的增加，滴落鐵中V，Cr 元素含量和滴落鐵中V，Cr 元素占含鐵爐料含V，Cr 總量的百分比(記為V，Cr 的收得率)的變化情況一致，如圖7、圖8 所示。

圖7 燒結(jié)礦堿度對滴落初鐵中V，Cr 含量的影響

圖8 燒結(jié)礦堿度對V，Cr 在初鐵中收得率的影響

由圖7、圖8 可以看出，隨著燒結(jié)礦堿度的增加，還原到鐵水中的V，Cr 含量和V，Cr 的收得率均增加。

3 結(jié)果討論

3.1 燒結(jié)礦堿度對綜合爐料軟熔滴落性能的影響

對于高爐的綜合爐料而言，為保證高爐冶煉爐渣堿度一致，當(dāng)燒結(jié)礦堿度升高時，綜合爐料中氧化球團(tuán)的比例也會相應(yīng)的提高以平衡爐渣堿度。雖然有文獻(xiàn)［13］指出隨著燒結(jié)礦堿度的提高，燒結(jié)礦的軟化開始溫度和軟化終了溫度都得以提高，軟化溫度區(qū)間縮小，燒結(jié)礦的荷重軟化性能會得到改善，但是燒結(jié)礦堿度提高后，綜合爐料中相應(yīng)的球團(tuán)礦比例也會相應(yīng)增加，本試驗(yàn)所用球團(tuán)礦的軟化終了溫度T40和軟化區(qū)間(T40－T4)都高于燒結(jié)礦，而在高爐中，綜合爐料冶金性能受到各含鐵爐料冶金性能的影響［14］，球團(tuán)礦配比越高，綜合爐料的冶煉性能受球團(tuán)礦的影響就越大。

同時，隨著堿度提高，燒結(jié)礦的熔化開始溫度TS會上升，原因有二個:一是由于還原性變好，在相同的還原條件下將有更多的FeO 被還原成金屬鐵，進(jìn)入渣中FeO 相應(yīng)減少，致使渣相熔點(diǎn)上升。二是由于CaO 含量相應(yīng)增加，燒結(jié)礦中CaO·TiO2、鈦榴石等高熔點(diǎn)物質(zhì)含量有所上升，從而提高了燒結(jié)礦的軟熔溫度。燒結(jié)礦冶金性能的改善，一方面增加了冶煉性能好的爐料的配比，另一方面促進(jìn)了不同含鐵爐料間在軟熔區(qū)的相互反應(yīng)，進(jìn)而改善了綜合爐料的軟熔滴落性能。此外，由于燒結(jié)礦堿度的增加，熔滴區(qū)間較窄的球團(tuán)礦配比也隨之增加，這也是造成綜合爐料熔滴區(qū)間變窄的一個原因。

入爐燒結(jié)礦堿度的升高及入爐球團(tuán)比例的增加，熔滴性能特征值S 值逐漸減小，綜合爐料透氣性得到改善，有利于高爐順行;一方面隨燒結(jié)礦堿度的增加，球團(tuán)礦配比的增加對綜合爐料熔化區(qū)間透氣性的改善起到重要作用;另一方面透氣性差的熔化區(qū)間隨燒結(jié)礦堿度增加而變窄也可以改善料柱透氣性。此外，在實(shí)際高爐中燒結(jié)礦堿度提高后，燒結(jié)礦中黏結(jié)相的數(shù)量增加，可以抑制還原過程中產(chǎn)生的體積膨脹，因而燒結(jié)礦的低溫還原粉化性能得到改善，這對改善高爐塊狀帶的透氣性十分有利。因此，對于高爐冶煉釩鈦磁鐵礦合理爐料結(jié)構(gòu)而言，適合的燒結(jié)礦堿度和入爐球團(tuán)比例至關(guān)重要。

3.5 燒結(jié)礦堿度對綜合爐料V，Cr 遷移規(guī)律的影響

燒結(jié)礦堿度提高后，一方面還原性能比較好的赤鐵礦和鐵酸鈣含量增加，還原性能比較差的磁鐵礦含量降低，從而有利于燒結(jié)礦還原性能的改善;另一方面，由于熔劑數(shù)量的增加導(dǎo)致燒結(jié)料層的收縮增加，促使燒結(jié)礦的孔隙度提高，鐵礦石還原過程中的內(nèi)擴(kuò)散得到改善，這也有利于燒結(jié)礦還原性能的改善，燒結(jié)礦還原性的改善會促進(jìn)V，Cr 的還原。

在實(shí)際高爐中，V 的還原主要在軟熔滴落過程及渣－鐵間進(jìn)行，在軟熔滴落帶，由于液相的出現(xiàn)，V 的還原過程被加速，因而隨燒結(jié)礦堿度的提高，綜合爐料熔滴性能的改善，促進(jìn)了V 的還原。

此外當(dāng)有Si 存在時，可發(fā)生釩氧化物還原反應(yīng)如下:

Si 還原反應(yīng)產(chǎn)生SiO2，而低價(jià)釩氧化物為堿性氧化物，對釩的還原產(chǎn)生不利影響，當(dāng)有CaO 存在時，使還原釩氧化物的熱力學(xué)條件發(fā)生了變化，其反應(yīng)如下:

由此可以看出，CaO 存在時改善了硅還原釩氧化物的條件，燒結(jié)礦堿度增加是增加燒結(jié)礦中CaO含量，SiO2含量不變，因此促進(jìn)了硅對釩的還原。燒結(jié)礦堿度增加有利于綜合爐料中V、Cr 的還原。

4 結(jié)論

通過軟熔滴落試驗(yàn)，進(jìn)行了高爐冶煉釩鈦磁鐵礦合理爐料結(jié)構(gòu)的研究。隨著釩鈦燒結(jié)礦堿度的增加，入爐釩鈦球團(tuán)比例相應(yīng)的提高，綜合爐料的軟化開始溫度T4基本不變，維持在1100℃左右，軟化終了溫度T40從1245.7℃上升到1291.4℃，而軟化區(qū)間(T40－ T4)逐漸變寬，從149.3℃變寬至181.7℃，軟化區(qū)間的適當(dāng)變寬有利于氣－固相還原反應(yīng)的進(jìn)行，可以促進(jìn)釩鈦礦塊狀帶的還原;熔化開始溫度TS逐漸升高，從1209.5℃上升到1278.1℃，熔化終了溫度TD逐漸上升，從1387.5℃上升到1414.8℃，但熔化區(qū)間TD－TS明顯收窄，從178.0℃收窄至123.9℃;熔滴性能特征值S 值逐漸變小，綜合爐料的透氣性明顯改善;同時，滴落初鐵中V、Cr 含量升高，V、Cr 的收得率提高。因此，在一定范圍內(nèi)的提高入爐釩鈦燒結(jié)礦堿度和入爐釩鈦球團(tuán)比例，有利于高爐冶煉釩鈦磁鐵礦合理爐料結(jié)構(gòu)的形成。

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