燒結礦低溫還原粉化指標的優化研究

付朝云 余麗娜 白建偉 趙恒山

(1．安陽鋼鐵股份有限公司; 2．安鋼集團金信有限責任公司)

0 前言

燒結礦低溫還原粉化指數是影響高爐穩定生產的重要參數之一，低溫還原粉化現象是燒結礦在高爐上部450 ℃～550 ℃低溫區域，燒結礦中的再生Fe2O3，在還原氣體的作用下發生了晶格的轉變，導致在機械作用下嚴重的碎裂粉化引起。低溫還原粉化會使高爐爐塵量增大、煤氣分布不均、焦比增加、產量降低、頻繁結瘤、生鐵質量變化。在鋼鐵市場不景氣的大形勢下，成本控制成為鋼鐵廠的重要任務，通過對安鋼生鐵成本構成進行分析，發現燒結原料成本占生鐵成本44．85% ～58．54%，故降低燒結礦原料成本是降低鐵水成本的關鍵環節，大量使用價效好的經濟礦是實現燒結低成本原料結構的重要途徑。由于經濟礦的冶金價效受市場價格波動的影響經常發生變化，實施燒結低成本原料結構和低庫存生產就意味著燒結含鐵原料品種、結構將頻繁變化，亦造成燒結礦的冶金性能的頻繁波動，對燒結礦質量的穩定和高爐的穩定順行的控制難度加大，客觀上不利降低鐵水的加工費用，進而沖抵結構降本效果。因此，分析影響燒結礦的低溫還原粉化因素對促進高爐順行和實施結構降本是十分重要和必要的。

1 影響燒結低溫還原粉化因素的分析

1．1 原料結構的影響

1．1．1 數據分析

一般來說，磁鐵礦的比例增加有利于降低RDI－3．15，赤鐵礦的比例增加會增加RDI－3．15。安鋼使用比例最大的是褐鐵礦，安鋼具代表性原料結構見表1、表2，結構方案對應的低溫還原粉化指數見表3。

表1 原料化學成分 / %

表2 燒結原料結構/ %

表3 配比對應低溫還原粉化指數值 /%

由表2 和表3 可知，結構方案1 中磁鐵礦的配比為17．7%，占鐵料比例為28．3%;赤鐵礦的配比為31．1%，占鐵料比例為49．8%;褐鐵礦的配比為13．7%，占鐵料比例為21．9%，生產的燒結礦低溫還原粉化指數低，RDI+3．15為58． 4%。結構方案2磁鐵礦的配比為17．7%，占鐵料比例為27．2%;赤鐵礦的配比為18．1%，占鐵料比例為27．8%，褐鐵礦的配比為29．2%，占鐵料比例為44．9%，生產的燒結礦低溫還原粉化指數高，RDI+3．15為72． 7%。在磁鐵礦比例比基本不變的情況下，方案1 赤鐵礦占鐵料比例為49． 8%，而方案2 則為27． 8，下降22%，方案2 的褐鐵礦比例上升15．5%。對比兩種方案的RDI 值，褐鐵礦比例升高，RDI+6．3、RDI+3．15升高，RDI－0．5降低。

1．1．2 原因分析

燒結礦中的赤鐵礦有原生的，即未還原而殘留的赤鐵礦，結晶比較完全，以及Fe3O4在冷卻的過程中再氧化而成的再生赤鐵礦，結晶程度低以骸晶狀菱形赤鐵礦為主，且包裹著玻璃質、鐵酸鈣、磁鐵礦等礦物，再生赤鐵礦多分布在燒結礦的空洞周圍，在高爐還原初期骸晶狀菱形赤鐵礦由Fe2O3還原為Fe3O4，體積膨脹而粉化。再生赤鐵礦的產生有兩種途徑:赤鐵礦－磁鐵礦－再生赤鐵礦與磁鐵礦－再生赤鐵礦，而在生產過程中以前者居多，而赤鐵礦還原為磁鐵礦的過程是控制再生赤鐵礦生成的瓶頸。褐鐵礦配比增加，原始料層透氣性變好，氧化性氣氛為主，降低了赤鐵礦還原為磁鐵礦的機率，燒結礦中再生赤鐵礦減少，同時褐鐵礦同化性強，生產鐵酸鈣能力大。在生產中采取壓料、適宜水分控制、加強燃料破碎管理等過程控制技術，減弱了褐鐵礦對燒結礦質量的不利影響。

1．2 FeO、料層厚度的影響

2014年1 ～8月份燒結機組燒結礦亞鐵區間內所有對應數據的均值見表4。

表4 兩機組燒結礦RDI 數據對比 / %

由表4 可知，兩個機組的RDI+3．15值都隨著燒結礦亞鐵含量的增加而增加，隨著亞鐵含量的增加燒結礦中的Fe2O3含量減少，減少了赤鐵礦還原膨脹的機率。但亞鐵控制過高，會降低燒結礦的還原性，且燃耗增加會使鐵水生產成本升高。

根據生產經驗，一般燒結礦的FeO 含量與配炭量呈正相關關系，而燃料配比增加，將出現較高的溫度水平，較長的高溫保持時間和較強的還原氣氛，降低了燒結過程的氧位，由此導致鐵酸鈣在高溫下發生劇烈分解以及還原，產生應力，強度變差，燒結礦低溫還原粉化。發展鐵酸鈣液相需要強氧化性氣氛和低燒結溫度。而配炭量減少，有可能達不到必要的燒結溫度，礦物結晶程度差，燒結礦冷強度下降。在厚料層的燒結過程中應該在合理控制燃料粒度的基礎上適當降低燃料配加量。

2#燒結機料層厚度為700 mm，3 號燒結機料層厚度為800 mm，由表4 中兩個機組相同亞鐵區間的燒結礦低溫還原粉化指標對比可知，厚料層不利于降低燒結礦低溫還原粉化。

1．3 燒結礦化學成分的影響

通過統計安鋼3#燒結機2014年1 ～8月份的實際生產數據，分析燒結礦的主要成分對燒結礦低溫還原粉化的影響趨勢(如圖1 ～圖4 所示)，得出燒結礦成分控制的優化參數。

1．3．1 SiO2的影響

3#燒結系統為典型的高鐵低硅厚料層燒結，其2014年1 ～8月份的實際生產中燒結礦RDI+3．15隨SiO2的變化趨勢如圖1 所示。

圖1 RDI +3．15隨SiO2 的變化趨勢

從圖1 可以看出，燒結礦中的SiO2含量小于5．0時，燒結礦RDI+3．15呈上升趨勢;當燒結礦SiO2含量超過5．0%時燒結礦的RDI+3．15明顯下降。有學者研究認為SiO2的含量對鐵酸鈣的形態起決定作用，在其含量小于3．0%時形成塊狀鐵酸鈣，隨著其含量的提高，塊狀鐵酸鈣向針狀鐵酸鈣發展。隨著SiO2含量繼續增加，燒結礦中的硅酸鈣體系粘結相相應增多，它是多種晶型共存，在一定條件下不同晶型之間發生晶型轉變，使燒結礦產生粉碎，其中β－C2S是一種低溫穩定晶型，在溫度(525 ±20)℃時轉變為Υ －C2S 體積膨脹10%，強大的內應力使燒結礦發生粉碎。

根據目前現有的原料條件，燒結礦堿度為1．8 ～1．9，SiO2在5．0% ～6．1%之間，既有利于提高燒結礦冷態強度，也有利于改善燒結礦低溫還原粉化強度。

1．3．2 燒結礦R 的影響

燒結礦RDI+3．15隨燒結礦R 的變化趨勢如圖2所示。

圖2 RDI +3．15隨R 的變化趨勢

從圖2 可以看出，RDI+3．15隨著燒結礦R 的提高而增加，在SiO2一定的情況下，隨著堿度的升高燒結礦中的鐵酸鈣增多，燒結礦中的Fe2O3含量降低，而且高堿度燒結礦熔融充分，燒結礦中的磁鐵礦被鐵酸鈣液相熔蝕，與之交織在一起呈網狀結構，降低了冷卻過程中磁鐵礦氧化生產赤鐵礦的機率。高堿度對RDI+3．15的增加有利，然而實驗研究和生產實踐均已證實，隨著堿度的升高，燒結礦開始軟化溫度呈現下降趨勢，滴落溫度呈現上升趨勢，軟熔區間、熔化區間均變寬，燒結礦熔滴性能下降。不同時期受原料價格的影響，燒結礦堿度應在滿足燒結礦質量的要求下配合高爐合理爐料結構的需要而確定范圍。

1．3．3 燒結礦MgO 含量的影響

燒結礦RDI+3．15隨燒結礦MgO 含量的變化趨勢如圖3 所示。

圖3 RDI +3．15隨MgO 含量的變化趨勢

從圖3 可以看出，MgO 含量在1．60%以下時對RDI+3．15的影響比較小，大于1．60%時隨著其含量的增加RDI+3．15增加比較明顯。有學者認為大部分氧化鎂與鐵氧化物形成固熔體，以彌散狀態分布在燒結礦中，因而推斷在較高焙燒溫度下，擴散到鐵氧化物中的氧化鎂即可以阻礙燒結礦冷卻時生成次生Fe2O3，又可以阻礙燒結礦內鐵氧化物的低溫還原，從而抑制燒結礦的低溫還原粉化。也有學者認為MgO能降低Fe2O3轉變為Fe3O4的相變溫度，從而抑制燒結礦中的次生赤鐵礦的生成，從而降低燒結礦的低溫還原粉化。但有學者研究表明，降低燒結礦的MgO含量可以提高燒結生產效率、燒結礦冷強度、減小燒結礦的軟熔帶溫度區間，提高高爐料柱的透氣性。

1．3．4 燒結礦Al2O3含量的影響

燒結礦RDI+3．15隨燒結礦Al2O3含量的變化趨勢如圖4 所示。

圖4 RDI +3．15隨Al2O3 含量的變化趨勢

從圖4 可以看出，RDI+3．15隨著Al2O3的增加先上升后下降，在Al2O3小于1．70 時燒結礦RDI+3．15隨著其升高而升高，在Al2O3大于1．70 時，RDI+3．15隨著其含量的升高而降低。Al2O3含量低時，隨著其含量的增加，與Si 固溶在液相鐵酸鈣中，形成了較為穩固的復雜離子團，而隨著其含量的升高液相生成溫度升高，液相黏度增大，使液相量減少，磁鐵礦連晶發展，板片狀鐵酸鈣增加使得燒結礦的低溫還原粉化指數變差。

2 優化措施

以數據分析為指導在實際生產中采取的措施有:

1)調整原料結構。在滿足成本要求和燒結礦強度要求的情況下，盡量加大褐鐵礦的比例。

2)控制燒結礦化學成分。考慮到燒結礦的成本與還原度，將燒結礦FeO 含量控制在8% ±1%;考慮到燒結礦的其它經濟質量指標，MgO 含量一般控制在1．5%左右;將燒結礦控制SiO2控制在5．0%附近，既有利于提高燒結礦冷態強度，也有利于改善燒結礦低溫還原粉化強度;燒結礦堿度，以滿足高爐需要為標準來控制。燒結礦中Al2O3含量的控制受原料條件、成本控制、SiO2含量的影響較大，實際生產中一般控制在1．90%附近。

3)噴灑氯化鈣。

3 優化效果

自2014年9月采取上述優化措施后，燒結礦低溫還原粉化指標有所改善，2014年燒結礦對比數據見表5。

表5 2014年燒結礦數據對比表 /%

由表5 可知，采取優化措施后，燒結礦RDI+3．15提高了3．38%，RDI－0．5降低了約2．00%。燒結礦質量的提高，為高爐的順行與低成本運行打好了原料基礎。

4 結論

1)褐鐵礦的配加有利于降低燒結礦的低溫還原粉化，但因褐鐵礦自身的燒結性能的局限，配加比例控制在一定范圍內為易。

2)燒結礦亞鐵含量增加有利于RDI+3．15值升高，但考慮到燒結礦的還原度與成本，燒結礦亞鐵一般控制在8% ±1%。

3)燒結料層增加燒結礦RDI+3．15值降低。

4)在一定范圍內提高Al2O3與SiO2含量有助于降低燒結礦低溫還原粉化，但Al2O3與SiO2含量過高會減低RDI+3．15值，給燒結礦質量帶來不利影響，所以它們應控制在合理范圍內。燒結礦高堿度及高MgO 含量有利于提高燒結礦RDI+3．15值;但考慮到MgO 含量對高鐵低硅燒結礦的不利影響，其含量應該控制在一定范圍內。

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