鐵礦石冶金性能對(duì)高爐的影響及應(yīng)對(duì)措施

胡啟晨

鐵礦石冶金性能對(duì)高爐的影響及應(yīng)對(duì)措施

胡啟晨

文章通過對(duì)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有高爐爐料結(jié)構(gòu)對(duì)高爐指標(biāo)的影響分析，針對(duì)鐵礦石的低溫還原粉化、還原性、高溫冶金性能對(duì)高爐爐況的影響，針對(duì)各段影響規(guī)律進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)低溫還原粉化對(duì)高爐上部透氣性影響比較明顯，RDI+3.15每增加1%，上部壓差降低0.7個(gè)百分點(diǎn)，燒結(jié)礦還原性每提高1%，燃料比降低2.3個(gè)百分點(diǎn)。隨軟化溫度區(qū)間的增大，爐料壓差增大，呈現(xiàn)正相關(guān)對(duì)應(yīng)關(guān)系，每增加1℃，壓差增加0.8KPa。不同品種天然塊礦爆裂指數(shù)相差很大，每增加1%，壓差升高0.1個(gè)百分點(diǎn)。

鐵礦石 冶金性能 高爐 壓差

1.引言

現(xiàn)代高爐集成了機(jī)械化、信息化、自動(dòng)化、智能化等控制系統(tǒng)，是復(fù)雜的高壓、密閉冶煉容器。爐內(nèi)礦石從低溫固態(tài)由上而下與上升的煤氣流逆向運(yùn)動(dòng)進(jìn)行反應(yīng)，進(jìn)而融化成液態(tài)渣鐵，完成鐵元素的還原，最終形成含鐵99.45%左右的合格鐵水。為了確保上升煤氣流與下降的爐料充分進(jìn)行反應(yīng)，需要爐料具有良好的透氣性，降低爐內(nèi)料柱的壓差。這就要求入爐鐵礦石具有優(yōu)良的物理性能和化學(xué)性能，我們不但要重視表觀粒度和成分的穩(wěn)定性，更要注重礦石的冶金性能。礦石控制在合適的粒度范圍內(nèi)，篩除粉末能夠看得到，控制相對(duì)容易。冶金性能的測(cè)定相對(duì)復(fù)雜，測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)，很多企業(yè)不具備測(cè)試條件，造成對(duì)冶金性能的忽視。礦石的冶金性能包括低溫還原粉化、中溫還原性和高溫軟化熔滴特性等方面。

國(guó)內(nèi)高爐爐料結(jié)構(gòu)以高堿度燒結(jié)礦+酸性球團(tuán)和天然塊礦為主。燒結(jié)礦比例平均75%左右，球團(tuán)配比10%左右，天然塊礦15%左右。少數(shù)企業(yè)球團(tuán)比例能夠達(dá)到20%-30%，但還是以高比例燒結(jié)礦為主，因此燒結(jié)礦冶金性能對(duì)高爐影響最大，應(yīng)引起足夠重視。

2.礦石冶金性能測(cè)定方法

2.1 礦石500℃低溫還原粉化性能測(cè)定方法

采用《鐵礦石低溫粉化試驗(yàn)靜態(tài)還原后使用冷轉(zhuǎn)鼓方法》GB/T13242-91標(biāo)準(zhǔn)方法，還原氣體由20%CO+20%CO2+60%N2組成，試樣在500℃溫度下還原60分鐘，還原后用純N2氣保護(hù)冷卻至室溫后稱重，然后置于φ130×200mm的標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)以30轉(zhuǎn)/分的速度轉(zhuǎn)10分鐘，然后用6.3mm、3.15mm和0.5mm的方孔標(biāo)準(zhǔn)篩過篩稱重，試驗(yàn)結(jié)果分別以“RDI+6.3”、“RDI+3.15”和“RDI-0.5”表示：

低溫還原抗磨指數(shù)：

式中“mD0為還原后轉(zhuǎn)鼓前試樣的質(zhì)量（g），mD1、mD2、mD3分別為轉(zhuǎn)鼓后留在6.3mm、3.15mm、0.5mm篩上試樣的質(zhì)量（g）。

2.2 礦石爆裂性能測(cè)定

本測(cè)定方法部分參照ISO8371-2007標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，將反應(yīng)器加熱到700℃，并恒溫10分鐘，然后將1000g±1g干燥后的鐵礦石放入反應(yīng)器中，停留30分鐘后取出，自然冷卻后按照6.13mm、3.15mm、0.5mm的粒級(jí)進(jìn)行篩分，測(cè)定爆裂性能指數(shù)。

2.3 礦石900℃還原性測(cè)定方法

采用《鐵礦石的還原性測(cè)定方法》GB/T13241-91標(biāo)準(zhǔn)方法。試樣質(zhì)量為500g，粒度為10mm-12.5mm，試樣在900℃溫度下通過15升/分的還原氣體，恒溫還原180分鐘，還原氣體由30%CO+70%N2組成，試驗(yàn)結(jié)果還原性以“RI”表示：

式中：A、B分別為試樣的TFe和FeO含量（%）

m0為試樣的質(zhì)量（g），m1，mt分別為還原開始前和還原到t分鐘試樣的質(zhì)量（g）。

2.4 礦石荷重軟化熔滴測(cè)定方法

礦石荷重軟化和熔滴測(cè)試沒有國(guó)家統(tǒng)一的測(cè)定方法。測(cè)定荷重軟化開始溫度和終了溫度各個(gè)企業(yè)也略有不同，但收縮率到40%時(shí)的溫度作為軟化終了溫度T40是一致的。熔滴試驗(yàn)普遍采取三段升溫制度，即0℃-900℃升溫速度為10℃/分鐘，900℃恒溫或降低速度為3℃/分鐘升溫到一定溫度1020℃，以后升溫速度為5℃/分鐘。采用計(jì)算熔滴性能總特征S值,一般來(lái)講S值越小，綜合爐料透氣性越好，爐料熔滴性能就好。

熔滴性能總特性值計(jì)算：

3.礦石冶金性能對(duì)高爐的影響

3.1 礦石低溫冶金性能對(duì)高爐透氣性影響

3.1.1 燒結(jié)礦低溫還原粉化性能對(duì)高爐透氣性的影響

低溫還原粉化指標(biāo)是模擬高爐氣氛在500℃左右時(shí)對(duì)礦石的粉化程度的評(píng)價(jià)指標(biāo)。在高爐內(nèi)500℃溫度區(qū)間位于高爐爐身上部區(qū)域，對(duì)高爐塊狀帶上部的透氣性影響較大，對(duì)高爐塊狀帶的中部和下部透氣性影響不大。從國(guó)內(nèi)某鋼鐵企業(yè)3200m3高爐近兩年冶煉為例，由位于高爐爐身上部13段安裝的靜壓測(cè)量值與頂壓差值占高爐總壓差的比例情況來(lái)看，隨燒結(jié)選RDI+3.15指標(biāo)的改善，塊狀帶上部透氣性增強(qiáng)，壓差比例降低。RDI+3.15每增加1%，上部壓差降低0.7個(gè)百分點(diǎn)（見圖1）。而塊狀帶中、下部的壓差無(wú)明顯變化規(guī)律。

從國(guó)內(nèi)部分重點(diǎn)鋼鐵企業(yè)3200m3高爐燒結(jié)礦低溫還原粉化指標(biāo)RDI+3.15與壓差的對(duì)比，可以很明顯看到，在高比例燒結(jié)礦的高爐中，低溫還原粉化指標(biāo)好的高爐壓差總體比較低（見圖2）。

圖1 國(guó)內(nèi)某鋼鐵企業(yè)3200m3高爐RDI+3.15與上部壓差對(duì)比圖 %

圖2 國(guó)內(nèi)部分重點(diǎn)鋼鐵企業(yè)3200m3高爐燒結(jié)礦RDI+3.15與壓差的對(duì)比圖

3.1.2 塊礦爆裂性能對(duì)高爐透氣性的影響

高爐直接使用的天然塊礦需具備較高的品位、合適的粒度、較好的還原性、較少的有害元素。天然塊礦的熱爆會(huì)帶來(lái)塊狀料粉化，導(dǎo)致爐身塊狀帶透氣性變差。嚴(yán)重的會(huì)堵塞正常煤氣通路，造成局部煤氣流受阻，出現(xiàn)煤氣流失常。從鋼鐵材料冶煉周期來(lái)看，天然塊礦直接入爐的使用是比較經(jīng)濟(jì)的，減少礦山選礦階段消耗的大量電能和水量消耗；不用經(jīng)歷造塊過程，減少工序能耗，不存在SO2、NOX、二噁英等污染物的排放。因此，從節(jié)約能耗和減少污染物排放角度出發(fā)，需要提高天然塊礦的使用比例。

國(guó)內(nèi)鐵礦石以貧礦為主，符合直接入爐要求的高品位塊礦資源較少，大部分使用進(jìn)口的天然礦石。目前使用最多的是巴西、澳大利亞礦山開采的高品位塊礦資源，小部分也有使用國(guó)內(nèi)海南、印度、蒙古塊礦資源的。

塊礦爆裂性能是在700℃溫度下進(jìn)行測(cè)定的，比測(cè)定低溫還原粉化溫度要高。此溫度區(qū)間接近于高爐中溫區(qū)，處于塊狀帶中下部區(qū)域。在調(diào)整天然塊礦品種和比例變化時(shí)要注重相關(guān)區(qū)域壓差變化，爆裂性能較差的塊礦，布料時(shí)要避開中心區(qū)域和爐墻邊緣，會(huì)造成中心氣流和邊緣氣流受阻，造成壓差升高。嚴(yán)重的會(huì)造成中心氣流阻塞，出現(xiàn)邊緣氣流，造成小的局部管道行程（見圖3）。

圖3 天然塊礦熱爆指數(shù)對(duì)高爐壓差影響 %

近年來(lái)隨鐵礦石供需關(guān)系變化，鐵礦石質(zhì)量總體下降，不同品種、不同批次的塊礦資源熱爆性能都會(huì)有差距。相同塊礦資源的爆裂性能差距在1-2倍，不同品種塊礦差距更大，可以相差上3-4倍。從國(guó)內(nèi)某鋼鐵企業(yè)3200m3高爐近兩年使用澳礦塊、巴西塊、塞拉利昂等塊礦資源上看，隨礦石爆裂指數(shù)增加，11-13段壓差增大。爆裂指數(shù)每增加1%，壓差升高0.1個(gè)百分點(diǎn)。

3.2 中溫還原性能對(duì)高爐燃料比的影響

鐵礦石的還原性能檢測(cè)的是900℃時(shí)模擬高爐還原氣氛，以間接還原方式奪取氧量的難易程度。還原性的好壞與礦石的粒度、氣孔率、礦物結(jié)構(gòu)、礦物成分等有很大關(guān)系。礦石還原性能好，間接還原容易，增加間接還原的比例，可以減少直接還原的消耗，有利于高爐降低燃料消耗。從大型高爐爐型演變趨勢(shì)上看，高爐向矮胖型發(fā)展，減少間接還原時(shí)間，不利于降低燃料比，需要提高礦石還原性能來(lái)適應(yīng)高強(qiáng)度冶煉的需要。

高堿度燒結(jié)礦還原性能最好，天然塊礦和球團(tuán)冶金性能偏差。

高堿度燒結(jié)礦還原性能好，冶金性能優(yōu)良，通過控制FeO含量和燒結(jié)工藝參數(shù)可以有效提高還原性，有利于高爐冶煉。還原性能與燒結(jié)礦低溫還原粉化、燒結(jié)礦粒度等指標(biāo)有直接對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此提高燒結(jié)礦還原性能也要兼顧其它指標(biāo)的變化程度。國(guó)內(nèi)高爐使用高比例燒結(jié)礦的爐料結(jié)構(gòu)，造成對(duì)燒結(jié)礦的依賴程度大，對(duì)高爐燃料比的影響較大。以國(guó)內(nèi)某3200m3高爐燒結(jié)礦對(duì)燃料比影響規(guī)律統(tǒng)計(jì)來(lái)看，燒結(jié)礦還原性每提高1%，燃料比降低2.3個(gè)百分點(diǎn)（見圖4）。

圖4 國(guó)內(nèi)某3200m3高爐燒結(jié)礦還原性對(duì)燃料比影響

圖5 國(guó)內(nèi)外3200m3高爐壓差對(duì)比 %

3.3 高溫荷重軟化熔滴性能對(duì)料柱透氣性的影響

礦石從上到下逐漸過渡到高溫區(qū)，由離散的塊狀帶變?yōu)榻蝗诘能浫蹘В谏仙邷孛簹饬鞯淖饔孟拢纬膳c爐型匹配的軟熔帶形狀，整個(gè)料柱60%-70%的壓差損失在此區(qū)域。現(xiàn)有酸性球團(tuán)和高堿度燒結(jié)礦的爐料結(jié)構(gòu)局限性明顯，首先酸性球團(tuán)礦軟化開始溫度低，造成軟化熔融區(qū)間延長(zhǎng)，其次整體礦石品位低，渣量大，造成軟熔帶過厚，料柱整體壓差高。從同容積高爐操作參數(shù)上對(duì)比，國(guó)外某3200m3高爐整體壓差較低，在頂壓低一半的情況下，渣量?jī)H為國(guó)內(nèi)高爐的42%，料柱壓差為國(guó)內(nèi)某同容積高爐壓差的79%（見圖5）。

因此，應(yīng)從提高球團(tuán)礦軟化溫度，縮小與高堿度燒結(jié)礦軟化溫度差距，降低整體料柱軟熔溫度區(qū)間的角度出發(fā)來(lái)進(jìn)行爐料結(jié)構(gòu)優(yōu)化。從國(guó)內(nèi)某3200m3高爐燒結(jié)礦軟化熔滴區(qū)間對(duì)料柱壓差的影響來(lái)看，軟化熔滴區(qū)間窄料柱整體壓差低，高爐透氣性好，有利于高爐指標(biāo)的提升。隨軟化溫度區(qū)間的增大，爐料壓差增大，呈現(xiàn)正相關(guān)對(duì)應(yīng)關(guān)系，每增加1℃，壓差增加0.8KPa（見圖6）。

4.應(yīng)對(duì)措施

4.1 提高燒結(jié)礦冶金性能

燒結(jié)礦使用比例較大，對(duì)高爐的影響必然大，因此要重視燒結(jié)礦冶金性能的提高。噴灑氯化鈣溶液可以提高低溫還原粉化性能，但是氯離子對(duì)后道工序設(shè)備壽命影響較大，需要綜合考慮使用的經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)更多從優(yōu)化配礦結(jié)構(gòu)、調(diào)整工藝參數(shù)等方面進(jìn)行改進(jìn)。還原性能與燒結(jié)礦的粒度、FeO含量等影響較大，對(duì)高爐燃料比影響顯著，遠(yuǎn)高于球團(tuán)礦和天然塊礦，要重視還原性能的改善。高溫軟化熔滴特性要力求降低軟熔溫度區(qū)間，減少軟熔帶的壓力損失，提高軟熔帶的透氣性，盡量降低熔滴性能總特征S值。

圖6 軟化溫度區(qū)間對(duì)高爐壓差的影響

4.2 提高球團(tuán)礦冶金性能

高硅酸性球團(tuán)礦的還原性能較燒結(jié)礦要差很多，隨著硅含量提高，渣量增大，軟熔溫度區(qū)間增大，熔滴性能總特征值增加較多。抗壓強(qiáng)度高的球團(tuán)其還原性低于抗壓強(qiáng)度低的球團(tuán)，應(yīng)控制合適的抗壓強(qiáng)度。豎爐工藝制備的球團(tuán)礦，其均勻性比鏈蓖機(jī)-回轉(zhuǎn)窯和帶式焙燒機(jī)有所差別，個(gè)別球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度差別在5-6倍之間，使得球團(tuán)礦冶金性能相差較多，對(duì)高爐指標(biāo)影響較大。需要盡量降低球團(tuán)礦SiO2含量，選擇適宜的抗壓強(qiáng)度，選用焙燒均勻，粒度適宜的球團(tuán)礦至關(guān)重要。

4.3 天然塊礦

天然塊礦屬于生礦，是不經(jīng)過人為配加燃料或使用煤氣造塊的，減少了制備時(shí)生成污染物的過程，在性價(jià)比經(jīng)濟(jì)時(shí)值得加大比例。但天然塊礦熱爆性能和還原性差別很大，不同礦種差別更大，所以在使用時(shí)應(yīng)該尊重高爐需要長(zhǎng)期穩(wěn)定的運(yùn)行規(guī)律，減少品種的更替，減少小品種礦石的配加比例。在使用時(shí)要篩分干凈，減少粉末入爐，雨季生產(chǎn)時(shí)避免使用無(wú)法篩分的塊礦，及時(shí)清理篩網(wǎng)，必要時(shí)使用廢氣余熱進(jìn)行烘干處理。一般說(shuō)來(lái)，褐鐵塊礦還原性能較磁鐵礦和赤鐵礦要好，不能單從還原性方面衡量。

5.結(jié)語(yǔ)

礦石冶金性能的測(cè)定是模擬爐料在高爐內(nèi)的氣氛和溫度下的測(cè)定結(jié)果，其性能好壞對(duì)高爐透氣性和運(yùn)行指標(biāo)的影響很明顯，應(yīng)引起足夠重視。我國(guó)高爐爐料結(jié)構(gòu)以高比例燒結(jié)礦為主，燒結(jié)礦的冶金性能對(duì)高爐順行具有決定作用。低溫還原粉化對(duì)高爐上部透氣性影響比較明顯，RDI+3.15每增加1%，上部壓差降低0.7個(gè)百分點(diǎn)。燒結(jié)礦還原性能對(duì)高爐燃料比影響較大，每提高1%，燃料比降低2.3個(gè)百分點(diǎn)。隨軟化溫度區(qū)間的增大，爐料壓差增大，呈現(xiàn)正相關(guān)對(duì)應(yīng)關(guān)系，每增加1℃，壓差增加0.8KPa。不同品種天然塊礦爆裂指數(shù)相差很大，同品種礦石相差1-2倍，不同品種礦石相差3-4倍，每增加1%，壓差升高0.1個(gè)百分點(diǎn)。

[1] 葉匡吾. 高爐爐料結(jié)構(gòu)與精料[J].湖南：燒結(jié)球團(tuán)，2001.

[2] 伍成波.改善低硅燒結(jié)礦低溫還原粉化性能的研究[J].鋼鐵，2010，04.

[3] 姜鑫. 高爐爐料中合理利用含MgO原料的基礎(chǔ)理論研究[J].東北大學(xué)，2008，05

[4] 吳勝利. 高爐提高天然塊礦使用比例的研究[J].鋼鐵，2009，11

[5]吳勝利,孫金鐸,杜建新,等.冶金研究[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2005.

（作者單位：河鋼集團(tuán)鋼研總院）