青島特鋼高爐用塊礦基礎性能分析

孫寶芳，周曉東，安玉兆，于 霞

（青島特殊鋼鐵有限公司，山東 青島266200）

1 前言

塊礦是高爐使用的重要含鐵原料之一，它是高爐合理爐料的重要組成部分，外購塊礦的化學成分、冶金性能直接影響高爐順行。對青島特鋼5種常用塊礦的性能情況進行對比分析，以期對高爐生產提供指導。鐵礦石的質量應包括化學成分、物理性能和冶金性能3個方面，其中化學成分是基礎，物理性能是保證，冶金性能是關鍵。

2 塊礦基礎性能分析

2.1 化學成分分析

對青島特鋼使用的5種進口塊礦進行化學分析，結果如表1所示。從表1可以看出：5種塊礦的含鐵品位均高于57%。有效熔劑CaO和MgO含量波動性較小，均含有少量的CaO和MgO。5種塊礦的SiO2含量均低于5%，較低的SiO2含量對于燃料比和渣量是有利的。5種塊礦Al2O3含量不是很高，最高的為PB塊礦的2.36%，FMG塊礦的Al2O3含量只有0.83%，塊礦的Al2O3含量低對于保證高爐爐渣的流動性。熔化性和脫硫效果是有利的。5種塊礦的P、S含量不是太高，除了馬來塊礦的K2O和Na2O較高之外，其余含量均較適中。5種塊礦的燒損值相差較大，馬來塊礦的燒損最大為9.87%，而巴西塊礦僅為1.99%。

2.2 熱爆裂性能

爆裂指數通常是企業評價塊礦的主要標準之一。塊礦的爆裂指數反應了其在高爐上部區域抗熱沖擊能力的大小，一般抗熱沖擊能力越大，其爆裂指數越小，產生的粉末越少。

試驗過程中需要的設備有：馬弗爐；試樣盒，由不起皮、可經受高于700℃溫度的耐熱金屬制成；試樣篩，包括25.0、20.0、6.30、3.15和0.50 mm的方孔篩。具體試驗方法：1）制樣。首先對塊礦樣品進行縮分取樣，選取粒度為20～25 mm的樣品，并在烘箱中于（105±5）℃下烘干12 h。對試樣進行重新篩分，選取20～25 mm的樣品，以除去所有附著的細礦石粒，并在（105±5）℃的烘箱中再次干燥12 h。試驗前將樣品放置于干燥器皿中，試驗時保證隨機取樣。2）稱量。稱取干燥后的試驗樣（500±1）g。3）加熱。將試樣鐵盒放在加熱的馬弗爐中開始加熱，當溫度達到700℃時，保持20 min，然后將試驗樣裝入試樣盒，蓋上蓋子，30 min后從加熱爐中取出試樣盒并使其冷卻到室溫。取出試樣，測定其質量（m1），并在6.30 mm、3.15 mm和0.50 mm篩子上手工進行篩分，測定并記錄下-6.30 mm粒度礦石的質量（m2）。按照式（1）進行熱裂指數計算。試驗結果如表2所示。

表1 5種塊礦的化學成分 %

式中：m1為熱處理后的試樣質量，g；m2為篩分后＜6.30 mm粒度礦石的質量，g。

試驗測定5種塊礦的熱爆裂指數PB塊礦、紐曼塊礦和FMG塊礦的熱裂指數均高于11%，紐曼塊礦的熱裂指數更是高達17.4%，大量使用紐曼塊礦會使得高爐的中上部透氣性明顯下降。馬來塊礦和巴西塊礦的熱裂指數較低，馬來塊礦的熱裂指數僅為1.5%。對于高爐容積越大的爐子，熱裂指數越小越好。從熱裂指數評價5種塊礦，馬來塊礦和巴西塊礦較好，紐曼塊礦較差。

表2 5種塊礦的熱爆裂指數測定結果

2.3 還原性能

還原性是評價塊礦的一個非常重要的指標。還原性的好壞很大程度上影響燒結礦還原的速率，能夠改善高爐煤氣的利用率，從而影響高爐冶煉的技術經濟指標。在相同的還原條件下，塊礦的還原性越好，其還原速度就越快，有助于高爐發展間接還原，改善煤氣利用率，降低焦比，提高產量。了解各種塊礦的還原特點，對分析塊礦在高爐中的行為以及選擇高爐操作參數等具有重要的參考意義。

本次青島特鋼塊礦還原性試驗按照國家標準GB 13241—91檢驗方法所使用的裝置及工藝參數進行。

1）試驗參數。還原氣體成分：CO，（30±0.5）%（V/V）；N2，（70±0.5）%（V/V）。還原氣體的流量：在整個試驗期間，還原氣體的標態流量保持（15±1）L/min。試驗溫度：試樣在900℃的溫度下還原，在整個試驗期間保持在（900±10）℃。

2）試樣準備。試驗前取500 g試驗試樣在（105±5）℃的溫度下烘干，烘干時間≮2 h，然后冷卻至室溫，并保存在干燥器中備用。燒結礦試驗試樣的粒度范圍為10.0～12.5 mm。

3）試驗過程。將試樣放到還原反應管中，可以把試樣直接放在多孔板上，試樣表面要鋪平，在多孔板和試樣之間放兩層粒度為10.0～12.5 mm的高氧化鋁球，在高氧化鋁球上再放1塊多孔板，試樣放在多孔板上。封閉還原管的頂部，將惰性氣體（常用N2）通入還原管，標態流量為5 L/min，接著將還原管放到還原爐里，并把它懸掛在稱量裝置的中心，保證反應管不與爐子或加熱元件接觸。還原管放入爐內時，爐內溫度≯200℃。開始加熱，升溫速度≯10℃/min。當試樣達到900℃時，增大惰性氣體標態流量到15 L/min。在900℃恒溫30 min，溫度波動在（900±10）℃。以標態流量為15 L/min的還原氣體代替惰性氣體通入還原反應管中，還原時間為3 h。還原3 h后，試驗結束，切斷還原氣體，先向還原管通入標態流量為15 L/min的惰性氣體，然后將還原管連同試樣提到爐外進行冷卻。冷卻終點溫度＜100℃。

通過縱向觀察兩組曲線，泥質夾層對鹽巖整體影響不大，但無論鹽巖是否經過鹵水飽和處理，含有夾層試樣峰值強度均小于不含夾層試樣；含夾層試樣屈服階段均有不同程度的小于天然狀態下試樣。究其原因：含泥質夾層鹽巖結構面薄弱，且泥質夾層的抗壓能力小于原有鹽巖試件。

4）試驗分析。用還原度計算公式計算燒結礦的還原度。還原度計算公式為：

式中：Rt為還原t時間的還原度，%；m0為試樣質量，g；m1為還原開始前試樣質量，g；mt為還原tmin后試樣質量，g；W1為還原前試樣中FeO含量，%；W2為試驗前試樣中全鐵含量，%。

5種塊礦的還原性試驗結果見表3。

表3 5種塊礦的還原性試驗結果

從表3可以看出，PB塊礦的還原性最好，馬來塊礦和FMG塊礦次之，巴西塊礦較差，紐曼塊礦最差。紐曼塊還原性差與其熱爆裂性高有直接關系，巴西塊礦的熱爆裂性很低，但是其磁鐵礦含量較高，故巴西塊礦的還原度均較低。從還原性的角度來評價5種塊礦，PB塊礦較好，紐曼塊礦較差。

2.4 軟熔性能

高爐軟熔帶的位置、形狀和大小對順行、產量、燃料消耗量及鐵水成分影響很大，高爐冶煉要求軟化熔融開始溫度不宜過低，軟化與熔融溫度區間不宜過寬。

本次試驗采用的軟熔性能測試方法在荷重條件、溫度制度和氣氛方面都基本上模擬高爐的條件，最高試驗溫度可達到1 600℃，試驗溫度和料層收縮率均由計算機自動記錄。塊礦軟熔試驗的試驗條件如表4所示。

表4 軟熔性能試驗工藝參數

以位移傳感器測定料面下降毫米數據，料面收縮率為10%時的試樣溫度為開始軟化溫度，料面收縮率為40%時的試樣溫度為軟化終點溫度，兩者之間的溫度差值為軟化溫度區間；第一滴鐵水滴落時的溫度為滴落溫度，滴落溫度與料面收縮40%的溫度為熔融區間。本次試驗研究以試樣軟化收縮40%的溫度作為熔融開始溫度，即軟化終點溫度可以作為熔融開始溫度，則熔融區間可以表示為△Td=Td-T40。試驗結果見表5。

表5 5種塊礦的軟化熔滴性能試驗結果

從表5可以看出，5種塊礦帶軟化開始溫度均低于1 000℃，馬來塊礦的軟化開始溫度最低為850℃，巴西塊礦和紐曼塊礦的軟化開始溫度均高于960℃，軟化終點溫度也均超過了1 300℃，說明軟化開始和終點溫度與還原度有關。還原度較差的紐曼塊礦和巴西塊礦的軟化開始溫度和終點溫度較高，相應的軟熔帶位置下移。最寬的為巴西塊礦達到了434℃，最窄的為PB塊礦為273℃。對于塊礦而言，一般的軟化開始溫度較低，軟化終點溫度較高，導致其軟化區間過寬，使得高爐軟熔帶部位區間壓差過高，透氣性不好。5種塊礦的熔融溫度區間△Td相差較大，PB塊礦和FMG塊礦的熔融區間最高為326℃，巴西塊礦的熔融區間最低為79℃。相應的軟化區間較大的塊礦，熔融區間較窄。從軟熔性能對5種塊礦來評價較難區分塊礦的好壞，因為5種塊礦的軟熔區間均較寬，不易進行評價。

3 結論

3.1 5種塊礦化學成分差異較大，高爐需搭配其他礦種，滿足生產需求。

3.2 5種塊礦熱爆裂性差異較大，馬來礦和巴西礦的熱爆裂性較低，適合高爐使用；其余3種塊礦的熱爆裂性較高，使用時注意其在高爐上部的粉化率。

3.3 5種塊礦還原性能最好的為PB塊礦，最差的為紐曼塊礦，使用時須將還原性能好的和差的塊礦搭配使用。

3.4 5種塊礦中，巴西塊礦和紐曼塊礦的軟化開始溫度和軟化終點溫度較高，軟化區間較寬，而其他3種塊礦的熔融區間較寬。