基于燒結和高爐全流程的鞍鋼外購鐵礦石技術經濟性研究

劉杰 ，馬賢國 ，唐繼忠 ，周明順 ，朱建偉 ，廖相巍 ，姜濤

（1.鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山114009；2.中南大學資源加工與生物工程學院，湖南 長沙410083；3.鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司，遼寧 營口115007）

受全球經濟危機影響，鋼鐵產品需求量急劇下降，我國國內鋼鐵產能嚴重過剩，鋼鐵行業出現了激烈的競爭，許多企業減產或停產。面對這種惡劣的生存環境，最大限度地降低鋼鐵生產成本，提高企業整體競爭力，已經成為各個企業的一致追求。在鋼鐵生產過程中，鐵水成本占鋼材成本的75%～80%［1］，鐵礦石的成本又占鐵水成本的50%～60%［2］，因此，從鋼鐵源頭抓起，降低鐵前原料成本成為了企業生存和發展的前提。

國內外對鐵礦石的基礎特性和燒結特性［3-5］等進行了深入研究，已有許多相對成熟的評價方法和預測模型［6-10］，能夠在一定程度上提供技術建議和經濟決策。但是許多評價方法［11-14］只是針對煉鐵某個單元進行研究或測算，研究結果與真正的鋼鐵生產存在較大偏差，不能實現在不同市場價格下對鐵礦石全流程的綜合評價，無法體現其真正價值。因此，為了有效降低煉鐵生產成本，基于鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司 （以下簡稱“鲅魚圈”）煉鐵原料、設備規模、生產財務指標等條件，對鞍鋼經常使用的外購粉礦和可能使用的外購粉礦進行了從鐵礦石到鐵水全流程的系統性研究，以實現對鲅魚圈鐵礦石品種的采購和生產的技術和經濟性支持。

1 部分研究參數的設定

1.1 高爐系統參數設定

高爐系統以往年統計數據為基準，并根據目前的實際指標進行調整。其中設定基準月產量為24.6萬t，基準焦比為355 kg/t，基準渣比為350 kg/t，爐渣鎂鋁比為0.6，基準入爐品位為58.5%，噴吹煤比固定為150 kg/t，鐵水動力總成本為124萬元/月，鐵水Si含量為0.4%，鐵水S含量為0.03%，高爐爐料結構為75%燒結礦+25%球團礦。另外，固定焦炭和球團礦的價格和化學成分，并相應考慮整個煉鐵系統的環保成本，各種元素在鐵水和高爐渣中的分布比例，以及入爐品位對焦比、產量、動力成本等因素的影響。

1.2 燒結系統參數設定

燒結系統基準燒結礦品位設定為56.5%，基準焦粉比例為55 kg/t，基準Al2O3含量為2%，基準FeO含量為8.5%，基準堿度為2.0，基準氧化鎂含量為1.8%，基準料層厚度為850 mm，基準還原度為85%，基準燒結礦轉鼓強度為80.5%。另外，固定燃料成分和價格，并考慮燒結礦各成分間的交互影響，以及對焦粉用量、堿度、冶金性能、轉鼓強度、產量等因素的影響。

1.3 鐵礦石的化學成分和價格

根據市場2020年1～4月份數據，目前62%品位的鐵礦石普氏指數為84美元/t，65%品位的鐵礦石普氏指數為100美元/t，人民幣與美元兌換比例為7：1。鐵礦石和球團礦的化學成分和價格如表1所示。表1中普氏價格為各種鐵礦石統一按普氏指數測算的到廠不含稅價格，實際價格為2020年預測的各種鐵礦石到鲅魚圈分公司的實際不含稅價格。

表1 鐵礦石和球團礦的化學成分和價格Table 1 Chemical Compositions and Prices of Iron Ore and Pellets

由表1可知，目前部分品種鐵礦石的實際到廠價格與普氏指數價格之間存在溢價，主要是PB粉、紐曼粉、巴西卡粉和BRBF粉礦，其中BRBF粉礦的溢價最大，達到13.81元/t。有折扣的礦石品種主要有FMG混合粉、超特粉、羅伊山粉和金布巴粉礦，其中折扣最大的為超特粉，達到了69.48 元/t。

2 鐵礦石技術和經濟性評價

2.1 鐵礦石技術性評價

為保證高爐渣熔化性能和流動性，國內渣中Al2O3含量一般控制在15%以下，鲅魚圈高爐控制在14%左右。燒結用鐵礦石配比按照外購鐵礦石占比79%，鐵皮和混料、磁選粉、篩下粉、端部料等占比21%，外配25%返礦（自返和高返）測算。當使用單一品種鐵礦石進行燒結和高爐冶煉時，按照燒結混勻料全鐵品位高低變化排列，主要化學成分如表2所示。由表2可知，燒結礦中Al2O3含量由低到高的排序為YD、BRBF、SFCJ、RH、NM、FBF、SSF、PB、JBB。 高爐渣中 Al2O3含量由低到高的排序為 YD、BRBF、SSF、FBF、RH、NM、SFCJ、PB、JBB。燒結礦中Al2O3含量變化與鐵礦石一致，但與高爐渣并不全部一致。這是因為，當高爐渣中鎂鋁比和入爐燒結礦堿度一致時，使用不同鐵礦石冶煉，配加的焦比和產生的渣比不同。所以，鐵礦石中Al2O3含量高，燒結礦中Al2O3含量就高，但高爐渣中的Al2O3含量并不符合此規律，故鲅魚圈使用YD、BRBF、SSF和FBF時，可以降低高爐渣中的Al2O3含量。

表2 混勻料、燒結礦和高爐渣的主要化學成分（質量分數）Table 2 Main Chemical Components of Blended Materials，Sintered Ores and Blast Furnace Slag(Mass Fraction) %

不同品種礦石含鐵品位的變化情況如圖1所示。

圖1 不同品種礦石含鐵品位的變化Fig.1 Changes of Iron Grades of Different Varieties of Ores

由圖1可知，燒結混勻料的全鐵品位由高到低 的 排 序 為 SFCJ、NM、BRBF、PB、RH、JBB、YD、FBF、SSF。經過燒結后，由于燃燒的損失和增重不同，燒結礦的全鐵品位由高到低的排序變化為NM、SFCJ、YD、PB、RH、BRBF、JBB、FBF、SSF。其中部分鐵礦石的全鐵品位雖然低，但經過燒結后出現大幅升高。因此，鲅魚圈燒結配加NM、SFCJ、YD和PB有助于提高設置的全鐵目標品位。

不同品種礦石冶煉時的預測焦比和渣比如圖2所示。

由圖2可知，按照焦比的高低進行排序后，焦比的變化與燒結礦全鐵品位含量變化呈負相關性，燒結礦全鐵含量高的鐵礦石，高爐焦比低。但是，高爐渣比的變化并不與焦比和燒結礦全鐵品位呈線性關系，這與高爐評價系統設置的目標參數有關。在9種礦石中，SFCJ的渣比最低，為379.12 kg/t；JBB的渣比最高，為405.07 kg/t。

不同品種鐵礦石的預測鐵水月產量如圖3所示。由圖3可知，以高爐鐵水月產量目標24.6萬t為基準，月產量與綜合入爐品位的變化一致，呈線性相關，所以決定高爐產量的仍是入爐品位的高低。

圖3 不同品種鐵礦石的預測鐵水月產量Fig.3 Predicted Monthly Molten Iron Output of Different Varieties of Iron Ores

2.2 鐵礦石經濟性評價

以目前鲅魚圈粉礦的平均用量為基準，配礦方 案為 PB （33%）、RH （1%）、NM （10%）、YD（18%）、FBF（17%）、雜料（21%），用普氏指數和鐵礦石市場實際價格測算的燒結礦成本和鐵水成本分別如圖4和圖5所示。

圖4 不同鐵礦石燒結礦成本Fig.4 Cost of Sintered Ores Sintered by Different Iron Ores

圖5 不同鐵礦石鐵水成本Fig.5 Cost of Molten Iron Smelted by Different Iron Ores

由圖4可知，按照鐵礦石普氏指數價格計算的燒結礦成本由高到低排序，SFCJ、NM、PB和BRBF的實際燒結礦成本略高于普氏價格成本、而YD、RH、JBB、FBF和SSF的實際燒結礦成本低于普氏價格成本。9種鐵礦石中，SFCJ的實際燒結礦成本最高，達到743.94元/t；SSF的實際燒結礦成本最低，達到597.85元/t；而且SSF的實際燒結礦成本與普氏價格成本差值最大，其次為FBF和JBB。 與基準方案相比，配加 SSF、FBF、JBB、YD 和RH可以降低燒結礦生產成本。

由圖5可知，NM和PB實際鐵水成本與普氏價格成本基本相同，若按照目前的普氏指數購買，煉鐵利潤在盈虧平衡點附近；BRBF和SFCJ的實際鐵水成本高于普氏價格成本，若按照目前的普氏指數購買，煉鐵無利潤空間；而 YD、RH、JBB、FBF和SSF實際鐵水成本低于普氏價格成本，若按照目前的普氏指數購買，煉鐵會有一定利潤空間。

9種礦石中，JBB的實際冶煉鐵水成本最低，達到了2 169.95元/t；SSF的實際鐵水成本與普氏價格成本差值最大，其次是FBF和JBB，這也與燒結礦的成本基本一致。如果無需釋放高爐產能，與基準方案實際煉鐵成本（2 185.98元/t）相比，配加JBB、YD、SSF和FBF可以降低鐵水生產成本。

2.3 鲅魚圈低成本優化配礦探索

根據鐵礦石技術和經濟性評價結果，在以基準方案為基礎的條件下，配加JBB、YD、SSF和FBF三種鐵礦石可以有效降低煉鐵生產成本，為此設置優化限制參數：①對燒結礦和鐵水產量不做硬性要求；② 爐渣中Al2O3含量不高于14%；③爐渣二維堿度控制在1.15～1.25；④ 遵循鐵礦石物理和高溫性能的互補性進行配礦。

為了盡量保證燒結礦質量，尤其是轉鼓強度，根據實際生產經驗，全粉礦條件下，應注意以下幾點：① JBB粒度細，含磷高，燒結性能差于YD，粘結相強度不高，不宜超過30%，最佳20%以下；② YD粒度較粗，同化溫度低，液相流動性好，粘結相強度不高，最高配加比例不宜超過45%；③ SSF含錳高，基本配比在10%～30%，燒結性能差于YD；④ FBF基本配比在20%～30%，燒結性能差于YD。以上礦石與同化性溫度高、流動性稍差的巴西赤鐵礦（或精礦）搭配最佳，但為降低成本，在礦石資源條件有限的條件下，NM也可替代嘗試。

各種優化配礦方案、經濟指標及燒結礦質量指標預測情況見表3。

表3 優化配礦方案和經濟指標、燒結礦質量指標預測情況Table 3 Predictions for Optimized Ore-blending Scheme，Economic Indicator and Quality Index of Sintered Ores

由表3可知，優化方案1～4主要調整了JBB和YD的含量，方案5和6考察了FMG的兩種粉礦對成本的影響。分析測算結果可知，JBB的配比增大，鐵水成本降低；YD的配比增大，鐵水產量增加；SSF或FBF的配比增大，燒結礦成本降低，鐵水產量降低。較基準方案，燒結礦的500℃低溫還原粉化RDI+3.15指數，900℃的中溫還原度和轉鼓強度指標均沒有特別明顯變化，能夠滿足高爐冶煉。

方案1～6的鐵水成本在2 172元和2 174元之間波動，雖較基準方案降低了12～14元/t，但在不同方案之間變化幅度非常小。這種小差值很容易受原料價格變化、物料消耗高低、設備運行狀態以及操作人員技術管理水平等眾多外部和內部因素的影響，最終導致成本的波動。因此，在工業生產中，可根據實際資源條件，靈活調整配礦方案。

2.4 測算的不足

對鲅魚圈可能用鐵礦石的評價及研究結果仍有不足之處：

（1）燒結配礦的測算評價沒有考慮燒結礦粒度組成的影響；

（2）各種原料價格變化頻繁，與實際煉鐵成本仍有差別；

（3）測算過程中用到的許多影響因子多為統計數據或經驗數據，對于不同的企業，影響因子會有很大的不同；

（4）適宜鞍鋼的一體化成本測算還需要摸索和完善。

3 結論

（1）通過系統評價，9種鐵礦石按照高爐渣中Al2O3含量由低至高的排序為 YD、BRBF、SSF、FBF、RH、NM、SFCJ、PB、JBB。 研究結果認為，鐵礦石中Al2O3含量高，會導致燒結礦中Al2O3含量高，但高爐渣中Al2O3含量并不符合此規律。因此，部分高鋁的鐵礦石可以大量使用。

（2）9種鐵礦石中，燒結混勻料的全鐵品位與燒結礦的全鐵品位變化并不一致，鲅魚圈燒結配加NM、SFCJ、YD和PB有助于提高全鐵目標品位。高爐焦比的變化與燒結礦全鐵品位含量變化呈負相關性，高爐鐵水月產量與綜合入爐品位呈正相關性。

（3）目前普氏指數和實際市場價格體系下，用NM和PB冶煉，煉鐵無效益；用BRBF和SFCJ冶煉，煉鐵成本增加；用 YD、RH、JBB、FBF 和 SSF冶煉，煉鐵成本降低。與給定的基準方案相比，配加YD、JBB、FBF和SSF進行燒結后，在低溫還原粉化、中溫還原性能和轉鼓強度滿足高爐要求的條件下，鐵水成本會降低12～14元/t。