新疆昆玉鋼鐵高爐高M(jìn)gO爐料結(jié)構(gòu)優(yōu)化生產(chǎn)實踐

王 利

（新疆昆玉鋼鐵有限公司，新疆 昆玉833200）

1 前 言

新疆昆玉鋼鐵煉鐵廠現(xiàn)有兩座450 m3在產(chǎn)高爐，配置1臺210 ㎡帶式抽風(fēng)燒結(jié)機(jī)及1條60萬t/a鏈篦機(jī)—回轉(zhuǎn)窯球團(tuán)生產(chǎn)線，兩座高爐開爐初期，受疆內(nèi)鐵礦石價格大幅度上漲及去產(chǎn)能雙重壓力的影響，生鐵成本居高不下，嚴(yán)重制約了企業(yè)的市場競爭力和生存空間。昆玉鋼鐵抓住有利時機(jī)，在穩(wěn)定進(jìn)口鐵礦粉供應(yīng)的同時，逐漸加大價格較低廉的高M(jìn)gO磁鐵礦粉進(jìn)口比例，大比例使用高M(jìn)gO磁鐵礦粉，以降本增效。近年來，高爐、燒結(jié)、球團(tuán)等各生產(chǎn)工序相繼開展了高M(jìn)gO 渣、高M(jìn)gO 低硅燒結(jié)及含MgO 酸性球團(tuán)生產(chǎn)工藝調(diào)整，在逐漸增加進(jìn)口高M(jìn)gO磁鐵礦粉使用配比的同時，努力提高各項技術(shù)質(zhì)量指標(biāo)，降低生產(chǎn)成本與工序能耗。然而，高爐合理的爐料結(jié)構(gòu)不僅需要提高燒結(jié)、球團(tuán)礦等入爐料質(zhì)量指標(biāo)，還應(yīng)考慮各爐料間合理搭配比例及性能協(xié)同優(yōu)化問題。為此，結(jié)合有關(guān)資料研究，根據(jù)燒結(jié)—球團(tuán)各工序的不同工藝特點及高爐冶煉需求，開展了高爐高M(jìn)gO渣系性能研究及入爐料結(jié)構(gòu)協(xié)同優(yōu)化探討，提出了“以高爐為中心”合理使用高M(jìn)gO磁鐵礦粉的爐料結(jié)構(gòu)優(yōu)化見解，為高爐實現(xiàn)高M(jìn)gO爐料結(jié)構(gòu)功效最大化及生鐵成本最優(yōu)提供指導(dǎo)。

2 爐料結(jié)構(gòu)及高爐生產(chǎn)情況

近年來，昆玉鋼鐵高爐爐料結(jié)構(gòu)主要是以高M(jìn)gO高堿度燒結(jié)礦配加含MgO酸性球團(tuán)礦入爐［1］。隨著爐料中高M(jìn)gO 磁鐵礦粉配加量的增加，燒結(jié)礦、球團(tuán)礦的強(qiáng)度和高溫軟熔性能也發(fā)生了改變。昆玉鋼鐵高爐在使用高M(jìn)gO爐料后，爐況處于間斷不穩(wěn)定狀態(tài)，雖然在操作上也做相應(yīng)的調(diào)整及大膽嘗試，但高爐煤氣利用波動較大，間斷發(fā)生掉渣皮及崩、滑料現(xiàn)象，爐況難以實現(xiàn)長周期穩(wěn)定順行，沒有達(dá)到使用高M(jìn)gO 爐料穩(wěn)定爐況、優(yōu)化指標(biāo)的目的。昆玉鋼鐵高爐爐渣成分及高爐重點技術(shù)指標(biāo)生產(chǎn)情況見表1。

表1 昆玉鋼鐵高爐爐渣成分及高爐重點技術(shù)指標(biāo)生產(chǎn)情況

因此，在昆玉鋼鐵現(xiàn)有進(jìn)口高M(jìn)gO鐵礦資源供給充足條件下，合理選擇適宜的造渣制度，最大比例使用價格低廉的高M(jìn)gO磁鐵礦粉，做到既降低配礦成本，又能滿足高爐生產(chǎn)需求的高M(jìn)gO渣系性能研究，已成為亟待需要解決的問題。

3 高M(jìn)gO渣系性能研究

3.1 爐渣熔化溫度變化

在Al2O3為15%時的CaO-SiO2-MgO-Al2O3四元渣系等溫度相圖［1］（見圖 1）中添加兩條等 MgO 線（10%、17%）。可以看出，爐渣的熔化溫度受二元堿度及爐渣中MgO含量變化影響較大，當(dāng)爐渣二元堿度一定時，隨著MgO 含量的升高，爐渣的熔化溫度逐漸升高。當(dāng)爐渣MgO含量為10%，爐渣熔化溫度隨著二元堿度的升高變化較大，當(dāng)二元堿度為1.1左右時，對應(yīng)的（A區(qū)域）為昆玉鋼鐵高爐近年來爐渣熔化溫度區(qū)間，此熔化溫度區(qū)間隨爐渣二元堿度變化波動較為明顯，不利于爐況穩(wěn)定。而隨著爐渣MgO含量升高至17%時，爐渣的熔化溫度隨之略升高20～30 ℃，此爐渣熔化溫度基本穩(wěn)定在1 450 ℃等溫線上（B 區(qū)域），即使二元堿度在0.95～1.15 較大范圍變化，爐渣熔化溫度仍具有良好的穩(wěn)定性。由此研究發(fā)現(xiàn)：MgO 含量為17%的爐渣，在二元堿度一定范圍內(nèi)，具有較高的熔化溫度和良好的穩(wěn)定性且受二元堿度變化影響較小，有利于高爐軟熔帶的穩(wěn)定及煤氣利用的提高。

3.2 爐渣黏度變化

高爐正常冶煉適宜的爐渣黏度應(yīng)控制在0.4 Pa·s 以下，提高爐渣MgO 含量是調(diào)整爐渣黏度為0.3～0.4 Pa·s的有效措施之一［2］。在高爐正常生產(chǎn)中，排出爐外的爐渣溫度一般為1 500 ℃左右，由CaO-SiO2-MgO-Al2O3四元渣系等黏度相圖（見圖2）所示。在1 500 ℃時，爐渣MgO含量由10%增加至17%，即使?fàn)t渣二元堿度在0.90～1.10 較大范圍波動，爐渣黏度也能穩(wěn)定在0.3～0.4 Pa·s（圖2A 區(qū)域），完全能達(dá)到理想爐渣黏度狀態(tài)。尤其MgO 含量為17%的爐渣，當(dāng)爐況波動造成爐渣溫度降至1 400 ℃左右時，其黏度也能保持在0.6 Pa·s 以內(nèi)（圖2B區(qū)域），爐渣仍具有良好的流動性，不會因爐渣黏度急劇升高導(dǎo)致爐況不順現(xiàn)象。

圖2 CaO-SiO2-MgO-Al2O3四元渣系等黏度相圖

3.3 爐渣脫硫排堿性能的變化

提高爐渣脫硫排堿能力，可以有效降低［S］及堿金屬等有害元素在高爐內(nèi)的循環(huán)富集，保證生鐵質(zhì)量和高爐穩(wěn)定順行。近年來，昆玉鋼鐵高爐入爐有害元素，主要是堿金屬（Na2O＋K2O）及鋅（Zn）負(fù)荷偏高。分析發(fā)現(xiàn)，昆玉鋼鐵高爐入爐堿金屬負(fù)荷高達(dá)4.4 kg/t以上，最高峰值達(dá)6.5 kg/t；鋅負(fù)荷高達(dá)0.94 kg/t，最高峰值達(dá)1.1 kg/t。過高的堿金屬及鋅負(fù)荷會造成爐內(nèi)循環(huán)富集，并加劇了燒結(jié)礦的還原粉化及球團(tuán)礦的異常膨脹，導(dǎo)致料柱透氣性下降，給高爐的冶煉操作帶來不利影響。提高M(jìn)gO 含量并適當(dāng)降低爐渣堿度，可以降低渣中K2O、Na2O 活度，抑制堿金屬及鋅在高爐下部高溫區(qū)的還原，同時減少堿金屬和鋅在爐內(nèi)的富集，并能改善爐渣脫硫動力學(xué)條件，提高爐渣脫硫排堿能力。借助歐洲某鋼鐵公司正常生產(chǎn)時的高爐高M(jìn)gO 低堿度爐渣成分中可以發(fā)現(xiàn)，高M(jìn)gO低堿度爐渣具有較強(qiáng)的脫硫排堿能力（見表2）。

表2 歐洲某鋼鐵公司正常生產(chǎn)時的高爐爐渣成分

3.4 爐渣成分控制范圍

通過以上理論研究發(fā)現(xiàn)，MgO含量為17%的爐渣，不僅具有較高的熔化溫度和良好的穩(wěn)定性，能夠改善爐內(nèi)軟熔帶縱向和圓周方向上的溫度分布，有利于煤氣利用及爐況穩(wěn)定，并且爐渣具有良好的流動性和脫硫排堿能力。目前在昆玉鋼鐵高爐渣中MgO 含量為10%左右的基礎(chǔ)上，逐步提高高M(jìn)gO 爐料入爐比例，滿足爐渣MgO17%的同時，適當(dāng)降低爐渣的二元堿度，二元堿度調(diào)整以鐵水中［S］控制在一類鐵為依據(jù)，將爐渣R2維持在1.0±0.05范圍內(nèi)較為適宜。

4 高M(jìn)gO爐料性能及結(jié)構(gòu)優(yōu)化探討

爐料結(jié)構(gòu)優(yōu)化就是對燒結(jié)礦、球團(tuán)礦等爐料的礦物組成按一定比例進(jìn)行科學(xué)、合理搭配，使?fàn)t料的強(qiáng)度、還原性及高溫軟熔性能在滿足高爐生產(chǎn)過程中對其透氣性、爐渣性能及爐況順行等因素的冶煉需求，實現(xiàn)高爐高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、低耗、長壽為目的的綜合性研究。

4.1 提高M(jìn)gO對燒結(jié)礦性能的影響

多年來的理論研究和生產(chǎn)實踐表明，高堿度燒結(jié)礦具有良好的還原性和高溫軟熔性能。由于高堿度燒結(jié)礦是以強(qiáng)度好、還原性好的鐵酸鈣為主要黏結(jié)相，當(dāng)高堿度燒結(jié)礦中MgO 含量過高時，會導(dǎo)致燒結(jié)礦強(qiáng)度變差，其主要原因是MgO在燒結(jié)過程中易與Fe3O4反應(yīng)生成鎂磁鐵礦，阻礙Fe3O4氧化成Fe2O3，即阻礙了鐵酸鈣的生成，造成燒結(jié)礦強(qiáng)度和還原性變差。

高M(jìn)gO 高堿度（MgO 為2.4%，自由堿度2.0）燒結(jié)礦在還原軟熔過程中，MgO易與SiO2、Al2O3、浮氏體結(jié)合，形成鈣鎂橄欖石、鎂黃長石、鎂鐵黃長石等熔體的初渣，導(dǎo)致未熔渣堿度升高，使CaO 與SiO2結(jié)合形成2CaO·SiO2硅酸二鈣為主相的高熔點難熔渣粉，在燒結(jié)礦表面不斷析出，造成未熔渣與熔化渣之間嚴(yán)重的成分偏析［3］，惡化燒結(jié)礦的高溫軟熔性能。因此，高M(jìn)gO高堿度燒結(jié)礦在高爐內(nèi)會嚴(yán)重影響軟熔帶的位置和形狀，導(dǎo)致軟熔帶的不穩(wěn)定，使煤氣流分布不勻，極易形成管道氣流及崩、滑料現(xiàn)象，造成高爐順行受阻。近年來，昆玉鋼鐵兩座高爐爐況表現(xiàn)說明，使用高M(jìn)gO高堿度燒結(jié)礦配加酸性球團(tuán)的爐料，高爐操控難度較大，風(fēng)壓、風(fēng)量易呆滯，爐渣脫S排堿能力減弱，高爐崩、滑料現(xiàn)象較多，高爐難以維持長周期的爐況順行。所以，就高M(jìn)gO 高堿度燒結(jié)礦的還原性和高溫軟熔性能對高爐的影響而言，應(yīng)降低燒結(jié)礦中高M(jìn)gO磁鐵礦粉使用比例，降低燒結(jié)礦中MgO 含量為宜。另外，從燒結(jié)工藝角度考慮，高堿度燒結(jié)礦中MgO 含量過高，不僅會降低燒結(jié)機(jī)的生產(chǎn)效率及燒結(jié)礦的機(jī)械強(qiáng)度，而且會增加燒結(jié)配碳量，使燒結(jié)工序能耗上升，不利于燒結(jié)成本的降低。

當(dāng)燒結(jié)礦堿度降低為1.0 時，增加燒結(jié)料中一定數(shù)量的MgO（10%～15%）含量，可降低硅酸鹽的熔點，液相流動性好，而且MgO 的存在可以阻止高熔點2CaO·SiO2的形成并抑制其晶型轉(zhuǎn)變，這不僅對提高燒結(jié)礦強(qiáng)度有良好作用，而且由于MgO的加入生成鈣鎂橄欖石，而阻礙了難還原的鐵橄欖石形成，使燒結(jié)礦的還原性能得到提高［4］。

4.2 提高M(jìn)gO對球團(tuán)礦性能的影響

酸性球團(tuán)礦由于其軟化溫度低、軟熔區(qū)間寬和還原膨脹率高等性能缺陷，不利于高爐強(qiáng)化冶煉及爐況順行。高爐生產(chǎn)中，一般要求合格球團(tuán)礦的膨脹率＜20%。隨著高M(jìn)gO磁鐵精礦粉配比的提高，球團(tuán)礦可起到減少還原膨脹的作用，從顯微結(jié)構(gòu)看，是由于Mg2+離子能自由置換磁鐵礦晶格中的Fe2+離子，并均勻分布在浮氏體內(nèi)，并能減慢還原離子的遷移速度，起到抑制球團(tuán)礦膨脹的作用。借助荷蘭艾莫伊登廠試驗研究的球團(tuán)礦堿度與還原膨脹指數(shù)的關(guān)系圖（見圖3），昆玉鋼鐵高爐近年來使用的球團(tuán)礦四元堿度在A-B區(qū)域，其還原性膨脹率在30%以上，當(dāng)增加球團(tuán)礦入爐比例，會使高爐料柱透氣性變差導(dǎo)致煤氣分布失常，嚴(yán)重影響高爐的正常冶煉。

圖3 荷蘭球團(tuán)礦堿度與還原膨脹指數(shù)的關(guān)系

由此可見，提高球團(tuán)礦MgO 含量，可有效抑制球團(tuán)礦的還原膨脹和粉化。生產(chǎn)高M(jìn)gO球團(tuán)礦，使其四元堿度＞1.0，可有效降低還原膨脹率在20%以內(nèi)，提高球團(tuán)礦入爐比例，改善高爐冶煉進(jìn)程。

高M(jìn)gO 磁鐵礦球團(tuán)在高溫氧化氣氛中焙燒時可與鐵氧化物生成穩(wěn)定的鐵酸鎂（MgO·Fe2O3）、鎂磁鐵礦［（Mg·Fe）O·Fe2O3］等含鎂物質(zhì)，阻礙難還原的鐵橄欖石和鈣鎂橄欖石的形成，促進(jìn)了礦粉顆粒之間的粘結(jié)，在還原時不會發(fā)生Fe2O3轉(zhuǎn)變成Fe3O4反應(yīng)，而生成FeO 和MgO 固溶體，從而提高了球團(tuán)礦的軟化溫度和高溫還原強(qiáng)度。在高爐內(nèi)高M(jìn)gO 球團(tuán)礦在高溫還原過程中生成的含MgO（3.14%～3.8%）的鎂浮氏體和含MgO（7.2%～12.3%）的鐵鎂橄欖石等硅酸鹽渣都具有較高的熔化溫度（＞1 390 ℃），因而其軟熔性能和高溫還原性能均良好，可降低爐內(nèi)軟熔帶位置高度，有利于提高間接還原反應(yīng)，降低高爐燃料消耗。

另外，昆玉鋼鐵進(jìn)口的高鎂精礦粉是以磁鐵礦為主，由于高M(jìn)gO磁鐵精礦粉中MgO顆粒細(xì)小，在焙燒時氧化分解和礦化作用完全，有利于鐵酸鎂的形成，這對提高球團(tuán)礦的還原性有重要作用，并且使用磁鐵精礦粉生產(chǎn)的球團(tuán)，在氧化氣氛中焙燒時易發(fā)生氧化、放熱和晶格轉(zhuǎn)變，所需的溫度和熱耗都較低，易于焙燒固結(jié)，有利于球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度的提高。球團(tuán)礦強(qiáng)度與焙燒溫度的關(guān)系見圖4。

圖4 球團(tuán)強(qiáng)度與焙燒溫度的關(guān)系

依據(jù)昆玉鋼鐵現(xiàn)有生產(chǎn)裝備水平及進(jìn)口高M(jìn)gO磁鐵礦資源條件下，通過其化學(xué)成分的調(diào)劑和焙燒工藝制度的調(diào)整，可以生產(chǎn)軟熔性能和高溫還原性能優(yōu)良的高品位（＞64%）、低硅（≤4%）、高鎂（＞3.5%）酸性優(yōu)質(zhì)球團(tuán)，最大限度使用高M(jìn)gO 磁鐵精礦粉，降低配礦成本的同時為高爐降低燃料比創(chuàng)造條件。

4.3 爐料結(jié)構(gòu)的調(diào)整優(yōu)化

以高堿度低MgO 燒結(jié)礦配加高M(jìn)gO 酸性球團(tuán)礦的爐料，既發(fā)揮了高堿度燒結(jié)礦優(yōu)良的冶金性能，又發(fā)揮了高M(jìn)gO 球團(tuán)礦高品位、低渣量的優(yōu)勢，最大限度地配加高M(jìn)gO 磁鐵精礦粉，在滿足高爐造渣及爐況順行需求的同時，降低配礦成本。相比高M(jìn)gO高堿度燒結(jié)礦配加低MgO酸性球團(tuán)礦的爐料而言，高堿度低MgO 燒結(jié)礦配加高M(jìn)gO 酸性球團(tuán)礦的爐料可整體改善綜合爐料的初渣形成能力，具有良好的機(jī)械強(qiáng)度、還原性及高溫軟熔性能，可使高爐軟熔帶位置下移，軟熔區(qū)間變窄，繼而改善料柱透氣性，有利于煤氣利用的提高及爐況順行的穩(wěn)定。

由于昆玉鋼鐵現(xiàn)有球團(tuán)生產(chǎn)設(shè)備不能滿足高爐大比例球團(tuán)配比的局限，燒結(jié)可生產(chǎn)部分高M(jìn)gO低堿度燒結(jié)礦以替代球團(tuán)生產(chǎn)的不足，滿足高爐渣中對MgO含量的需求。下一步，爐料結(jié)構(gòu)應(yīng)分步驟的調(diào)整，逐步實現(xiàn)以高堿度低MgO燒結(jié)礦配加高M(jìn)gO酸性球團(tuán)礦和部分高M(jìn)gO 低堿度燒結(jié)礦的綜合爐料，在滿足高爐穩(wěn)定順行的基礎(chǔ)上，搭配更合理的爐料結(jié)構(gòu)，發(fā)揮其爐料結(jié)構(gòu)功效最大化，最大限度地使用價格低廉的高M(jìn)gO磁鐵礦粉，實現(xiàn)生鐵成本最優(yōu)。

5 結(jié) 語

合理的爐料結(jié)構(gòu)，應(yīng)根據(jù)企業(yè)自身生產(chǎn)裝備水平、地理資源特點等多個環(huán)節(jié)，合理、經(jīng)濟(jì)的使用鐵礦資源進(jìn)行優(yōu)化調(diào)配，滿足高爐冶煉性能需求的綜合爐料，有利于為高爐穩(wěn)定順行和實現(xiàn)良好經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)創(chuàng)造條件。昆玉鋼鐵高爐應(yīng)以適宜的高M(jìn)gO低堿度爐渣作為爐料結(jié)構(gòu)的配料目標(biāo)，綜合考慮高M(jìn)gO爐料的冶金性能及對高爐有害元素、脫硫排堿等因素的影響，今后隨著爐料結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化和改進(jìn)，逐步提高高爐爐渣中MgO 至17%左右，控制爐渣二元堿度在1.0±0.05范圍內(nèi)是較合理。