萊鋼高爐用含鐵爐料熔滴性能試驗(yàn)及分析

梁 棟，周小輝，石紅燕，張 毅

（萊蕪鋼鐵集團(tuán)有限公司，山東 萊蕪 271104）

1 前言

含鐵爐料良好的冶金性能是保障高爐順行、節(jié)燃增產(chǎn)的前提條件。熔滴試驗(yàn)可對(duì)礦種綜合冶金性能進(jìn)行檢測(cè)。其加壓、升溫、還原、熔滴過(guò)程已涵蓋了通常冶金試驗(yàn)中礦石熱爆裂性、還原性、粉化性、荷重軟化性能、熔化滴落性能、料阻變化等基本冶金特性［1］。因此，該試驗(yàn)對(duì)于高爐含鐵爐料冶金性能的把握具有重要的意義。但由于熔滴試驗(yàn)成本較高且檢測(cè)耗時(shí)，不同研究者對(duì)于熔滴性能指標(biāo)定義及計(jì)算難于統(tǒng)一等原因，目前國(guó)內(nèi)鋼鐵企業(yè)并未將該試驗(yàn)作為常規(guī)檢測(cè)。多數(shù)企業(yè)僅在高爐爐況出現(xiàn)重大變化時(shí)通過(guò)該試驗(yàn)追溯爐料冶金性能。

本研究對(duì)熔滴試驗(yàn)本身進(jìn)行必要的探討。并對(duì)萊鋼常用含鐵爐料單礦種及不同搭配結(jié)構(gòu)進(jìn)行熔滴性能試驗(yàn)檢測(cè)，分析不同含鐵料熔滴性能間的差異。

2 含鐵爐料熔滴性能試驗(yàn)探討

2.1 試驗(yàn)描述

目前，國(guó)內(nèi)外熔滴試驗(yàn)裝置大體相似，均在荷重條件下，以煤氣發(fā)生爐產(chǎn)生煤氣或瓶裝CO通入熔滴爐。升溫、還原、軟熔、滴落過(guò)程中記錄含鐵料層位移、溫度及壓差變化。具體試驗(yàn)步驟如下：

1）制樣。焦炭、礦石粒度10～12.5mm。試驗(yàn)樣品中（礦石、焦粒）如含過(guò)高表面水，將會(huì)帶來(lái)較多的H2，對(duì)還原過(guò)程造成影響，使試驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)偏差。因此，為防止H2在試驗(yàn)中造成的誤差，試驗(yàn)樣品須先在105℃烘箱中烘烤4～8h，去除水分。

2）裝樣。模擬高爐礦焦層狀分布，石墨坩堝中底層裝焦炭，中層裝鐵礦石，上層再裝焦炭。裝料高度取決于坩鍋及熔滴爐爐膛大小。一些熔滴試驗(yàn)設(shè)備過(guò)小，含鐵料層重量不足100g，使得試驗(yàn)結(jié)果敏感性太高，代表性不強(qiáng)。尤其在作搭配結(jié)構(gòu)的熔滴試驗(yàn)時(shí)，難以同時(shí)保證粒度及不同含鐵料質(zhì)量配比。因此，熔滴試驗(yàn)裝置應(yīng)在保證加熱均勻的前提下能夠盛入盡量多的含鐵料為宜。本試驗(yàn)中盛入含鐵料約150g，石墨坩堝中底層焦炭高25mm，礦石層60mm，上層裝焦炭25mm。裝料完畢，放入熔滴爐內(nèi)。上部載荷0.1MPa。

3）升溫。為防止原料氧化，升溫過(guò)程中通入N2保護(hù)。當(dāng)熔滴爐中心溫度達(dá)到300℃時(shí)，煤氣發(fā)生爐產(chǎn)生煤氣通過(guò)洗、配氣系統(tǒng)，還原氣體（N270%、CO 30%）通入熔滴爐。氣體流量控制在16L/min，當(dāng)爐料還原至滴落時(shí)結(jié)束。

2.2 熔滴性能指標(biāo)探討

熔滴試驗(yàn)本身給出礦料荷重、升溫、還原、軟化、滴落過(guò)程中料層位移、壓差及溫度變化。對(duì)于記錄數(shù)據(jù)，不同研究者給出了多個(gè)衡量參數(shù)表征熔滴性能［2-4］，其中較常見(jiàn)的有：

1）軟化開(kāi)始溫度。不同研究者對(duì)于軟化開(kāi)始溫度有著不同的定義，國(guó)內(nèi)研究者多沿襲荷重軟化試驗(yàn)慣例，以體積收縮10%對(duì)應(yīng)溫度定義為軟化開(kāi)始溫度［5-7］。國(guó)外所見(jiàn)文獻(xiàn)在試驗(yàn)中多以采用30%體積收縮對(duì)應(yīng)溫度作為該指標(biāo)［8-9］。該數(shù)值標(biāo)志著礦料初步變形溫度，該數(shù)值以高為佳。為便于不同企業(yè)指標(biāo)對(duì)比，建議以國(guó)內(nèi)習(xí)慣為準(zhǔn)，體積收縮10%對(duì)應(yīng)溫度（T10）定義為軟化開(kāi)始溫度。

2）軟化終了溫度。荷重軟化試驗(yàn)慣例中，以體積收縮40%對(duì)應(yīng)的溫度定義為軟化終了溫度，所見(jiàn)文獻(xiàn)中歐日研究者多以50%定義該指標(biāo)［10］，但在具體試驗(yàn)過(guò)程中，筆者發(fā)現(xiàn)一些優(yōu)質(zhì)燒結(jié)礦抗變形能力極強(qiáng)，體積未收縮至50%時(shí)已然發(fā)生滴落。因此，選用40%體積收縮對(duì)應(yīng)溫度（T40）作為軟化終了溫度較為合理。

3）熔化開(kāi)始溫度（Tm）。該概念定義始終處于一個(gè)模糊的狀態(tài)。礦料在荷重升溫還原過(guò)程中何狀態(tài)可稱為“熔化”是個(gè)值得探討的問(wèn)題。一些學(xué)者應(yīng)用50%體積收縮對(duì)應(yīng)溫度作為熔化開(kāi)始溫度，也有一些研究者提出以總壓阻峰值50%對(duì)應(yīng)的溫度作為該指標(biāo)［11］，但該概念始終與軟化終了溫度概念重疊。據(jù)理論分析，礦石熔化應(yīng)出現(xiàn)壓阻急劇上升。因此，以壓差陡升溫度作為熔化開(kāi)始溫度定義較為合理。為避免與軟化終了溫度概念上的模糊，筆者建議，冶金性能指標(biāo)中不出現(xiàn)熔化開(kāi)始溫度概念而僅以壓差陡升溫度作為參考。

如何在海量數(shù)據(jù)中去尋找壓差陡升對(duì)應(yīng)點(diǎn)困擾著試驗(yàn)人員。筆者在試驗(yàn)中提出了“5點(diǎn)平滑求導(dǎo)”搜尋壓差陡升溫度的算法并建立了相應(yīng)模型。具體思路如下：

第1步，5點(diǎn)平滑數(shù)據(jù)。依據(jù)公式（1），

其中X（i）為i點(diǎn)平滑后新數(shù)據(jù)，x（i）為第i點(diǎn)原始數(shù)據(jù)。第2步，依據(jù)公式（2）逐點(diǎn)求導(dǎo)，

其中k（i）為i點(diǎn)平滑新數(shù)據(jù)導(dǎo)數(shù)，T（i）為第i點(diǎn)對(duì)應(yīng)溫度。第3步，搜尋導(dǎo)數(shù)最大值，K=max［k（i）］。

以上述步驟，K點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溫度即試驗(yàn)過(guò)程中壓力變化最大點(diǎn)。

4）滴落溫度（Td）。滴落溫度同樣具有不同的定義。一些研究者以壓差峰值右側(cè)，體積收縮50%或30%等對(duì)應(yīng)溫度為滴落溫度，該約定主要出于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方便考慮，缺乏科學(xué)驗(yàn)證基礎(chǔ)。本試驗(yàn)裝有監(jiān)控?cái)z像及滴落后報(bào)警功能，因此以實(shí)測(cè)滴落溫度為準(zhǔn)。合理滴落溫度數(shù)值應(yīng)有一定的區(qū)間限制，過(guò)高會(huì)導(dǎo)致高爐下部熱耗大，爐渣流動(dòng)性差，過(guò)低會(huì)導(dǎo)致滴落帶整體上移造成高爐操作波動(dòng)。

5）最大壓差（ΔPmax）。該值對(duì)應(yīng)著礦料試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的最高壓差峰值，近似于高爐內(nèi)礦料壓阻最大值，該值以低為好。

6）熔滴特性指數(shù)（S）。該數(shù)值衡量礦料軟熔滴落區(qū)域總體承受壓阻負(fù)荷，見(jiàn)公式（3）：

一些試驗(yàn)中難以計(jì)算該數(shù)值，近似以ΔPmax×T來(lái)表達(dá)。主要是因?yàn)椋孩賶翰畈▌?dòng)曲線不規(guī)則，積分計(jì)算難度大；②Tm與Td定義不同，難于找尋Tm。

本試驗(yàn)中，在“5點(diǎn)平滑求導(dǎo)”搜尋壓差陡升溫度后，分段直線連接各平滑點(diǎn)。以“梯形積分”算法積分圖形面積進(jìn)而較為準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)了該數(shù)值計(jì)算。

S值以小為好，代表著高爐冶煉礦石熔滴過(guò)程中，承受著較小的壓阻負(fù)荷。由于不同礦料S值波動(dòng)極大，為便于分析，取ln S值代表。

對(duì)于含鐵爐料熔滴性能測(cè)試，企業(yè)應(yīng)堅(jiān)持在同一臺(tái)設(shè)備上持續(xù)進(jìn)行。通過(guò)數(shù)據(jù)積累逐步摸索把握爐料特性。

3 不同含鐵爐料熔滴性能分析

以2.1節(jié)中所述試驗(yàn)步驟對(duì)萊鋼生產(chǎn)常用含鐵爐料（燒結(jié)、球團(tuán)、塊礦及混合搭配）進(jìn)行了熔滴性能測(cè)試［11-15］。其中單礦種原料化學(xué)成分及試驗(yàn)檢測(cè)出的熔滴性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 萊鋼常用含鐵料化學(xué)成分及熔滴性能

3.1 單礦種熔滴性能分析

各單礦種熔滴性能試驗(yàn)過(guò)程數(shù)據(jù)見(jiàn)圖1。

由溫度與體積收縮率（由位移收縮變化計(jì)算）變化可以看出，高堿度燒結(jié)礦在荷重、還原、軟化過(guò)程中與塊礦及球團(tuán)表現(xiàn)出明顯的差異。其體積收縮曲線在較高溫度下（＞1050℃）開(kāi)始下行，且升溫過(guò)程收縮緩慢，曲線位于圖中最右側(cè)（見(jiàn)圖1a），B燒結(jié)礦在體積收縮至47%時(shí)開(kāi)始滴落。球團(tuán)礦次之，在900～1050℃區(qū)間開(kāi)始收縮，而塊礦在較低溫度（＜850℃）即開(kāi)始收縮。

圖1 單礦種熔滴試驗(yàn)數(shù)據(jù)

這表明，燒結(jié)礦還原、軟熔過(guò)程中與球團(tuán)、塊礦相比具有良好的抗變形能力。由此推斷，高爐冶煉過(guò)程中燒結(jié)礦在還原軟熔過(guò)程中更傾向于保持整體形態(tài)。塊礦在850℃左右由于升溫脫結(jié)晶水發(fā)生熱爆裂，因而具有較低的開(kāi)始收縮溫度。氧化球團(tuán)在900～1050℃，由于高價(jià)鐵氧化物的還原產(chǎn)生體積膨脹，易于造成整體形狀破壞，因此在該溫度區(qū)間出現(xiàn)位移收縮。

值得注意的是，塊礦與球團(tuán)礦相比盡管在較低溫度下開(kāi)始收縮，但溫度＞1150℃后，塊礦體積收縮曲線趨緩，其抗變形能力甚至略優(yōu)于球團(tuán)。

由溫度及壓差曲線（見(jiàn)圖1b）可以看出，除H球團(tuán)外，其余氧化球團(tuán)同塊礦及燒結(jié)礦相比具有較高的壓差峰值（ΔPmax）且整體壓差積分面積較大，對(duì)應(yīng)較大ln S值。這在一定意義上表明，在高爐冶煉過(guò)程中，球團(tuán)礦由于體積變形較大，透氣性差于燒結(jié)礦與塊礦，在軟熔帶中有著較大壓差負(fù)荷。

對(duì)比幾種球團(tuán)，H球團(tuán)表現(xiàn)出優(yōu)異的熔滴性能，或許與其較高的自然堿度、較低的Si含量有關(guān)。此需要進(jìn)一步研究證明。

總體而言，試驗(yàn)用高堿度燒結(jié)礦以其較高的T10、優(yōu)良的抗變形能力、較小的壓差峰值及較小的ln S表現(xiàn)出優(yōu)良的熔滴性能；塊礦次之；球團(tuán)礦整體熔滴性能較差，熔滴過(guò)程中有著較大的ΔPmax及l(fā)n S。

3.2 混合搭配冶金性能分析

萊鋼生產(chǎn)中，“A燒結(jié)礦＋J球團(tuán)礦＋D塊礦”是常見(jiàn)的一種搭配。其中A燒結(jié)礦使用比例為70%～80%，J球團(tuán)使用比例為15%～30%，D塊礦使用比例為0～10%。常以二元結(jié)構(gòu)（燒結(jié)＋球團(tuán)）或三元結(jié)構(gòu)搭配使用。

3.2.1 二元結(jié)構(gòu)搭配

分別以A燒結(jié)礦為主，改變酸性料配加比例，形成二元結(jié)構(gòu)搭配，其熔滴性能檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖2、圖3。

A燒結(jié)礦配加＜30%J球團(tuán)形成的二元結(jié)構(gòu)同單一燒結(jié)礦與球團(tuán)礦相比，由圖2分析可作出如下推斷：1）二元結(jié)構(gòu)更容易軟化。表現(xiàn)在T10、T40溫度較單礦指標(biāo)低；2）二元結(jié)構(gòu)改善了高堿度燒結(jié)礦滴落溫度高、氧化球團(tuán)滴落溫度低的缺陷，表現(xiàn)在Td介于單礦數(shù)值之間；3）二元結(jié)構(gòu)出現(xiàn)更高的壓力峰值，且ΔPmax隨著球團(tuán)配加比例增加而升高逐漸接近于氧化球團(tuán)數(shù)值，ln S也高于燒結(jié)礦數(shù)值。

A燒結(jié)礦配加＜30%D塊礦形成的二元結(jié)構(gòu)同單一燒結(jié)礦與塊礦相比，由圖3分析可作出如下推斷：1）二元結(jié)構(gòu)T10溫度比單一燒結(jié)礦低，比單一塊礦T10高，且高于同比例球團(tuán)配加二元結(jié)構(gòu)；2）二元結(jié)構(gòu)同樣改善了單一礦種的滴落性能，表現(xiàn)在Td介于單礦數(shù)值之間；3）二元結(jié)構(gòu)壓力峰值較燒結(jié)礦高，但與球團(tuán)搭配的二元結(jié)構(gòu)相比仍處于較低的數(shù)值；4）＜25%塊礦配比結(jié)構(gòu)，ln S接近燒結(jié)礦數(shù)值，30%塊礦配比壓力峰值介于塊礦與燒結(jié)礦之間，整體而言ln S數(shù)值低于同比例球團(tuán)配比結(jié)構(gòu)。

試驗(yàn)用D塊礦與J球團(tuán)分別與A燒結(jié)礦搭配結(jié)構(gòu)相比：1）酸性爐料的配加有利于改善燒結(jié)礦滴落溫度過(guò)高的缺陷；2）D塊礦搭配結(jié)構(gòu)相比J球團(tuán)搭配有著較高的開(kāi)始軟化溫度，相近的T40數(shù)值，較低的ΔPmax及l(fā)n S。因此，D塊＜30%配比內(nèi)與燒結(jié)礦搭配使用整體熔滴性能優(yōu)于同比例J球團(tuán)配比搭配。

3.2.2 三元結(jié)構(gòu)搭配

對(duì)于三元結(jié)構(gòu)“A燒結(jié)礦＋J球團(tuán)礦＋D塊礦”，固定A燒結(jié)礦70%的配比，改變J球團(tuán)與D塊礦配加比例進(jìn)行熔滴性能試驗(yàn)。為表述方便，不同J球團(tuán)與D塊礦配加比例搭配及編號(hào)如下：+30%J球團(tuán)—a，+25%J球團(tuán)+5%D塊礦—b，+20%J球團(tuán)+10%D塊礦—c，+15%J球團(tuán)+15%D塊礦—d，+10%J球團(tuán)+20%D塊礦—e，+5%J球團(tuán)+25%D塊礦—f，+30%D塊礦—g。數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)圖4。在高爐操作條件下（噴煤165kg/t、焦比370kg/t），試驗(yàn)條件三元結(jié)構(gòu)計(jì)算爐渣堿度在1.20～1.22，皆符合高爐操作要求。

圖4 D塊礦與J球團(tuán)不同比例配加下熔滴試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由圖4可以看出：1）隨著J球團(tuán)配加比例降低、D塊配加比例增加，三元結(jié)構(gòu)T10數(shù)值逐步增加，即開(kāi)始軟化溫度有所改善；T40溫度與T10溫度區(qū)間在＞20%D塊配加比例下有所縮窄；Td在＜20%D塊配加比例下有所降低，＞20%時(shí)略有上升；2）最大壓力峰值隨著塊礦增加先有所上升繼而大幅下降，ln S隨著塊礦配加比例增加持續(xù)降低。

因此在D塊礦配加比例10%～30%范圍內(nèi)，高爐冶煉中相比J球團(tuán)配加而言，并不會(huì)由于D塊礦的熱爆裂性能影響到整體結(jié)構(gòu)透氣性，且透氣性有著大幅改善，更利于高爐順行。

并且，D塊礦的采購(gòu)成本要略低于J球團(tuán)生產(chǎn)成本，提高D塊礦的使用比例將有利于生鐵成本的降低。因此，萊鋼目前較適宜的爐料結(jié)構(gòu)為“70%A燒結(jié)礦＋（0～10%）J球團(tuán)＋（20%～30%）D塊礦”。

4 結(jié) 論

4.1 試驗(yàn)用高堿度燒結(jié)礦A以其較高的T10、優(yōu)良的抗變形能力、較小的壓差峰值及較小的ln S值表現(xiàn)出優(yōu)良的熔滴性能特性；塊礦次之；球團(tuán)礦整體熔滴性能較差，熔滴過(guò)程中有著較大的ΔPmax及l(fā)n S。

4.2 與A燒結(jié)礦組成二元搭配結(jié)構(gòu)，酸性料D塊礦整體性能優(yōu)于J球團(tuán)。

4.3 與A燒結(jié)礦組成三元搭配結(jié)構(gòu)，D塊礦配加比例10%～30%范圍內(nèi)，高爐冶煉中相比J球團(tuán)配加而言，整體結(jié)構(gòu)透氣性有著大幅改善，更利于高爐順行，且由于D塊礦采購(gòu)成本低于J球團(tuán)生產(chǎn)成本，因此，萊鋼目前較適宜的爐料結(jié)構(gòu)為“70%A燒結(jié)礦＋（0～10%）J球團(tuán)＋（20%～30%）D塊礦”。

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