高塊礦比高爐爐料的冶金性能研究

吳亮亮，傅元坤

(安徽工業(yè)大學(xué)冶金工程學(xué)院，安徽馬鞍山243002)

近年來，隨著鐵礦石的價(jià)格不斷攀升及煉鐵技術(shù)的不斷進(jìn)步，提高價(jià)格較低的塊礦比例成為提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的主要手段。由于塊礦的冶金性能比燒結(jié)礦和球團(tuán)礦差，如果大幅度提高塊礦的比例(質(zhì)量分?jǐn)?shù)在20%以上)，就會(huì)出現(xiàn)爐料還原性變差、低溫還原粉化率提高及熔滴性變差等現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)阻礙高爐的順行，惡化冶煉指標(biāo)[1-3]。目前國(guó)內(nèi)高爐塊礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般僅為10%～15%，寶鋼、首鋼等鋼鐵企業(yè)的高爐含鐵爐料中，天然塊礦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)曾高達(dá)20%以上，但無(wú)法長(zhǎng)期維持較好的冶煉指標(biāo)[4-7]。而日本高爐塊礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2003年就達(dá)到21.3%[8]，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于同期國(guó)內(nèi)技術(shù)水平。國(guó)內(nèi)對(duì)塊礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)在20%以上的爐料冶金性能研究較少，因此，對(duì)塊礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)在20%以上的爐料冶金性能進(jìn)行研究是進(jìn)一步提高國(guó)內(nèi)高塊礦使用比例的必要措施。文中研究塊礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為15%，20%，25%的混合礦的還原性、低溫還原粉化性及熔滴性能，分析混合礦爐料的冶金性能隨塊礦比例變化的關(guān)系，為高爐提高塊礦配比提供理論和技術(shù)支持。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)原料來自寶鋼不銹鋼煉鐵廠，分別是燒結(jié)礦、球團(tuán)礦以及國(guó)內(nèi)大部分企業(yè)常用的塊礦紐曼礦和PB礦，成分及燒損率見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)原料成分(w/%)及燒損率(%)Tab.1 Composition(w/%)and burning rate(%)of experimental materials

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

含鐵爐料的熱態(tài)冶金性能主要包括中溫還原、低溫還原粉化和熔融滴落性能等。鐵礦石還原性能采用國(guó)標(biāo)GB/T13241—1991鐵礦石還原性的測(cè)定方法，低溫還原粉化性能采用GB/T13242—1991鐵礦石低溫粉化試驗(yàn)靜態(tài)還原后使用冷轉(zhuǎn)鼓的方法。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)熔滴實(shí)驗(yàn)尚未明確的標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)室常用的方法主要分為兩類：一類是實(shí)驗(yàn)原料不經(jīng)過預(yù)還原處理，實(shí)驗(yàn)過程中通入還原性氣體(成分與還原實(shí)驗(yàn)氣體成分相同)；另一類是將實(shí)驗(yàn)原料預(yù)還原(一般還原度為60%)，實(shí)驗(yàn)中僅通入N2。對(duì)于鐵礦石熔融滴落性能的測(cè)定，本實(shí)驗(yàn)在第一類實(shí)驗(yàn)方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合爐料在高爐內(nèi)不同溫度區(qū)間下所受壓力和還原氣氛的差異，制定與高爐實(shí)際內(nèi)部環(huán)境相近的實(shí)驗(yàn)溫度制度和氣體成分，具體見表2。

表2 溫度制度和氣體成分Tab.2 Temperature regime and gas composition

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

分別采用4種單礦和6種混合礦進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，PB塊礦與紐曼塊礦在混合礦中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為15%，20%，25%，測(cè)定其還原性能、熔滴性能。林李全等[9]研究發(fā)現(xiàn)，在高爐爐料中添加一定含量的球團(tuán)礦可改善爐料的冶金性能及高爐的操作指標(biāo)，因此增加1組球團(tuán)礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%的對(duì)比性實(shí)驗(yàn)，共計(jì)11組，實(shí)驗(yàn)方案見表3。

表3 實(shí)驗(yàn)方案Tab.3 Experimental program

2 結(jié)果及分析

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

中溫還原實(shí)驗(yàn)、低溫還原粉化實(shí)驗(yàn)及熔滴實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4。表4中：RI為爐料的還原度，RDI+6.30，RDI+3.15，RDI－0.50分別為爐料轉(zhuǎn)鼓后顆粒半徑大于6.30，3.15 mm和小于0.50 mm的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；td為滴落溫度；ts為壓差陡升溫度；t40為收縮率為40%時(shí)的溫度；t10為收縮率為10%時(shí)的溫度；S為爐料透氣性指數(shù)的特征值。

表4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Experimental results

從表4可以看出，燒結(jié)礦的還原性相對(duì)較好，RI為80.99%，PB礦與紐曼礦的還原性較差，RI低于60%。這是因?yàn)镻B礦與紐曼礦為生礦，一方面，塊礦結(jié)構(gòu)緊密，還原氣體從礦石表面進(jìn)入內(nèi)部比較困難，所需的時(shí)間較長(zhǎng)，因此還原性較差；另一方面，生礦中含有較多的結(jié)晶水和碳酸鹽，受熱分解后生成的CO2和H2O為氧化性氣體，尤其是溫度達(dá)到沸點(diǎn)時(shí)，結(jié)晶水迅速分解，產(chǎn)生大量的水蒸氣(實(shí)驗(yàn)尾氣出口處可見水蒸氣冷凝形成的液態(tài)水)，降低了塊礦周圍氣氛的還原性。由于塊礦質(zhì)地緊密且較脆，在受熱分解時(shí)易發(fā)生爆裂，產(chǎn)生大量的粉末[10]，因此在低溫還原粉化實(shí)驗(yàn)中，塊礦的RDI+6.30較低(PB礦RDI+6.30為45.45%，紐曼礦RDI+6.30為50.70%)，而RDI－0.50較高(PB礦RDI－0.50為15.63%，紐曼礦RDI－0.50為12.82%)，若爐料中塊礦配比過高，會(huì)嚴(yán)重影響透氣性。

從表4還可以看出：塊礦的滴落溫度較低，PB礦為1 375℃，紐曼礦為1 498℃(燒結(jié)礦滴落溫度為1 520℃)；軟化區(qū)間t40－t10很寬，PB礦158℃，紐曼礦為159℃；塊礦特征值S值較高，PB礦為1 256 kPa·℃，紐曼礦為850 kPa·℃，燒結(jié)礦為287 kPa·℃，表明作為生礦的塊礦是1種容易熔融滴落且嚴(yán)重影響料柱透氣性的高爐爐料，這也是限制塊礦配比提高的主要原因。

2.2 單種塊礦的冶金性能

PB礦和紐曼礦的壓差Δp及收縮率ΔH與溫度t的變化關(guān)系如圖1。

圖1 PB礦和紐曼礦Δp及ΔH與t的變化關(guān)系Fig.1 Relationship of Δp,ΔH and t of PB and Newman lump ore

從圖1可以看出，溫度由室溫升高到800℃時(shí)，PB礦和紐曼礦的壓差較低且無(wú)明顯變化，這是因?yàn)閴K礦顆粒的孔隙變化較小，故壓差較小且穩(wěn)定；當(dāng)溫度達(dá)到800℃左右時(shí)(PB礦為800℃，紐曼礦為840℃)，壓差出現(xiàn)第一次峰值(圖1(a)，(b)中的峰1)，這是因?yàn)閴K礦中的結(jié)晶水和碳酸鹽開始大量分解，產(chǎn)生大量的氣體，料柱透氣性變差；隨著溫度的升高，壓差隨之降低，這是因?yàn)榉纸馕锏臄?shù)量減少，分解產(chǎn)生氣體的速度降低；當(dāng)溫度繼續(xù)升高到1 300℃左右時(shí)，壓差開始升高，這是因?yàn)閴K礦開始軟熔，顆粒之間間隙縮??；當(dāng)溫度升高到1 380℃以上時(shí)(PB礦為1 360℃，紐曼礦為1 372℃)，壓差迅速升高到最大，出現(xiàn)第二次峰值(圖1(a)，(b)中峰2)，這是因?yàn)殚_始礦石熔化，孔隙最小；然后礦石開始滴落。

2.3 混合礦的還原性

當(dāng)PB礦和紐曼礦與燒結(jié)礦配比的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由15%提高到25%時(shí)，混合礦還原性變化情況見圖2。

從圖2可以看出，隨著塊礦配比的增加，混合礦的還原性隨之降低，且PB混合礦還原性降低速度較快。一方面塊礦比較致密，還原性氣體CO由礦石表面進(jìn)入內(nèi)部比較困難，還原的速度較慢；另一方面混合礦中的塊礦在900℃進(jìn)行還原時(shí)，所含的結(jié)晶水和碳酸鹽迅速分解直至沸騰，降低了混合礦周圍的還原性氣氛，并且隨著塊礦配比增加，分解產(chǎn)生的氣體量也會(huì)增加，所以還原性降低。從成分方面分析，PB礦的燒損比紐曼礦高，分解產(chǎn)生的氣體量也較多，所以對(duì)PB混合礦還原性影響更大。因此，高爐冶煉時(shí)，應(yīng)盡量使用燒損較低、結(jié)晶水含量較少的塊礦，或?qū)龘p較多與較少的塊礦搭配使用，以改善爐料的還原性能。

圖2 RI與塊礦配比的關(guān)系Fig.2 Relationship between RIand ratio of lump ore

2.4 混合礦的熔滴性

當(dāng)PB礦和紐曼礦與燒結(jié)礦配比的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由15%提高到25%時(shí)，混合礦熔滴性變化情況見圖3，4。從圖3可以看出，隨著塊礦配比的增加，混合礦的滴落溫度td逐漸降低，這是因?yàn)椋阂环矫鎵K礦本身滴落溫度較低，其與燒結(jié)礦混合后，塊礦會(huì)先發(fā)生熔化然后滴落，導(dǎo)致td降低；另一方面，塊礦與燒結(jié)礦在高溫下反應(yīng)生成低熔點(diǎn)的化合物，降低了混合礦的熔化溫度，也降低了td。

圖3 td與塊礦配比的關(guān)系Fig.3 Relationship between tdand ratio of lump ore

圖4 S與塊礦配比的關(guān)系Fig.4 Relationship between S and ratio of lump ore

從圖4可以看出，隨著塊礦配比的增加，特征值S也隨之增加。這是因?yàn)榛旌系V開始熔化溫度ts隨著塊礦比例的增加而降低，導(dǎo)致礦石從開始熔化至完全融化的溫度區(qū)間變大；同時(shí)，隨著塊礦配比的增加，料柱熔融狀態(tài)的壓差也在增大，料柱對(duì)還原氣流的阻力主要集中在熔融區(qū)間，因此料柱的特征值S會(huì)增大。從圖4還可以看出，紐曼混合礦的性能優(yōu)于PB混合礦，這是因?yàn)镻B礦燒損較大(表2)，所含結(jié)晶水和碳酸鹽較多，高溫下容易爆裂會(huì)產(chǎn)生大量粉末，同時(shí)結(jié)晶水和碳酸鹽也會(huì)在高溫下迅速分解而產(chǎn)生大量的氣體，料柱一方面因?yàn)閴K礦爆裂形成的粉末而降低孔隙率，另一方面因?yàn)榉纸猱a(chǎn)生的大量氣體，導(dǎo)致爐料顆?？紫吨g蒸氣壓迅速增大，惡化料柱的透氣性。

由于燒損越大的塊礦對(duì)高爐爐料透氣性影響越大，所以高爐冶煉應(yīng)一方面盡量減少燒損較多的塊礦使用量，或?qū)龘p較多與較少的塊礦按一定比例搭配使用；另一方面，從表4可以看出，球團(tuán)礦的RI為74.40%，RDI+3.15為87.60%，S僅有66.9 kPa·℃，當(dāng)混合礦中球團(tuán)礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到25%時(shí)，RI為79.32%，S為134 kPa·℃，爐料冶金性能良好，因此配加一定含量的球團(tuán)礦可改善混合爐料的冶金性能。

3 結(jié) 論

1)PB和紐曼塊礦配比的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由15%增加到25%，爐料的冶金性能迅速變差，還原度RI降低5%，低溫還原粉化率RDI－3.15升高2%，熔融區(qū)間滴落溫度td與壓差陡升溫度ts差升高60℃左右，透氣性指數(shù)的特征值S值升高100 kPa·℃。

2)混合礦中PB和紐曼塊礦塊礦配比增加，混合礦透氣性變差。一方面隨著塊礦配比的增加，混合礦的熔融區(qū)間td－ts增大，熔融狀態(tài)時(shí)的壓差升高，因此透氣性指數(shù)的特征值S變大，料柱透氣性變差；另一方面，壓差塊礦所含結(jié)晶水和碳酸鹽分解產(chǎn)生大量的H2O和CO2，以及塊礦爆裂產(chǎn)生大量的粉末，降低了混合礦的孔隙率，導(dǎo)致料柱透氣性變差。

[1]Hooey P L,Sterneland J,Hallin M.Evaluation of high temperature properties of blast furnace burden[C]//1st International Meeting on Ironmaking.Belo Horizonte,Brazil,2001:24-26．

[2]Wu S L,Xu H F,Tian Y Q.Evaluation of lump ores for use in modern blast furnaces as part of mixed burden practice[J].Ironmaking and Steelmaking，2009,36(1):19-23．

[3]Nogueira P F,Fmehan R J.Fundamental studies on blast furnace burden softening and melting[C]//The 2nd International Meeting on Ironmaking and The 1st International Symposium on Iron Ore.Rio de Janeiro,Brazil,2004:893-901．

[4]吳勝利，許海法，汪國(guó)俊，等.現(xiàn)代高爐合理使用天然塊礦的基礎(chǔ)研究[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2007,29(3):320-324．

[5]許滿興，馮根生.20種進(jìn)口鐵塊礦的質(zhì)量及分析[C]//2006年度全國(guó)燒結(jié)球團(tuán)技術(shù)交流年會(huì)論文集.呼和浩特，2006:10-13．

[6]陶衛(wèi)忠，汪國(guó)俊.高爐爐料結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和探索[J].煉鐵，2005,24(增刊):46-49.

[7]李翠榮，董國(guó)強(qiáng)，楊曉韜，等.唐鋼3號(hào)高爐提高塊礦配比的生產(chǎn)實(shí)踐[J].煉鐵，2005,24(3):44-45．

[8]焦虎豐，張宗旺，周永平.安鋼高爐塊礦代替部分球團(tuán)礦的研究[J].冶金叢刊，2011(1):7-10.

[9]林李全，趙志華.2 500 m3高爐使用自產(chǎn)球團(tuán)礦的工業(yè)試驗(yàn)[J].安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2001,18(1):83-86.

[10]吳勝利，韓宏亮，陶衛(wèi)忠，等.高爐提高天然塊礦使用比例的研究[J].鋼鐵，2009,44(11):12-16.

[11]吳勝利，韓宏亮，許海法，等.高爐內(nèi)燒結(jié)礦與塊礦高溫交互反應(yīng)機(jī)理研究[J].過程工程學(xué)報(bào),2010,10(增刊):37-41．