燒結(jié)礦低溫還原粉化指標(biāo)的優(yōu)化研究

付朝云 余麗娜 白建偉 趙恒山

(1．安陽鋼鐵股份有限公司; 2．安鋼集團(tuán)金信有限責(zé)任公司)

0 前言

燒結(jié)礦低溫還原粉化指數(shù)是影響高爐穩(wěn)定生產(chǎn)的重要參數(shù)之一，低溫還原粉化現(xiàn)象是燒結(jié)礦在高爐上部450 ℃～550 ℃低溫區(qū)域，燒結(jié)礦中的再生Fe2O3，在還原氣體的作用下發(fā)生了晶格的轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致在機(jī)械作用下嚴(yán)重的碎裂粉化引起。低溫還原粉化會(huì)使高爐爐塵量增大、煤氣分布不均、焦比增加、產(chǎn)量降低、頻繁結(jié)瘤、生鐵質(zhì)量變化。在鋼鐵市場不景氣的大形勢(shì)下，成本控制成為鋼鐵廠的重要任務(wù)，通過對(duì)安鋼生鐵成本構(gòu)成進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)燒結(jié)原料成本占生鐵成本44．85% ～58．54%，故降低燒結(jié)礦原料成本是降低鐵水成本的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，大量使用價(jià)效好的經(jīng)濟(jì)礦是實(shí)現(xiàn)燒結(jié)低成本原料結(jié)構(gòu)的重要途徑。由于經(jīng)濟(jì)礦的冶金價(jià)效受市場價(jià)格波動(dòng)的影響經(jīng)常發(fā)生變化，實(shí)施燒結(jié)低成本原料結(jié)構(gòu)和低庫存生產(chǎn)就意味著燒結(jié)含鐵原料品種、結(jié)構(gòu)將頻繁變化，亦造成燒結(jié)礦的冶金性能的頻繁波動(dòng)，對(duì)燒結(jié)礦質(zhì)量的穩(wěn)定和高爐的穩(wěn)定順行的控制難度加大，客觀上不利降低鐵水的加工費(fèi)用，進(jìn)而沖抵結(jié)構(gòu)降本效果。因此，分析影響燒結(jié)礦的低溫還原粉化因素對(duì)促進(jìn)高爐順行和實(shí)施結(jié)構(gòu)降本是十分重要和必要的。

1 影響燒結(jié)低溫還原粉化因素的分析

1．1 原料結(jié)構(gòu)的影響

1．1．1 數(shù)據(jù)分析

一般來說，磁鐵礦的比例增加有利于降低RDI－3．15，赤鐵礦的比例增加會(huì)增加RDI－3．15。安鋼使用比例最大的是褐鐵礦，安鋼具代表性原料結(jié)構(gòu)見表1、表2，結(jié)構(gòu)方案對(duì)應(yīng)的低溫還原粉化指數(shù)見表3。

表1 原料化學(xué)成分 / %

表2 燒結(jié)原料結(jié)構(gòu)/ %

表3 配比對(duì)應(yīng)低溫還原粉化指數(shù)值 /%

由表2 和表3 可知，結(jié)構(gòu)方案1 中磁鐵礦的配比為17．7%，占鐵料比例為28．3%;赤鐵礦的配比為31．1%，占鐵料比例為49．8%;褐鐵礦的配比為13．7%，占鐵料比例為21．9%，生產(chǎn)的燒結(jié)礦低溫還原粉化指數(shù)低，RDI+3．15為58． 4%。結(jié)構(gòu)方案2磁鐵礦的配比為17．7%，占鐵料比例為27．2%;赤鐵礦的配比為18．1%，占鐵料比例為27．8%，褐鐵礦的配比為29．2%，占鐵料比例為44．9%，生產(chǎn)的燒結(jié)礦低溫還原粉化指數(shù)高，RDI+3．15為72． 7%。在磁鐵礦比例比基本不變的情況下，方案1 赤鐵礦占鐵料比例為49． 8%，而方案2 則為27． 8，下降22%，方案2 的褐鐵礦比例上升15．5%。對(duì)比兩種方案的RDI 值，褐鐵礦比例升高，RDI+6．3、RDI+3．15升高，RDI－0．5降低。

1．1．2 原因分析

燒結(jié)礦中的赤鐵礦有原生的，即未還原而殘留的赤鐵礦，結(jié)晶比較完全，以及Fe3O4在冷卻的過程中再氧化而成的再生赤鐵礦，結(jié)晶程度低以骸晶狀菱形赤鐵礦為主，且包裹著玻璃質(zhì)、鐵酸鈣、磁鐵礦等礦物，再生赤鐵礦多分布在燒結(jié)礦的空洞周圍，在高爐還原初期骸晶狀菱形赤鐵礦由Fe2O3還原為Fe3O4，體積膨脹而粉化。再生赤鐵礦的產(chǎn)生有兩種途徑:赤鐵礦－磁鐵礦－再生赤鐵礦與磁鐵礦－再生赤鐵礦，而在生產(chǎn)過程中以前者居多，而赤鐵礦還原為磁鐵礦的過程是控制再生赤鐵礦生成的瓶頸。褐鐵礦配比增加，原始料層透氣性變好，氧化性氣氛為主，降低了赤鐵礦還原為磁鐵礦的機(jī)率，燒結(jié)礦中再生赤鐵礦減少，同時(shí)褐鐵礦同化性強(qiáng)，生產(chǎn)鐵酸鈣能力大。在生產(chǎn)中采取壓料、適宜水分控制、加強(qiáng)燃料破碎管理等過程控制技術(shù)，減弱了褐鐵礦對(duì)燒結(jié)礦質(zhì)量的不利影響。

1．2 FeO、料層厚度的影響

2014年1 ～8月份燒結(jié)機(jī)組燒結(jié)礦亞鐵區(qū)間內(nèi)所有對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)的均值見表4。

表4 兩機(jī)組燒結(jié)礦RDI 數(shù)據(jù)對(duì)比 / %

由表4 可知，兩個(gè)機(jī)組的RDI+3．15值都隨著燒結(jié)礦亞鐵含量的增加而增加，隨著亞鐵含量的增加燒結(jié)礦中的Fe2O3含量減少，減少了赤鐵礦還原膨脹的機(jī)率。但亞鐵控制過高，會(huì)降低燒結(jié)礦的還原性，且燃耗增加會(huì)使鐵水生產(chǎn)成本升高。

根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，一般燒結(jié)礦的FeO 含量與配炭量呈正相關(guān)關(guān)系，而燃料配比增加，將出現(xiàn)較高的溫度水平，較長的高溫保持時(shí)間和較強(qiáng)的還原氣氛，降低了燒結(jié)過程的氧位，由此導(dǎo)致鐵酸鈣在高溫下發(fā)生劇烈分解以及還原，產(chǎn)生應(yīng)力，強(qiáng)度變差，燒結(jié)礦低溫還原粉化。發(fā)展鐵酸鈣液相需要強(qiáng)氧化性氣氛和低燒結(jié)溫度。而配炭量減少，有可能達(dá)不到必要的燒結(jié)溫度，礦物結(jié)晶程度差，燒結(jié)礦冷強(qiáng)度下降。在厚料層的燒結(jié)過程中應(yīng)該在合理控制燃料粒度的基礎(chǔ)上適當(dāng)降低燃料配加量。

2#燒結(jié)機(jī)料層厚度為700 mm，3 號(hào)燒結(jié)機(jī)料層厚度為800 mm，由表4 中兩個(gè)機(jī)組相同亞鐵區(qū)間的燒結(jié)礦低溫還原粉化指標(biāo)對(duì)比可知，厚料層不利于降低燒結(jié)礦低溫還原粉化。

1．3 燒結(jié)礦化學(xué)成分的影響

通過統(tǒng)計(jì)安鋼3#燒結(jié)機(jī)2014年1 ～8月份的實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，分析燒結(jié)礦的主要成分對(duì)燒結(jié)礦低溫還原粉化的影響趨勢(shì)(如圖1 ～圖4 所示)，得出燒結(jié)礦成分控制的優(yōu)化參數(shù)。

1．3．1 SiO2的影響

3#燒結(jié)系統(tǒng)為典型的高鐵低硅厚料層燒結(jié)，其2014年1 ～8月份的實(shí)際生產(chǎn)中燒結(jié)礦RDI+3．15隨SiO2的變化趨勢(shì)如圖1 所示。

圖1 RDI +3．15隨SiO2 的變化趨勢(shì)

從圖1 可以看出，燒結(jié)礦中的SiO2含量小于5．0時(shí)，燒結(jié)礦RDI+3．15呈上升趨勢(shì);當(dāng)燒結(jié)礦SiO2含量超過5．0%時(shí)燒結(jié)礦的RDI+3．15明顯下降。有學(xué)者研究認(rèn)為SiO2的含量對(duì)鐵酸鈣的形態(tài)起決定作用，在其含量小于3．0%時(shí)形成塊狀鐵酸鈣，隨著其含量的提高，塊狀鐵酸鈣向針狀鐵酸鈣發(fā)展。隨著SiO2含量繼續(xù)增加，燒結(jié)礦中的硅酸鈣體系粘結(jié)相相應(yīng)增多，它是多種晶型共存，在一定條件下不同晶型之間發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變，使燒結(jié)礦產(chǎn)生粉碎，其中β－C2S是一種低溫穩(wěn)定晶型，在溫度(525 ±20)℃時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)棣?－C2S 體積膨脹10%，強(qiáng)大的內(nèi)應(yīng)力使燒結(jié)礦發(fā)生粉碎。

根據(jù)目前現(xiàn)有的原料條件，燒結(jié)礦堿度為1．8 ～1．9，SiO2在5．0% ～6．1%之間，既有利于提高燒結(jié)礦冷態(tài)強(qiáng)度，也有利于改善燒結(jié)礦低溫還原粉化強(qiáng)度。

1．3．2 燒結(jié)礦R 的影響

燒結(jié)礦RDI+3．15隨燒結(jié)礦R 的變化趨勢(shì)如圖2所示。

圖2 RDI +3．15隨R 的變化趨勢(shì)

從圖2 可以看出，RDI+3．15隨著燒結(jié)礦R 的提高而增加，在SiO2一定的情況下，隨著堿度的升高燒結(jié)礦中的鐵酸鈣增多，燒結(jié)礦中的Fe2O3含量降低，而且高堿度燒結(jié)礦熔融充分，燒結(jié)礦中的磁鐵礦被鐵酸鈣液相熔蝕，與之交織在一起呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，降低了冷卻過程中磁鐵礦氧化生產(chǎn)赤鐵礦的機(jī)率。高堿度對(duì)RDI+3．15的增加有利，然而實(shí)驗(yàn)研究和生產(chǎn)實(shí)踐均已證實(shí)，隨著堿度的升高，燒結(jié)礦開始軟化溫度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，滴落溫度呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，軟熔區(qū)間、熔化區(qū)間均變寬，燒結(jié)礦熔滴性能下降。不同時(shí)期受原料價(jià)格的影響，燒結(jié)礦堿度應(yīng)在滿足燒結(jié)礦質(zhì)量的要求下配合高爐合理爐料結(jié)構(gòu)的需要而確定范圍。

1．3．3 燒結(jié)礦MgO 含量的影響

燒結(jié)礦RDI+3．15隨燒結(jié)礦MgO 含量的變化趨勢(shì)如圖3 所示。

圖3 RDI +3．15隨MgO 含量的變化趨勢(shì)

從圖3 可以看出，MgO 含量在1．60%以下時(shí)對(duì)RDI+3．15的影響比較小，大于1．60%時(shí)隨著其含量的增加RDI+3．15增加比較明顯。有學(xué)者認(rèn)為大部分氧化鎂與鐵氧化物形成固熔體，以彌散狀態(tài)分布在燒結(jié)礦中，因而推斷在較高焙燒溫度下，擴(kuò)散到鐵氧化物中的氧化鎂即可以阻礙燒結(jié)礦冷卻時(shí)生成次生Fe2O3，又可以阻礙燒結(jié)礦內(nèi)鐵氧化物的低溫還原，從而抑制燒結(jié)礦的低溫還原粉化。也有學(xué)者認(rèn)為MgO能降低Fe2O3轉(zhuǎn)變?yōu)镕e3O4的相變溫度，從而抑制燒結(jié)礦中的次生赤鐵礦的生成，從而降低燒結(jié)礦的低溫還原粉化。但有學(xué)者研究表明，降低燒結(jié)礦的MgO含量可以提高燒結(jié)生產(chǎn)效率、燒結(jié)礦冷強(qiáng)度、減小燒結(jié)礦的軟熔帶溫度區(qū)間，提高高爐料柱的透氣性。

1．3．4 燒結(jié)礦Al2O3含量的影響

燒結(jié)礦RDI+3．15隨燒結(jié)礦Al2O3含量的變化趨勢(shì)如圖4 所示。

圖4 RDI +3．15隨Al2O3 含量的變化趨勢(shì)

從圖4 可以看出，RDI+3．15隨著Al2O3的增加先上升后下降，在Al2O3小于1．70 時(shí)燒結(jié)礦RDI+3．15隨著其升高而升高，在Al2O3大于1．70 時(shí)，RDI+3．15隨著其含量的升高而降低。Al2O3含量低時(shí)，隨著其含量的增加，與Si 固溶在液相鐵酸鈣中，形成了較為穩(wěn)固的復(fù)雜離子團(tuán)，而隨著其含量的升高液相生成溫度升高，液相黏度增大，使液相量減少，磁鐵礦連晶發(fā)展，板片狀鐵酸鈣增加使得燒結(jié)礦的低溫還原粉化指數(shù)變差。

2 優(yōu)化措施

以數(shù)據(jù)分析為指導(dǎo)在實(shí)際生產(chǎn)中采取的措施有:

1)調(diào)整原料結(jié)構(gòu)。在滿足成本要求和燒結(jié)礦強(qiáng)度要求的情況下，盡量加大褐鐵礦的比例。

2)控制燒結(jié)礦化學(xué)成分?？紤]到燒結(jié)礦的成本與還原度，將燒結(jié)礦FeO 含量控制在8% ±1%;考慮到燒結(jié)礦的其它經(jīng)濟(jì)質(zhì)量指標(biāo)，MgO 含量一般控制在1．5%左右;將燒結(jié)礦控制SiO2控制在5．0%附近，既有利于提高燒結(jié)礦冷態(tài)強(qiáng)度，也有利于改善燒結(jié)礦低溫還原粉化強(qiáng)度;燒結(jié)礦堿度，以滿足高爐需要為標(biāo)準(zhǔn)來控制。燒結(jié)礦中Al2O3含量的控制受原料條件、成本控制、SiO2含量的影響較大，實(shí)際生產(chǎn)中一般控制在1．90%附近。

3)噴灑氯化鈣。

3 優(yōu)化效果

自2014年9月采取上述優(yōu)化措施后，燒結(jié)礦低溫還原粉化指標(biāo)有所改善，2014年燒結(jié)礦對(duì)比數(shù)據(jù)見表5。

表5 2014年燒結(jié)礦數(shù)據(jù)對(duì)比表 /%

由表5 可知，采取優(yōu)化措施后，燒結(jié)礦RDI+3．15提高了3．38%，RDI－0．5降低了約2．00%。燒結(jié)礦質(zhì)量的提高，為高爐的順行與低成本運(yùn)行打好了原料基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

1)褐鐵礦的配加有利于降低燒結(jié)礦的低溫還原粉化，但因褐鐵礦自身的燒結(jié)性能的局限，配加比例控制在一定范圍內(nèi)為易。

2)燒結(jié)礦亞鐵含量增加有利于RDI+3．15值升高，但考慮到燒結(jié)礦的還原度與成本，燒結(jié)礦亞鐵一般控制在8% ±1%。

3)燒結(jié)料層增加燒結(jié)礦RDI+3．15值降低。

4)在一定范圍內(nèi)提高Al2O3與SiO2含量有助于降低燒結(jié)礦低溫還原粉化，但Al2O3與SiO2含量過高會(huì)減低RDI+3．15值，給燒結(jié)礦質(zhì)量帶來不利影響，所以它們應(yīng)控制在合理范圍內(nèi)。燒結(jié)礦高堿度及高M(jìn)gO 含量有利于提高燒結(jié)礦RDI+3．15值;但考慮到MgO 含量對(duì)高鐵低硅燒結(jié)礦的不利影響，其含量應(yīng)該控制在一定范圍內(nèi)。

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