基于高溫交互作用的爐料優(yōu)化技術(shù)在宣鋼的研究實踐

趙佐軍

（河鋼集團宣鋼公司 技術(shù)中心，河北 宣化 075100）

長期以來，宣鋼將燒結(jié)礦、球團礦、塊礦單種爐料的冶金性能作為研究重點，但在高爐冶煉過程中各種單一爐料并非簡單的物理混合，因此單一爐料的冶金性能并不能完全用于表征、評價綜合爐料的整體性能。吳勝利等人研究認為，酸性爐料與燒結(jié)礦在高爐高溫區(qū)存在著復(fù)雜的交互作用[1，2]，爐料脈石組成變化勢必引起冶金性能的差異[3]，并為此提出了高溫交互反應(yīng)的新概念[4]。宣鋼利用現(xiàn)有熔滴試驗裝置，對燒結(jié)礦、球團礦、塊礦等含鐵爐料，進行不同結(jié)構(gòu)下的熔滴性能測定，根據(jù)高溫交互反應(yīng)指數(shù)，篩選出宣鋼原料條件下的最優(yōu)酸性爐料，實現(xiàn)高爐長周期順行、高產(chǎn)、低耗。

1 高溫交互反應(yīng)試驗研究

1.1 單種爐料熔滴性能

宣鋼高爐含鐵爐料主要有：燒結(jié)礦、自產(chǎn)球團礦、外購球團礦、PB塊礦、蒙古塊礦、南非塊礦，其化學成分如表1所示，單種爐料的熔滴性能結(jié)果如圖1、圖2所示。

表1 含鐵爐料的化學成分/%

圖1 單種爐料軟熔區(qū)間

圖2 單種爐料S特征值

從檢測結(jié)果看：這五種酸性爐料中，蒙古塊礦為磁鐵礦，微觀結(jié)構(gòu)致密，軟熔區(qū)間最寬，S特征值最高，綜合性能最差；PB塊礦略好，南非塊礦綜合性能最好。自產(chǎn)球團礦的軟熔區(qū)間和S特征值均低于外購球團。因此，若僅從單種爐料熔滴性能考慮，塊礦當中，南非塊礦最優(yōu)，PB塊礦次之，蒙古塊礦最差。

1.2 綜合爐料熔滴性能

上述五種酸性爐料均依次按照相同爐料比與燒結(jié)礦進行配礦，綜合爐料冶金性能檢測結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 單種酸性爐料和綜合爐料軟化開始溫度

圖4 單種酸性爐料和綜合爐料軟熔區(qū)間

酸性爐料與燒結(jié)礦混合以后，軟化開始溫度較單種酸性爐料均呈現(xiàn)出升高趨勢，爐料間的高溫交互反應(yīng)有效緩解了酸性爐料軟化溫度過低、軟熔區(qū)間過寬的弱點，促進爐料軟熔帶位置下移，減薄軟熔帶厚度，提高透氣性，拉長塊狀帶反應(yīng)區(qū)域，增強間接還原反應(yīng)，抑制高溫區(qū)直接還原發(fā)展，為高爐實現(xiàn)順行、降耗提供有利條件。

1.3 高溫交互反應(yīng)指數(shù)

為定量化表征酸性爐料與高堿度燒結(jié)礦之間發(fā)生交互反應(yīng)程度的高低，吳勝利等人率先提出高溫交互反應(yīng)指數(shù)（INI）的概念[4]。

式中：T0—混合爐料軟熔區(qū)間，℃；T1—燒結(jié)礦軟熔區(qū)間，℃；T2—塊礦或球團礦軟熔區(qū)間，℃；a—混合爐料中燒結(jié)礦比例，%；b—混合爐料中塊礦/球團礦比例%。

利用該計算公式，分別計算上述五種酸性爐料對燒結(jié)礦的高溫交互反應(yīng)指數(shù)，結(jié)果如圖5所示。

圖5 酸性爐料與燒結(jié)礦間高溫交互反應(yīng)指數(shù)

由于球團礦、塊礦與燒結(jié)礦在接觸方式上存在差異性較為明顯的“點接觸”和“面接觸”，即塊礦與燒結(jié)礦的有效接觸面積更大，因此，三種塊礦與燒結(jié)礦的高溫交互反應(yīng)指數(shù)均高于球團礦，其中PB塊礦最高，南非塊礦次之，蒙古塊礦最低，這與單種爐料熔滴性能排序差異明顯。

圖6 PB礦、南非礦分別與燒結(jié)礦反應(yīng)界面Ca元素能譜分布圖

通過如圖6所示的PB礦、南非礦分別與燒結(jié)礦的反應(yīng)界面Ca元素能譜分布圖可以看出：由于PB礦疏松多孔的微觀結(jié)構(gòu)，增加了反應(yīng)“通道”，且與燒結(jié)礦發(fā)生有效的“面接觸”，交互反應(yīng)充分，反應(yīng)界面兩側(cè)的Ca元素濃度差較小。反觀南非塊礦，由于其微觀結(jié)構(gòu)相對致密，相同條件下交互反應(yīng)不夠充分，反應(yīng)界面兩側(cè)的Ca元素濃度差較大。

PB礦還原性能好、孔隙度高，與燒結(jié)礦在高爐高溫區(qū)交互反應(yīng)最為充分，F(xiàn)eO含量低且還原速率快，可有效抑制2FeO·SiO2等還原性差的橄欖石類生產(chǎn)，同時燒結(jié)礦中的CaO與PB礦Al2O3、SiO2反應(yīng)生成黃長石類的低熔點物質(zhì)，改善綜合爐料的初渣生成行為，有效克服PB礦自身軟化性能差的缺陷。

表2 近幾年宣鋼2500m3高爐爐料結(jié)構(gòu)及指標情況

2 生產(chǎn)應(yīng)用

基于高溫交互反應(yīng)，結(jié)合爐料熔滴性能研究，建立爐料結(jié)構(gòu)優(yōu)化評價體系，篩選出PB塊礦和自產(chǎn)球團礦為最佳的酸性爐料，自2016年之后，入爐塊礦以PB礦主，并逐步使用PB礦替代自產(chǎn)球團礦，增大PB礦配入比例，實現(xiàn)入爐結(jié)構(gòu)優(yōu)化的科學化、數(shù)據(jù)化。近些年宣鋼2500m3高爐爐料結(jié)構(gòu)及指標情況如表2所示。

通過不斷摸索、總結(jié)，宣鋼高爐形成了燒結(jié)礦+自產(chǎn)球+PB礦的爐料結(jié)構(gòu)，并不斷優(yōu)化提高塊礦比，較2016年相比，2500m3高爐利用系數(shù)提高近0.2t·m3·d，入爐焦比降低近15kg/t，噴煤比提高近30kg/t，技經(jīng)指標創(chuàng)歷史最好水平。

3 結(jié)論

（1）在高爐高溫區(qū)內(nèi)，天然塊礦、球團礦均與燒結(jié)礦發(fā)生交互反應(yīng)，由于塊礦與燒結(jié)礦存在“面接觸”，有效接觸面積大于球團礦，INI指數(shù)較高。

（2）不同種類塊礦之間存在微觀組織結(jié)構(gòu)上的差異，PB塊礦疏松多孔，與燒結(jié)礦的高溫交互反應(yīng)能力最強。

（3）基于高溫交互反應(yīng)的爐料結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)在宣鋼2500m3高爐成功應(yīng)用，逐步由PB塊礦替代球團礦，實現(xiàn)高爐長周期穩(wěn)定順行，節(jié)焦降耗效果明顯。