首鋼股份高鈦氧化球團生產(chǎn)實踐

劉長江 高培程 王 剛 賈國利

(北京首鋼股份有限公司煉鐵作業(yè)部，遷安064000)

0 引言

隨著冶金行業(yè)兼并發(fā)展，倒逼產(chǎn)能進一步釋放，以高爐為主要設(shè)備的煉鐵流程，尤其對于長時間、高負荷運行的大型高爐，爐體長壽逐漸受到重視。通常護爐措施主要分為主動型與被動型，通過控制碳磚成分或者添加含鈦物料來實現(xiàn)對爐體的保護。在我國、日本、澳洲、北美等地區(qū)主要以添加含鈦物料實現(xiàn)護爐。用于護爐的含鈦球團礦TiO2≤13%、全鐵品位53%左右[1]，具有品位高、透氣性好、冶金性能優(yōu)良、成分單一可控的優(yōu)點[1-4]，正逐漸代替高爐中直接噴吹鈦精粉或鈦精礦冷固球團和含鈦燒結(jié)礦，成為高爐護爐的主要原料。

首鋼球團于1985年建廠，先后進行過金屬化球團、氧化球團生產(chǎn)探索，擁有100萬t/a和200萬t/a鏈箅機-回轉(zhuǎn)窯-環(huán)冷機產(chǎn)線兩條。由于我國鈦資源主要集中于川貴、兩廣地區(qū)，華北分布較少，含鈦球團礦采購成本較高，首鋼股份高爐以配加鈦礦為主。為進一步改善護爐爐料，首鋼球團以現(xiàn)有設(shè)備進行含鈦球團礦的生產(chǎn)探索。

1 原料性能與設(shè)備條件

1.1 原料性能

試驗選用承德高鈦精礦作為鈦源(以下稱為高鈦粉)，配加比例為25%。為控制變量，粘結(jié)劑種類、煤粉供應(yīng)等外部因素按照原有標(biāo)準(zhǔn)。含鐵物料成分及性能見表1、膨潤土性能見表2。

表1 含鐵物料成分及性能(%)

表2 膨潤土質(zhì)量情況

由表1、表2可知，高鈦粉-0.074mm含量≤77.1%，且SiO2和S含量等雜質(zhì)較高，這對高鈦粉用于造球是不利的。膨潤土吸水率達到380%，膨脹倍達到19.5，性能較好。

高鈦粉與水高粉配礦比例(w%)3：1。兩次試驗精礦配比及濕球參數(shù)見表3。

表3 精礦配比及濕球粒度(%)

1.2 設(shè)備條件

目前，二系列產(chǎn)線以生產(chǎn)磁鐵礦氧化球團為主，同時進行了多個點位的升級改造，用于提高焙燒環(huán)境，穩(wěn)定設(shè)備運行。本次試驗為全流程工業(yè)試驗。主要設(shè)備見表4。

表4 二系列產(chǎn)線主要設(shè)備

對于鏈箅機-回轉(zhuǎn)窯-環(huán)冷機生產(chǎn)體系，生球在鏈箅機中主要發(fā)生自由水、吸附水以及少量結(jié)晶水的散失蒸發(fā)，亞鐵開始氧化并形成部分液相，生球強度逐漸由機械連接力轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)作用力等變化，溫度變化窗口達到900℃以上。因此，良好的熱工制度能夠保證預(yù)熱球在生產(chǎn)中減少亞鐵品位、提高入窯強度并減少結(jié)圈產(chǎn)生，這對成球性能較差的高鈦粉球團至關(guān)重要。鏈箅機風(fēng)熱流向見圖1。

圖1 鏈箅機熱流示意圖

進行含鈦球團試驗過程中應(yīng)同時考慮設(shè)備耐受與穩(wěn)定。以預(yù)熱段熱量走向為例，其下箅床余熱經(jīng)過兩臺耐熱風(fēng)機送至抽風(fēng)干燥段。由于過高溫度會對耐熱風(fēng)機葉輪造成嚴重損壞，因此在保證機頭溫度達到950℃的同時應(yīng)保證適當(dāng)?shù)牧虾窈蜋C速，保持相對穩(wěn)定的溫降，對風(fēng)機葉片適當(dāng)保護。

2 含鈦球團礦在生產(chǎn)中存在的困難

2.1 技術(shù)難題

試驗選取的精礦為高品位TiO2與磁鐵精礦配礦所得。一般認為，與磁鐵礦球團相比釩鈦磁鐵礦球團生球落下強度低，膨潤土消耗高，造球過程困難[4,5]；含TiO2球團在氧化球團預(yù)熱焙燒過程中，由于在溫度950℃時生成了鈦磁鐵礦與致密氧化鐵層，影響內(nèi)部磁鐵礦的進一步氧化[6]，球團焙燒難度進一步增大，且隨著微晶與周圍赤鐵礦的生長連接，結(jié)構(gòu)更加致密，影響氧化進程。其在物料粒度、顆粒形貌、成球性能、高溫氧化性能上發(fā)生的變化，使得含鈦球團礦在造球、高溫固結(jié)方面與原有磁鐵礦球團以及常規(guī)釩鈦磁鐵礦存在差異，原有熱工參數(shù)需要不斷改進。

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2.2 設(shè)備難題

由于高鈦粉的添加，磁鐵精礦在球團中的比例下降，在發(fā)生鐵氧化物固相擴散固結(jié)時難度增加，達到相同抗壓強度時，較相同粒度磁鐵礦物球團需要的焙燒溫度升高[7]。同時有研究表明，在焙燒溫度1 150℃～1 250℃區(qū)間時，含鈦球團礦抗壓強度呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢。從目前機速、環(huán)速以及鏈箅機布料厚度控制標(biāo)準(zhǔn)分析，生產(chǎn)含鈦球團礦應(yīng)適當(dāng)提高機速、降低布料厚度，在提升預(yù)熱效率的同時穩(wěn)定設(shè)備運行。

3 含鈦球團生產(chǎn)與分析

3.1 干球性能

3.1.1 造球過程

結(jié)合2017年6月在二系列產(chǎn)線展開的含鈦球團生產(chǎn)試驗數(shù)據(jù)，高鈦粉粒度粗，直接用于造球效果差，本次試驗采取經(jīng)過輥磨處理的方法提高混合精礦的比表面積。造球及濕球轉(zhuǎn)運工序過程參數(shù)見表5。

表5 造球工序過程參數(shù)

注：2017年06月含鈦精礦配加量為4%，2019年含鈦精礦配加量為25%。

由表5可知，2017年6月試驗中，將4%高鈦粉直接添加在原礦中比表面積下降173cm2/g，成球性指數(shù)下降0.14。結(jié)合現(xiàn)場生產(chǎn)效果，生球長大速度加快，濕球結(jié)構(gòu)松散且表面粗糙。同時，皂土消耗較原流程增加約61.5%，落下強度由5.1N/個下降為4.6N/個。結(jié)合原料性能以及上表分析，高鈦粉中大于0.074mm粒級含量較多，對比表面積提高起主要作用的細粒級含量過少，混合精礦的比表面積明顯下降，導(dǎo)致皂土消耗升高的同時濕球在粒度、落下強度方面質(zhì)量均大大降低。

2019年12月試驗中，25%高鈦粉經(jīng)過高壓輥磨處理后，混合精礦比表面積達到938cm2/g，相比于直接加入高鈦粉比表面積增加114cm2/g、相比于未配加前精礦下降208cm2/g、成球性指數(shù)下降0.22，同時在皂土消耗波動較小的前提下，落下強度提高47.8%，生球粒度波動較小。相比于2017年6月試驗，本次試驗含鈦物料配比明顯增加，高壓輥磨機在處理較粗高鈦粉原料時能夠明顯增加原料成球性能，為高品位鈦球團生產(chǎn)提供支撐。

3.1.2 預(yù)熱及焙燒過程

生產(chǎn)中，生球在鏈箅機中的干燥、氧化進程控制通過調(diào)整鏈箅機風(fēng)箱、煙罩以及布料厚度實現(xiàn)，兩次試驗相關(guān)數(shù)據(jù)見圖2。

圖2 產(chǎn)線溫度控制

2019年12月試驗中，通過前期對回轉(zhuǎn)窯主槍助燃風(fēng)腔以及導(dǎo)風(fēng)翼角改造，將回轉(zhuǎn)窯高溫點整體

向后拉伸，機頭溫度得到提高，預(yù)熱流程溫度整體升高，減少了粉料入窯。以環(huán)冷機一冷段為例，溫升達17℃。結(jié)合環(huán)冷機鼓風(fēng)機參數(shù)設(shè)置：配加高鈦粉前后，1#鼓風(fēng)機開度由60%提升到70%，3#鼓風(fēng)機開度由40%提升到50%，一方面有利于預(yù)熱球團在環(huán)冷機臺車中二次氧化、固結(jié)，另一方面提高了預(yù)熱二段煙罩的整體溫度，滿足含鈦球團礦高溫固結(jié)、氧化相對困難的需要。

3.2 成品球性能分析

3.2.1 成品球固結(jié)及抗壓強度分析

目前，國內(nèi)專用護爐爐料的全鐵品位介于45%～52%之間，對應(yīng)的TiO2含量介于12%～15%，全鐵品位較低，并導(dǎo)致高爐渣量增加[8]。兩次試驗中，高鈦粉添加量的明顯差異，一方面為探索在符合本企業(yè)生產(chǎn)實際的條件下，TiO2添加量的允許限值；另一方面為進一步探索因品位下降帶來的煉鐵成本上升和酸性護爐料含鈦量增加之間的最適范圍。

如表6所示，以2019.11產(chǎn)品批次作為常規(guī)氧化球團質(zhì)量基準(zhǔn)。2019.12工業(yè)試驗中，TFe品位下降為57.86%，TiO2品位達到9.12%，全鐵品位保持相對較高水平的同時含鈦量明顯高于2017.6試驗，同時由于成品球中FeO含量波動較小，兩次試驗成品球抗壓強度與基準(zhǔn)相比變化不大。2017.6試驗中，TiO2品位較低，其他參數(shù)變化較小，引入較多雜質(zhì)的同時，有益元素Ti含量偏低，不適宜直接用作護爐爐料。

表6 成品球質(zhì)量和元素分析

對常規(guī)氧化球團(2019.11)、2017.6試驗、2019.12試驗進行了SEM成像分析并對2019.12試驗譜圖進行了EDS能譜分析結(jié)果見圖3、表7。

由圖3可知，常規(guī)磁鐵礦氧化球團(A)氧化固結(jié)后能夠形成良好的赤鐵礦微晶連接、渣鍵，逐漸呈集合體狀，成品球強度較易形成。2017.6試驗成品球團(B)，由于粒度較粗，預(yù)熱過程中+3處的微晶連接較弱，是機頭球抗壓強度不足的微觀機理，但在焙燒階段中，由于+2、+4赤鐵礦微晶連接的生長使得成品球抗壓強度能夠滿足要求，與常規(guī)氧化球團變化不大。2019.12試驗中，成品球中固相連接生長較為完整，結(jié)構(gòu)較為致密。這是由于焙燒溫度升高，鈦精礦氧化過程加劇，赤鐵礦連接數(shù)量增加。在C譜圖2處存在大面積赤鐵礦微晶連接，C譜圖1處存在鐵板鈦礦，這可能是由于在焙燒過程中板鈦礦(TiO2)與赤鐵礦反應(yīng)生成Fe2TiO5的產(chǎn)物[1]。

A：常規(guī)氧化球團，B：1.04%TiO2，C：9.12%TiO2

表7 2019.12試驗EDS能譜元素分析(%)

通過改變回轉(zhuǎn)窯中高溫點位置、提高流程溫度、提高環(huán)冷機冷卻效率等一系列加強氧化焙燒環(huán)境的工序，成品球團中鐵板鈦礦、赤鐵礦連接更加致密，硅酸鹽液相分布更加均勻，抗壓強度穩(wěn)定的基礎(chǔ)上大大增加了含鈦物料的配比，為連續(xù)生產(chǎn)TiO2含量9.12%的高鈦球團奠定了基礎(chǔ)。

3.2.2 成品球冶金性能分析

球團礦的還原膨脹是指在還原條件下六面體結(jié)構(gòu)的Fe2O3還原為立方晶格結(jié)構(gòu)的Fe3O4時由于晶格轉(zhuǎn)變引起的體積膨脹，以及浮氏體還原成金屬鐵時出現(xiàn)的鐵晶須而引起的惡性體積膨脹。其大幅降低球團礦強度。

2019.12：9.12% TiO2； 2017.6：1.04% TiO2； 2019.11：0% TiO2

由圖4可知，隨著球團礦中TiO2含量的增加，還原膨脹率得到遏制，有利于增加高爐料柱的透氣性；還原度升高4%左右，與含TiO2氧化球團的還原規(guī)律相反，這可能是由于在環(huán)冷機冷卻階段增加了1#、3#鼓風(fēng)機風(fēng)量，焙燒球中殘余FeO氧化過程加劇，F(xiàn)e2O3晶鍵生長導(dǎo)致(SEM及EDS能譜分析可以證明這點)。通過添加高鈦粉，低溫還原強度RDI+6.3與低溫還原粉化性能RDI+3.15出現(xiàn)下降，通過升高焙燒溫度和加快氧化過程進行，含鈦球團的還原性能得到提升。

4 結(jié)語

——高壓輥磨用于較粗粒級高鈦粉造球原料的預(yù)處理中，能夠明顯增加原料比表面積、提高高鈦粉成球性能，使高品位含鈦球團生產(chǎn)成為可能。

——與原生鈦磁鐵礦相比，由于混合礦中FeO含量較少，成品球團還原性能得到提升，生產(chǎn)高TiO2磁鐵礦球團需要更高的流程溫度。結(jié)合生產(chǎn)實際，適當(dāng)提高焙燒溫度、增加環(huán)冷機鼓風(fēng)量，能夠促進球團礦在高溫焙燒以及二次氧化的固結(jié)過程，同時可將高鈦粉配比從4%增加到25%，回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈、環(huán)冷機板結(jié)狀況得到緩解。

——兩次試驗分別探索了在符合本企業(yè)的配礦標(biāo)準(zhǔn)下，磁鐵精礦中配加高鈦粉用作球團原料配比限值時的生產(chǎn)實踐，為進一步探索含鈦球團中高鈦粉合理配加量打下了基礎(chǔ)。