COREX 鐵水硫含量主要影響因素的統(tǒng)計(jì)解析

王來(lái)信，常 鳳，趙國(guó)磊

（中冶華天工程技術(shù)有限公司，江蘇210019）

0 引言

高爐作為傳統(tǒng)煉鐵工藝，因其生產(chǎn)高效，目前仍是最主要的鐵水生產(chǎn)工藝。然而，日益增加的環(huán)境壓力和優(yōu)質(zhì)煉焦煤資源的日益匱乏，不斷驅(qū)使替代工藝的發(fā)展。其中，COREX 熔融還原煉鐵工藝發(fā)展成為目前接受度最高的替代工藝，是首個(gè)使用非煉焦煤作為燃料并被工業(yè)驗(yàn)證的熔融還原煉鐵工藝[1-2]。COREX 由兩個(gè)反應(yīng)器所組成：預(yù)還原豎爐和熔融氣化爐，如圖1 所示。原料（球團(tuán)礦、塊礦、焦炭、熔劑等）被持續(xù)加入到還原豎爐內(nèi)，850 ℃左右的還原氣通過(guò)環(huán)管加入到豎爐內(nèi)，還原氣與下降的爐料逆向上升到豎爐頂部，在此過(guò)程中對(duì)含鐵爐料進(jìn)行預(yù)還原，煤氣從豎爐頂部排出時(shí)溫度約300 ℃；預(yù)還原得到的直接還原鐵（DRI）和經(jīng)過(guò)部分焙燒熔劑通過(guò)螺旋給料器加入到熔融氣化爐頂部，非煉焦煤加入到氣化爐內(nèi)，氧氣通過(guò)風(fēng)口鼓入爐內(nèi)，燃燒燃料并產(chǎn)生還原氣和熱量[3-5]。盡管如此，COREX 工藝也存在一些缺點(diǎn)，如鐵水硫含量相較于高爐更高，波動(dòng)也更為嚴(yán)重。因而，有必要研究各工藝參數(shù)對(duì)鐵水硫含量的影響。

本文，在分析COREX 爐內(nèi)硫元素分布規(guī)律的基礎(chǔ)上，提煉出可能的影響因素，并統(tǒng)計(jì)解析COREX-3000 的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，以明確各工藝參數(shù)對(duì)鐵水硫含量的影響規(guī)律。

1 影響鐵水硫含量的因素分析

圖1 COREX 工藝流程簡(jiǎn)圖

本文采用SPSS 軟件進(jìn)行各工藝參數(shù)與鐵水硫含量的相關(guān)分析和回歸分析。Pearson 相關(guān)系數(shù)用于衡量相關(guān)程度的高低，取值范圍為[-1，1]，負(fù)值表示負(fù)相關(guān)關(guān)系[6-7]。為了處理各參數(shù)之間的相互作用，簡(jiǎn)化復(fù)雜影響，需要先進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選。數(shù)據(jù)篩選是基于生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)、各參數(shù)之間的相互關(guān)系以及數(shù)據(jù)量等原則進(jìn)行。表1 為各參數(shù)用于相關(guān)分析和回歸分析的范圍。同時(shí)，在進(jìn)行相關(guān)分析的時(shí)候，會(huì)根據(jù)需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的篩選，因此不同變量的相關(guān)分析所用數(shù)據(jù)會(huì)有一定的差別。

表1 用于相關(guān)分析和回歸分析的各參數(shù)范圍

圖2 為COREX 鐵水硫含量的波動(dòng)情況，共計(jì)230 組數(shù)據(jù)，硫含量最大值為0.152%，最小值為0.015%，可以看出波動(dòng)較為嚴(yán)重。盡管如此，在經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的數(shù)據(jù)篩選后，仍然可以通過(guò)相關(guān)分析定性地掌握各工藝參數(shù)對(duì)鐵水硫含量的影響。

圖2 COREX 鐵水硫含量波動(dòng)情況

1.1 煤比的影響（以煤代焦）

煤作為COREX 的主要燃料來(lái)源，也是硫的主要來(lái)源，故此煤比將對(duì)鐵水硫含量有較大的影響，如圖3 所示。由可圖3 以看出，在燃料比基本不變的條件下，隨著煤比的升高，鐵水硫含量有輕微下降趨勢(shì)。即，以煤代焦會(huì)產(chǎn)生更多的煤氣，而且所用的煤和焦炭含硫量分別為0.5%和0.8%，故此，煤比升高意味著硫輸入減少，有助于降低鐵水硫含量，但要注意保證一定的焦比，從而保障豎爐的透氣性。

A 煤和B 煤為實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中所用的兩種煤，前者為低硫煤，硫含量為0.4%，后者為高硫煤，硫含量為0.6%。由圖4 可以看出，提高A 煤的比例有助于降低鐵水硫含量，不僅因其自身硫含量低，而且硫主要是在氣化爐拱頂分解進(jìn)入煤氣。

圖3 煤比對(duì)鐵水硫含量的影響

圖4 A 煤配比對(duì)鐵水硫含量的影響

1.2 渣比的影響

由燃料灰分和鐵礦石脈石所產(chǎn)生的爐渣，在相同含鐵爐料的情況下，渣比由燃料比所決定。圖5所示為渣比對(duì)鐵水硫含量的影響，可以看出，渣比的升高會(huì)導(dǎo)致硫含量的略微增加。原因是，燃料比的增加為爐內(nèi)提供了一個(gè)更好的溫度條件，但同時(shí)也增加了硫收入。此外，燃料比的增加會(huì)導(dǎo)致?tīng)t渣中酸性成分的增加，進(jìn)而導(dǎo)致二元堿度的降低，此外，硫容量 CS 也會(huì)隨之降低，見(jiàn)式（1）[8-9]。在爐渣脫硫能力降低，而渣比升高的條件下，脫除的總硫量可能維持在一定水平。

圖5 渣比對(duì)鐵水硫含量的影響

1.3 鐵水溫度的影響

溫度條件對(duì)于脫硫反應(yīng)的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)條件至關(guān)重要，脫硫反應(yīng)和脫硫率的計(jì)算如式（2）、（3）所示。

式中，A 為反應(yīng)界面積，M 為鐵水質(zhì)量，LS為渣鐵間硫分配比，km和ks分別為硫元素在鐵水和爐渣中的質(zhì)量傳輸系數(shù)。

脫硫反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，因此溫度的升高有利于脫硫反應(yīng)的進(jìn)行。從動(dòng)力學(xué)角度分析，溫度升高會(huì)改善爐渣的流動(dòng)性，提高氧和硫的傳質(zhì)速率，同樣促進(jìn)脫硫反應(yīng)的進(jìn)行。溫度與鐵水硫含量的關(guān)系如圖6 所示。

1.4 熔煉率的影響

圖6 鐵水溫度對(duì)鐵水硫含量的影響

圖7 所示為熔煉率對(duì)鐵水硫含量的影響。熔煉率表示的是COREX 的生產(chǎn)效率，在某種程度上，也代表著氣化爐內(nèi)熱鐵水的滴落速率。鐵水上漂浮著一層厚厚的爐渣，鐵滴穿過(guò)渣層發(fā)生脫硫反應(yīng)，這也是脫硫反應(yīng)最為激烈的地方。鐵水滴落穿過(guò)渣層的速度越快，爐渣和鐵水之間的接觸時(shí)間越短，從而使得脫硫反應(yīng)削弱。換句話說(shuō)，隨著熔煉率的增加，COREX 鐵水硫含量增加。

圖7 熔煉率對(duì)鐵水硫含量的影響

1.5 爐渣二元堿度R2 和MgO/Al2O3 的影響

圖8 所示為鐵水硫含量與二元堿度R2的關(guān)系。作為衡量爐渣脫硫能力的一個(gè)重要參數(shù)，硫容量受溫度和爐渣堿度的影響[10]。當(dāng)溫度恒定時(shí)，爐渣脫硫能力隨著爐渣堿度的增加而升高，同時(shí)可改善爐渣的流動(dòng)性，促進(jìn)脫硫反應(yīng)的進(jìn)行。

圖8 爐渣堿度對(duì)鐵水硫含量的影響

由圖9 可以看出，爐渣MgO/Al2O3越高，鐵水硫含量越低。與二元堿度相似，爐渣MgO/Al2O3的升高意味著更多的堿性氧化物或很少的酸性氧化物，從而改善爐渣的流動(dòng)性，促進(jìn)脫硫反應(yīng)的進(jìn)行。

圖9 爐渣MgO/Al2O3 對(duì)鐵水硫含量的影響

1.6 煤氣利用率的影響

由熔融氣化爐內(nèi)燃料燃燒產(chǎn)生的還原氣，通過(guò)圍管送入豎爐內(nèi)，并上升穿過(guò)爐料到達(dá)豎爐爐頂，排出時(shí)溫度約250 ℃～300 ℃。在這一過(guò)程中，含鐵爐料被還原氣還原成具有一定金屬化率的海綿鐵。煤氣利用率的計(jì)算如式（4）所示[11]，受煤氣成分、還原反應(yīng)溫度、礦石的特性等影響。

圖10 為URG 與鐵水硫含量的關(guān)系。在金屬化率一定的條件下，煤氣利用率升高，則還原所需煤氣量降低，可以通過(guò)降低煤比減少產(chǎn)生的煤氣量。而由前文可知，鐵水硫含量會(huì)隨著煤比的降低而升高，因此豎爐內(nèi)煤氣利用率的升高會(huì)引起鐵水硫含量的增加。

圖10 煤氣利用率對(duì)鐵水硫含量的影響

1.7 噸礦頂煤氣消耗量的影響

由圖11 可以看出，噸礦頂煤氣消耗量（TGC）的升高會(huì)導(dǎo)致鐵水硫含量的降低。TGC 的升高直接加速氣固界面的還原氣的更新，從而促進(jìn)豎爐內(nèi)鐵礦石還原。然而，當(dāng)氣體流量超過(guò)一定值時(shí)，還原氣利用率會(huì)降低，這一界限值對(duì)于CO 和H2分別為800 Nm3/t 和 1 000 Nm3/t[11]。本文中，TGC 值基本全超過(guò)1 000 Nm3/t，因此TGC 的增加導(dǎo)致煤氣利用率URG的降低。根據(jù)前文鐵水硫含量與煤氣利用率的關(guān)系可知，TGC 的升高將有利于鐵水硫含量的降低。

圖11 噸礦頂煤氣消耗量對(duì)鐵水硫含量的影響

1.8 金屬化率的影響

在氣化爐內(nèi)，煤的燃燒反應(yīng)是爐內(nèi)的主要熱源，同時(shí)生成豎爐還原所需的還原煤氣。金屬化率是用于評(píng)價(jià)豎爐內(nèi)鐵礦石的還原程度，可根據(jù)式（5）進(jìn)行計(jì)算。

式中，ωFe為還原后鐵礦石中Fe 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為原始鐵礦石中 Fe2O3、Fe3O4和FeO 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

海綿鐵金屬化率（Met）和鐵水硫含量的關(guān)系如圖12 所示。預(yù)還原豎爐內(nèi)的海綿鐵金屬化率越高，氣化爐內(nèi)所需要的還原劑和燃料就越少[12]。此外，金屬化率是影響煤比的主要因素[13]。換句話說(shuō)，隨著海綿鐵金屬化率的升高，COREX 煤比降低，從而使鐵水硫含量升高。

1.9 煤氣氧化度的影響

還原煤氣氧化度（OD）和還原勢(shì)一樣是用于評(píng)價(jià)煤氣的還原能力，可依式（6）進(jìn)行計(jì)算。

式中，VCO2、VH2O、VCO和 VH2分別為送入豎爐內(nèi)的還原氣中 CO2、H2O、CO 和 H2的體積分?jǐn)?shù)。

圖12 海綿鐵金屬化率對(duì)鐵水硫含量的影響

圖13 表明隨著煤氣氧化度的增加，鐵水硫含量略微下降。煤氣氧化度的增加意味著氣化爐內(nèi)燃料的燃燒更加充分，也為渣鐵的融化以及豎爐內(nèi)原料的還原提供更多的熱量。一方面，煤氣氧化度的增加意味著產(chǎn)生所需熱量的燃料量降低；另一方面，隨著煤氣氧化度的增加，達(dá)到一定金屬化率所需的還原氣體量增加，因此需要更多的熱量。而根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，金屬化率對(duì)燃料比的影響要遠(yuǎn)比氣體氧化度的影響大得多。因此，隨著還原煤氣氧化度的增加，鐵水中硫含量最終呈降低趨勢(shì)[13]。

圖13 還原煤氣氧化度對(duì)鐵水硫含量的影響

1.10 煤布料指數(shù)的影響

爐料的布料模式可以由布料指數(shù)（BDI）來(lái)衡量，根據(jù)式（7）進(jìn)行計(jì)算，包括煤布料指數(shù)（CDI）和直接還原鐵布料指數(shù)（DDI）。式（7）表明，隨著B(niǎo)DI的增加，爐料趨向邊緣布置，因?yàn)檫吘? m 環(huán)處的權(quán)重系數(shù)要大于中心0 m 環(huán)處的權(quán)重系數(shù)。

式 中 ，d1、d2、d3、d4、d5、d6、d7、d8、d9、d10、d11分 別 為 0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5 和 5 m 環(huán)處煤或直接還原鐵（DRI）的料層厚度。

圖14 所示為煤布料指數(shù)CDI 對(duì)鐵水硫含量的影響。盡管COREX 熔融氣化爐的生產(chǎn)工藝與高爐下部相似，但彼此仍有所不同。一方面，由于塊煤加入拱頂后快速升溫至1 050 ℃左右，塊煤破碎稱為小塊煤，從而惡化了爐料的透氣性；另一方面，COREX 工藝的純氧鼓風(fēng)使得風(fēng)口回旋區(qū)較淺，爐缸氣體量也較少。這兩個(gè)方面使得熔融氣化爐內(nèi)偏向于邊緣發(fā)展，而這對(duì)于DRI 的進(jìn)一步還原是不利的。

圖14 煤布料指數(shù)對(duì)鐵水硫含量的影響

隨著CDI 的增加，煤被逐漸分布到邊緣區(qū)域，其分解和燃燒將會(huì)更加充足，爐缸的熱量條件也會(huì)更佳，而熱量條件的改善對(duì)于脫硫反應(yīng)的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)條件均有利。故此，CDI 的增加將有利于鐵水硫含量的降低。

1.11 直接還原鐵布料指數(shù)的影響

由于COREX 氣化爐內(nèi)的氣體流量偏向于邊緣發(fā)展，直接還原鐵（DRI）布料指數(shù)（DDI）的增加將有利于脫硫反應(yīng)的進(jìn)行。由圖15 可以看出，氣化爐拱頂區(qū)域，DRI 中殘留的FeO 將被更加快速和更加充分地還原，這使得軟熔層更窄，位置更高，從而吸收相對(duì)較少的含硫化合物，下部脫硫反應(yīng)空間也更大。因此，DDI 的增加將有利于鐵水硫含量的降低。

圖15 DRI 布料指數(shù)對(duì)鐵水硫含量的影響

2 基于相關(guān)性分析的鐵水硫含量預(yù)測(cè)

在進(jìn)行回歸分析之前，先使用SPSS 軟件進(jìn)行主成分分析（PCA），主成分分析的結(jié)果如表2 所示，從中選擇了7 個(gè)主成分，分別為：煤氣利用率（URG）、煤布料指數(shù)（CDI）、熔煉率（MR）、鐵水溫度（T）、爐渣二元堿度（R2）、渣比（SR）和爐渣 MgO/Al2O3（M/A）。隨后，基于此得到了COREX 鐵水硫含量的預(yù)測(cè)模型，如式（8）所示，為生產(chǎn)過(guò)程中的控制提供了精確、可靠的信息。

式中，SR 為渣比（kg/t），T 為鐵水溫度（℃），MR 為熔煉率（t/h）、R2為爐渣二元堿度，M/A 為爐渣 MgO/Al2O3，URG 為煤氣利用率（%），CDI 為煤布料指數(shù)。

為了更好地理解回歸分析結(jié)果，標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)（β值）按照絕對(duì)值大小的順序列于表3 中，絕對(duì)值越大，其對(duì)鐵水硫含量的影響越大。因此，要降低鐵水硫含量，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先調(diào)整爐渣堿度R2、鐵水溫度T 和煤布料指數(shù)（CDI）。

為驗(yàn)證該模型，將回歸模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)一個(gè)月的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。由圖16 可以看出，預(yù)測(cè)所得硫含量與實(shí)際值吻合良好，說(shuō)明回歸模型可用于預(yù)測(cè)和控制COREX 工藝的鐵水硫含量。

表2 主成分分析的系數(shù)矩陣

表3 各參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)

圖16 鐵水硫含量預(yù)測(cè)值與實(shí)際值的比較

3 結(jié)論

本文分析了COREX 爐內(nèi)硫的分布和轉(zhuǎn)移行為，并由此得到可能影響鐵水硫含量的一些工藝參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，分析了各參數(shù)與鐵水硫含量的關(guān)系，得到了一個(gè)可用于預(yù)測(cè)COREX 鐵水硫含量的多元線性回歸模型。主要結(jié)論如下：

（1）由于COREX 工藝的燃料比高，且爐渣的脫硫能力相對(duì)較弱，故此COREX 鐵水硫含量要比高爐高得多。

（2）燃料灰分和海綿鐵DRI 中的硫以COS、SO2的形式分解出，或在風(fēng)口區(qū)域還原成S2（特別是高硫煤），隨后混入還原氣中上升。在上升過(guò)程中，含硫氣體將被下部熔融氣化爐和上部豎爐中的爐料部分吸收。

（3）根據(jù)相關(guān)分析和回歸分析的結(jié)果，與鐵水硫含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系的參數(shù)有：煤比、鐵水溫度、爐渣二元堿度R2、爐渣MgO/Al2O3和DRI 布料指數(shù)。相反地，渣比、熔煉率和還原煤氣利用率與鐵水硫含量為正相關(guān)關(guān)系。

（4）本文得到了一個(gè)經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的多元線性回歸模型，可用于預(yù)測(cè)和調(diào)控COREX 工藝的鐵水硫含量。