高爐入爐原料優(yōu)化的生產(chǎn)實(shí)踐

陳 艷，張文政

（天津市新天鋼聯(lián)合特鋼有限公司，天津 301500）

1 前言

新天鋼聯(lián)合特鋼高爐爐料結(jié)構(gòu)為70%～80%的燒結(jié)礦、10%～15%的塊礦以及10%～15%的球團(tuán)，高燒結(jié)比的特點(diǎn)顯著。燒結(jié)礦占比長(zhǎng)期在75%左右，鑒于如此高比例的燒結(jié)礦，這種情況下燒結(jié)礦堿度對(duì)燒結(jié)自身產(chǎn)質(zhì)量指標(biāo)和高爐煉鐵的影響更為顯著，高堿度燒結(jié)礦的綜合爐料軟熔性能、煤氣利用率、高爐經(jīng)濟(jì)型核算都有必要展開針對(duì)性的研究。

關(guān)于低硅低堿度的技術(shù)研究能夠使燒結(jié)礦品位得到有效提升，但是堿度的下降會(huì)導(dǎo)致利用系數(shù)下降，燒結(jié)礦質(zhì)量和冶金性能受到影響。因此，新天鋼聯(lián)合特鋼在現(xiàn)有原燃料條件下，以高堿度燒結(jié)礦為基礎(chǔ)，對(duì)燒結(jié)礦與球團(tuán)及塊礦交互作用、高爐綜合爐料結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面進(jìn)行機(jī)理性研究，為高球團(tuán)、塊礦比奠定理論基礎(chǔ)，最終形成有利于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)燒結(jié)與高爐工序協(xié)作高效經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)的研究結(jié)果。

2 現(xiàn)場(chǎng)爐料化學(xué)成分

高爐爐料結(jié)構(gòu)為70%～80%的燒結(jié)礦、10%～15%的塊礦以及10%～15%左右的球團(tuán)。根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)所使用爐料，選擇燒結(jié)機(jī)所產(chǎn)燒結(jié)礦、豎爐自產(chǎn)球團(tuán)礦、南非塊礦以及SP10塊礦為研究對(duì)象，對(duì)其冶金性能進(jìn)行分析。

所選定的5種含鐵爐料的化學(xué)成分，1#、2#燒結(jié)礦的TFe 分別為56.32%和57.01%，兩次取樣的燒結(jié)礦的TFe 相差不大，SiO2約5%，屬于典型的高鐵低硅型燒結(jié)礦，燒結(jié)礦堿度為1.95～2.00，SiO2和MgO處于較低水平，會(huì)使其還原粉化性能降低。

球團(tuán)礦中FeO低于0.4%，SiO2為5.22%，屬于高硅，其堿度為0.03，屬于酸性球團(tuán)。SP10 塊相對(duì)于南非礦，SiO2含量較高、TFe含量低、H2O含量少的特點(diǎn)。南非礦燒損為0.38%，屬于赤鐵礦，而SP10 礦燒損為1.31%。

3 現(xiàn)場(chǎng)爐料冶金性能試驗(yàn)結(jié)果與分析

為評(píng)估分析當(dāng)前燒結(jié)礦及高爐綜合爐料冶金性能上的優(yōu)缺點(diǎn)，現(xiàn)對(duì)天鋼現(xiàn)場(chǎng)所使用的爐料進(jìn)行冶金性能分析，評(píng)估當(dāng)前燒結(jié)礦及高爐綜合爐料冶金性能上的優(yōu)缺點(diǎn)，以明晰燒結(jié)礦為主的綜合爐料質(zhì)量?jī)?yōu)化的方向。

3.1 燒結(jié)礦還原性能試驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)于燒結(jié)礦來(lái)說，若燒結(jié)礦具有較好的還原性能，燒結(jié)礦中的FeO 將更多地被還原為金屬鐵，使進(jìn)入渣中的FeO 相應(yīng)減少，因而使燒結(jié)礦具有較高的軟熔溫度。通過對(duì)天鋼不同批次的燒結(jié)礦進(jìn)行還原性能檢測(cè)，1#、2#、3#燒結(jié)礦的還原度指數(shù)分別為88.33%、89.89%以及78.46%。一般而言，優(yōu)質(zhì)燒結(jié)礦的還原度指數(shù)要求≥78%，天鋼的3 種燒結(jié)礦均屬于優(yōu)質(zhì)燒結(jié)礦，其中3#燒結(jié)礦的還原度指數(shù)偏低。

3.2 燒結(jié)礦還原粉化性能試驗(yàn)結(jié)果與分析

從燒結(jié)礦的低溫還原粉化試驗(yàn)結(jié)果可以看出1#、2#燒結(jié)礦的低溫還原粉化指數(shù)分別為57.84%、51.65%，3#機(jī)燒結(jié)礦的低溫還原粉化指數(shù)為58.30%。比較而言，3#燒結(jié)礦的低溫還原粉化指數(shù)比1#和2#燒結(jié)礦好，有利于減少在高爐中上部的低溫區(qū)域粉化現(xiàn)象。

3.3 塊礦還原性能試驗(yàn)結(jié)果與分析

南非塊礦及SP10 塊礦的還原度指數(shù)分別為61.72%以及56.54%。南非塊礦還原性能明顯優(yōu)于SP10塊礦，有利于提高高爐利用系數(shù)。

3.4 塊礦熱爆裂性能試驗(yàn)結(jié)果與分析

塊礦在高爐中加熱還原的過程中，其中的針鐵礦向赤鐵礦轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生水分。隨著溫度的持續(xù)升高，部分的水蒸氣在封閉氣孔中產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力。當(dāng)相鄰的封閉氣孔間達(dá)到破碎應(yīng)力上限時(shí)氣孔貫穿。當(dāng)多個(gè)相鄰氣孔貫穿形成裂紋時(shí)，破碎顆粒會(huì)從塊礦基體上剝落形成細(xì)小粉末，使得料層的透氣性變差，影響還原氣體的上升，熱爆裂性是塊礦重點(diǎn)關(guān)注的指標(biāo)。

南非塊礦的熱爆裂指數(shù)為8.4%，而SP10 塊礦的熱爆裂指數(shù)為13.23%。南非塊礦的爆裂性能優(yōu)于SP10塊礦，產(chǎn)生的粉末少，能夠減少粉狀對(duì)高爐煤氣流的堵塞，從而提高高爐透氣性。

3.5 球團(tuán)礦還原膨脹試驗(yàn)結(jié)果與分析

在高爐冶煉過程中，球團(tuán)礦還原膨脹會(huì)對(duì)其冶煉帶來(lái)不利影響，膨脹可能導(dǎo)致球團(tuán)強(qiáng)度陡降，出現(xiàn)裂紋和粉化現(xiàn)象，導(dǎo)致高爐料層透氣性降低，冶煉難度加大。

3.6 球團(tuán)礦還原性能試驗(yàn)結(jié)果與分析

球團(tuán)礦的整體抗壓強(qiáng)度較好，最高抗壓強(qiáng)度達(dá)到了3 160 N，平均抗壓強(qiáng)度2 446 N。試驗(yàn)研究過程中發(fā)現(xiàn)球團(tuán)礦的抗壓強(qiáng)度存在一定的波動(dòng)，生產(chǎn)中應(yīng)注意操作。

球團(tuán)礦的還原度為69%，相比一般的堿性球團(tuán)，酸性球團(tuán)的還原度較低，主要原因：堿性球團(tuán)在焙燒過程中由于碳酸鈣分解放出CO2，使得球團(tuán)的開氣孔率增加，有利于還原過程的進(jìn)行；堿性球團(tuán)的礦物組成中有一定數(shù)量的易還原的鐵酸鈣，并且球團(tuán)的堿度較高，鐵酸鈣數(shù)量較多，還原性能相應(yīng)提高。

3.7 現(xiàn)場(chǎng)爐料荷重軟化熔滴性能試驗(yàn)結(jié)果與分析

通常要求入爐原料的軟化溫度區(qū)間窄，熔滴溫度適當(dāng)。一般而言，軟化溫度高于1 050 ℃、熔滴溫度高于1 450 ℃、軟化區(qū)間低于200 ℃、熔滴溫度區(qū)間低于100 ℃的礦石，屬于冶金性能好的礦石［1］。

一般而言，高堿度燒結(jié)礦的軟熔溫度較高，主要是因?yàn)殡S著燒結(jié)礦堿度的提高，CaO含量相應(yīng)增加，很容易形成2CaO·SiO2（C2S），而2CaO·SiO2的熔點(diǎn)很高，達(dá)到2 130 ℃，故燒結(jié)礦堿度的提高能導(dǎo)致礦石軟熔溫度升高。而且當(dāng)燒結(jié)礦堿度一定時(shí)，隨著MgO的增加，初渣中含MgO的高熔點(diǎn)物質(zhì)增多，渣相熔點(diǎn)升高，燒結(jié)礦熔化帶和軟熔帶區(qū)間顯著增加，軟化區(qū)間變化不大。

脈石成分含量形成的高熔點(diǎn)礦物導(dǎo)致；球團(tuán)礦軟化開始溫度、滴落溫度低于燒結(jié)礦，軟熔帶窄；塊礦的軟熔區(qū)間最窄，滴落溫度遠(yuǎn)低于燒結(jié)礦和球團(tuán)礦，塊礦的雜質(zhì)元素含量低。塊礦的軟化溫度區(qū)間很寬是因?yàn)閴K礦中礦物組成不均勻，既有大量低熔點(diǎn)礦物，也有許多高熔點(diǎn)礦物所致。

隨球團(tuán)礦w（MgO）升高，軟化結(jié)束溫度升高，熔化帶透氣性提高由于礦物組成的差異，堿性燒結(jié)礦的軟熔溫度一般高于酸性塊礦和球團(tuán)礦的原因有兩個(gè)：（1）燒結(jié)礦的還原性優(yōu)于球團(tuán)礦和塊礦，同樣條件下還原出的鐵相更多，容易發(fā)生連晶，使其外部的鐵殼較厚，增強(qiáng)了燒結(jié)礦的抗變形能力；（2）燒結(jié)礦還原后的礦物組成為熔點(diǎn)較高的Ca2SiO4，而球團(tuán)礦和塊礦礦物組成為熔點(diǎn)較低的Fe2SiO4（鐵橄欖石）。

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)爐料進(jìn)行綜合爐料荷重軟化熔滴試驗(yàn)，按現(xiàn)場(chǎng)高爐爐料所使用配比“70%燒結(jié)礦+15%塊礦+15%球團(tuán)”進(jìn)行試驗(yàn)?；谔熹撀?lián)合特鋼現(xiàn)場(chǎng)高爐爐料結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)綜合爐料配比，利用荷重軟化熔滴設(shè)備研究天鋼聯(lián)合特鋼現(xiàn)場(chǎng)高爐基準(zhǔn)配比下的綜合爐料熔滴性能。

對(duì)比3種燒結(jié)礦單種爐料的軟化熔滴數(shù)據(jù)，綜合爐料的軟化性能有了明顯的改善。與單一爐料熔滴試驗(yàn)相比，綜合爐料軟化性能相當(dāng)，熔化性能改善明顯，與燒結(jié)礦相比，滴落溫度降低了43 ℃；與球團(tuán)礦及塊礦相比，滴落溫度提高了100～160 ℃。這是由于燒結(jié)礦還原性能較好，另一方面較高堿度的燒結(jié)礦與其酸性塊礦的堿度差別更大，因而與塊礦的交互反應(yīng)推動(dòng)力也更大，在更大程度上解決塊礦自身軟熔性能差的問題。

4 現(xiàn)場(chǎng)爐料微觀結(jié)構(gòu)及物相分析

4.1 燒結(jié)礦微觀結(jié)構(gòu)分析

燒結(jié)礦中的礦物類型和其微觀結(jié)構(gòu)對(duì)燒結(jié)礦的冶金性能起著重要作用。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外的燒結(jié)礦工藝主要是基于鐵酸鈣理論生產(chǎn)高堿度燒結(jié)礦發(fā)展而來(lái)。復(fù)合鐵酸鈣是高堿度燒結(jié)礦的主要黏結(jié)相之一，復(fù)合鐵酸鈣既具有較高的還原性，同時(shí)其強(qiáng)度也較高。使燒結(jié)礦中生成大量的復(fù)合鐵酸鈣，有利于提高燒結(jié)礦的還原性和燒結(jié)礦強(qiáng)度。高堿度燒結(jié)的堿度大于2.5 時(shí)，由于生成鐵酸二鈣增多會(huì)導(dǎo)致燒結(jié)礦還原性變差。

4.2 球團(tuán)礦微觀結(jié)構(gòu)分析

通過對(duì)球團(tuán)礦進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)分析，可以看到球團(tuán)礦內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)呈“類圓狀”，表明球團(tuán)礦內(nèi)有一定液相形成；球團(tuán)礦內(nèi)微孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)，礦物顆粒間以面接觸形式存在，有利于改善性能。

4.3 塊礦微觀結(jié)構(gòu)分析

紐曼塊礦的微觀結(jié)構(gòu)及礦相結(jié)構(gòu)分析。紐曼塊孔隙較多，多為微米級(jí)細(xì)孔，結(jié)構(gòu)較為疏松，易在高溫下形成應(yīng)力點(diǎn)。紐曼塊礦主要物相為針鐵礦以及赤鐵礦。紐曼塊礦的鐵氧化物主要以赤鐵礦形式賦存，其中硅元素主要是SiO2形式存在，此外還含有大量的針鐵礦，這就是造成紐曼塊礦在高爐內(nèi)產(chǎn)生熱爆裂現(xiàn)象的主要原因。

不同于小粒級(jí)塊礦有大量的黏附脈石顆粒和豐富的孔隙，大粒級(jí)的塊礦，整體呈現(xiàn)致密狀態(tài)，雜質(zhì)物相較少，主要為鐵氧化物組成，在內(nèi)部裂縫處，塊礦呈現(xiàn)不規(guī)則顆粒狀，顆粒與顆粒之間有較豐富的孔隙。這些內(nèi)部孔隙對(duì)塊礦升溫過程中內(nèi)應(yīng)力的釋放起到重要作用，而外層多為致密的鐵氧化物層，受熱易產(chǎn)生裂紋進(jìn)而脫落，因此在大粒級(jí)塊礦中結(jié)晶水含量對(duì)裂紋的產(chǎn)生影響較大，是塊礦軟熔性能的主要影響因素［2］。

紐曼礦為典型赤鐵礦，脈石含量較低，雜質(zhì)元素較少；通過對(duì)不同粒度的紐曼塊礦分析發(fā)現(xiàn)，其中全鐵含量隨粒度減小而降低，硅鋁含量隨粒度減小而升高。且燒損量在不同粒度間也存在差異，粒度越小含水量越低，因此紐曼礦中小粒度顆粒中脈石含量較高，結(jié)晶水含量相對(duì)較低。

在前期確定粒度分布的基礎(chǔ)上，對(duì)比原始?jí)K礦和篩分后不同粒度塊礦的精修結(jié)果，其中紐曼礦以赤鐵礦針鐵礦為主，少量的含有石英和三水鋁石，且針鐵礦比例隨著礦石粒度的減小先升高后降低，脈石成分主要集中在較小粒級(jí)中。

對(duì)紐曼礦進(jìn)行XRD 精修，分析各物相在不同粒度間的分布情況。隨著礦石粒度的減小，礦石中的針鐵礦先升高后降低再升高，在各粒度間存在差異，脈石成分（石英，三水鋁石）相對(duì)較少，在小顆粒中比例有所提高。

5 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)天鋼現(xiàn)場(chǎng)所使用的爐料進(jìn)行化學(xué)分析，冶金性能研究分析和礦物類型研究分析，得出以下結(jié)論。

（1）就燒結(jié)礦而言，其TFe 較高（約57%），SiO2含量約5%，屬于高鐵低硅型；各組燒結(jié)礦還原度較好（78.46%～89.89%），但燒結(jié)礦的低溫還原粉化指數(shù)較低（51.65%～58.30%），在高爐內(nèi)易發(fā)生低溫還原粉化現(xiàn)象；礦相研究表明，燒結(jié)礦鐵酸鈣呈交織狀結(jié)構(gòu)分布，部分位置鐵橄欖石相結(jié)構(gòu)多，導(dǎo)致了燒結(jié)還原粉化性能好、還原性能差。

（2）球團(tuán)礦品位較高，堿度為0.13；抗壓強(qiáng)度較好，還原性指數(shù)約69%；礦相研究表明，球團(tuán)礦內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)呈“類圓狀”，故球團(tuán)礦內(nèi)有一定液相形成，球團(tuán)礦內(nèi)微孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)，礦物顆粒間以面接觸形式存在，有利于改善性能。

（3）相對(duì)塊礦而言，SP10 塊礦相對(duì)于紐曼塊礦SiO2含量高、TFe含量低，SP10塊礦（80.0%）比紐曼塊礦（67.6%）的還原性好；SP10 塊礦熱爆裂指數(shù)為13.24%，紐曼塊礦熱爆裂指數(shù)為8.4%，說明其紐曼塊礦抗熱沖擊能力更大，而SP10塊礦含有較高的結(jié)晶水，由于高溫下結(jié)晶水的排出，礦石熱膨脹不同，從而產(chǎn)生更多粉末；相對(duì)于SP10塊來(lái)講，配加紐曼塊更有利于高爐料柱透氣性的改善，有利于高爐順行。