鐵礦石冶金性能對高爐的影響及應對措施

胡啟晨

鐵礦石冶金性能對高爐的影響及應對措施

胡啟晨

文章通過對國內現有高爐爐料結構對高爐指標的影響分析，針對鐵礦石的低溫還原粉化、還原性、高溫冶金性能對高爐爐況的影響，針對各段影響規律進行研究，發現低溫還原粉化對高爐上部透氣性影響比較明顯，RDI+3.15每增加1%，上部壓差降低0.7個百分點，燒結礦還原性每提高1%，燃料比降低2.3個百分點。隨軟化溫度區間的增大，爐料壓差增大，呈現正相關對應關系，每增加1℃，壓差增加0.8KPa。不同品種天然塊礦爆裂指數相差很大，每增加1%，壓差升高0.1個百分點。

鐵礦石 冶金性能 高爐 壓差

1.引言

現代高爐集成了機械化、信息化、自動化、智能化等控制系統，是復雜的高壓、密閉冶煉容器。爐內礦石從低溫固態由上而下與上升的煤氣流逆向運動進行反應，進而融化成液態渣鐵，完成鐵元素的還原，最終形成含鐵99.45%左右的合格鐵水。為了確保上升煤氣流與下降的爐料充分進行反應，需要爐料具有良好的透氣性，降低爐內料柱的壓差。這就要求入爐鐵礦石具有優良的物理性能和化學性能，我們不但要重視表觀粒度和成分的穩定性，更要注重礦石的冶金性能。礦石控制在合適的粒度范圍內，篩除粉末能夠看得到，控制相對容易。冶金性能的測定相對復雜，測試時間長，很多企業不具備測試條件，造成對冶金性能的忽視。礦石的冶金性能包括低溫還原粉化、中溫還原性和高溫軟化熔滴特性等方面。

國內高爐爐料結構以高堿度燒結礦+酸性球團和天然塊礦為主。燒結礦比例平均75%左右，球團配比10%左右，天然塊礦15%左右。少數企業球團比例能夠達到20%-30%，但還是以高比例燒結礦為主，因此燒結礦冶金性能對高爐影響最大，應引起足夠重視。

2.礦石冶金性能測定方法

2.1 礦石500℃低溫還原粉化性能測定方法

采用《鐵礦石低溫粉化試驗靜態還原后使用冷轉鼓方法》GB/T13242-91標準方法，還原氣體由20%CO+20%CO2+60%N2組成，試樣在500℃溫度下還原60分鐘，還原后用純N2氣保護冷卻至室溫后稱重，然后置于φ130×200mm的標準轉鼓內以30轉/分的速度轉10分鐘，然后用6.3mm、3.15mm和0.5mm的方孔標準篩過篩稱重，試驗結果分別以“RDI+6.3”、“RDI+3.15”和“RDI-0.5”表示：

低溫還原抗磨指數：

式中“mD0為還原后轉鼓前試樣的質量（g），mD1、mD2、mD3分別為轉鼓后留在6.3mm、3.15mm、0.5mm篩上試樣的質量（g）。

2.2 礦石爆裂性能測定

本測定方法部分參照ISO8371-2007標準進行，將反應器加熱到700℃，并恒溫10分鐘，然后將1000g±1g干燥后的鐵礦石放入反應器中，停留30分鐘后取出，自然冷卻后按照6.13mm、3.15mm、0.5mm的粒級進行篩分，測定爆裂性能指數。

2.3 礦石900℃還原性測定方法

采用《鐵礦石的還原性測定方法》GB/T13241-91標準方法。試樣質量為500g，粒度為10mm-12.5mm，試樣在900℃溫度下通過15升/分的還原氣體，恒溫還原180分鐘，還原氣體由30%CO+70%N2組成，試驗結果還原性以“RI”表示：

式中：A、B分別為試樣的TFe和FeO含量（%）

m0為試樣的質量（g），m1，mt分別為還原開始前和還原到t分鐘試樣的質量（g）。

2.4 礦石荷重軟化熔滴測定方法

礦石荷重軟化和熔滴測試沒有國家統一的測定方法。測定荷重軟化開始溫度和終了溫度各個企業也略有不同，但收縮率到40%時的溫度作為軟化終了溫度T40是一致的。熔滴試驗普遍采取三段升溫制度，即0℃-900℃升溫速度為10℃/分鐘，900℃恒溫或降低速度為3℃/分鐘升溫到一定溫度1020℃，以后升溫速度為5℃/分鐘。采用計算熔滴性能總特征S值,一般來講S值越小，綜合爐料透氣性越好，爐料熔滴性能就好。

熔滴性能總特性值計算：

3.礦石冶金性能對高爐的影響

3.1 礦石低溫冶金性能對高爐透氣性影響

3.1.1 燒結礦低溫還原粉化性能對高爐透氣性的影響

低溫還原粉化指標是模擬高爐氣氛在500℃左右時對礦石的粉化程度的評價指標。在高爐內500℃溫度區間位于高爐爐身上部區域，對高爐塊狀帶上部的透氣性影響較大，對高爐塊狀帶的中部和下部透氣性影響不大。從國內某鋼鐵企業3200m3高爐近兩年冶煉為例，由位于高爐爐身上部13段安裝的靜壓測量值與頂壓差值占高爐總壓差的比例情況來看，隨燒結選RDI+3.15指標的改善，塊狀帶上部透氣性增強，壓差比例降低。RDI+3.15每增加1%，上部壓差降低0.7個百分點（見圖1）。而塊狀帶中、下部的壓差無明顯變化規律。

從國內部分重點鋼鐵企業3200m3高爐燒結礦低溫還原粉化指標RDI+3.15與壓差的對比，可以很明顯看到，在高比例燒結礦的高爐中，低溫還原粉化指標好的高爐壓差總體比較低（見圖2）。

圖1 國內某鋼鐵企業3200m3高爐RDI+3.15與上部壓差對比圖 %

圖2 國內部分重點鋼鐵企業3200m3高爐燒結礦RDI+3.15與壓差的對比圖

3.1.2 塊礦爆裂性能對高爐透氣性的影響

高爐直接使用的天然塊礦需具備較高的品位、合適的粒度、較好的還原性、較少的有害元素。天然塊礦的熱爆會帶來塊狀料粉化，導致爐身塊狀帶透氣性變差。嚴重的會堵塞正常煤氣通路，造成局部煤氣流受阻，出現煤氣流失常。從鋼鐵材料冶煉周期來看，天然塊礦直接入爐的使用是比較經濟的，減少礦山選礦階段消耗的大量電能和水量消耗；不用經歷造塊過程，減少工序能耗，不存在SO2、NOX、二噁英等污染物的排放。因此，從節約能耗和減少污染物排放角度出發，需要提高天然塊礦的使用比例。

國內鐵礦石以貧礦為主，符合直接入爐要求的高品位塊礦資源較少，大部分使用進口的天然礦石。目前使用最多的是巴西、澳大利亞礦山開采的高品位塊礦資源，小部分也有使用國內海南、印度、蒙古塊礦資源的。

塊礦爆裂性能是在700℃溫度下進行測定的，比測定低溫還原粉化溫度要高。此溫度區間接近于高爐中溫區，處于塊狀帶中下部區域。在調整天然塊礦品種和比例變化時要注重相關區域壓差變化，爆裂性能較差的塊礦，布料時要避開中心區域和爐墻邊緣，會造成中心氣流和邊緣氣流受阻，造成壓差升高。嚴重的會造成中心氣流阻塞，出現邊緣氣流，造成小的局部管道行程（見圖3）。

圖3 天然塊礦熱爆指數對高爐壓差影響 %

近年來隨鐵礦石供需關系變化，鐵礦石質量總體下降，不同品種、不同批次的塊礦資源熱爆性能都會有差距。相同塊礦資源的爆裂性能差距在1-2倍，不同品種塊礦差距更大，可以相差上3-4倍。從國內某鋼鐵企業3200m3高爐近兩年使用澳礦塊、巴西塊、塞拉利昂等塊礦資源上看，隨礦石爆裂指數增加，11-13段壓差增大。爆裂指數每增加1%，壓差升高0.1個百分點。

3.2 中溫還原性能對高爐燃料比的影響

鐵礦石的還原性能檢測的是900℃時模擬高爐還原氣氛，以間接還原方式奪取氧量的難易程度。還原性的好壞與礦石的粒度、氣孔率、礦物結構、礦物成分等有很大關系。礦石還原性能好，間接還原容易，增加間接還原的比例，可以減少直接還原的消耗，有利于高爐降低燃料消耗。從大型高爐爐型演變趨勢上看，高爐向矮胖型發展，減少間接還原時間，不利于降低燃料比，需要提高礦石還原性能來適應高強度冶煉的需要。

高堿度燒結礦還原性能最好，天然塊礦和球團冶金性能偏差。

高堿度燒結礦還原性能好，冶金性能優良，通過控制FeO含量和燒結工藝參數可以有效提高還原性，有利于高爐冶煉。還原性能與燒結礦低溫還原粉化、燒結礦粒度等指標有直接對應關系，因此提高燒結礦還原性能也要兼顧其它指標的變化程度。國內高爐使用高比例燒結礦的爐料結構，造成對燒結礦的依賴程度大，對高爐燃料比的影響較大。以國內某3200m3高爐燒結礦對燃料比影響規律統計來看，燒結礦還原性每提高1%，燃料比降低2.3個百分點（見圖4）。

圖4 國內某3200m3高爐燒結礦還原性對燃料比影響

圖5 國內外3200m3高爐壓差對比 %

3.3 高溫荷重軟化熔滴性能對料柱透氣性的影響

礦石從上到下逐漸過渡到高溫區，由離散的塊狀帶變為交融的軟熔帶，在上升高溫煤氣流的作用下，形成與爐型匹配的軟熔帶形狀，整個料柱60%-70%的壓差損失在此區域。現有酸性球團和高堿度燒結礦的爐料結構局限性明顯，首先酸性球團礦軟化開始溫度低，造成軟化熔融區間延長，其次整體礦石品位低，渣量大，造成軟熔帶過厚，料柱整體壓差高。從同容積高爐操作參數上對比，國外某3200m3高爐整體壓差較低，在頂壓低一半的情況下，渣量僅為國內高爐的42%，料柱壓差為國內某同容積高爐壓差的79%（見圖5）。

因此，應從提高球團礦軟化溫度，縮小與高堿度燒結礦軟化溫度差距，降低整體料柱軟熔溫度區間的角度出發來進行爐料結構優化。從國內某3200m3高爐燒結礦軟化熔滴區間對料柱壓差的影響來看，軟化熔滴區間窄料柱整體壓差低，高爐透氣性好，有利于高爐指標的提升。隨軟化溫度區間的增大，爐料壓差增大，呈現正相關對應關系，每增加1℃，壓差增加0.8KPa（見圖6）。

4.應對措施

4.1 提高燒結礦冶金性能

燒結礦使用比例較大，對高爐的影響必然大，因此要重視燒結礦冶金性能的提高。噴灑氯化鈣溶液可以提高低溫還原粉化性能，但是氯離子對后道工序設備壽命影響較大，需要綜合考慮使用的經濟性，應更多從優化配礦結構、調整工藝參數等方面進行改進。還原性能與燒結礦的粒度、FeO含量等影響較大，對高爐燃料比影響顯著，遠高于球團礦和天然塊礦，要重視還原性能的改善。高溫軟化熔滴特性要力求降低軟熔溫度區間，減少軟熔帶的壓力損失，提高軟熔帶的透氣性，盡量降低熔滴性能總特征S值。

圖6 軟化溫度區間對高爐壓差的影響

4.2 提高球團礦冶金性能

高硅酸性球團礦的還原性能較燒結礦要差很多，隨著硅含量提高，渣量增大，軟熔溫度區間增大，熔滴性能總特征值增加較多。抗壓強度高的球團其還原性低于抗壓強度低的球團，應控制合適的抗壓強度。豎爐工藝制備的球團礦，其均勻性比鏈蓖機-回轉窯和帶式焙燒機有所差別，個別球團礦抗壓強度差別在5-6倍之間，使得球團礦冶金性能相差較多，對高爐指標影響較大。需要盡量降低球團礦SiO2含量，選擇適宜的抗壓強度，選用焙燒均勻，粒度適宜的球團礦至關重要。

4.3 天然塊礦

天然塊礦屬于生礦，是不經過人為配加燃料或使用煤氣造塊的，減少了制備時生成污染物的過程，在性價比經濟時值得加大比例。但天然塊礦熱爆性能和還原性差別很大，不同礦種差別更大，所以在使用時應該尊重高爐需要長期穩定的運行規律，減少品種的更替，減少小品種礦石的配加比例。在使用時要篩分干凈，減少粉末入爐，雨季生產時避免使用無法篩分的塊礦，及時清理篩網，必要時使用廢氣余熱進行烘干處理。一般說來，褐鐵塊礦還原性能較磁鐵礦和赤鐵礦要好，不能單從還原性方面衡量。

5.結語

礦石冶金性能的測定是模擬爐料在高爐內的氣氛和溫度下的測定結果，其性能好壞對高爐透氣性和運行指標的影響很明顯，應引起足夠重視。我國高爐爐料結構以高比例燒結礦為主，燒結礦的冶金性能對高爐順行具有決定作用。低溫還原粉化對高爐上部透氣性影響比較明顯，RDI+3.15每增加1%，上部壓差降低0.7個百分點。燒結礦還原性能對高爐燃料比影響較大，每提高1%，燃料比降低2.3個百分點。隨軟化溫度區間的增大，爐料壓差增大，呈現正相關對應關系，每增加1℃，壓差增加0.8KPa。不同品種天然塊礦爆裂指數相差很大，同品種礦石相差1-2倍，不同品種礦石相差3-4倍，每增加1%，壓差升高0.1個百分點。

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（作者單位：河鋼集團鋼研總院）