青島特鋼高爐用塊礦基礎(chǔ)性能分析

孫寶芳，周曉東，安玉兆，于 霞

（青島特殊鋼鐵有限公司，山東 青島266200）

1 前言

塊礦是高爐使用的重要含鐵原料之一，它是高爐合理爐料的重要組成部分，外購(gòu)塊礦的化學(xué)成分、冶金性能直接影響高爐順行。對(duì)青島特鋼5種常用塊礦的性能情況進(jìn)行對(duì)比分析，以期對(duì)高爐生產(chǎn)提供指導(dǎo)。鐵礦石的質(zhì)量應(yīng)包括化學(xué)成分、物理性能和冶金性能3個(gè)方面，其中化學(xué)成分是基礎(chǔ)，物理性能是保證，冶金性能是關(guān)鍵。

2 塊礦基礎(chǔ)性能分析

2.1 化學(xué)成分分析

對(duì)青島特鋼使用的5種進(jìn)口塊礦進(jìn)行化學(xué)分析，結(jié)果如表1所示。從表1可以看出：5種塊礦的含鐵品位均高于57%。有效熔劑CaO和MgO含量波動(dòng)性較小，均含有少量的CaO和MgO。5種塊礦的SiO2含量均低于5%，較低的SiO2含量對(duì)于燃料比和渣量是有利的。5種塊礦Al2O3含量不是很高，最高的為PB塊礦的2.36%，F(xiàn)MG塊礦的Al2O3含量只有0.83%，塊礦的Al2O3含量低對(duì)于保證高爐爐渣的流動(dòng)性。熔化性和脫硫效果是有利的。5種塊礦的P、S含量不是太高，除了馬來塊礦的K2O和Na2O較高之外，其余含量均較適中。5種塊礦的燒損值相差較大，馬來塊礦的燒損最大為9.87%，而巴西塊礦僅為1.99%。

2.2 熱爆裂性能

爆裂指數(shù)通常是企業(yè)評(píng)價(jià)塊礦的主要標(biāo)準(zhǔn)之一。塊礦的爆裂指數(shù)反應(yīng)了其在高爐上部區(qū)域抗熱沖擊能力的大小，一般抗熱沖擊能力越大，其爆裂指數(shù)越小，產(chǎn)生的粉末越少。

試驗(yàn)過程中需要的設(shè)備有：馬弗爐；試樣盒，由不起皮、可經(jīng)受高于700℃溫度的耐熱金屬制成；試樣篩，包括25.0、20.0、6.30、3.15和0.50 mm的方孔篩。具體試驗(yàn)方法：1）制樣。首先對(duì)塊礦樣品進(jìn)行縮分取樣，選取粒度為20～25 mm的樣品，并在烘箱中于（105±5）℃下烘干12 h。對(duì)試樣進(jìn)行重新篩分，選取20～25 mm的樣品，以除去所有附著的細(xì)礦石粒，并在（105±5）℃的烘箱中再次干燥12 h。試驗(yàn)前將樣品放置于干燥器皿中，試驗(yàn)時(shí)保證隨機(jī)取樣。2）稱量。稱取干燥后的試驗(yàn)樣（500±1）g。3）加熱。將試樣鐵盒放在加熱的馬弗爐中開始加熱，當(dāng)溫度達(dá)到700℃時(shí)，保持20 min，然后將試驗(yàn)樣裝入試樣盒，蓋上蓋子，30 min后從加熱爐中取出試樣盒并使其冷卻到室溫。取出試樣，測(cè)定其質(zhì)量（m1），并在6.30 mm、3.15 mm和0.50 mm篩子上手工進(jìn)行篩分，測(cè)定并記錄下-6.30 mm粒度礦石的質(zhì)量（m2）。按照式（1）進(jìn)行熱裂指數(shù)計(jì)算。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表1 5種塊礦的化學(xué)成分 %

式中：m1為熱處理后的試樣質(zhì)量，g；m2為篩分后＜6.30 mm粒度礦石的質(zhì)量，g。

試驗(yàn)測(cè)定5種塊礦的熱爆裂指數(shù)PB塊礦、紐曼塊礦和FMG塊礦的熱裂指數(shù)均高于11%，紐曼塊礦的熱裂指數(shù)更是高達(dá)17.4%，大量使用紐曼塊礦會(huì)使得高爐的中上部透氣性明顯下降。馬來塊礦和巴西塊礦的熱裂指數(shù)較低，馬來塊礦的熱裂指數(shù)僅為1.5%。對(duì)于高爐容積越大的爐子，熱裂指數(shù)越小越好。從熱裂指數(shù)評(píng)價(jià)5種塊礦，馬來塊礦和巴西塊礦較好，紐曼塊礦較差。

表2 5種塊礦的熱爆裂指數(shù)測(cè)定結(jié)果

2.3 還原性能

還原性是評(píng)價(jià)塊礦的一個(gè)非常重要的指標(biāo)。還原性的好壞很大程度上影響燒結(jié)礦還原的速率，能夠改善高爐煤氣的利用率，從而影響高爐冶煉的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。在相同的還原條件下，塊礦的還原性越好，其還原速度就越快，有助于高爐發(fā)展間接還原，改善煤氣利用率，降低焦比，提高產(chǎn)量。了解各種塊礦的還原特點(diǎn)，對(duì)分析塊礦在高爐中的行為以及選擇高爐操作參數(shù)等具有重要的參考意義。

本次青島特鋼塊礦還原性試驗(yàn)按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 13241—91檢驗(yàn)方法所使用的裝置及工藝參數(shù)進(jìn)行。

1）試驗(yàn)參數(shù)。還原氣體成分：CO，（30±0.5）%（V/V）；N2，（70±0.5）%（V/V）。還原氣體的流量：在整個(gè)試驗(yàn)期間，還原氣體的標(biāo)態(tài)流量保持（15±1）L/min。試驗(yàn)溫度：試樣在900℃的溫度下還原，在整個(gè)試驗(yàn)期間保持在（900±10）℃。

2）試樣準(zhǔn)備。試驗(yàn)前取500 g試驗(yàn)試樣在（105±5）℃的溫度下烘干，烘干時(shí)間≮2 h，然后冷卻至室溫，并保存在干燥器中備用。燒結(jié)礦試驗(yàn)試樣的粒度范圍為10.0～12.5 mm。

3）試驗(yàn)過程。將試樣放到還原反應(yīng)管中，可以把試樣直接放在多孔板上，試樣表面要鋪平，在多孔板和試樣之間放兩層粒度為10.0～12.5 mm的高氧化鋁球，在高氧化鋁球上再放1塊多孔板，試樣放在多孔板上。封閉還原管的頂部，將惰性氣體（常用N2）通入還原管，標(biāo)態(tài)流量為5 L/min，接著將還原管放到還原爐里，并把它懸掛在稱量裝置的中心，保證反應(yīng)管不與爐子或加熱元件接觸。還原管放入爐內(nèi)時(shí)，爐內(nèi)溫度≯200℃。開始加熱，升溫速度≯10℃/min。當(dāng)試樣達(dá)到900℃時(shí)，增大惰性氣體標(biāo)態(tài)流量到15 L/min。在900℃恒溫30 min，溫度波動(dòng)在（900±10）℃。以標(biāo)態(tài)流量為15 L/min的還原氣體代替惰性氣體通入還原反應(yīng)管中，還原時(shí)間為3 h。還原3 h后，試驗(yàn)結(jié)束，切斷還原氣體，先向還原管通入標(biāo)態(tài)流量為15 L/min的惰性氣體，然后將還原管連同試樣提到爐外進(jìn)行冷卻。冷卻終點(diǎn)溫度＜100℃。

通過縱向觀察兩組曲線，泥質(zhì)夾層對(duì)鹽巖整體影響不大，但無論鹽巖是否經(jīng)過鹵水飽和處理，含有夾層試樣峰值強(qiáng)度均小于不含夾層試樣；含夾層試樣屈服階段均有不同程度的小于天然狀態(tài)下試樣。究其原因：含泥質(zhì)夾層鹽巖結(jié)構(gòu)面薄弱，且泥質(zhì)夾層的抗壓能力小于原有鹽巖試件。

4）試驗(yàn)分析。用還原度計(jì)算公式計(jì)算燒結(jié)礦的還原度。還原度計(jì)算公式為：

式中：Rt為還原t時(shí)間的還原度，%；m0為試樣質(zhì)量，g；m1為還原開始前試樣質(zhì)量，g；mt為還原tmin后試樣質(zhì)量，g；W1為還原前試樣中FeO含量，%；W2為試驗(yàn)前試樣中全鐵含量，%。

5種塊礦的還原性試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 5種塊礦的還原性試驗(yàn)結(jié)果

從表3可以看出，PB塊礦的還原性最好，馬來塊礦和FMG塊礦次之，巴西塊礦較差，紐曼塊礦最差。紐曼塊還原性差與其熱爆裂性高有直接關(guān)系，巴西塊礦的熱爆裂性很低，但是其磁鐵礦含量較高，故巴西塊礦的還原度均較低。從還原性的角度來評(píng)價(jià)5種塊礦，PB塊礦較好，紐曼塊礦較差。

2.4 軟熔性能

高爐軟熔帶的位置、形狀和大小對(duì)順行、產(chǎn)量、燃料消耗量及鐵水成分影響很大，高爐冶煉要求軟化熔融開始溫度不宜過低，軟化與熔融溫度區(qū)間不宜過寬。

本次試驗(yàn)采用的軟熔性能測(cè)試方法在荷重條件、溫度制度和氣氛方面都基本上模擬高爐的條件，最高試驗(yàn)溫度可達(dá)到1 600℃，試驗(yàn)溫度和料層收縮率均由計(jì)算機(jī)自動(dòng)記錄。塊礦軟熔試驗(yàn)的試驗(yàn)條件如表4所示。

表4 軟熔性能試驗(yàn)工藝參數(shù)

以位移傳感器測(cè)定料面下降毫米數(shù)據(jù)，料面收縮率為10%時(shí)的試樣溫度為開始軟化溫度，料面收縮率為40%時(shí)的試樣溫度為軟化終點(diǎn)溫度，兩者之間的溫度差值為軟化溫度區(qū)間；第一滴鐵水滴落時(shí)的溫度為滴落溫度，滴落溫度與料面收縮40%的溫度為熔融區(qū)間。本次試驗(yàn)研究以試樣軟化收縮40%的溫度作為熔融開始溫度，即軟化終點(diǎn)溫度可以作為熔融開始溫度，則熔融區(qū)間可以表示為△Td=Td-T40。試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 5種塊礦的軟化熔滴性能試驗(yàn)結(jié)果

從表5可以看出，5種塊礦帶軟化開始溫度均低于1 000℃，馬來塊礦的軟化開始溫度最低為850℃，巴西塊礦和紐曼塊礦的軟化開始溫度均高于960℃，軟化終點(diǎn)溫度也均超過了1 300℃，說明軟化開始和終點(diǎn)溫度與還原度有關(guān)。還原度較差的紐曼塊礦和巴西塊礦的軟化開始溫度和終點(diǎn)溫度較高，相應(yīng)的軟熔帶位置下移。最寬的為巴西塊礦達(dá)到了434℃，最窄的為PB塊礦為273℃。對(duì)于塊礦而言，一般的軟化開始溫度較低，軟化終點(diǎn)溫度較高，導(dǎo)致其軟化區(qū)間過寬，使得高爐軟熔帶部位區(qū)間壓差過高，透氣性不好。5種塊礦的熔融溫度區(qū)間△Td相差較大，PB塊礦和FMG塊礦的熔融區(qū)間最高為326℃，巴西塊礦的熔融區(qū)間最低為79℃。相應(yīng)的軟化區(qū)間較大的塊礦，熔融區(qū)間較窄。從軟熔性能對(duì)5種塊礦來評(píng)價(jià)較難區(qū)分塊礦的好壞，因?yàn)?種塊礦的軟熔區(qū)間均較寬，不易進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3 結(jié)論

3.1 5種塊礦化學(xué)成分差異較大，高爐需搭配其他礦種，滿足生產(chǎn)需求。

3.2 5種塊礦熱爆裂性差異較大，馬來礦和巴西礦的熱爆裂性較低，適合高爐使用；其余3種塊礦的熱爆裂性較高，使用時(shí)注意其在高爐上部的粉化率。

3.3 5種塊礦還原性能最好的為PB塊礦，最差的為紐曼塊礦，使用時(shí)須將還原性能好的和差的塊礦搭配使用。

3.4 5種塊礦中，巴西塊礦和紐曼塊礦的軟化開始溫度和軟化終點(diǎn)溫度較高，軟化區(qū)間較寬，而其他3種塊礦的熔融區(qū)間較寬。