塊礦配比對高爐配合爐料冶金性能影響規律研究

談承麟,毛曉明,徐萬仁

(寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院,上海 201999)

近年來,隨著鋼鐵行業的產能過剩和市場需求的日益下滑,高爐煉鐵的成本不斷增加。由于塊礦具有價格低廉、省下了建造生產燒結礦和球團礦的設備費用及占地費用、減弱了環境污染等優點,為了應對降本增效、節能減排等多重壓力,各大企業通過不斷提高入爐的塊礦比例、減少或不用球團礦等熟料的方法降低爐料成本[1]。但由于塊礦屬于生礦,其冶金性能比燒結礦和球團礦差,一般具有以下特征:①塊礦的軟化溫度較低、軟熔帶較寬、軟熔性能差,熔滴區間大,這些性能導致高爐軟熔帶的透氣性變差,下部壓差增高。②塊礦的熱爆裂性能較差,中溫區爆裂后,粉化產生大量粉末,對透氣性和煤氣流的分布影響嚴重。③塊礦的Al2O3/SiO2較高,對高爐造渣影響較大,特別是初成渣影響爐內氣流的變化,造成邊緣氣流逐步增加,同時渣中Al2O3升高,降低爐渣的流動性,降低脫硫能力而影響生鐵質量。④一些塊礦品種的還原性不好,造成高爐燃料比升高。因此,如果大幅度提高塊礦的比例,就會出現爐料還原性變差、低溫還原粉化率提高及熔滴性變差等現象,嚴重時會阻礙高爐的順行,惡化冶煉指標,所以必須對單一礦石和爐料結構綜合冶金性能進行分析研究。國內外多家鋼鐵企業在對提高高爐塊礦配比進行了長期的、大量的實驗室研究后,在生產實踐中通過采取一系列有效措施,提高高爐塊礦配比,保證了爐況穩定順行,實現了高爐生產降本增效的目的[2]。

1 研究內容

1.1 試驗原料

試驗原料取自寶鋼煉鐵廠,分別為兩種塊礦(N和F),一種燒結礦,其化學成分如表1所示。

表1 兩種塊礦和燒結礦的化學成分

由表1可知,N塊礦w(TFe)最高,為63.13%,F塊礦和燒結礦的相差不大,分別為56.09%和57.36%。F塊礦燒損將近是N塊礦的兩倍。

1.2 熱爆裂指數測定

選用粒度為20～25 mm的兩種塊礦,用10組平行試驗,每組500 g,試驗設備選用馬弗爐,試驗溫度為700 ℃,恒溫30 min。試驗結束后冷卻至室溫,通過振動篩,測其小于6.3 mm所占的百分比,最后算出這10組試驗小于6.3 mm所占的百分比的平均值即為該礦的熱爆裂指數。

經上述試驗得到F塊礦和N塊礦熱爆裂指數分別為16.9%和8.5%。F塊礦的熱爆裂指數遠高于N塊礦,是因為其所含結晶水和碳酸鹽較多,在700 ℃條件下,結晶水蒸發和少量碳酸鹽分解,導致其爆裂指數更高。但即使是熱爆裂指數較高的F塊礦也遠比燒結礦低溫還原粉化(小于3 mm的比例)產生的粉末量少,對高爐順行影響相對較小,因此塊礦的熱爆裂指數不應作為評價塊礦的重要指標[3]。

2 爐料冶金性能測定試驗方案

含鐵爐料的熱態冶金性能主要包括低溫還原粉化、中溫還原和熔融滴落性能等。選用N塊礦和F塊礦分別與燒結礦按一定比例混合,進行低溫粉化試驗(550 ℃)和還原試驗(900 ℃),具體配比方案如表2所示。

表2 不同比例配礦的冶金性能測定試驗方案

2.1 低溫還原粉化試驗結果

低溫還原粉化性的測定是模擬高爐上部條件進行的,是評價爐料冶金性能的重要指標。本次粉化試驗所采用的設備是江陰南閘熱工儀表廠所定制的非標試驗爐,試驗遵循JIS標準。比較了N塊礦以及F塊礦在不同配比下的低溫還原分化率RDI與加權RDI之間的關系,試驗結果如圖1所示。

圖1 兩種塊礦在不同配比下的低溫還原粉化率

由圖1得知,即使在低溫還原粉化的試驗中也存在著一定的交互反應。燒結礦與塊礦混合后,其低溫還原粉化率略有下降。相同配比的兩種塊礦與燒結礦混合,得到的不同混合礦,配入F塊礦的混合礦其低溫還原粉化率要比配入N塊礦的低,說明F塊礦與燒結礦混合后抗低溫還原粉化性能較好,在篩分良好的情況下不會給高爐上部的透氣性帶來大影響。

2.2 礦石還原試驗結果

本次還原試驗所用設備與低溫還原粉化試驗所用設備一致,試驗遵循JIS標準。圖2是還原性測定過程中不同爐料的還原速率曲線。由圖2可以看出,還原速率最快的是F塊礦,還原速率最慢的是燒結礦。

圖2 不同爐料還原速率曲線

根據試驗所得還原失重數據,結合還原率公式,可計算得出兩種塊礦在不同配比下與燒結礦混合后的還原度,如圖3所示。

圖3 兩種塊礦在不同配比下的還原度

試驗計算得出,單種塊礦F塊礦的RI為61.68%、N塊礦的為56.10%。

從圖3可以看出,F塊礦的還原性能優于N塊礦。究其原因,N塊礦相較于F塊礦內部孔隙率更為發達,而結構致密的物質,氣體由外向內擴散的阻力相對較大,其中心的還原難度增大,導致還原率下降[4]。

N塊礦與燒結礦混合后,混合礦的還原率隨塊礦比例增加略有降低,總體變化不大,但高于單獨N塊礦的還原率。F塊礦與燒結礦混合后,混合礦的還原率隨塊礦比例增加先降低,后升高,都高于單獨F塊礦的還原率。相同比例的兩種塊礦與燒結礦混合,配入F的混合礦其還原率高于配入N塊礦的。產生這種變化的原因與礦的致密度以及孔隙率等有關,其次混合后塊礦與燒結礦之間可能產生了交互反應。

2.3 高溫性能試驗結果與分析

熔滴試驗依舊遵循JIS標準,試驗所采集的壓差陡升溫度ts(即為熔融開始溫度)、滴落溫度、熔融區間等參數是評價爐料結構軟熔性能的重要參數;相同塊礦配比的情況下,不同種類的塊礦搭配對高爐冶煉的影響差異很大,優化爐料配比是保持高比例塊礦冶煉的關鍵[5]。

本次試驗的鑒定指標體系的科學性及實用性體現在:①將t10定義為軟化開始溫度,而將軟化終了溫度t40定義為試樣開始不透氣所對應的溫度。這時,試樣的物理狀態是孔隙度為零,這就避開了定義壓差陡升溫度的隨意性。②本鑒定指標體系使試驗結果與高爐內的軟熔帶建立了一定的聯系。只要知道高爐內的溫度分布便可根據試驗測出的t40、td(滴落開始溫度,即判定試驗結束)模擬高爐軟熔帶的徑向寬度。③高爐內礦層的透氣性是在下降過程中逐漸變化的。我們用t40～t10、td～ts兩個溫度區間來說明這種狀況。在t40～t10區間內礦層雖然發生了軟化,但仍能讓氣流通過,而在td～ts區間內氣流則不能通過,后者對高爐冶煉的影響顯然比前者大[6]。

本次試驗結果如表3所示,各單種礦的軟熔曲線如圖4所示。

表3 單種礦及混合礦的熔滴試驗結果

由表3、圖4可知,兩種塊礦的開始軟化溫度比燒結礦低,軟化終了溫度又比較高,所以軟化溫度區間很寬。由此可見,絕大部分情況下塊礦的軟熔性能要比燒結礦差,單獨三種礦熔滴性能燒結礦最好,其次為N塊礦,F塊礦最差。這是因為塊礦中礦物組成不均勻,既有大量低熔點礦物,也有許多高熔點礦物所致。

圖4 單種礦的軟熔曲線

N塊礦與燒結礦混合后,隨著塊礦比例的增加(由15%增加到40%),其t10逐漸降低,(t40-t10)逐漸增加;ts逐漸降低,(td-ts)變化不大,維持在240 K左右;當N塊礦配比小于25%,ΔPmax變化不大,都在12 kPa左右;當N塊礦配比超過25%時,其變化規律不明顯,可能是因為塊礦顆粒的孔隙變化較小,故壓差較小且穩定;軟熔層厚度隨配比的增加呈緩慢增長趨勢。面積(S)隨配比的增加總體呈降低趨勢。

F塊礦與燒結礦混合后其融滴性能相比較于單種F塊礦明顯得到提升,當F塊礦配比為20%,其融滴性能最差,隨著塊礦比例的增加(由15%增加到25%),混合礦t10逐漸降低,(t40-t10)逐漸增加,ts逐漸降低,(td-ts)逐漸增加。在與燒結礦混合時F塊礦的配比不宜超過15%。

相同比例的不同塊礦分別與燒結礦進行混合,得到的兩種混合礦其融滴性能相差不大,N塊礦的混合礦其t10比F塊礦的高;最大壓差、軟熔層厚度以及面積(S),F塊礦的混合礦相比N塊礦的混合礦略低。這可能是因為F塊礦與燒結礦混合反應后其交互作用更明顯。

3 結論

(1)N塊礦的全鐵含量比F塊礦高,燒損比F塊礦的低,熱爆裂指數比F塊礦的低。熱爆裂指數高的F塊礦將導致高爐冶煉時爐塵吹出量增加及高爐作業指標變壞,應在高爐配料時予以重視。

(2)N塊礦的RDI比F塊礦的低,兩種塊礦分別與燒結礦進行混合,配入F塊礦的混合礦的RDI比配入N塊礦混合礦的低;單種礦的還原率,燒結礦>F塊礦>N塊礦,F塊礦和N塊礦相同比例分別與燒結礦混合后,配入F塊礦的混合礦還原率仍高于配入N塊礦混合礦的還原率。

(3)單種礦的融滴性能,燒結礦>N塊礦>F塊礦,F塊礦和N塊礦相同比例分別與燒結礦混合后,得到的兩種混合礦其融滴性能相差不大,F塊礦與燒結礦混合反應后其交互作用更明顯;N塊礦的混合礦其t10比F塊礦的高;F塊礦與燒結礦的混合礦的最大壓差、軟熔層厚度以及面積(S)比N塊礦的略低。

(4)綜合塊礦與燒結礦的配比試驗結果,當N塊礦與燒結礦混合時的含量達到25%以后,其熔滴性能變化規律并不明顯,此時的粉化與還原性能指數相較于其他配比變化不大;但當N塊礦與燒結礦混合后其配比占到40%時,作為爐料透氣性指數的特征值面積(S)最小;而相對來說F塊礦與燒結礦混合時的配比含量則不宜超過15%。