趙金龍,宋春燕,胡賓生,張金福,貴永亮

(1.河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院,河北唐山063009;2.河北鋼鐵集團(tuán)石鋼公司)

0 引 言

隨著國(guó)內(nèi)外鐵礦石資源的日趨緊張,而且價(jià)格波動(dòng)較大,勢(shì)必造成高爐煉鐵成本的不斷增加。因此,如何充分利用現(xiàn)有鐵礦石資源,確定合理的爐料結(jié)構(gòu),是鋼鐵企業(yè)面臨的一大課題[1]。石鋼煉鐵廠現(xiàn)有兩個(gè)燒結(jié)系統(tǒng),即一燒32 m2×2臺(tái)和二燒60 m2×2臺(tái),4臺(tái)燒結(jié)機(jī),由于兩個(gè)系統(tǒng)工藝設(shè)置和參數(shù)控制方面的差別,燒結(jié)生產(chǎn)的技術(shù)指標(biāo)和燒結(jié)礦質(zhì)量有較大差異。因此,燒結(jié)礦質(zhì)量的優(yōu)劣和確定不同的入爐比例,對(duì)高爐穩(wěn)定順行的重要性不言而喻[2]。結(jié)合資源和高爐生產(chǎn)工藝的實(shí)際情況,石鋼目前確定的高爐爐料結(jié)構(gòu)為:以高堿度燒結(jié)礦為主,配加一定比例的球團(tuán)和塊礦。為此,本文詳細(xì)考察了兩個(gè)系統(tǒng)燒結(jié)礦和其他入爐球團(tuán)礦和塊礦的冶金性能指標(biāo)和礦相組成,并據(jù)此優(yōu)化了比較適合石鋼高爐目前冶煉工藝條件的高爐爐料結(jié)構(gòu)。

1 入爐礦的化學(xué)成分及試驗(yàn)方法

入爐礦選擇了石鋼兩個(gè)燒結(jié)系統(tǒng)當(dāng)前生產(chǎn)的燒結(jié)礦、揚(yáng)迪塊礦和資源相對(duì)穩(wěn)定的淶源球團(tuán)礦,其化學(xué)成分見表1所列?？梢?兩種燒結(jié)礦的二元堿度都很高,屬于高堿度燒結(jié)礦,但是這兩種燒結(jié)礦的化學(xué)成分存在一定得差異,尤其是FeO和M gO含量差異較大,這就決定了其性能方面的差異。此外,球團(tuán)礦中的M gO含量也較高,這對(duì)還原性能不利。

表1 入爐礦的化學(xué)成分

選擇代表礦樣,放入樹脂中進(jìn)行鑄型和磨拋,在光學(xué)顯微鏡下觀察,了解其礦物組成、礦物結(jié)合狀態(tài)和礦物分布。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法(GB/T13242-91)測(cè)定燒結(jié)礦低溫還原粉化性能,采用GB/T13241-91標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行還原實(shí)驗(yàn),取180 min的最終還原度作為燒結(jié)礦的中溫還原性能指標(biāo)(RI)。在荷重1kg/cm2條件下進(jìn)行燒結(jié)礦荷重軟化試驗(yàn),試樣粒度為2.5～3.2 mm,料柱高度為20mm,開始以15℃/m in速率升溫至800℃,恒溫1min,然后以12℃/min的速率升至1000℃,最后以5℃/min的速率進(jìn)行升溫軟化直至結(jié)束。在升溫過程中,以料柱高度收縮10%時(shí)的溫度為軟化開始溫度(T10%),收縮40%時(shí)的溫度為軟化終了溫度(T40%),軟化溫度區(qū)間為△T=T10%-T40%。以壓差開始上升至0.1kPa時(shí)的試樣溫度為熔融開始溫度Ts。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 礦相結(jié)構(gòu)

圖1所示為一燒燒結(jié)礦、二燒燒結(jié)礦和揚(yáng)迪塊礦的礦相結(jié)構(gòu)照片。可見,兩組燒結(jié)礦都是以鐵酸鈣、磁鐵礦和鐵酸二鈣為主要組成礦物,含有微量的赤鐵礦。一燒燒結(jié)礦礦相以針狀鐵酸鈣與體積較大的自形晶磁鐵礦、規(guī)則均布的鐵酸二鈣緊密結(jié)合。二燒燒結(jié)礦鐵酸鈣有兩種形態(tài),一種是較粗大的針狀結(jié)構(gòu),橫向大約5μm,縱向50～80μm;另一種是鐵酸鈣與磁鐵礦的交織-熔蝕結(jié)構(gòu),由磁鐵礦的形貌可以判斷,二燒燒結(jié)礦存在較多的過熔現(xiàn)象,在溫降過程中磁鐵礦規(guī)則(枝葉狀)地析出后與較低溫度下生成的鐵酸鈣交織[3]。

揚(yáng)迪礦是河床礦,屬自然礦物,屬于帶狀沉積巖風(fēng)化所形成。礦物結(jié)構(gòu)明晰,顆粒較大,幾乎肉眼可辨。從礦相組成來看(如圖1b所示),以針鐵礦為主,赤鐵礦含量次之。結(jié)構(gòu)上是以尺寸較大的豆?fàn)畛噼F礦緊密嵌布在疏松的針鐵礦基巖中的多孔結(jié)構(gòu)。其礦物成分和物理結(jié)構(gòu)決定了該礦具有較好的還原性,低鋁、低磷也是其明顯的優(yōu)點(diǎn)。

圖1 一燒燒結(jié)礦(a)、二燒燒結(jié)礦(c、d)和揚(yáng)迪塊礦(b)的礦相結(jié)構(gòu)照片

2.2 低溫還原粉化及還原性

各種入爐礦的低溫還原粉化性能和還原性試驗(yàn)結(jié)果見表2所列。從試驗(yàn)結(jié)果看,二燒燒結(jié)礦和一燒燒結(jié)礦的RDI+3.15指標(biāo)都達(dá)到70%以上,完全可以滿足石鋼高爐冶煉對(duì)燒結(jié)礦低溫還原粉化性能的要求。一燒燒結(jié)礦RDI+3.15指標(biāo)優(yōu)于二燒燒結(jié)礦,達(dá)到87.4%,同時(shí)還原性也比二燒燒結(jié)礦好,超出9個(gè)百分點(diǎn),這主要是由于兩種燒結(jié)礦的MgO、FeO含量、二元堿度不同以及礦相結(jié)構(gòu)存在差異造成的。揚(yáng)迪塊礦500℃低溫還原粉化指標(biāo)居于一燒燒結(jié)礦和二燒燒結(jié)礦之間,還原度為80%,在檢測(cè)的三類爐料中性能最優(yōu),這與揚(yáng)迪塊礦的成礦機(jī)理、礦物成分以及物理結(jié)構(gòu)有關(guān)。淶源球團(tuán)的特點(diǎn)是M gO含量較高,M gO在球團(tuán)礦內(nèi)具有固溶穩(wěn)定磁鐵礦結(jié)構(gòu)的作用,抑制了焙燒過程中磁鐵礦向赤鐵礦的轉(zhuǎn)變,從而導(dǎo)致其還原度較低;另外其低溫還原粉化指數(shù)RDI+3.15較好,但是RDI-0.5(達(dá)到13.2%)在三種檢測(cè)的爐料中最高,這與球團(tuán)礦結(jié)構(gòu)比較致密有關(guān),在一定程度上也影響了其還原性能。

表2 入爐礦的低溫還原粉化性能及還原性試驗(yàn)結(jié)果

2.3 荷重軟化及熔融滴落性能

如表3所列,一燒燒結(jié)礦和二燒燒結(jié)礦的軟化開始溫度分別為1203℃和1190℃,軟化區(qū)間分別為125℃和105℃。二燒燒結(jié)礦的軟化區(qū)間比一燒燒結(jié)礦少20℃,說明二燒燒結(jié)礦有利于降低高爐的料柱壓損,有利于高爐爐況順行。

從試驗(yàn)的熔滴指標(biāo)來看,二燒燒結(jié)礦開始熔化溫度為1369℃,比一燒燒結(jié)礦低38℃,溫度相差明顯;二燒燒結(jié)礦熔滴區(qū)間為189℃,而一燒燒結(jié)礦在試驗(yàn)允許的溫度范圍內(nèi)沒有滴落。兩種燒結(jié)礦的二元堿度都很高,正常情況下不應(yīng)該出現(xiàn)熔渣的滴落,因此,二燒燒結(jié)礦在1558℃出現(xiàn)的滴落物很可能以還原鐵為主。

表3 入爐礦的荷重軟化及熔融滴落性能試驗(yàn)結(jié)果

雖然揚(yáng)迪塊礦的還原性能優(yōu)異,但是其軟化溫度(1004℃)很低、軟化區(qū)間(213℃)很寬,這就會(huì)導(dǎo)致高爐軟溶帶上移并且變厚,同時(shí)由于其礦物結(jié)構(gòu)中大量針鐵礦的存在,使得其在入爐過程中發(fā)生熱爆裂而產(chǎn)生大量粉末,導(dǎo)致高爐料柱壓損明顯增加,對(duì)高爐強(qiáng)化冶煉指標(biāo)十分不利。淶源球團(tuán)礦軟化溫度也比較低、軟化區(qū)間為127℃,軟融溫度較高、軟融區(qū)間很窄,只有52℃,還可能是與淶源球團(tuán)礦中M gO含量較高、四元堿度接近1.0有關(guān)。

3 爐料結(jié)構(gòu)優(yōu)化

從各項(xiàng)指標(biāo)綜合對(duì)比進(jìn)行三類入爐礦排序:燒結(jié)礦冶金性能最優(yōu)、淶源球團(tuán)次之,揚(yáng)迪塊礦最差,而二燒燒結(jié)礦性能又不如一燒燒結(jié)礦(從燒結(jié)礦生產(chǎn)的角度來講,二燒生產(chǎn)應(yīng)采取適當(dāng)提高M(jìn) gO含量、降低含硅、FeO和二元堿度的各項(xiàng)措施)。

入爐礦結(jié)構(gòu)的優(yōu)化首先考慮性能最好的自產(chǎn)礦,應(yīng)最大限度的利用燒結(jié)產(chǎn)能,故其比例確定為80%及以上;同時(shí)應(yīng)該指出,應(yīng)合理控制燒結(jié)配碳,減少礦物過熔現(xiàn)象;強(qiáng)化配料穩(wěn)定燒結(jié)礦二元堿度。其次,從資源平衡方面考慮,確定淶源球團(tuán)10%～15%的用量;最后從綜合爐料的堿度以及成本控制的角度考慮,控制楊迪塊礦比例在6%以上。綜合以上各方面因素,石鋼確定爐料結(jié)構(gòu)為燒結(jié)礦80%、球團(tuán)礦12%、塊礦8%,熟料比達(dá)到92%。

綜合爐料成分及熔滴性能檢測(cè)結(jié)果見表4和表5所示,從這些結(jié)果來看,各項(xiàng)指標(biāo)比較合理,能夠較好的滿足石鋼高爐煉鐵生產(chǎn)的需要,也是目前石鋼原料條件下比較理想的選擇。

表4 綜合爐料成分(%)

表5 綜合爐料熔滴性能檢測(cè)結(jié)果

4 爐料結(jié)構(gòu)調(diào)整后的高爐運(yùn)行情況

爐料結(jié)構(gòu)調(diào)整以后,高爐爐況穩(wěn)定順行,各項(xiàng)指標(biāo)得到不同幅度的改善,表6列出2010年全年?duì)t料結(jié)構(gòu)調(diào)整變化導(dǎo)致高爐運(yùn)行指標(biāo)的變化的情況(按照燒結(jié)礦比例進(jìn)行了排序)。

由表6中的數(shù)據(jù)可以看出,在設(shè)定的爐料結(jié)構(gòu)范圍內(nèi),高爐冶強(qiáng)可以大幅度提高,有效爐容利用系數(shù)達(dá)到4t/m3d以上,入爐焦比360kg/t一下的較好水平。但是由于綜合爐料的二元、四元堿度均較高,造成高爐生產(chǎn)酸性熔劑噸鐵消耗量達(dá)到50kg/t以上,造成渣量擴(kuò)大、燃耗升高,因此,降低燒結(jié)礦二元堿度是改善這一爐料結(jié)構(gòu)的主要努力方向,可以考慮將二燒燒結(jié)礦二元堿度調(diào)整到2.2倍,與一燒生產(chǎn)保持一致,一方面由于二燒燒結(jié)礦占到爐料結(jié)構(gòu)的50%,調(diào)整效果明顯,另一方面一燒燒結(jié)礦冶金性能優(yōu)于二燒燒結(jié)礦,兩系統(tǒng)原料結(jié)構(gòu)基本相同,這樣調(diào)整也是容易做到的。

表6 高爐技術(shù)指標(biāo)

5 結(jié) 論

(1)合理的爐料結(jié)構(gòu)式高爐煉鐵獲得較好經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)的基礎(chǔ)。針對(duì)不同的企業(yè),爐料結(jié)構(gòu)的確定還要結(jié)合生產(chǎn)特點(diǎn)和鐵礦石資源情況。

(2)石鋼各種入爐礦石的冶金性能排序?yàn)?燒結(jié)礦最優(yōu),淶源球團(tuán)次之,揚(yáng)迪塊礦最差。

(3)經(jīng)優(yōu)化的石鋼爐料結(jié)構(gòu)為80%燒結(jié)礦+12%球團(tuán)礦+8%塊礦。生產(chǎn)實(shí)踐表明,爐料結(jié)構(gòu)合理,高爐爐況穩(wěn)定順行,各項(xiàng)指標(biāo)得到不同幅度的改善。

[1] 宋延琦,李京社,唐海燕,等.新興鑄管高爐爐料結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與研究[J].燒結(jié)球團(tuán),2010(3):14～16.

[2] 尚策,周明順,翟立委,等.鞍鋼燒結(jié)礦冶金性能優(yōu)化研究[J].中國(guó)冶金,2009(9):13～17.

[3] 劉麗娜,李志民,韓秀麗.唐山鋼鐵廠燒結(jié)原料礦相結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[J].河北理工學(xué)院學(xué)報(bào),2007(1):11～15.