陳樹軍， 劉 凱 ， 王小艾， 呂 慶

(1.東北大學冶金學院,沈陽110004；2.河鋼集團承鋼分公司3.華北理工大學冶金與能源學院，教育部現代冶金技術重點實驗室，河北唐山063009；4.河鋼集團宣化分公司)

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高爐使用含PMC礦爐料的配礦結構研究

陳樹軍1,2， 劉 凱3， 王小艾4， 呂 慶3

(1.東北大學冶金學院,沈陽110004；2.河鋼集團承鋼分公司3.華北理工大學冶金與能源學院，教育部現代冶金技術重點實驗室，河北唐山063009；4.河鋼集團宣化分公司)

通過實驗室模擬高爐內礦石的熔滴過程，對含PMC礦粉的燒結礦、球團礦與南非塊礦搭配的爐料結構進行了研究.研究發(fā)現，燒結礦+球團礦的爐料結構模式的熔滴性能優(yōu)于燒結礦+球團礦+塊礦的爐料結構模式.其中，在6#方案65%燒結礦+35%球團礦的配比下，△Tds(熔融區(qū)間)值為132 ℃，△Pmax(最大壓差)為4.990 kPa，S(總特性值)為296 kPa·℃，是6個方案中熔滴性能最優(yōu)的方案.爐料中的堿金屬是造成爐料透氣性變差的主要原因，表現為S值隨著堿金屬負荷的增加而升高.增加爐料中以PMC為主的球團礦可以降低爐料的堿金屬負荷，從而改善爐料的熔滴特性.

爐料結構；PMC磁鐵礦；堿金屬；堿度；熔滴性能

在日益嚴峻的鋼鐵形勢下，降低鐵水成本,提高資源利用率，成為鋼鐵企業(yè)亟需解決的問題[1-3].因此，越來越多的企業(yè)提高了外礦的使用率.PMC精粉是一種含鐵品位較高，同時含有較高鈦、磷、銅、堿金屬，且價格較低的鐵礦粉.目前，使用PMC礦對高爐順行的影響，尤其是對軟熔滴落帶影響的研究還較少.為了最大限度地使用PMC礦產資源，保證高爐冶煉順行、高產，本文對PMC燒結礦、球團礦與南非塊礦合理配比進行了研究.

爐料結構沒有統(tǒng)一固定的模式，高爐生產實踐表明[4,5]，對爐料進行合理組織都可能獲得較理想的冶煉效果.爐料結構的軟熔滴落性能是影響高爐透氣性指標的重要因素[6]，直接關系到高爐順行.爐料結構的軟熔滴落性能已經成為選擇高爐冶煉合理爐料結構、判斷和改變高爐軟熔帶形狀的重要依據和手段.通過實驗室模擬爐料在高爐冶煉狀態(tài)下的還原過程，檢測礦石的軟化區(qū)間(ΔT1)、還原氣的壓力差(ΔPmax)、熔融區(qū)間(ΔTds)、總特性值(S)值等值，能夠得到軟熔帶溫度區(qū)間、高溫區(qū)域透氣性、焦炭高溫反應性能、初渣流動性等重要參數，使熔滴試驗結果與高爐的軟熔帶建立起聯系，從而推定各種鐵礦石在高爐內形成軟化帶、軟熔帶的相對部位，并預測它們對高爐料柱透氣性及爐缸溫度的影響，為高爐調整爐料結構提供理論基礎[7-9].

參考國內高爐實際生產的爐料結構[10]，試驗采用了燒結礦+球團礦+塊礦和燒結礦+球團礦的爐料結構模式，對不同配礦的熔融滴落性能進行了研究.

1 試驗方法

1.1 試驗原料

試驗所用燒結礦、球團礦均為實驗室條件下所制，原料的化學成分如表1～表3所示.

表1 燒結礦的配礦方案(質量分數)

表2 球團配礦方案(質量分數)

試驗用的原料化學成分如表3所示.

表3 原料化學成分(質量分數)

1.2 試驗步驟

試驗采用熔融滴落模擬高溫爐，其結構如圖1所示.

圖1 熔融滴落模擬高溫爐

用直徑為60 mm，高215 mm的石墨坩堝作為反應容器，試樣總質量為214 g，其中礦石為170 g，焦炭為44 g；焦炭分為上下兩層裝入，荷重 9.8 N/cm2.

試驗過程：從室溫到 1 300 ℃ 的升溫速率為 10 ℃/min，從1 300 ℃ 到 1 550 ℃ 的升溫速率為 5 ℃/min，保溫30 min,升溫過程通N2保護；爐溫200 ℃時裝入爐料，500 ℃時切換成由一氧化碳和氮氣組成的反應氣體，體積比為CO∶N2=30∶70，爐料收縮量為10%前保持氣體流量為0.9 m3/h,收縮10%后不再調節(jié)氣體流量，直至礦石熔融滴落，保存完數據后切換成氮氣，流量0.3 m3/h.

試驗過程中各參數的意義：分別以收縮率到達10%和40%代表軟化開始溫度和軟化終了溫度，用T10%和T40%表示，以壓差陡升溫度和渣鐵開始滴落的溫度代表熔化開始溫度和滴落開始溫度，用Ts、Td表示.ΔT1=T40%-T10%為軟化區(qū)間，ΔTds=Td-TS為熔化區(qū)間，熔化開始時的壓差用ΔPs表示，最大壓差用ΔPmax表示.S值為綜合衡量爐料熔滴性能的指標，S值越小代表熔滴性能越好.

1.3 試驗方案

以實驗室制備的燒結礦、球團礦為原料，按照一定的爐料結構進行熔滴試驗，具體的試驗方案如表4所示，各試驗方案的化學成分如表5所示.

表4 爐料熔滴性能試驗方案(原料質量配比)

表5 試驗方案的化學成分(質量分數)

2 分析與討論

爐料熔滴性能試驗結果如表6所示.

表6 爐料熔滴性能試驗結果

2.1 不同爐料結構的ΔT1比較

不同爐料結構的ΔT1如圖2所示.

圖2 不同爐料結構ΔT1比較

高爐軟熔帶在高爐冶煉過程中起到煤氣二次分配器的作用，合理的爐料結構應該有利于理想的軟熔帶形成.試驗中ΔT1是T40%和T10%的差值，其值的大小表征著軟化溫度區(qū)間的寬窄，其值越小說明軟化溫度區(qū)間越窄，礦石的軟化性能越好.由圖2可知：ΔT1由高到低的順序為4#、5#、6#、3#、2#、1#.其中,1#方案的ΔT1最低,為180 ℃，軟化溫度區(qū)間最窄，爐料透氣性阻力最小，對于高爐內煤氣運動比較有利.結合表6可知，4#方案的T40%最高，達到了1 423 ℃，6#方案的最低，為 1 373 ℃，二者相僅僅相差50 ℃.因此，6個方案的T40%相差得并不大，并且整體都落在了一個比較高的溫度范圍，所以其軟熔帶位置都比較低，高爐的塊狀帶都相對較寬，透氣性比較好.

由以上分析可知，6個方案軟化溫度區(qū)間都比較窄.其中，1#方案的軟化溫度區(qū)間最窄，在冶煉條件相同時礦石的軟熔帶最薄，料柱的透氣性最好，有利于高爐內煤氣的運動.

2.2 不同爐料結構的ΔTds比較

不同爐料結構的ΔTds如圖3所示.

圖3 不同爐料結構ΔTds比較

由圖3可知：ΔTds由高到低的順序為4#、5#、3#、2#、1#、6#.ΔTds是Td和Ts的差值.熔滴性能優(yōu)良的爐料結構應具有較低的ΔTds.其中，6#方案的△Tds值為132 ℃，在6個方案中最低，熔滴帶的溫度區(qū)間最窄.現代高爐煉鐵一般要求△Tds<100 ℃，1#方案的△Tds值為133 ℃，與6#沒有太大的差別.因此，就△Tds指標而言，1#、6#方案都比較好.由表5可知，1#、6#方案的TFe含量都比較高，渣量相對較少，爐料易滴落，爐料透氣性好，所以△Tds值比較低.

由于爐料在高溫下快速熔化對高爐順行意義重大，所以現代高爐煉鐵一般要求鐵礦石的滴落溫度要高.由表6可知，6#方案的Td值最低，為 1 391 ℃，其余五個方案均在1 400 ℃以上.因此，就Td指標來看各個方案都達到了比較好的水平.

具有較好熔融滴落性能的高爐原料結構應具有較高的Ts、Td和較低的ΔTds.綜合考慮Ts、Td和ΔTds，爐料的熔滴性能以6#方案為最優(yōu).

2.3 不同爐料結構與ΔPmax、S值關系

(1)不同爐料結構ΔPmax的比較

不同爐料結構ΔPmax如圖4所示.

圖4 不同爐料結構ΔPmax比較

由圖4可以看出，整體上1#、2#、3#方案的ΔPmax高于4#、5#、6#方案.其中，3#方案的ΔPmax最高與具有相同爐料結構的1#相比高出近 2 kPa；然而，同為燒結礦+球團礦結構的4#、5#、6# 方案的ΔPmax相差并不大.如前所述，各方案的軟化溫度區(qū)間都比較窄，所以使ΔPmax產生區(qū)別的主要原因并不是軟熔區(qū)間的不同造成的，通過表5可以看到1#、2#、3#方案的堿金屬含量都比較高，會使焦炭的氣化反應提前并且加劇，使料柱軟熔帶氣窗的透氣性大大降低，導致ΔPmax升高.因此，僅從ΔPmax指標來看，選擇堿金屬含量較低的4#、5#、6#方案，對于改善透氣性指標，降低堿金屬入爐比較有利.

(2)不同爐料結構S值比較

不同爐料結構S值如圖5所示.

圖5 不同爐料結構S值比較

由圖5可以看出，1#、2#、3#方案的S值整體上高于4#、5#、6#方案.由S值的計算式:

式中：Ts為熔化開始溫度，℃；Td為滴落開始溫度，℃； ΔPs為 熔化開始時的壓差，kPa； ΔPmax為最大壓差，kPa.

可以看到，ΔPmax是S值的一個重要影響因素，因此，很多情況下作為熔滴性能綜合評定指標的S值與ΔPmax表現出的規(guī)律很相似.本試驗中6#方案的ΔPmax最低，爐料的透氣性好，所以6#爐料結構的S值最低，熔滴性能最好.

(3)爐料二元堿度Rw(CaO)/w(SiO2)與ΔPmax的關系

爐料二元堿度Rw(CaO)/w(SiO2)與ΔPmax的關系如圖6所示.

圖6 二元堿度Rw(CaO)/w(SiO2)與ΔPmax的關系

由圖6可知，△Pmax隨二元堿度Rw(CaO)/w(SiO2)的變化呈先下降后稍有升高的趨勢.二元堿度Rw(CaO)/w(SiO2)在1.60～1.80之間時，△Pmax都比較低.其中，6#方案堿度下的△Pmax最低.整體上看，1#、2#、3#方案的堿度下的△Pmax高于4#、5#、6#方案.

從爐料結構上分析，1#、2#、3#方案的爐料結構與4#、5#、6#相比，區(qū)別主要是1#、2#、3#配入了一定量的南非塊礦，而4#、5#、6#方案提高了球團礦的配比.由表3可知南非塊礦的Rw(CaO)/w(SiO2)僅為0.027，而球團礦的二元堿度Rw(CaO)/w(SiO2)為0.27，是南非塊礦的10倍，所以在提高球團礦的配比時，爐料的二元堿度Rw(CaO)/w(SiO2)就會增加.從試驗結果看，爐料的二元堿度Rw(CaO)/w(SiO2)控制在一定范圍內時，對于改善△Pmax非常有利，所以生產中可以考慮提高球團礦的使用.而且由表2可知，本次試驗所用球團礦中的PMC礦配比高達68.60%，因此，可以通過提高球團礦的配比達到優(yōu)化爐料性能、提高PMC礦使用率的目的.

從二元堿度Rw(CaO)/w(SiO2)對爐料透氣性能影響上分析，爐料二元堿度Rw(CaO)/w(SiO2)在一定范圍內時，△Pmax會隨著二元堿度Rw(CaO)/w(SiO2)增加而降低[12,13]，當二元堿度Rw(CaO)/w(SiO2)超過一定值后，由于6個方案的爐料中均含有較高的TiO2，渣中的鈣鈦礦含量增加，使渣的黏度增大，導致△Pmax升高.而且，各方案的 Al2O3含量都比較高，高爐渣中Al2O3含量高會使爐渣黏度增加，影響料柱的透氣性[14].

綜合以上分析，6#方案的堿度最有利于改善爐料的透氣性.然而，高爐煉鐵一般要求熔滴過程的△Pmax要低，最好 △Pmax<1.764 kPa.在這一要求下，6個方案的最大壓差均處在了較高的水平.所以，很有必要做進一步的研究.

(4)爐料二元堿度Rw(CaO)/w(SiO2)與S值的關系

爐料二元堿度Rw(CaO)/w(SiO2)與S值的關系如圖7所示.

圖7 二元堿度Rw(CaO)/w(SiO2)與S值的關系

由圖7可知，總特性值S隨著二元堿度Rw(CaO)/w(SiO2)的變化呈先減小后增大的趨勢，其變化趨勢與△Pmax隨二元堿度Rw(CaO)/w(SiO2)的變化趨勢一致.一般S值越小代表爐料的熔滴性能越好，6個方案中，6#方案的S值最低為 296 kPa·℃，是這幾組方案中熔滴性能最好的方案.但是，與國際先進水平要求下的S<40 kPa·℃ 相比差距還是很大.如前所述，6#方案的△Pmax、ΔTd都是6個方案中最低的，所以6#方案的S值最低,熔滴性能最好.

(5)爐料堿金屬含量與ΔPmax的關系

爐料堿金屬含量與ΔPmax的關系如圖8所示.

圖8 堿金屬與ΔPmax的關系

由圖8可知，隨著爐料中堿金屬負荷的增加，△Pmax呈增大的趨勢.△Pmax增大，料柱透氣性變差.

由表3的原料成分可知，球團礦的鉀鈉含量是這三種礦中最低的，而南非塊礦最高.堿金屬是高爐中的有害元素，在高爐內會形成堿金屬循環(huán)，積累到一定程度時會給高爐帶來嚴重危害，而降低爐料的堿金屬含量是控制堿金屬危害的一個重要手段.所以在使用本試驗中的爐料進行冶煉生產時，爐料的堿金屬含量可以通過提高球團礦的配入量進行控制，同時也實現了提高PMC礦使用率的目的.

由表5可以知道，1#、2#、3#方案的堿金屬含量整體比4#、5#、6#方案高.堿金屬對△Pmax的影響，主要是由于堿金屬會加速爐料中焦碳的碳素溶損反應，使炭氣化反應劇烈，焦炭氣孔壁變薄，軟熔帶氣窗的透氣性降低，壓差升高[15]； 此外，在熔滴試驗的鐵礦石還原過程中，由于堿金屬對還原反應具有正催化作用，使礦石中金屬鐵晶體生長加快，在相界面上產生應力，當應力積累到一定程度時，便產生大量的裂紋，導致粉化率升高，粉化加劇導致料層透氣性變差，△Pmax升高.6個試驗方案中，6#方案的K、Na含量最低，其△Pmax最小，熔滴性能最好.

(6)爐料堿金屬含量與S值的關系

爐料堿金屬含量與S值的關系如圖9.

圖9 堿金屬與S值的關系

由圖9可知隨著爐料中堿金屬負荷的增加，S值呈增大的趨勢.爐料中堿金屬含量的增加，破壞了焦炭的強度，惡化了料柱的透氣性，使△Pmax升高，熔滴性能變差，反映到S值上就是S值變大.

取6#、3#試驗后的焦炭進行電鏡掃描，對比不同K、Na含量對焦炭的腐蝕程度如圖10所示.

圖10 反應后焦炭形貌

圖10(a)是6#方案下反應后的焦炭形貌，圖10(b)是3#方案下反應后的焦炭形貌.由圖10可以看到,由于3#方案的堿金屬含量高于6#方案，所以反應后的焦炭表面腐蝕嚴重，氣孔變大，氣孔壁變薄，焦炭強度下降，料柱透氣性變差，總特性S值升高.

3 結 論

(1)6個方案的軟熔區(qū)間都比較窄.其中，4#配礦方案T10%與T40%指標都比較高，在高爐中的相應位置最低；1#方案的軟化溫度區(qū)間最窄，在冶煉條件相同時料柱的透氣性最好，有利于高爐內煤氣的運動.

(2)6#方案的△Tds值在六個方案中最低，熔滴溫度區(qū)間最窄；1#方案的△Tds值與6#沒有太大的差別，因此，就△Tds而言1#、6#方案的指標都比較好.

(3)△Pmax隨二元堿度Rw(CaO)/w(SiO2)的變化呈先下降后升高的趨勢.其中，6#方案的△Pmax最低；S值隨著二元堿度Rw(CaO)/w(SiO2)的變化呈先減小后增大的趨勢.6個方案中，6#方案的S值最低為 296 kPa·℃，是這幾組方案中熔滴性能最好的方案.但是，與國際先進水平要求下的S<40 kPa·℃ 相比差距還很大，仍然有必要進行更進一步的研究.

(4)隨著爐料中堿金屬負荷的增加，△Pmax、S值均呈增大的趨勢.堿金屬對爐料熔滴性能的影響主要是通過對焦炭反應性的催化作用實現的，在實際生產中堿金屬的危害應該引起足夠的重視.

(5)整體上燒結礦+球團礦的爐料結構模式的熔滴性能優(yōu)于燒結礦+球團礦+塊礦的爐料結構模式.因此，在冶煉含PMC礦的爐料時應首先考慮燒結礦+球團礦的爐料結構模式.

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Study on the blast-furnace burden structure containing PMC ore

Chen Shujun1,2，Liu Kai3，Wang Xiaoai4，Lu Qing3

(1.School of Metallurgy, Northeastern University, Shenyang 110004,China；2.Iron and Steel Group Subsidiary of Hebei Chengde , Chengde 067000,China；3.College of Metallurgy & Energy，North China University of Science and Technology，Key Laboratory for Advanced Metallurgy Technology，Ministry of Education,Tangshan 063009, China;4 Iron and Steel Group Subsidiary of Hebei Xuanhua，Xuanhua 075000,China)

Through a simulation of droplet of ores in the blast furnace in the laboratory, an investigation was conducted on the raw materials structure composed of sinters，South Africa mines and pellets mainly containing PMC ore powders. The results indicated that the raw materials structure composed of sinters + pellets is better than that composed of sinters + pellet + South Africa mines. Among them, the △Tdsvalue of scheme 6# is 132 ℃,the △Pmaxis 4.990 kPa, and the value of S is 296 kPa·℃, which is the best one in the simulation of droplet of ores.Furthermore alkali metals contained in the raw materials have a negative effect on the permeability , which can be improved by decreasing amount of alkali metals.

the structure of raw materials for the blast-furnace; PMC magnetite; alkali metals; alkalinity; the properties of droplet

10.14186/j.cnki.1671-6620.2016.03.001

TF 53

A

1671-6620(2016)03-0159-07