李 紅 肖志新 王素平 胡正剛 劉棟梁

(武漢鋼鐵有限公司研究院)

還原氣氛對高爐塊狀帶鐵氧化物還原效率的影響

李 紅 肖志新 王素平 胡正剛 劉棟梁

(武漢鋼鐵有限公司研究院)

為了研究還原氣氛對高爐塊狀帶含鐵爐料還原效率的影響，通過模擬不同裝料方式下高爐爐料組成，研究了還原氣氛對含鐵爐料靜態(tài)還原的影響規(guī)律。試驗結(jié)果表明，還原區(qū)溫度越高、還原氣體CO含量越高，試驗含鐵爐料的還原度和還原效率越高。

爐料 CO濃度 礦石失重率 溫度

0 前言

武鋼8#高爐屬于矮胖型高爐，2009年8月1日投產(chǎn)，有效容積3 800 m3，有效爐缸直徑為13.6 m，4個鐵口36個風(fēng)口，開爐風(fēng)口進(jìn)風(fēng)面積為0.494 8 m2。高爐開爐后一直維持高頂壓、高噴煤比和高富氧率等措施強化冶煉[1]。然而隨著高爐低成本冶煉技術(shù)的推行，高爐被動的接收了大量低質(zhì)廉價礦。2015年后，公司燒結(jié)主流礦品種發(fā)生重大變化，原來的火箭粉、高硅巴西粉將分別由兩個新礦種國王粉和巴南粉所取代，另外加拿大礦山因不可抗力停產(chǎn)。受此影響，2015年下半年燒結(jié)礦停用加粉，同時長協(xié)礦MAC粉也合同到期，導(dǎo)致高爐燒結(jié)礦質(zhì)量穩(wěn)定性差、波動頻繁。在高爐使用燃料焦炭方面，因煉焦外購煤種變化大, 對焦炭質(zhì)量有不利影響。受原燃料條件影響，高爐煤氣流難以控制，爐況順行受到威脅, 生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)也很不理想。

為穩(wěn)定爐況，確保高爐順行，8#高爐強化操作管理[2，3]，在上部調(diào)劑上試驗過多種裝料模式，分別為大小粒度燒結(jié)礦混裝一起入爐、大小粒度燒結(jié)礦分級入爐、燒結(jié)礦和回用焦丁混裝入爐。在3種裝料方式下，不同還原氣體濃度對冶煉過程會有不同的影響，通過總結(jié)實踐經(jīng)驗，探索最佳的高爐煤氣流控制方式，以尋求高爐最有效的控制狀態(tài)，迫切需要從理論上搞清楚不同還原氣氛對高爐塊狀帶含鐵爐料還原效率的差異，以指導(dǎo)8#高爐的高效冶煉。

1 還原試驗

1.1 試驗原料

含鐵爐料包括燒結(jié)礦(大燒+小燒)、球團(tuán)礦和南非礦來自武鋼8#高爐，直接從武鋼8#高爐礦槽中取得，經(jīng)1 /16縮分后破碎，其中大燒、球團(tuán)礦和南非礦試樣選取粒度為10 mm～12.5 mm，小燒試樣選取粒度為4 mm～5.5 mm，再從中取部分樣進(jìn)行1/16縮分研磨成化學(xué)分析試樣，確保了試樣的代表性，試樣的化學(xué)成分見表1。同樣，大焦、小焦和回用焦丁取自武鋼8#高爐槽上，其中大焦試樣選取粒度為10 mm～12.5 mm，小焦試樣選取粒度為4 mm～5.5 mm，回用焦丁采用焦粉。

高爐爐腹煤氣主要包括一氧化碳、氮氣等氣體，為模擬含鐵爐料在高爐塊狀帶的還原特征，根據(jù)高爐爐腹煤氣成分，設(shè)定還原氣體成分為CO為45%、50%、55%，與其對應(yīng)的N2分別為55%、50%、45%，選定試驗溫度700 ℃、900 ℃、1 000 ℃，根據(jù)高爐生產(chǎn)經(jīng)驗，爐料在高爐上中部區(qū)域停滯的時間為0.5 h～3 h,本試驗還原時間為0～180 min在線連續(xù)檢測。

表1 試驗用含鐵爐料的化學(xué)成分 / %

1.2 試驗裝置

為了更好地模擬高爐內(nèi)部各種裝料模式在還原過程中的效率差異，在更接近高爐實際條件下研究不同裝料模式對高爐含鐵爐料還原過程的影響，本試驗爐為豎式，發(fā)熱元件采用硅碳棒，反應(yīng)管內(nèi)徑為75 mm、高為800 mm，反應(yīng)管底部鋪有50 mm高的預(yù)熱剛玉球，剛玉球上面有一塊厚度為4 mm，直徑為73 mm的耐熱多孔不銹鋼片，上面是高度大約為50 mm的含鐵爐料。還原氣體通過專用的配氣柜配制獲得，由反應(yīng)管的入氣口進(jìn)入，由剛預(yù)熱層預(yù)熱后還原含鐵爐料。反應(yīng)過程中含鐵爐料的質(zhì)量變化由位于還原爐頂部的吊掛式電子天平測定。

1.3 試驗方法

試驗前，將試樣放在烘箱內(nèi)，在105 ℃的溫度下烘干120 min，冷卻后放到干燥器內(nèi)備用。根據(jù)8#高爐爐料結(jié)構(gòu)和焦比的平均水準(zhǔn)，確定含鐵爐料和還原劑的比例，以此比例計算500 g礦石重量對應(yīng)的礦、焦用量參數(shù)見表2。試驗首先將粒度合格的500 g試樣放到還原管中，試樣表面要鋪平。通入保護(hù)性氣體N2，其標(biāo)態(tài)流量為5 L/min。以5 ℃/min 速度進(jìn)行升溫，當(dāng)溫度達(dá)到實驗溫度時，增大N2流量15 L/min，恒溫30 min，使試樣質(zhì)量達(dá)到恒定值。隨后以標(biāo)態(tài)流量15 L/min的還原氣體代替惰性氣體還原3 h后，試驗結(jié)束。在切斷還原氣體后，向還原管通入標(biāo)態(tài)流量為5 L/min的N2，冷到終點溫度低于100 ℃。

表2 試驗各種礦焦裝入重量參數(shù)

8#高爐在上部調(diào)劑上試驗過多種裝料模式，分別為大小粒度燒結(jié)礦分級入爐、大小粒度燒結(jié)礦混裝一起入爐和燒結(jié)礦和回用焦丁混合后一起入爐，為模擬高爐3種裝料方式，大小燒分級入爐試驗方法為底部平鋪大燒+球團(tuán)+南非+小焦、上部平鋪大焦、上部邊緣布小燒，大小燒混裝入爐試驗方法為底部平鋪大燒+小燒+球團(tuán)+南非+小焦、上部平鋪大焦，燒結(jié)混裝回用焦丁入爐試驗方法為底部平鋪大燒+球團(tuán)+南非+小焦+回用焦丁、上部平鋪大焦、上部邊緣布小燒。試驗裝料方式如圖1所示。

1.4 還原度計算方法

鐵礦石還原度采用國標(biāo)計算。按照GB/T13241-91采用核算后的FeO(%)和TFe(%)計算：

式中：m0——試樣的質(zhì)量，g； m1——還原開始前試樣的質(zhì)量，g； mt——還原開始t min后試樣的質(zhì)量，g； W1——試驗前試樣中FeO的含量，%； W2——試驗前試樣的全鐵含量，%。

2 試驗結(jié)果與分析

在700 ℃、900 ℃和1 000 ℃3個溫度水平下，利用3種配比的還原氣體(CO的體積分?jǐn)?shù)依次為45%、50%、55%，N2體積分?jǐn)?shù)相應(yīng)進(jìn)行調(diào)整為55%、50%、45%)對3種裝料方式的含鐵爐料進(jìn)行還原，還原結(jié)果如圖2～圖4所示。

(a) 大小燒分級入爐

(b) 大小燒混裝入爐

(c) 燒結(jié)礦和回用焦丁混裝入爐

(a) 700 ℃

(b) 900 ℃

(c) 1 000 ℃

從圖2可以看出，在采用大小燒分級入爐的條件下：(1)還原溫度為700 ℃，還原時間為180 min，對應(yīng)還原氣體中Φ(CO)為45%、50%、55%的還原度分別為76.0%、77.4%、78.0%，說明隨著Φ(CO)的逐步增大，礦石的還原度穩(wěn)步提高。在Φ(CO)為55%時，礦石的還原度提高到78.0%，相比Φ(CO)為45%時提高幅度為2.6%；(2)還原溫度為900 ℃，還原試驗開始后的20 min內(nèi)，這3組還原曲線走勢基本吻合，還原速率基本一致，還原試驗進(jìn)行20 min后，這3組還原試驗的還原曲線走勢開始分化，Φ(CO)為45%時還原速率明顯變緩，最終還原度最低，還原時間為180 min時，對應(yīng)還原氣體中Φ(CO)為45%、50%、55%的還原度分別為90.5%、92.3%、93.9%；(3)還原溫度為1 000 ℃，Φ(CO)提高還原速率的作用也很明顯，由于溫度的提高，反應(yīng)速率也得到了極大的提高，在還原時間為180 min時，對應(yīng)還原氣體中Φ(CO)為45%、50%、55%的還原度分別為96.2%、97.8%、99.3%，還原過程接近完成。

(a) 700 ℃

(b) 900 ℃

(c) 1 000 ℃

從圖3可以看出，在采用大小燒混裝入爐的條件下：(1)還原溫度為700 ℃，還原試驗開始10 min后還原曲線的走勢就開始分化，在還原時間10 min～100 min內(nèi)，礦石還原的速率隨著Φ(CO)的增加而迅速提高，還原時間100 min后，Φ(CO)對礦石還原速率的影響降低，在還原時間為180 min時，對應(yīng)還原氣體中Φ(CO)為45%、50%、55%的還原度分別為74.6%、75.5%、76.1%；(2)還原溫度為900 ℃，Φ(CO)從45%提高到50%時，還原速率提高的程度較為明顯，Φ(CO)繼續(xù)提高到55%時，還原速率提高的幅度不大。還原時間為180 min時，對應(yīng)還原氣體中Φ(CO)為45%、50%、55%的還原度分別為88.6%、90.0%、90.3%，相比于還原溫度700 ℃時，礦石的還原度得到大幅提高；(3)還原溫度為1 000 ℃，還原時間為180 min時，對應(yīng)還原氣體中Φ(CO)為45%、50%、55%的還原度分別為94.7%、96.2%、96.3%，Φ(CO)提高了礦石還原速率，Φ(CO)由45%增加至55%時，還原到達(dá)終點時間縮短了30 min。

(a) 700 ℃

(b) 900 ℃

(c) 1 000 ℃

從圖4可以看出，在采用燒結(jié)礦和回用焦丁混裝入爐的條件下：(1)還原溫度為700 ℃，還原時間為180 min時，對應(yīng)還原氣體中Φ(CO)為45%、50%、55%的還原度分別為73.9%、74.7%、76.9%，相比Φ(CO)為45%時提高幅度超過4%，CO濃度對礦石還原度的提高顯著，相對于裝料方式(a)、(b)，裝料方式為(c)時還原效率最低，這說明不同粒徑小燒和回用焦丁混合降低了料柱的空隙度，爐料的透氣性受到影響，進(jìn)而煤氣通道受到阻塞，降低了煤氣利用效率；(2)還原溫度為900 ℃時，礦石的還原速率提高顯著，在還原試驗開始后的30 min內(nèi)，這3組還原曲線走勢基本吻合，還原速率基本一致，在還原實驗進(jìn)行30 min后，這3組還原實驗的還原曲線走勢開始分化，在還原時間為180 min時，對應(yīng)還原氣體中Φ(CO)為45%、50%、55%的還原度分別為86.1%、91.5%、91.2%，Φ(CO)由45%增加至55%時，礦石的還原度提高了5.1%；(3)還原溫度為1 000 ℃，還原時間為180 min時，對應(yīng)還原氣體中Φ(CO)為45%、50%、55%的還原度分別為93.1%、97.8%、98.0%，還原反應(yīng)接近完成，Φ(CO)由45%逐步提高到55%，礦石的還原度逐步提高，與還原溫度900 ℃相比，礦石在1 000 ℃還原時Φ(CO)的增加過程中還原度提高的幅度不甚明顯。

3 結(jié)論

(1)還原氣體CO的含量越高，則試驗爐料的還原度越高，高爐塊狀帶含鐵爐料的還原效率也越高。

(2)Φ(CO)為55%、溫度為1 000 ℃、裝料方式為大小燒分級入爐時，試驗含鐵爐料的還原度最大，在此條件下，高爐塊狀帶鐵氧化物的還原有利。

(3)在整個還原試驗過程中，同一還原氣氛、裝料方式條件下，還原區(qū)溫度越高，還原度越大。在相同還原氣氛下，溫度的升高對鐵氧化物還原度的影響較大，改變裝料方式對鐵氧化物還原效率的影響較小。

(4)8#高爐現(xiàn)有的3種裝料方式中，通過將大小燒分級入爐，在不改變原料條件下，可以改善塊狀帶料柱的透氣性，增加含鐵爐料的還原度和還原效率。

(5)在相同的還原條件下，還原氣氛中CO含量從45%逐步提高到55%時，礦石的還原度提高均很明顯，由此認(rèn)為，還原氣氛中CO含量45%～55%時對改善高爐的間接還原，提高CO利用率有重要作用。

[1] 陳令坤，李向偉，陸隆文，等．武鋼8高爐高效冶煉實踐[J]．煉鐵，2016(10)：1-7．

[2] 陸隆文，陳進(jìn)軍，陳畏林．武鋼8高爐長期穩(wěn)定高產(chǎn)生產(chǎn)實踐[J]．煉鐵，2011(03)：13-16．

[3] 胡正剛，李紅，王作軍，等．武鋼8高爐爐型管理特點[J]．煉鐵，2016(08)：7-10．

EFFECT OF REDUCING ATMOSPHERE ON LUMPY ZONE IN BLAST FURNACE IRON OXIDE REDUCTION EFFICIENCY

Li Hong Xiao Zhixin Wang Suping Hu Zhenggang Liu Dongliang

(Research and Development Center of Wuhan Iron and Steel Co., Ltd)

In order to study the influence of reducing atmosphere on lumpy zone in blast furnace of iron bearing material reduction efficiency, through simulating the different loading mode of blast furnace. The influence of reducing atmosphere on the reduction of iron bearing material static. The test results show that the higher the temperature reduction zone, reducing gas content of CO is higher, the reduction degree and reduction efficiency test of iron bearing feed more.

burden the concentration of CO ore weight loss rate temperature

2017—1—18

聯(lián)系人：李紅，工程師，湖北.武漢(430081)，湖北省武漢市青山區(qū)冶金大道28號武鋼研究院；