優(yōu)化配礦結構對燒結礦冶金性能的影響

白凱凱， 張艾俊， 左海濱， 左俊杰， 潘玉柱

（1.北京科技大學鋼鐵冶金新技術國家重點實驗室，北京100083；2.山東萊鋼永鋒鋼鐵有限公司煉鐵廠，山東 德州251100）

2017年，我國鋼鐵市場趨于緩和，市場需求逐步改善，促進了鋼鐵企業(yè)進一步達到盈利狀態(tài)；為提高噸鋼利潤，降低生產(chǎn)成本，提升行業(yè)競爭力，鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)對鐵礦石原料的要求也越來越高，同樣，鋼鐵企業(yè)的能耗量占我國總能耗的16.3%[1]，為降低原料能源消耗，優(yōu)化配礦也是最捷徑的節(jié)能方法，所以必須通過對鐵礦粉進行配礦來改善燒結礦的各項冶金性能指標.我國主要的高爐煉鐵原料為燒結礦，因此燒結礦質量的好壞也是高爐順行的關鍵，燒結配礦結構不僅與鐵礦粉、熔劑、燃料有關，而且與鐵礦粉之間的合理搭配有關[2].生產(chǎn)實踐指出，鐵礦粉的常溫性能主要決定燒結生產(chǎn)的經(jīng)濟指標，而其高溫性能是燒結生產(chǎn)技術指標及燒結礦性能的關鍵[3-5].永鋒鋼鐵公司為穩(wěn)定爐料結構，降低能耗，提高產(chǎn)量及質量水平，進行了燒結杯試驗以調(diào)控原料結構，達到高爐冶煉要求.本實驗主要依據(jù)永鋒鋼鐵公司原料條件，進行優(yōu)化配礦研究.

1 實驗原料成分及配礦方案

實驗主要以巴混（高硅）、混勻料、精粉、大混勻、Pb粉、返礦為含鐵原料，以白云石、生石灰為熔劑，以焦粉為燃料，進行不同比例的配礦研究，原料成分結果如表1所列，配礦方案如表2所列，實驗基礎特性檢測指標如表3所列.由表1可知，鐵品位由高到低為:地方精粉＞巴混＞Pb粉＞大混勻＞混勻.由原料基礎特性指標可知，巴混、Pb粉及地方精粉同化溫度均較低，同化性能較好.

表1 原料成分 /（質量分數(shù)，%）Table 1 Raw material composition/(massfraction,%)

在配礦方案中，1#為現(xiàn)場配礦比例；在現(xiàn)場配礦情況的基礎上，分別調(diào)整各含鐵原料比例、負壓及燃料比:其中，2#為巴混配比提高4%，負壓為11 kPa；3#為巴混配比提高6%，負壓為11 kPa，燃料比降低至4%；4#為Pb粉配比提高6%，負壓為12 kPa；5#為巴混配比提高4%，負壓為12 kPa，燃料比降低至4%.用配制好的礦粉進行燒結杯試驗，其主要步驟為混料、裝料、點火燒結、落下篩分及轉鼓檢測.最后依據(jù)國家標準進行還原檢測.配礦實驗均是進行3組燒結杯實驗后得出的相應優(yōu)化結果.

表2 實驗配礦方案 /（質量分數(shù)，%）Table 2 Experimental matching ore scheme/(massfraction,%)

表3 實驗原料基礎特性Table 3 Basic characteristics of experimental raw material

2 試驗結果及分析

2.1 優(yōu)化配礦前后成品燒結礦成分分析

優(yōu)化前后的燒結礦成分分析如表4、表5所列.對比表4、表5可知，由于實驗設備的限制，燒結杯實驗中的燒結礦品位略微降低，但與1#基準燒結杯實驗相比，2#、3#配礦方案的鐵品位略有降低，4#、5#配礦方案的鐵品位略微提高.提高含鐵品位，可有效降低高爐焦比及提高產(chǎn)量，研究發(fā)現(xiàn)[6]，鐵品位提高1%，可降低焦比2%，提高產(chǎn)量3%.同時，燒結礦堿度也有所變化；提高堿度，會促進鐵酸鈣的發(fā)展，增強燒結礦被還原能力，可提高燒結礦質量水平[7].燒結過程中，堿度不僅對燒結礦的產(chǎn)量及質量有影響，同樣也在高爐冶煉中，對高爐升溫還原過程及其爐料結構產(chǎn)生重大影響[8-12].張立恒等[13]研究了堿度對高鉻型釩鈦礦燒結過程的影響，結果表明，隨著堿度的提高，燒結礦垂直燒結速度、利用系數(shù)、轉鼓強度均有所提高，但其成品率、抗磨指數(shù)均有下降；同樣，燒結礦的還原粉化指數(shù)RDI+6.3提高，而RDI-0.5和RDI-3.15指標降低.它對于高爐而言，其軟熔區(qū)間變窄，軟熔帶下移，透氣性逐步提高，會促進高爐順行.

表4 優(yōu)化前兩臺燒結機所生產(chǎn)燒結礦化學成分/（質量分數(shù)，%）Table 4 Chemical composition of the sinter produced by two sintering machines before optimization/（massfraction,%）

表5 優(yōu)化后燒結杯實驗生產(chǎn)燒結礦化學成分/（質量分數(shù)，%）Table 5 Chemical composition of the sinter produced by sinter pot experiment after optimization/(massfraction,%)

2.2 優(yōu)化后的燒結礦返礦率、成品率、垂速、固體燃料及利用系數(shù)

表6所列為優(yōu)化后的成品礦返礦率、成品率等冶金性能指標.由于受燒結杯實驗設備的影響，對比基準實驗1可知，燒結礦返礦率均有所提高，成品率及垂速降低，固體燃料消耗整體提高（除實驗3外），利用系數(shù)也普遍降低.但以上指標均變化較小，均可在現(xiàn)場燒結機上進行改善，以滿足冶煉要求.

2.3 優(yōu)化配礦對成品燒結礦轉鼓強度的影響

圖1所示為優(yōu)化配礦后不同方案的成品燒結礦轉鼓強度之柱狀圖.由圖1可知，在降低燃料比的條件下，隨著巴混含量的提高，鐵品位、SiO2含量及堿度均維持在較高水平；與其他配礦方案相比、實驗3的轉鼓強度最高，其值為70.93%，T＞70%，達到我國優(yōu)質燒結礦要求.這是由于成品燒結礦中SiO2含量對于燒結礦質量影響較為明顯[14-15]，在燒結過程中，SiO2作為液相的主要組分，其含量較少時，液相生成量及黏結相變少，從而導致燒結礦強度下降.而隨著SiO2含量的提高，燒結過程大量的液相會黏結其周圍的鐵精粉，黏結相的增多增加燒結礦強度；同時實驗3中生成較多針狀鐵酸鈣也進一步提高燒結礦轉鼓強度[16].

表6 優(yōu)化后成品礦的返礦率、成品率、垂速、固體燃料及利用系數(shù)Table 6 Return ore rate,yield,sintering speed,solid fuel and productivity of sintered product after optimization

圖1 優(yōu)化后成品礦轉鼓強度Fig.1 Tumbler index of sintered product after optimization

2.4 配礦方案對成品燒結礦顯微結構的影響

由圖2可以看出，在各配礦方案的各SEM照片中，方案1、方案2、方案4、方案5均出現(xiàn)少量的針狀或纖維狀鐵酸鈣，以及大量片狀鐵酸鈣.而方案3中出現(xiàn)大量的針狀鐵酸鈣.實驗證明，在堿度R為1.7～2.1，溫度為1 275℃左右時，可大量生成針狀鐵酸鈣；且在還原過程中它最先被還原，強度高；可以說.鐵酸鈣針狀是還原性最好的顯微結構[17].

圖2 優(yōu)化后成品礦SEM像Fig.2 SEM figure of sintered product after optimization

2.5 配礦方案對成品燒結礦還原性的影響

還原性是檢驗燒結礦的重要指標.在高爐內(nèi)，若提高燒結礦的還原性，可增加其間接還原的比例，從而達到節(jié)能降耗的目的[18].按照國標（GB/T13241—1991）方法[19]分別將基準實驗1、實驗2、實驗3、實驗4及實驗5的燒結礦試樣破碎、并選取500 g、10～2.5 mm粒級試樣進行燒結礦還原性實驗.該實驗用立式電爐還原爐，還原氣體為30%CO+70%N2，流量為15 L/min.實驗開始前，在氮氣保護性氣氛下將爐溫升至900℃，溫度到達后放入試樣，將氣體切換為還原性氣體.試樣放置在石墨坩堝中，并連接爐體上部的天平，并由計算機實時記錄天平重量變化，并將還原180 min的試樣的還原度作為實驗最終還原度.實驗結果如圖3所示.

圖3 優(yōu)化后成品礦的還原度Fig.3 Reduction degree figure of sintered product after optimization

從圖3中可知，基準實驗1、實驗2、實驗3、實驗4及實驗5的還原度分別為74.5%、84.4%、83.5%、80.5%和81.6%.但綜合FeO含量來看，實驗3的燒結礦FeO含量只有6.78%，而基準實驗燒結礦樣品FeO含量為9.82%，其余試樣的FeO含量均超過了10%，這是由于FeO會隨著SiO2含量的升高而降低，而還原度則會隨FeO的上升逐步降低；這是因為FeO是Fe2+來換算，F(xiàn)e2+多存在于各種礦物之中，如橄欖石（2FeO·SiO2）、鈣鐵橄欖（CaO·FeO·SiO2）等，隨著FeO含量的提高橄欖石等礦物質量分數(shù)提高，赤鐵礦與鐵酸鈣含量會逐步減少，而礦物在還原過程的遞減順序為赤軟礦→鐵酸鈣→磁鐵礦→鈣鐵橄欖石→硅酸鐵的緣故.因此還原性會隨FeO含量的增加而降低，同時因FeO的升高，燒結礦內(nèi)部結構會變得致密，孔隙度降低，同樣也會影響燒結礦的還原性[20].為此、實驗3中的鐵酸鈣均以針狀形式存在，且孔隙較多，鐵氧化物與還原氣體充分反應，易被還原.這就證明在本實驗3的條件下、其燒結礦還原性能最好；同時也說明鐵礦粉的類別、性質以及其孔隙度等是決定燒結礦還原性的重要指標；對于高堿度燒結礦，其鐵酸鈣的還原性較好，而對于含有鐵橄欖石及鈣鐵橄欖石的燒結礦，其還原性較差[21].

圖4所示為轉鼓指數(shù)大于68%的燒結礦低溫還原粉化實驗結果.其中實驗3的RDI+6.3和RDI+3.5分別達到了69.3%和86%.藍榮宗，王靜松等[22]認為，在富氧高爐中，燒結礦低溫還原分化率高于傳統(tǒng)高爐，所以對于低溫還原粉化率較低的燒結礦，可在后續(xù)研究過程中應用于富氧高爐中.以綜合成礦率、轉鼓指數(shù)、還原性能和低溫還原粉化性能等指標衡量，實驗3的燒結礦之冶金性能最好.

圖4 優(yōu)化后成品礦的低溫還原粉化率Fig.4 Low temperature reduction degradation of sintered product after optimization

3 結 論

1）在永鋒鋼鐵公司所擁有的原料條件下，可適當提高巴混含量的同時降低燃料比，以降低原料成本，獲得更高的經(jīng)濟效益.因此，可以在原有配礦原料基礎上提高巴混比例6%，降低燃料比至4%，負壓設定為11 kPa，此配礦方案可用于指導生產(chǎn)實踐.

2）通過實驗研究可知，實驗方案3的FeO含量為6.78%、成品率為 84.44%、利用系數(shù)為 1.77（t/m2h）、轉鼓強度為70.93%、還原度為83.5%、低溫還原粉化率RDI+6.3和RDI+3.5分別為69.3%和86%，是目前條件下該公司較優(yōu)的配料方案；它可作為永鋒鋼鐵公司燒結配礦的生產(chǎn)指導方案在生產(chǎn)中應用.