基于燒結(jié)和高爐全流程的鞍鋼外購(gòu)鐵礦石技術(shù)經(jīng)濟(jì)性研究

劉杰 ，馬賢國(guó) ，唐繼忠 ，周明順 ，朱建偉 ，廖相巍 ，姜濤

（1.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山114009；2.中南大學(xué)資源加工與生物工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410083；3.鞍鋼股份有限公司鲅魚(yú)圈鋼鐵分公司，遼寧 營(yíng)口115007）

受全球經(jīng)濟(jì)危機(jī)影響，鋼鐵產(chǎn)品需求量急劇下降，我國(guó)國(guó)內(nèi)鋼鐵產(chǎn)能嚴(yán)重過(guò)剩，鋼鐵行業(yè)出現(xiàn)了激烈的競(jìng)爭(zhēng)，許多企業(yè)減產(chǎn)或停產(chǎn)。面對(duì)這種惡劣的生存環(huán)境，最大限度地降低鋼鐵生產(chǎn)成本，提高企業(yè)整體競(jìng)爭(zhēng)力，已經(jīng)成為各個(gè)企業(yè)的一致追求。在鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中，鐵水成本占鋼材成本的75%～80%［1］，鐵礦石的成本又占鐵水成本的50%～60%［2］，因此，從鋼鐵源頭抓起，降低鐵前原料成本成為了企業(yè)生存和發(fā)展的前提。

國(guó)內(nèi)外對(duì)鐵礦石的基礎(chǔ)特性和燒結(jié)特性［3-5］等進(jìn)行了深入研究，已有許多相對(duì)成熟的評(píng)價(jià)方法和預(yù)測(cè)模型［6-10］，能夠在一定程度上提供技術(shù)建議和經(jīng)濟(jì)決策。但是許多評(píng)價(jià)方法［11-14］只是針對(duì)煉鐵某個(gè)單元進(jìn)行研究或測(cè)算，研究結(jié)果與真正的鋼鐵生產(chǎn)存在較大偏差，不能實(shí)現(xiàn)在不同市場(chǎng)價(jià)格下對(duì)鐵礦石全流程的綜合評(píng)價(jià)，無(wú)法體現(xiàn)其真正價(jià)值。因此，為了有效降低煉鐵生產(chǎn)成本，基于鞍鋼股份有限公司鲅魚(yú)圈鋼鐵分公司 （以下簡(jiǎn)稱“鲅魚(yú)圈”）煉鐵原料、設(shè)備規(guī)模、生產(chǎn)財(cái)務(wù)指標(biāo)等條件，對(duì)鞍鋼經(jīng)常使用的外購(gòu)粉礦和可能使用的外購(gòu)粉礦進(jìn)行了從鐵礦石到鐵水全流程的系統(tǒng)性研究，以實(shí)現(xiàn)對(duì)鲅魚(yú)圈鐵礦石品種的采購(gòu)和生產(chǎn)的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性支持。

1 部分研究參數(shù)的設(shè)定

1.1 高爐系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定

高爐系統(tǒng)以往年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，并根據(jù)目前的實(shí)際指標(biāo)進(jìn)行調(diào)整。其中設(shè)定基準(zhǔn)月產(chǎn)量為24.6萬(wàn)t，基準(zhǔn)焦比為355 kg/t，基準(zhǔn)渣比為350 kg/t，爐渣鎂鋁比為0.6，基準(zhǔn)入爐品位為58.5%，噴吹煤比固定為150 kg/t，鐵水動(dòng)力總成本為124萬(wàn)元/月，鐵水Si含量為0.4%，鐵水S含量為0.03%，高爐爐料結(jié)構(gòu)為75%燒結(jié)礦+25%球團(tuán)礦。另外，固定焦炭和球團(tuán)礦的價(jià)格和化學(xué)成分，并相應(yīng)考慮整個(gè)煉鐵系統(tǒng)的環(huán)保成本，各種元素在鐵水和高爐渣中的分布比例，以及入爐品位對(duì)焦比、產(chǎn)量、動(dòng)力成本等因素的影響。

1.2 燒結(jié)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定

燒結(jié)系統(tǒng)基準(zhǔn)燒結(jié)礦品位設(shè)定為56.5%，基準(zhǔn)焦粉比例為55 kg/t，基準(zhǔn)Al2O3含量為2%，基準(zhǔn)FeO含量為8.5%，基準(zhǔn)堿度為2.0，基準(zhǔn)氧化鎂含量為1.8%，基準(zhǔn)料層厚度為850 mm，基準(zhǔn)還原度為85%，基準(zhǔn)燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度為80.5%。另外，固定燃料成分和價(jià)格，并考慮燒結(jié)礦各成分間的交互影響，以及對(duì)焦粉用量、堿度、冶金性能、轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度、產(chǎn)量等因素的影響。

1.3 鐵礦石的化學(xué)成分和價(jià)格

根據(jù)市場(chǎng)2020年1～4月份數(shù)據(jù)，目前62%品位的鐵礦石普氏指數(shù)為84美元/t，65%品位的鐵礦石普氏指數(shù)為100美元/t，人民幣與美元兌換比例為7：1。鐵礦石和球團(tuán)礦的化學(xué)成分和價(jià)格如表1所示。表1中普氏價(jià)格為各種鐵礦石統(tǒng)一按普氏指數(shù)測(cè)算的到廠不含稅價(jià)格，實(shí)際價(jià)格為2020年預(yù)測(cè)的各種鐵礦石到鲅魚(yú)圈分公司的實(shí)際不含稅價(jià)格。

表1 鐵礦石和球團(tuán)礦的化學(xué)成分和價(jià)格Table 1 Chemical Compositions and Prices of Iron Ore and Pellets

由表1可知，目前部分品種鐵礦石的實(shí)際到廠價(jià)格與普氏指數(shù)價(jià)格之間存在溢價(jià)，主要是PB粉、紐曼粉、巴西卡粉和BRBF粉礦，其中BRBF粉礦的溢價(jià)最大，達(dá)到13.81元/t。有折扣的礦石品種主要有FMG混合粉、超特粉、羅伊山粉和金布巴粉礦，其中折扣最大的為超特粉，達(dá)到了69.48 元/t。

2 鐵礦石技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)

2.1 鐵礦石技術(shù)性評(píng)價(jià)

為保證高爐渣熔化性能和流動(dòng)性，國(guó)內(nèi)渣中Al2O3含量一般控制在15%以下，鲅魚(yú)圈高爐控制在14%左右。燒結(jié)用鐵礦石配比按照外購(gòu)鐵礦石占比79%，鐵皮和混料、磁選粉、篩下粉、端部料等占比21%，外配25%返礦（自返和高返）測(cè)算。當(dāng)使用單一品種鐵礦石進(jìn)行燒結(jié)和高爐冶煉時(shí)，按照燒結(jié)混勻料全鐵品位高低變化排列，主要化學(xué)成分如表2所示。由表2可知，燒結(jié)礦中Al2O3含量由低到高的排序?yàn)閅D、BRBF、SFCJ、RH、NM、FBF、SSF、PB、JBB。 高爐渣中 Al2O3含量由低到高的排序?yàn)?YD、BRBF、SSF、FBF、RH、NM、SFCJ、PB、JBB。燒結(jié)礦中Al2O3含量變化與鐵礦石一致，但與高爐渣并不全部一致。這是因?yàn)?，?dāng)高爐渣中鎂鋁比和入爐燒結(jié)礦堿度一致時(shí)，使用不同鐵礦石冶煉，配加的焦比和產(chǎn)生的渣比不同。所以，鐵礦石中Al2O3含量高，燒結(jié)礦中Al2O3含量就高，但高爐渣中的Al2O3含量并不符合此規(guī)律，故鲅魚(yú)圈使用YD、BRBF、SSF和FBF時(shí)，可以降低高爐渣中的Al2O3含量。

表2 混勻料、燒結(jié)礦和高爐渣的主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 2 Main Chemical Components of Blended Materials，Sintered Ores and Blast Furnace Slag(Mass Fraction) %

不同品種礦石含鐵品位的變化情況如圖1所示。

圖1 不同品種礦石含鐵品位的變化Fig.1 Changes of Iron Grades of Different Varieties of Ores

由圖1可知，燒結(jié)混勻料的全鐵品位由高到低 的 排 序 為 SFCJ、NM、BRBF、PB、RH、JBB、YD、FBF、SSF。經(jīng)過(guò)燒結(jié)后，由于燃燒的損失和增重不同，燒結(jié)礦的全鐵品位由高到低的排序變化為NM、SFCJ、YD、PB、RH、BRBF、JBB、FBF、SSF。其中部分鐵礦石的全鐵品位雖然低，但經(jīng)過(guò)燒結(jié)后出現(xiàn)大幅升高。因此，鲅魚(yú)圈燒結(jié)配加NM、SFCJ、YD和PB有助于提高設(shè)置的全鐵目標(biāo)品位。

不同品種礦石冶煉時(shí)的預(yù)測(cè)焦比和渣比如圖2所示。

由圖2可知，按照焦比的高低進(jìn)行排序后，焦比的變化與燒結(jié)礦全鐵品位含量變化呈負(fù)相關(guān)性，燒結(jié)礦全鐵含量高的鐵礦石，高爐焦比低。但是，高爐渣比的變化并不與焦比和燒結(jié)礦全鐵品位呈線性關(guān)系，這與高爐評(píng)價(jià)系統(tǒng)設(shè)置的目標(biāo)參數(shù)有關(guān)。在9種礦石中，SFCJ的渣比最低，為379.12 kg/t；JBB的渣比最高，為405.07 kg/t。

不同品種鐵礦石的預(yù)測(cè)鐵水月產(chǎn)量如圖3所示。由圖3可知，以高爐鐵水月產(chǎn)量目標(biāo)24.6萬(wàn)t為基準(zhǔn)，月產(chǎn)量與綜合入爐品位的變化一致，呈線性相關(guān)，所以決定高爐產(chǎn)量的仍是入爐品位的高低。

圖3 不同品種鐵礦石的預(yù)測(cè)鐵水月產(chǎn)量Fig.3 Predicted Monthly Molten Iron Output of Different Varieties of Iron Ores

2.2 鐵礦石經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)

以目前鲅魚(yú)圈粉礦的平均用量為基準(zhǔn)，配礦方 案為 PB （33%）、RH （1%）、NM （10%）、YD（18%）、FBF（17%）、雜料（21%），用普氏指數(shù)和鐵礦石市場(chǎng)實(shí)際價(jià)格測(cè)算的燒結(jié)礦成本和鐵水成本分別如圖4和圖5所示。

圖4 不同鐵礦石燒結(jié)礦成本Fig.4 Cost of Sintered Ores Sintered by Different Iron Ores

圖5 不同鐵礦石鐵水成本Fig.5 Cost of Molten Iron Smelted by Different Iron Ores

由圖4可知，按照鐵礦石普氏指數(shù)價(jià)格計(jì)算的燒結(jié)礦成本由高到低排序，SFCJ、NM、PB和BRBF的實(shí)際燒結(jié)礦成本略高于普氏價(jià)格成本、而YD、RH、JBB、FBF和SSF的實(shí)際燒結(jié)礦成本低于普氏價(jià)格成本。9種鐵礦石中，SFCJ的實(shí)際燒結(jié)礦成本最高，達(dá)到743.94元/t；SSF的實(shí)際燒結(jié)礦成本最低，達(dá)到597.85元/t；而且SSF的實(shí)際燒結(jié)礦成本與普氏價(jià)格成本差值最大，其次為FBF和JBB。 與基準(zhǔn)方案相比，配加 SSF、FBF、JBB、YD 和RH可以降低燒結(jié)礦生產(chǎn)成本。

由圖5可知，NM和PB實(shí)際鐵水成本與普氏價(jià)格成本基本相同，若按照目前的普氏指數(shù)購(gòu)買(mǎi)，煉鐵利潤(rùn)在盈虧平衡點(diǎn)附近；BRBF和SFCJ的實(shí)際鐵水成本高于普氏價(jià)格成本，若按照目前的普氏指數(shù)購(gòu)買(mǎi)，煉鐵無(wú)利潤(rùn)空間；而 YD、RH、JBB、FBF和SSF實(shí)際鐵水成本低于普氏價(jià)格成本，若按照目前的普氏指數(shù)購(gòu)買(mǎi)，煉鐵會(huì)有一定利潤(rùn)空間。

9種礦石中，JBB的實(shí)際冶煉鐵水成本最低，達(dá)到了2 169.95元/t；SSF的實(shí)際鐵水成本與普氏價(jià)格成本差值最大，其次是FBF和JBB，這也與燒結(jié)礦的成本基本一致。如果無(wú)需釋放高爐產(chǎn)能，與基準(zhǔn)方案實(shí)際煉鐵成本（2 185.98元/t）相比，配加JBB、YD、SSF和FBF可以降低鐵水生產(chǎn)成本。

2.3 鲅魚(yú)圈低成本優(yōu)化配礦探索

根據(jù)鐵礦石技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)結(jié)果，在以基準(zhǔn)方案為基礎(chǔ)的條件下，配加JBB、YD、SSF和FBF三種鐵礦石可以有效降低煉鐵生產(chǎn)成本，為此設(shè)置優(yōu)化限制參數(shù)：①對(duì)燒結(jié)礦和鐵水產(chǎn)量不做硬性要求；② 爐渣中Al2O3含量不高于14%；③爐渣二維堿度控制在1.15～1.25；④ 遵循鐵礦石物理和高溫性能的互補(bǔ)性進(jìn)行配礦。

為了盡量保證燒結(jié)礦質(zhì)量，尤其是轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，全粉礦條件下，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：① JBB粒度細(xì)，含磷高，燒結(jié)性能差于YD，粘結(jié)相強(qiáng)度不高，不宜超過(guò)30%，最佳20%以下；② YD粒度較粗，同化溫度低，液相流動(dòng)性好，粘結(jié)相強(qiáng)度不高，最高配加比例不宜超過(guò)45%；③ SSF含錳高，基本配比在10%～30%，燒結(jié)性能差于YD；④ FBF基本配比在20%～30%，燒結(jié)性能差于YD。以上礦石與同化性溫度高、流動(dòng)性稍差的巴西赤鐵礦（或精礦）搭配最佳，但為降低成本，在礦石資源條件有限的條件下，NM也可替代嘗試。

各種優(yōu)化配礦方案、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)及燒結(jié)礦質(zhì)量指標(biāo)預(yù)測(cè)情況見(jiàn)表3。

表3 優(yōu)化配礦方案和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、燒結(jié)礦質(zhì)量指標(biāo)預(yù)測(cè)情況Table 3 Predictions for Optimized Ore-blending Scheme，Economic Indicator and Quality Index of Sintered Ores

由表3可知，優(yōu)化方案1～4主要調(diào)整了JBB和YD的含量，方案5和6考察了FMG的兩種粉礦對(duì)成本的影響。分析測(cè)算結(jié)果可知，JBB的配比增大，鐵水成本降低；YD的配比增大，鐵水產(chǎn)量增加；SSF或FBF的配比增大，燒結(jié)礦成本降低，鐵水產(chǎn)量降低。較基準(zhǔn)方案，燒結(jié)礦的500℃低溫還原粉化RDI+3.15指數(shù)，900℃的中溫還原度和轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度指標(biāo)均沒(méi)有特別明顯變化，能夠滿足高爐冶煉。

方案1～6的鐵水成本在2 172元和2 174元之間波動(dòng)，雖較基準(zhǔn)方案降低了12～14元/t，但在不同方案之間變化幅度非常小。這種小差值很容易受原料價(jià)格變化、物料消耗高低、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)以及操作人員技術(shù)管理水平等眾多外部和內(nèi)部因素的影響，最終導(dǎo)致成本的波動(dòng)。因此，在工業(yè)生產(chǎn)中，可根據(jù)實(shí)際資源條件，靈活調(diào)整配礦方案。

2.4 測(cè)算的不足

對(duì)鲅魚(yú)圈可能用鐵礦石的評(píng)價(jià)及研究結(jié)果仍有不足之處：

（1）燒結(jié)配礦的測(cè)算評(píng)價(jià)沒(méi)有考慮燒結(jié)礦粒度組成的影響；

（2）各種原料價(jià)格變化頻繁，與實(shí)際煉鐵成本仍有差別；

（3）測(cè)算過(guò)程中用到的許多影響因子多為統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)或經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)于不同的企業(yè)，影響因子會(huì)有很大的不同；

（4）適宜鞍鋼的一體化成本測(cè)算還需要摸索和完善。

3 結(jié)論

（1）通過(guò)系統(tǒng)評(píng)價(jià)，9種鐵礦石按照高爐渣中Al2O3含量由低至高的排序?yàn)?YD、BRBF、SSF、FBF、RH、NM、SFCJ、PB、JBB。 研究結(jié)果認(rèn)為，鐵礦石中Al2O3含量高，會(huì)導(dǎo)致燒結(jié)礦中Al2O3含量高，但高爐渣中Al2O3含量并不符合此規(guī)律。因此，部分高鋁的鐵礦石可以大量使用。

（2）9種鐵礦石中，燒結(jié)混勻料的全鐵品位與燒結(jié)礦的全鐵品位變化并不一致，鲅魚(yú)圈燒結(jié)配加NM、SFCJ、YD和PB有助于提高全鐵目標(biāo)品位。高爐焦比的變化與燒結(jié)礦全鐵品位含量變化呈負(fù)相關(guān)性，高爐鐵水月產(chǎn)量與綜合入爐品位呈正相關(guān)性。

（3）目前普氏指數(shù)和實(shí)際市場(chǎng)價(jià)格體系下，用NM和PB冶煉，煉鐵無(wú)效益；用BRBF和SFCJ冶煉，煉鐵成本增加；用 YD、RH、JBB、FBF 和 SSF冶煉，煉鐵成本降低。與給定的基準(zhǔn)方案相比，配加YD、JBB、FBF和SSF進(jìn)行燒結(jié)后，在低溫還原粉化、中溫還原性能和轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度滿足高爐要求的條件下，鐵水成本會(huì)降低12～14元/t。