塊礦配比對高爐配合爐料冶金性能影響規(guī)律研究

談承麟,毛曉明,徐萬仁

(寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院,上海 201999)

近年來,隨著鋼鐵行業(yè)的產(chǎn)能過剩和市場需求的日益下滑,高爐煉鐵的成本不斷增加。由于塊礦具有價格低廉、省下了建造生產(chǎn)燒結(jié)礦和球團礦的設(shè)備費用及占地費用、減弱了環(huán)境污染等優(yōu)點,為了應(yīng)對降本增效、節(jié)能減排等多重壓力,各大企業(yè)通過不斷提高入爐的塊礦比例、減少或不用球團礦等熟料的方法降低爐料成本[1]。但由于塊礦屬于生礦,其冶金性能比燒結(jié)礦和球團礦差,一般具有以下特征:①塊礦的軟化溫度較低、軟熔帶較寬、軟熔性能差,熔滴區(qū)間大,這些性能導(dǎo)致高爐軟熔帶的透氣性變差,下部壓差增高。②塊礦的熱爆裂性能較差,中溫區(qū)爆裂后,粉化產(chǎn)生大量粉末,對透氣性和煤氣流的分布影響嚴重。③塊礦的Al2O3/SiO2較高,對高爐造渣影響較大,特別是初成渣影響爐內(nèi)氣流的變化,造成邊緣氣流逐步增加,同時渣中Al2O3升高,降低爐渣的流動性,降低脫硫能力而影響生鐵質(zhì)量。④一些塊礦品種的還原性不好,造成高爐燃料比升高。因此,如果大幅度提高塊礦的比例,就會出現(xiàn)爐料還原性變差、低溫還原粉化率提高及熔滴性變差等現(xiàn)象,嚴重時會阻礙高爐的順行,惡化冶煉指標,所以必須對單一礦石和爐料結(jié)構(gòu)綜合冶金性能進行分析研究。國內(nèi)外多家鋼鐵企業(yè)在對提高高爐塊礦配比進行了長期的、大量的實驗室研究后,在生產(chǎn)實踐中通過采取一系列有效措施,提高高爐塊礦配比,保證了爐況穩(wěn)定順行,實現(xiàn)了高爐生產(chǎn)降本增效的目的[2]。

1 研究內(nèi)容

1.1 試驗原料

試驗原料取自寶鋼煉鐵廠,分別為兩種塊礦(N和F),一種燒結(jié)礦,其化學(xué)成分如表1所示。

表1 兩種塊礦和燒結(jié)礦的化學(xué)成分

由表1可知,N塊礦w(TFe)最高,為63.13%,F塊礦和燒結(jié)礦的相差不大,分別為56.09%和57.36%。F塊礦燒損將近是N塊礦的兩倍。

1.2 熱爆裂指數(shù)測定

選用粒度為20～25 mm的兩種塊礦,用10組平行試驗,每組500 g,試驗設(shè)備選用馬弗爐,試驗溫度為700 ℃,恒溫30 min。試驗結(jié)束后冷卻至室溫,通過振動篩,測其小于6.3 mm所占的百分比,最后算出這10組試驗小于6.3 mm所占的百分比的平均值即為該礦的熱爆裂指數(shù)。

經(jīng)上述試驗得到F塊礦和N塊礦熱爆裂指數(shù)分別為16.9%和8.5%。F塊礦的熱爆裂指數(shù)遠高于N塊礦,是因為其所含結(jié)晶水和碳酸鹽較多,在700 ℃條件下,結(jié)晶水蒸發(fā)和少量碳酸鹽分解,導(dǎo)致其爆裂指數(shù)更高。但即使是熱爆裂指數(shù)較高的F塊礦也遠比燒結(jié)礦低溫還原粉化(小于3 mm的比例)產(chǎn)生的粉末量少,對高爐順行影響相對較小,因此塊礦的熱爆裂指數(shù)不應(yīng)作為評價塊礦的重要指標[3]。

2 爐料冶金性能測定試驗方案

含鐵爐料的熱態(tài)冶金性能主要包括低溫還原粉化、中溫還原和熔融滴落性能等。選用N塊礦和F塊礦分別與燒結(jié)礦按一定比例混合,進行低溫粉化試驗(550 ℃)和還原試驗(900 ℃),具體配比方案如表2所示。

表2 不同比例配礦的冶金性能測定試驗方案

2.1 低溫還原粉化試驗結(jié)果

低溫還原粉化性的測定是模擬高爐上部條件進行的,是評價爐料冶金性能的重要指標。本次粉化試驗所采用的設(shè)備是江陰南閘熱工儀表廠所定制的非標試驗爐,試驗遵循JIS標準。比較了N塊礦以及F塊礦在不同配比下的低溫還原分化率RDI與加權(quán)RDI之間的關(guān)系,試驗結(jié)果如圖1所示。

圖1 兩種塊礦在不同配比下的低溫還原粉化率

由圖1得知,即使在低溫還原粉化的試驗中也存在著一定的交互反應(yīng)。燒結(jié)礦與塊礦混合后,其低溫還原粉化率略有下降。相同配比的兩種塊礦與燒結(jié)礦混合,得到的不同混合礦,配入F塊礦的混合礦其低溫還原粉化率要比配入N塊礦的低,說明F塊礦與燒結(jié)礦混合后抗低溫還原粉化性能較好,在篩分良好的情況下不會給高爐上部的透氣性帶來大影響。

2.2 礦石還原試驗結(jié)果

本次還原試驗所用設(shè)備與低溫還原粉化試驗所用設(shè)備一致,試驗遵循JIS標準。圖2是還原性測定過程中不同爐料的還原速率曲線。由圖2可以看出,還原速率最快的是F塊礦,還原速率最慢的是燒結(jié)礦。

圖2 不同爐料還原速率曲線

根據(jù)試驗所得還原失重數(shù)據(jù),結(jié)合還原率公式,可計算得出兩種塊礦在不同配比下與燒結(jié)礦混合后的還原度,如圖3所示。

圖3 兩種塊礦在不同配比下的還原度

試驗計算得出,單種塊礦F塊礦的RI為61.68%、N塊礦的為56.10%。

從圖3可以看出,F塊礦的還原性能優(yōu)于N塊礦。究其原因,N塊礦相較于F塊礦內(nèi)部孔隙率更為發(fā)達,而結(jié)構(gòu)致密的物質(zhì),氣體由外向內(nèi)擴散的阻力相對較大,其中心的還原難度增大,導(dǎo)致還原率下降[4]。

N塊礦與燒結(jié)礦混合后,混合礦的還原率隨塊礦比例增加略有降低,總體變化不大,但高于單獨N塊礦的還原率。F塊礦與燒結(jié)礦混合后,混合礦的還原率隨塊礦比例增加先降低,后升高,都高于單獨F塊礦的還原率。相同比例的兩種塊礦與燒結(jié)礦混合,配入F的混合礦其還原率高于配入N塊礦的。產(chǎn)生這種變化的原因與礦的致密度以及孔隙率等有關(guān),其次混合后塊礦與燒結(jié)礦之間可能產(chǎn)生了交互反應(yīng)。

2.3 高溫性能試驗結(jié)果與分析

熔滴試驗依舊遵循JIS標準,試驗所采集的壓差陡升溫度ts(即為熔融開始溫度)、滴落溫度、熔融區(qū)間等參數(shù)是評價爐料結(jié)構(gòu)軟熔性能的重要參數(shù);相同塊礦配比的情況下,不同種類的塊礦搭配對高爐冶煉的影響差異很大,優(yōu)化爐料配比是保持高比例塊礦冶煉的關(guān)鍵[5]。

本次試驗的鑒定指標體系的科學(xué)性及實用性體現(xiàn)在:①將t10定義為軟化開始溫度,而將軟化終了溫度t40定義為試樣開始不透氣所對應(yīng)的溫度。這時,試樣的物理狀態(tài)是孔隙度為零,這就避開了定義壓差陡升溫度的隨意性。②本鑒定指標體系使試驗結(jié)果與高爐內(nèi)的軟熔帶建立了一定的聯(lián)系。只要知道高爐內(nèi)的溫度分布便可根據(jù)試驗測出的t40、td(滴落開始溫度,即判定試驗結(jié)束)模擬高爐軟熔帶的徑向?qū)挾?。③高爐內(nèi)礦層的透氣性是在下降過程中逐漸變化的。我們用t40～t10、td～ts兩個溫度區(qū)間來說明這種狀況。在t40～t10區(qū)間內(nèi)礦層雖然發(fā)生了軟化,但仍能讓氣流通過,而在td～ts區(qū)間內(nèi)氣流則不能通過,后者對高爐冶煉的影響顯然比前者大[6]。

本次試驗結(jié)果如表3所示,各單種礦的軟熔曲線如圖4所示。

表3 單種礦及混合礦的熔滴試驗結(jié)果

由表3、圖4可知,兩種塊礦的開始軟化溫度比燒結(jié)礦低,軟化終了溫度又比較高,所以軟化溫度區(qū)間很寬。由此可見,絕大部分情況下塊礦的軟熔性能要比燒結(jié)礦差,單獨三種礦熔滴性能燒結(jié)礦最好,其次為N塊礦,F塊礦最差。這是因為塊礦中礦物組成不均勻,既有大量低熔點礦物,也有許多高熔點礦物所致。

圖4 單種礦的軟熔曲線

N塊礦與燒結(jié)礦混合后,隨著塊礦比例的增加(由15%增加到40%),其t10逐漸降低,(t40-t10)逐漸增加;ts逐漸降低,(td-ts)變化不大,維持在240 K左右;當N塊礦配比小于25%,ΔPmax變化不大,都在12 kPa左右;當N塊礦配比超過25%時,其變化規(guī)律不明顯,可能是因為塊礦顆粒的孔隙變化較小,故壓差較小且穩(wěn)定;軟熔層厚度隨配比的增加呈緩慢增長趨勢。面積(S)隨配比的增加總體呈降低趨勢。

F塊礦與燒結(jié)礦混合后其融滴性能相比較于單種F塊礦明顯得到提升,當F塊礦配比為20%,其融滴性能最差,隨著塊礦比例的增加(由15%增加到25%),混合礦t10逐漸降低,(t40-t10)逐漸增加,ts逐漸降低,(td-ts)逐漸增加。在與燒結(jié)礦混合時F塊礦的配比不宜超過15%。

相同比例的不同塊礦分別與燒結(jié)礦進行混合,得到的兩種混合礦其融滴性能相差不大,N塊礦的混合礦其t10比F塊礦的高;最大壓差、軟熔層厚度以及面積(S),F塊礦的混合礦相比N塊礦的混合礦略低。這可能是因為F塊礦與燒結(jié)礦混合反應(yīng)后其交互作用更明顯。

3 結(jié)論

(1)N塊礦的全鐵含量比F塊礦高,燒損比F塊礦的低,熱爆裂指數(shù)比F塊礦的低。熱爆裂指數(shù)高的F塊礦將導(dǎo)致高爐冶煉時爐塵吹出量增加及高爐作業(yè)指標變壞,應(yīng)在高爐配料時予以重視。

(2)N塊礦的RDI比F塊礦的低,兩種塊礦分別與燒結(jié)礦進行混合,配入F塊礦的混合礦的RDI比配入N塊礦混合礦的低;單種礦的還原率,燒結(jié)礦>F塊礦>N塊礦,F塊礦和N塊礦相同比例分別與燒結(jié)礦混合后,配入F塊礦的混合礦還原率仍高于配入N塊礦混合礦的還原率。

(3)單種礦的融滴性能,燒結(jié)礦>N塊礦>F塊礦,F塊礦和N塊礦相同比例分別與燒結(jié)礦混合后,得到的兩種混合礦其融滴性能相差不大,F塊礦與燒結(jié)礦混合反應(yīng)后其交互作用更明顯;N塊礦的混合礦其t10比F塊礦的高;F塊礦與燒結(jié)礦的混合礦的最大壓差、軟熔層厚度以及面積(S)比N塊礦的略低。

(4)綜合塊礦與燒結(jié)礦的配比試驗結(jié)果,當N塊礦與燒結(jié)礦混合時的含量達到25%以后,其熔滴性能變化規(guī)律并不明顯,此時的粉化與還原性能指數(shù)相較于其他配比變化不大;但當N塊礦與燒結(jié)礦混合后其配比占到40%時,作為爐料透氣性指數(shù)的特征值面積(S)最小;而相對來說F塊礦與燒結(jié)礦混合時的配比含量則不宜超過15%。