高爐高(MgO)渣性分析及爐料結構優(yōu)化探討

陳海軍

(新疆昆玉鋼鐵有限公司)

新疆昆玉鋼鐵煉鐵廠現兩座450m3高爐，配置一臺210m2帶式抽風燒結機及一條60萬t/a鏈篦機-回轉窯球團生產線。兩座高爐分別于2013年6月底和7月初相繼開爐，開爐初期，受環(huán)保及去產能雙重壓力及疆內鐵礦石價格大幅度上漲的影響，生鐵成本居高不下，嚴重制約了企業(yè)生存空間，昆玉鋼鐵處于間歇式生產狀態(tài)。

2018年昆玉鋼鐵利用所處西部新疆區(qū)位優(yōu)勢，先后與俄羅斯、哈薩克斯坦等國家的礦石供應商建立良好的貿易關系，在穩(wěn)定進口礦粉供應的同時，逐漸加大價格較低廉的高MgO磁鐵精礦粉進口比例。

近年來，為探索大比例使用高MgO鐵精礦，在高爐-燒結-球團各生產工序進行了高(MgO)渣冶煉、高MgO高堿度燒結[1]及含MgO酸性球團生產工藝優(yōu)化，通過逐漸增加進口高MgO鐵精礦粉使用配比，努力提高技術質量指標，降低了生產成本與工序能耗。

1 昆玉煉鐵爐料結構及高爐生產情況

昆玉鋼鐵高爐入爐料技術質量指標見表1。

表1 2018—2020年昆玉鋼鐵高爐入爐料技術質量指標

近年來，昆玉鋼鐵高爐爐料結構主要是以高MgO高堿度燒結礦配加含MgO酸性球團礦入爐，隨著入爐料中高MgO磁鐵精礦粉配加量的增加，燒結礦、球團礦的強度、還原性及高溫軟熔性能也發(fā)生了改變。昆玉鋼鐵高爐在使用高MgO爐料后，高爐始終難以維持長周期穩(wěn)定順行，爐況處于間斷不穩(wěn)定狀態(tài)，雖然在操作上也做相應的調整，但煤氣利用波動較大，經常發(fā)生掉渣皮及崩、滑料現象，燃料消耗居高不下，沒有達到使用高MgO爐料穩(wěn)定爐況、優(yōu)化指標的目的。昆玉鋼鐵高爐主要經濟技術指標生產情況見表2。

表2 2018—2020年昆玉鋼鐵高爐主要經濟技術指標及生產情況

因此，昆玉鋼鐵在進口高MgO鐵礦資源且供給充足條件下，開展了通過選擇適宜的造渣制度，最大比例使用價格低廉的高MgO磁鐵精礦，既降低配礦成本又能滿足高爐生產需求的高(MgO)渣系性能研究。

2 高(MgO)渣系性能研究

2.1 爐渣熔化溫度變化

在Al2O3=15%時的CaO-SiO2-MgO-Al2O3四元渣系等溫度相圖[2](圖1)中添加兩條等MgO線(10%、17%)，爐渣的熔化溫度隨著渣堿度和渣中MgO含量的升高而升高，由圖1可以看出，爐渣MgO含量為10%時，爐渣熔化溫度隨著堿度的變化也有較大變化，當渣堿度約為1.1時，所對應的(圖中橢圓A區(qū)域)為昆玉鋼鐵高爐近年來爐渣熔化溫度變化區(qū)間，此熔化溫度區(qū)間為1410～1440℃。隨著渣中MgO含量升高至17%時，其熔化溫度也隨之升高20℃，此時的爐渣即使堿度在0.95～1.15較大范圍變化，其熔化溫度(圖中橢圓B區(qū)域)仍靠近1450℃等溫線上，說明該爐渣具有較高的熔化溫度和良好的穩(wěn)定性，另外當爐渣MgO含量高于17%(B區(qū)域向右移動)發(fā)生變化時，熔化溫度會隨堿度的升高而升高較快，降低爐渣堿度，可以緩解熔化溫度的敏感性。

圖1 Ca-Si02-Mg0-Al203四元渣系等溫度相圖(℃)

由此得出：冶煉MgO含量為17%的爐渣，并適當降低高爐爐渣堿度在一定范圍內(0.95～1.05)，爐渣不僅具有較高的熔化溫度和良好的穩(wěn)定性，有利于高爐軟熔帶的穩(wěn)定及煤氣利用的提高，而且能緩解高鎂爐渣因鎂含量變化引起的溫度敏感性，同時可以減少高爐冶煉過程CaO的添加量，降低生鐵成本及能耗。

2.2 爐渣黏度變化

高爐正常冶煉適宜的爐渣黏度應控制在0.4Pa·s以下[3]，提高爐渣MgO含量是調整爐渣黏度為0.3～0.4Pa·s的有效措施之一[4]。在高爐正常生產中，排出爐外的爐渣溫度一般為1500℃，如CaO-SiO2-MgO-Al2O3四元渣系等黏度相圖[2](圖2)所示，在1500℃時，爐渣MgO含量由10%增加至17%，即使爐渣二元堿度在0.90～1.10范圍波動，爐渣黏度也能穩(wěn)定在0.3～0.4Pa·s。(圖2橢圓C區(qū)域)，完全能達到理想爐渣黏度狀態(tài)。尤其MgO含量為17%的爐渣，當爐況波動造成爐渣溫度降至1400℃時，其黏度也能保持在0.6Pa·s以內(圖2橢圓D區(qū)域)，爐渣仍具有良好的流動性，不會發(fā)生因爐渣溫度急劇降低引起黏度變化，導致爐況不順現象。

圖2 Ca-Si02-Mg0-Al203四元渣系等黏度相圖(Pa.s)

2.3 爐渣脫硫排堿性能的變化

提高爐渣脫硫排堿能力，可以有效降低[S]及堿金屬等有害元素在高爐內的循環(huán)富集，保證生鐵質量和高爐穩(wěn)定順行。近年來，昆玉鋼鐵高爐入爐有害元素，主要是堿金屬(Na2O+K2O)及鋅(Zn)負荷偏高。統(tǒng)計分析發(fā)現，入爐堿金屬負荷高達4.4kg/t以上，最高值達6.5kg/t，鋅負荷高達0.94kg/t，最高峰值達1.1kg/t,過高的堿金屬及鋅負荷在爐內循環(huán)富集并加劇了燒結礦的還原粉化及球團礦的異常膨脹，導致料柱透氣性下降，給高爐的強化冶煉操作帶來不利影響。提高(MgO)含量并適當降低爐渣堿度，可以降低渣中K2O、Na2O活度，改善爐渣脫硫動力學條件，提高爐渣脫硫排堿能力，由歐洲某鋼鐵公司正常生產時的高爐爐渣成分[4]中可以看出：高MgO低堿度爐渣具有較強的脫硫排堿能力(見表3)。

表3 歐洲某鋼鐵公司正常生產時的高爐爐渣成分 %

2.4 爐渣成分控制范圍

分析認為，MgO含量為17%的爐渣，不僅具有較高的熔化溫度和良好的穩(wěn)定性，能夠改善爐內軟熔帶縱向和圓周方向上的溫度分布，有利于煤氣利用及爐況穩(wěn)定，并且爐渣具有良好的流動性和脫硫排堿能力。目前，新疆昆玉鋼鐵高爐渣中MgO含量約為11.5%，在提高高MgO爐料入爐比例，滿足爐渣(MgO)=17%的同時適當降低爐渣堿度，堿度的調整以鐵水中[S]控制在一類鐵為依據，將爐渣R2維持在1.0±0.05范圍內較為適宜。

3 高MgO爐料性能及結構協(xié)同優(yōu)化

通過對燒結礦、球團礦等爐料的礦物組成按一定比例科學、合理搭配，使爐料的強度、還原性及高溫軟熔性能滿足高爐生產過程中的透氣性、爐渣性能及爐況順行等因素的冶煉需求，實現高爐高產、優(yōu)質、低耗、長壽的目標。

3.1 提高MgO對燒結礦性能的影響

多年來的理論研究和生產實踐表明，高堿度燒結礦具有良好的還原性和高溫軟熔性能。由于高堿度燒結礦是以強度好，還原性好的鐵酸鈣為主要黏結相，當高堿度燒結礦中MgO含量過高時，會導致燒結礦強度變差，其主要原因是MgO在燒結過程中易與Fe3O4反應生成鎂磁鐵礦，阻礙Fe3O4氧化成Fe2O3，即阻礙了鐵酸鈣的生成，造成燒結礦強度和還原性變差。高爐實踐表明，燒結礦中MgO質量分數增加1%，燒結礦的冷強度就下降3%，還原性降低5%。由于含MgO的礦物多是難熔礦物，它們的形成造成燃耗升高，液相量和流動性變差，導致冷強度變差，燒結機產量下降[5]。

有研究表明：高MgO高堿度(MgO為2.4%，自由堿度2.0)燒結礦在還原軟熔過程中，MgO易與SiO2、Al2O3、浮氏體結合，形成鈣鎂橄欖石、鎂黃長石、鎂鐵黃長石等熔體的初渣，導致未熔渣堿度升高，使CaO與SiO2結合形成2CaO·SiO2硅酸二鈣為主相的高熔點難熔渣粉，在燒結礦表面不斷析出，造成未熔渣與熔化渣之間嚴重的成分偏析[6]，從而惡化燒結礦的高溫軟熔性能。

因此高MgO高堿度燒結礦在高爐內會嚴重影響軟熔帶的位置和形狀，導致軟熔帶的不穩(wěn)定，使煤氣流分布不勻，極易形成管道氣流及崩、滑料現象，造成高爐順行受阻。近年來昆玉鋼鐵兩座高爐爐況表現說明，使用高MgO高堿度燒結礦配加酸性球團的爐料，高爐操控難度較大，風壓、風量易呆滯，爐渣脫S排堿能力減弱，高爐崩、滑料現象較多，高爐難以維持長周期的穩(wěn)定順行。

所以就高MgO高堿度燒結礦的還原性和高溫軟熔性能對高爐的影響，應降低燒結礦中高MgO鐵精礦粉使用比例，降低燒結礦中MgO含量為宜。

3.2 提高MgO對球團礦性能的影響

酸性球團礦由于其軟化溫度低、軟熔區(qū)間寬和還原膨脹率高等性能缺陷，不利于高爐強化冶煉及爐況順行。高爐生產中，一般要求合格球團礦的膨脹率小于20%。用高MgO磁鐵精礦生產高MgO酸性球團礦可起到減少還原膨脹的作用，從顯微結構看，是由于Mg2+離子能自由置換磁鐵礦晶格中的Fe2+離子，并均勻分布在浮氏體內，并能減慢還原離子的遷移速度，起到抑制球團礦膨脹的作用；同時MgO進入液相能夠提高液相熔點。有研究證實，高熔點液相具有較好的結合強度，有助于削弱還原過程因內應力增大而產生的還原膨脹現象[7]。

高MgO酸性磁鐵礦球團在高溫氧化氣氛中焙燒時可與鐵氧化物生成穩(wěn)定的鐵酸鎂(MgO·Fe2O3)、鎂磁鐵礦[(Mg·Fe)O·Fe2O3]等含鎂物質，阻礙難還原的鐵橄欖石和鈣鎂橄欖石的形成，促進了礦粉顆粒之間的粘結，在還原時不會發(fā)生Fe2O3轉變成Fe3O4反應，而生成FeO和MgO固溶體，從而提高了球團礦的軟化溫度和高溫還原強度。在高爐內高MgO酸性球團礦在高溫還原過程中生成的含MgO(3.14%～3.8%)的鎂浮氏體和含MgO(7.2%～12.3%)的鐵鎂橄欖石等硅酸鹽渣都具有較高的熔化溫度(>1390℃)，因而其軟熔性能和高溫還原性能均良好[8]，在高爐內可降低爐內軟熔帶位置高度，有利于提高間接還原反應，降低高爐燃料消耗。

依據昆玉鋼鐵現有生產裝備及進口鐵精礦資源條件(見表4)，通過其化學成分的調劑和焙燒工藝制度的控制，可以生產軟熔性能和高溫還原性能優(yōu)良的高品位(>63%)、高鎂(>3.5%)優(yōu)質球團，最大限度使用高MgO磁鐵精礦，降低配礦成本的同時為高爐降低燃料比創(chuàng)造條件。

表4 近年來新疆昆玉鋼鐵部分進口鐵精礦化學成分及物理指標 %

綜上所述，以高堿度低MgO燒結礦配加高MgO酸性球團礦的爐料，既發(fā)揮了高堿度燒結礦優(yōu)良的冶金性能，又發(fā)揮了高MgO球團礦高品位、低渣量的優(yōu)勢，最大限度配加高MgO鐵精礦，在滿足高爐造渣及爐況順行需求的同時，降低配礦成本。

相比高MgO高堿度燒結礦配加低MgO酸性球團礦的爐料結構，高堿度低MgO燒結礦配加高MgO酸性球團礦的爐料可整體改善綜合爐料性能的協(xié)同優(yōu)化作用，具有良好的機械強度、還原性及高溫軟熔性能，使高爐軟熔帶位置下移，軟熔區(qū)間變窄，改善料柱透氣性，有利于提高煤氣利用及爐況順行穩(wěn)定。

4 爐料初步調整后的高爐運行效果

2021年上半年，爐料結構經過初步調整優(yōu)化，增加高MgO鐵精礦在球團中的添加比例并適當降低了燒結礦中的MgO含量，使球團中MgO含量提高至2.4%，高爐配加高MgO球團并逐漸增加入爐比例，高爐表現壓差有所降低，料柱透氣性有所提高，兩座高爐順行明顯改善，塌、滑料次數減少，高爐消耗逐步下降，主要經濟技術指標有了較大提升(見表5)。

表5 上半年新疆昆玉鋼鐵高爐主要經濟技術指標及生產情況

5 結語

(1)合理的爐料結構，應根據企業(yè)生產裝備水平、原料資源特點等，合理、經濟的使用鐵礦資源進行優(yōu)化調配，滿足高爐冶煉性能需求為高爐穩(wěn)定順行和實現良好經濟技術指標創(chuàng)造條件。

(2)昆玉鋼鐵高爐應以適宜的高(MgO)低堿度爐渣作為爐料結構的配料目標，綜合考慮高MgO爐料的冶金性能及對高爐有害元素、脫硫排堿等因素的影響。隨著爐料結構不斷優(yōu)化和改進，逐步提高高爐爐渣中MgO含量約17%，控制爐渣二元堿度在1.0±0.05范圍內。

(3)低成本煉鐵是在經濟爐料的基礎上，通過爐料結構優(yōu)化研究，發(fā)揮爐料結構功效最大化的基礎上，實現高爐穩(wěn)定順行及高產、優(yōu)質、低耗、長壽的煉鐵目的。

(4)一個滿足高爐冶煉性能要求且性價比優(yōu)的爐料結構配料方案，不僅能夠指導生產，而且能夠指導采購，為企業(yè)創(chuàng)效發(fā)揮更大的降本空間。