鞍鋼高爐配加塊礦種類和比例的研究

張輝 ，唐繼忠 ，周明順 ，夏鐵玉 ，劉杰 ，翟立委 ，徐禮兵

（1.鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009；2.鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司，遼寧 營口 115007；3.鞍鋼股份有限公司煉鐵總廠，遼寧 鞍山 114021）

塊礦是高爐使用的重要含鐵原料之一，與燒結(jié)礦和球團礦一起構(gòu)成高爐原料結(jié)構(gòu)，為高爐實現(xiàn)合理爐料結(jié)構(gòu)奠定基礎(chǔ)［1-2］。鋼鐵企業(yè)面臨日益嚴重的環(huán)保和成本壓力，由于塊礦不需要造塊過程，在環(huán)境友好和經(jīng)濟效益方面比燒結(jié)礦和球團礦更具優(yōu)勢［3-4］。塊礦屬于“生料”，單一塊礦的高溫軟熔性能比燒結(jié)礦和球團礦差，嚴重制約高爐煉鐵塊礦配比的提高［5］。塊礦與燒結(jié)礦的高溫交互作用可以改善單一塊礦的軟熔性能［6］，為高爐增加塊礦配比創(chuàng)造條件。如何在不影響爐料性能的前提下盡可能提高塊礦比例，成為降低煉鐵成本、減輕環(huán)保壓力的研究方向。鞍鋼開展了高爐配加塊礦種類和比例的研究，本文對此做一介紹。

1 鞍鋼高爐配加塊礦種類的優(yōu)化選擇

1.1 塊礦的冶金價值研究

根據(jù)鞍鋼高爐塊礦使用情況，本次研究選取10種常用塊礦進行檢測分析，其化學(xué)成分如表1所示。

表1 塊礦化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)）Table 1 Chemical Compositions in Lump Ore（Mass Fraction） %

塊礦冶金價值是綜合考慮礦石含鐵品位、冶煉熔劑用量以及對焦比的影響，得出的塊礦到廠最高價格［7］。用鞍鋼煉鐵工藝參數(shù)對巴甫洛夫冶金價值計算公式進行修正，將燃料比分為焦比、噴煤比兩項，按鐵品位提高1%，產(chǎn)量增加2%，焦比降低1.5%，噴煤增加15 kg/t，爐渣堿度1.15計算，則適合鞍鋼的塊礦冶金價值計算方法如式（1）所示：

式中，P1為鐵礦石冶金價值，元/t；F為礦石鐵品位，%；f為生鐵含鐵量，%；P為生鐵控制成本，元/t；C1為計算期焦比，t/t；C2為高爐噴煤比，t/t；δ為塊礦品位與入爐品位之差，%；P2為焦炭價格，元/t；P3為煤粉價格，元/t；SiO2礦、Al2O3礦、CaO礦和MgO礦分別為鐵礦中SiO2、A12O3、CaO和MgO的質(zhì)量分數(shù)，%；（CaO+MgO）熔劑為熔劑中CaO和MgO的質(zhì)量分數(shù)，%；P4為熔劑價格，元/t；g為生鐵制造費，元/t。生鐵成本按2 525元/t控制，焦炭和煤粉價格按1 530元/t和820元/t計算，由公式（1）得出表1中塊礦的冶金價值，結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同塊礦的冶金價值Fig.1 Metallurgical Values of Different Lump Ores

冶金價值是反映塊礦性質(zhì)對高爐產(chǎn)量和燃料比影響的重要指標，更能體現(xiàn)塊礦的經(jīng)濟性。由圖1可知，NF塊和BX塊的冶金價值均在1 200元/t以上，屬于高冶金價值塊礦；NUM塊、PEB塊、MIK塊、LYS塊和HMS塊的冶金價值均高于1 150元/t，屬于中冶金價值塊礦；YD塊、YL塊和JBS塊冶金價值較低，屬于低冶金價值塊礦。

1.2 塊礦的熱分解性能研究

利用綜合熱分析儀對中高冶金價值塊礦的熱分解特性進行研究。將塊礦細磨至小于0.074 mm，放在烘箱中烘干4 h，然后進行塊礦熱分解特性檢測試驗，升溫速率為20℃/min，降溫速率為50℃/min，結(jié)果如表2所示。

表2 塊礦熱分解特性檢測試驗結(jié)果Table 2 Test Results of Thermal Decomposition Characteristics of Lump Ores

由表2可知，MIK塊高溫分解吸收的熱量最多，達到329 mJ/mg，其次為NUM塊；PEB塊高溫分解吸收的熱量最少；塊礦高溫分解吸熱與其燒損不成正比。從塊礦熱分解溫度區(qū)間看，NF塊熱分解起始溫度和結(jié)束溫度均較高，溫度區(qū)間跨度最大；LYS塊熱分解結(jié)束溫度低，溫度區(qū)間跨度最小。從DTG的峰值及對應(yīng)溫度看，NF塊失重峰值最小，且對應(yīng)溫度最高；LYS塊和HMS塊失重峰值適中，且對應(yīng)溫度較低。從塊礦熱分解特性看，配加LYS塊、PEB塊、NF塊、BX塊和HMS塊，對高爐煉鐵有利。

1.3 塊礦的冶金性能研究

爆裂指數(shù)、低溫還原粉化性和還原性反映塊礦在高爐中上部區(qū)域的冶金性能。爆裂指數(shù)是反映塊礦抗熱沖擊能力大小的指標，爆裂指數(shù)越小，塊礦抗熱沖擊能力越強［8］。還原性是表征礦石中與鐵結(jié)合的氧被還原氣體奪取難易程度的指標。不同塊礦的冶金性能如表3所示。

表3 不同塊礦的冶金性能Table 3 Metallurgical Properties of Different Lump Ores%

由表3可知，NF塊的爆裂指數(shù)DI-6.3最小，只有1.45%；LYS塊和BX塊爆裂指數(shù)DI-6.3適中，均小于5%；HMS塊和PEB塊爆裂指數(shù)DI-6.3均大于5%。塊礦的低溫還原粉化強度指標較好，RDI+3.15均大于83%。LYS塊還原度RI最高，達到了84.75%，配加時有利于高爐提產(chǎn)降焦；PEB塊、HMS塊和BX塊的還原度指標適中；NF塊還原度RI只有56.87%，其配加比例不應(yīng)太高。

軟熔滴落性能反映塊礦在高爐中下部的冶煉特性。不同塊礦的軟熔滴落性能如圖2所示。

由圖2可知，NF塊和BX塊的軟化開始溫度T10和軟化終了溫度T40均高于LYS塊和HMS塊；NF塊和BX塊的軟化區(qū)間均比LYS塊和HMS塊的窄；單從軟熔性能看，NF塊和BX塊優(yōu)于LYS塊和HMS塊，這是因為NF塊和BX塊屬于赤鐵礦，而LYS塊和HMS塊屬于褐鐵礦，褐鐵礦失去結(jié)晶水后還原性好。NF塊和BX塊的壓差陡升溫度Ts和滴落溫度Td均高于LYS塊和HMS塊，但NF塊和BX塊的熔滴區(qū)間比LYS塊和HMS塊略寬。從塊礦軟熔滴落整體性能看，BX塊最優(yōu)，其次為NF塊，HMS塊較差。

圖2 不同塊礦的軟熔滴落性能Fig.2 Soft Melting and Dripping Properties of Different Lump Ores

綜合考慮塊礦的冶金價值和高溫冶金性能，中高冶金價值塊礦均可作為鞍鋼備用煉鐵原料，但NF塊、HMS塊和MIK塊配加比例不應(yīng)過大。

2 鞍鋼高爐配加塊礦比例的優(yōu)化研究

2.1 試驗原料和方案

選取LYS塊、HMS塊分別與鞍鋼的燒結(jié)礦和球團礦搭配，進行高爐塊礦配加比例的優(yōu)化研究，燒結(jié)礦和球團礦成分如表4所示。

表4 燒結(jié)礦和球團礦化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)）Table 4 Chemical Compositions in Sintered Ore and Pellet Ore（Mass Fraction） %

控制燒結(jié)礦1配比為70%，調(diào)整球團礦1和LYS塊的配比組成綜合爐料，檢測綜合爐料冶金性能，優(yōu)化LYS塊的配加比例；控制燒結(jié)礦2配比為75%，調(diào)整球團礦2和HMS塊的配比組成綜合爐料，檢測綜合爐料冶金性能，優(yōu)化HMS塊的配加比例。塊礦配比優(yōu)化試驗方案如表5所示。

表5 塊礦配比優(yōu)化試驗方案Table 5 Test Scheme for Optimization of Proportion of Lump Ores %

2.2 綜合爐料還原性能的研究

還原性是含鐵爐料冶金性能的基礎(chǔ)，其對高爐穩(wěn)定順行和降低焦比有很大影響。不同塊礦搭配方案所形成綜合爐料的還原度如圖3所示。

圖3 綜合爐料還原度Fig.3 Reducibility of Comprehensive Furnace Burden

由圖3可知，方案N1～N4綜合爐料的還原度隨著LYS塊配比的增加先升高后降低，在LYS塊配比為15%時取得最優(yōu)值80.59%；這是因為一方面LYS塊的還原性比球團礦高，其配比增加使綜合爐料還原性改善，另一方面LYS塊屬于褐鐵礦，其結(jié)晶水高溫迅速分解，降低了綜合爐料周圍的還原性氣氛［9］，導(dǎo)致LYS塊繼續(xù)增加到20%時還原度略微降低。方案N5～N8綜合爐料的還原度隨著HMS塊配比的增加而升高，HMS塊配比15%的綜合爐料還原度比配比3%的提高2.23個百分點；當(dāng)HMS塊配比超過11%繼續(xù)增加到15%時，綜合爐料還原度提升幅度不大，只有0.36個百分點。

2.3 綜合爐料軟熔滴落性能的研究

高爐軟熔帶的位置和形狀，對煤氣流合理分布、降低焦比和冶煉順行等至關(guān)重要，而軟熔帶的形成及軟熔帶的位置與綜合爐料的軟化特征密切相關(guān)［10］。不同塊礦搭配方案所形成綜合爐料的軟熔滴落性能如圖4所示。

圖4 綜合爐料軟熔滴落性能Fig.4 Soft Melting and Dripping Properties of Comprehensive Furnace Burden

由圖4可知：

（1）隨著LYS塊配比由5%增加到20%，綜合爐料的軟化開始溫度T10和軟化終了溫度T40均降低；當(dāng)LYS塊配比超過15%時，軟化開始溫度T10降低幅度較大，但均超過1 050℃，軟化終了溫度T40降低幅度不大；綜合爐料軟化區(qū)間由129℃增加到147℃，略微變寬。隨著LYS塊配比由5%增加到20%，綜合爐料壓差陡升溫度TS由1 312℃降低到1 278℃，滴落溫度Td變化幅度不大；滴落區(qū)間先變窄后變寬，在LYS塊配比15%時最窄，在LYS塊配比20%時最寬。LYS塊與燒結(jié)礦1和球團1搭配，其配比提高到15%可以得到較好的軟熔指標，但LYS塊的配比不宜超過20%。

（2）隨著 HMS塊配比由 3%增加到 15%，綜合爐料的軟化開始溫度T10由1 114℃降低到1 076℃，軟化終了溫度T40變化幅度不大；軟熔區(qū)間變寬，增加32℃；HMS塊配比增加，綜合爐料軟熔性能變差。隨著HMS塊配比由3%增加到15%，綜合爐料壓差陡升溫度TS降低30℃，滴落溫度Td先降低后增加，在HMS塊配比11%時最低，但變化幅度不大；熔滴區(qū)間隨塊礦配比增加而變寬，當(dāng)HMS塊配比增加到15%時熔滴區(qū)間達到193℃。HMS塊與燒結(jié)礦2和球團塊2搭配，其配加比例不應(yīng)超過11%。

3 增加塊礦配比工業(yè)試驗

為了改善高爐爐料結(jié)構(gòu)，降低煉鐵成本，2020年6-10月在鞍鋼某高爐進行了提高LYS塊配比的工業(yè)試驗，LYS塊礦配比提高到17.5%，其對高爐指標的影響如圖5所示。

圖5 LYS塊礦配比對高爐指標的影響Fig.5 Effect of LYS Lump Ore Mixture Ratio on BF Index

由圖5可知，高爐燃料比隨著LYS塊礦配比增加先降低后升高，在塊礦配比為12.6%時取得最低值 513.9 kg/t；LYS塊礦配比由 12.6%增加到15.5%時，高爐燃料比升高幅度不大；但當(dāng)塊礦配比超過15.5%后繼續(xù)增加到17.5%時，高爐燃料比升高幅度較大。高爐利用系數(shù)隨著LYS塊配比的增加整體呈升高趨勢；當(dāng)LYS塊礦配比由5%增加到11%時，高爐利用系數(shù)提高 0.03 t/（m3·d）；當(dāng) LYS塊礦配比由11%增加到16.5%時，高爐利用系數(shù)提高 0.055 t/（m3·d）；當(dāng) LYS 塊配比超過 16.5%繼續(xù)增加到17.5%時，高爐利用系數(shù)呈降低趨勢。

2021年2-4月在鞍鋼某高爐進行了提高HMS塊配比的工業(yè)試驗，HMS塊礦配比提高到9.5%，其對高爐指標的影響如圖6所示。

圖6 HMS塊礦配比對高爐指標的影響Fig.6 Effect of HMS Lump Ore Mixture Ratio on BF Index

由圖6可知，高爐燃料比隨著HMS塊礦配比增加呈降低趨勢，高爐利用系數(shù)隨HMS塊礦配比增加呈升高趨勢，但由于高爐生產(chǎn)影響因素眾多，指標改善過程出現(xiàn)波動。在塊礦配比3%～9.5%之間，當(dāng)HMS塊礦配比由3.1%增加到7.3%時，高爐燃料比變化不大；當(dāng)HMS塊礦配比由7.5%提高9%時，高爐燃料比降低幅度較大，達到5.1 kg/t；但當(dāng)HMS塊礦配比超過9%繼續(xù)增加時，燃料比呈升高趨勢。當(dāng)HMS塊礦配比由3%增加到5.3%時，高爐利用系數(shù)升高幅度不大；當(dāng)HMS塊礦配比由5.3%增加到 9%時，高爐利用系數(shù)提高 0.14 t/（m3·d），升高幅度較大。當(dāng)HMS塊礦配比超過9%繼續(xù)增加時，高爐利用系數(shù)略微降低。

4 結(jié)論

（1）NUM 塊、PEB 塊、MIK 塊、LYS塊和 HMS塊屬于中冶金價值塊礦，NF塊和BX塊屬于高冶金價值塊礦，中高冶金價值塊礦均可作為鞍鋼備用煉鐵原料。從塊礦冶金性能看，HMS塊和PEB塊爆裂指數(shù)較差，NF塊還原指數(shù)較低，其配加比例不應(yīng)太高。

（2）配加LYS塊的綜合爐料還原性隨著塊礦配比的增加先提高后降低，在LYS塊配比為15%時取得最優(yōu)值80.59%；LYS塊與燒結(jié)礦1和球團1搭配，其配比提高到15%可以得到較好的軟熔指標，但LYS塊的配比不宜超過20%。

（3）配加HMS塊的綜合爐料還原性隨著塊礦配比的增加而提高，但當(dāng)HMS塊配比超過11%繼續(xù)增加到15%時，還原性提高幅度不大；隨著HMS塊礦配比增加，綜合爐料的軟熔性和滴落性均變差，HMS塊礦配比不宜超過11%。

（4）工業(yè)試驗表明，LYS塊配比由5%增加到17.5%時，高爐生產(chǎn)穩(wěn)定順行，高爐利用系數(shù)升高，燃料比在塊礦配比12.6%時最低；HMS塊配比由3%增加到9.5%時，高爐生產(chǎn)穩(wěn)定順行，高爐利用系數(shù)呈升高趨勢，燃料比呈降低趨勢。