吳亮亮，傅元坤

(安徽工業(yè)大學冶金工程學院，安徽馬鞍山243002)

近年來，隨著鐵礦石的價格不斷攀升及煉鐵技術的不斷進步，提高價格較低的塊礦比例成為提高企業(yè)競爭力的主要手段。由于塊礦的冶金性能比燒結礦和球團礦差，如果大幅度提高塊礦的比例(質(zhì)量分數(shù)在20%以上)，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[1-3]。目前國內(nèi)高爐塊礦質(zhì)量分數(shù)一般僅為10%～15%，寶鋼、首鋼等鋼鐵企業(yè)的高爐含鐵爐料中，天然塊礦的質(zhì)量分數(shù)曾高達20%以上，但無法長期維持較好的冶煉指標[4-7]。而日本高爐塊礦質(zhì)量分數(shù)在2003年就達到21.3%[8]，遠遠高于同期國內(nèi)技術水平。國內(nèi)對塊礦質(zhì)量分數(shù)在20%以上的爐料冶金性能研究較少，因此，對塊礦質(zhì)量分數(shù)在20%以上的爐料冶金性能進行研究是進一步提高國內(nèi)高塊礦使用比例的必要措施。文中研究塊礦質(zhì)量分數(shù)分別為15%，20%，25%的混合礦的還原性、低溫還原粉化性及熔滴性能，分析混合礦爐料的冶金性能隨塊礦比例變化的關系，為高爐提高塊礦配比提供理論和技術支持。

1 實 驗

1.1 實驗原料

實驗原料來自寶鋼不銹鋼煉鐵廠，分別是燒結礦、球團礦以及國內(nèi)大部分企業(yè)常用的塊礦紐曼礦和PB礦，成分及燒損率見表1。

表1 實驗原料成分(w/%)及燒損率(%)Tab.1 Composition(w/%)and burning rate(%)of experimental materials

1.2 實驗方法

含鐵爐料的熱態(tài)冶金性能主要包括中溫還原、低溫還原粉化和熔融滴落性能等。鐵礦石還原性能采用國標GB/T13241—1991鐵礦石還原性的測定方法，低溫還原粉化性能采用GB/T13242—1991鐵礦石低溫粉化試驗靜態(tài)還原后使用冷轉鼓的方法。

目前國內(nèi)外對熔滴實驗尚未明確的標準，實驗室常用的方法主要分為兩類：一類是實驗原料不經(jīng)過預還原處理，實驗過程中通入還原性氣體(成分與還原實驗氣體成分相同)；另一類是將實驗原料預還原(一般還原度為60%)，實驗中僅通入N2。對于鐵礦石熔融滴落性能的測定，本實驗在第一類實驗方法的基礎上，結合爐料在高爐內(nèi)不同溫度區(qū)間下所受壓力和還原氣氛的差異，制定與高爐實際內(nèi)部環(huán)境相近的實驗溫度制度和氣體成分，具體見表2。

表2 溫度制度和氣體成分Tab.2 Temperature regime and gas composition

1.3 實驗方案

分別采用4種單礦和6種混合礦進行實驗，PB塊礦與紐曼塊礦在混合礦中的質(zhì)量分數(shù)分別為15%，20%，25%，測定其還原性能、熔滴性能。林李全等[9]研究發(fā)現(xiàn)，在高爐爐料中添加一定含量的球團礦可改善爐料的冶金性能及高爐的操作指標，因此增加1組球團礦質(zhì)量分數(shù)為25%的對比性實驗，共計11組，實驗方案見表3。

表3 實驗方案Tab.3 Experimental program

2 結果及分析

2.1 實驗結果

中溫還原實驗、低溫還原粉化實驗及熔滴實驗結果如表4。表4中：RI為爐料的還原度，RDI+6.30，RDI+3.15，RDI－0.50分別為爐料轉鼓后顆粒半徑大于6.30，3.15 mm和小于0.50 mm的質(zhì)量分數(shù)；td為滴落溫度；ts為壓差陡升溫度；t40為收縮率為40%時的溫度；t10為收縮率為10%時的溫度；S為爐料透氣性指數(shù)的特征值。

表4 實驗結果Tab.4 Experimental results

從表4可以看出，燒結礦的還原性相對較好，RI為80.99%，PB礦與紐曼礦的還原性較差，RI低于60%。這是因為PB礦與紐曼礦為生礦，一方面，塊礦結構緊密，還原氣體從礦石表面進入內(nèi)部比較困難，所需的時間較長，因此還原性較差；另一方面，生礦中含有較多的結晶水和碳酸鹽，受熱分解后生成的CO2和H2O為氧化性氣體，尤其是溫度達到沸點時，結晶水迅速分解，產(chǎn)生大量的水蒸氣(實驗尾氣出口處可見水蒸氣冷凝形成的液態(tài)水)，降低了塊礦周圍氣氛的還原性。由于塊礦質(zhì)地緊密且較脆，在受熱分解時易發(fā)生爆裂，產(chǎn)生大量的粉末[10]，因此在低溫還原粉化實驗中，塊礦的RDI+6.30較低(PB礦RDI+6.30為45.45%，紐曼礦RDI+6.30為50.70%)，而RDI－0.50較高(PB礦RDI－0.50為15.63%，紐曼礦RDI－0.50為12.82%)，若爐料中塊礦配比過高，會嚴重影響透氣性。

從表4還可以看出：塊礦的滴落溫度較低，PB礦為1 375℃，紐曼礦為1 498℃(燒結礦滴落溫度為1 520℃)；軟化區(qū)間t40－t10很寬，PB礦158℃，紐曼礦為159℃；塊礦特征值S值較高，PB礦為1 256 kPa·℃，紐曼礦為850 kPa·℃，燒結礦為287 kPa·℃，表明作為生礦的塊礦是1種容易熔融滴落且嚴重影響料柱透氣性的高爐爐料，這也是限制塊礦配比提高的主要原因。

2.2 單種塊礦的冶金性能

PB礦和紐曼礦的壓差Δp及收縮率ΔH與溫度t的變化關系如圖1。

圖1 PB礦和紐曼礦Δp及ΔH與t的變化關系Fig.1 Relationship of Δp,ΔH and t of PB and Newman lump ore

從圖1可以看出，溫度由室溫升高到800℃時，PB礦和紐曼礦的壓差較低且無明顯變化，這是因為塊礦顆粒的孔隙變化較小，故壓差較小且穩(wěn)定；當溫度達到800℃左右時(PB礦為800℃，紐曼礦為840℃)，壓差出現(xiàn)第一次峰值(圖1(a)，(b)中的峰1)，這是因為塊礦中的結晶水和碳酸鹽開始大量分解，產(chǎn)生大量的氣體，料柱透氣性變差；隨著溫度的升高，壓差隨之降低，這是因為分解物的數(shù)量減少，分解產(chǎn)生氣體的速度降低；當溫度繼續(xù)升高到1 300℃左右時，壓差開始升高，這是因為塊礦開始軟熔，顆粒之間間隙縮??；當溫度升高到1 380℃以上時(PB礦為1 360℃，紐曼礦為1 372℃)，壓差迅速升高到最大，出現(xiàn)第二次峰值(圖1(a)，(b)中峰2)，這是因為開始礦石熔化，孔隙最??；然后礦石開始滴落。

2.3 混合礦的還原性

當PB礦和紐曼礦與燒結礦配比的質(zhì)量分數(shù)由15%提高到25%時，混合礦還原性變化情況見圖2。

從圖2可以看出，隨著塊礦配比的增加，混合礦的還原性隨之降低，且PB混合礦還原性降低速度較快。一方面塊礦比較致密，還原性氣體CO由礦石表面進入內(nèi)部比較困難，還原的速度較慢；另一方面混合礦中的塊礦在900℃進行還原時，所含的結晶水和碳酸鹽迅速分解直至沸騰，降低了混合礦周圍的還原性氣氛，并且隨著塊礦配比增加，分解產(chǎn)生的氣體量也會增加，所以還原性降低。從成分方面分析，PB礦的燒損比紐曼礦高，分解產(chǎn)生的氣體量也較多，所以對PB混合礦還原性影響更大。因此，高爐冶煉時，應盡量使用燒損較低、結晶水含量較少的塊礦，或?qū)龘p較多與較少的塊礦搭配使用，以改善爐料的還原性能。

圖2 RI與塊礦配比的關系Fig.2 Relationship between RIand ratio of lump ore

2.4 混合礦的熔滴性

當PB礦和紐曼礦與燒結礦配比的質(zhì)量分數(shù)由15%提高到25%時，混合礦熔滴性變化情況見圖3，4。從圖3可以看出，隨著塊礦配比的增加，混合礦的滴落溫度td逐漸降低，這是因為：一方面塊礦本身滴落溫度較低，其與燒結礦混合后，塊礦會先發(fā)生熔化然后滴落，導致td降低；另一方面，塊礦與燒結礦在高溫下反應生成低熔點的化合物，降低了混合礦的熔化溫度，也降低了td。

圖3 td與塊礦配比的關系Fig.3 Relationship between tdand ratio of lump ore

圖4 S與塊礦配比的關系Fig.4 Relationship between S and ratio of lump ore

從圖4可以看出，隨著塊礦配比的增加，特征值S也隨之增加。這是因為混合礦開始熔化溫度ts隨著塊礦比例的增加而降低，導致礦石從開始熔化至完全融化的溫度區(qū)間變大；同時，隨著塊礦配比的增加，料柱熔融狀態(tài)的壓差也在增大，料柱對還原氣流的阻力主要集中在熔融區(qū)間，因此料柱的特征值S會增大。從圖4還可以看出，紐曼混合礦的性能優(yōu)于PB混合礦，這是因為PB礦燒損較大(表2)，所含結晶水和碳酸鹽較多，高溫下容易爆裂會產(chǎn)生大量粉末，同時結晶水和碳酸鹽也會在高溫下迅速分解而產(chǎn)生大量的氣體，料柱一方面因為塊礦爆裂形成的粉末而降低孔隙率，另一方面因為分解產(chǎn)生的大量氣體，導致爐料顆?？紫吨g蒸氣壓迅速增大，惡化料柱的透氣性。

由于燒損越大的塊礦對高爐爐料透氣性影響越大，所以高爐冶煉應一方面盡量減少燒損較多的塊礦使用量，或?qū)龘p較多與較少的塊礦按一定比例搭配使用；另一方面，從表4可以看出，球團礦的RI為74.40%，RDI+3.15為87.60%，S僅有66.9 kPa·℃，當混合礦中球團礦質(zhì)量分數(shù)達到25%時，RI為79.32%，S為134 kPa·℃，爐料冶金性能良好，因此配加一定含量的球團礦可改善混合爐料的冶金性能。

3 結 論

1)PB和紐曼塊礦配比的質(zhì)量分數(shù)由15%增加到25%，爐料的冶金性能迅速變差，還原度RI降低5%，低溫還原粉化率RDI－3.15升高2%，熔融區(qū)間滴落溫度td與壓差陡升溫度ts差升高60℃左右，透氣性指數(shù)的特征值S值升高100 kPa·℃。

2)混合礦中PB和紐曼塊礦塊礦配比增加，混合礦透氣性變差。一方面隨著塊礦配比的增加，混合礦的熔融區(qū)間td－ts增大，熔融狀態(tài)時的壓差升高，因此透氣性指數(shù)的特征值S變大，料柱透氣性變差；另一方面，壓差塊礦所含結晶水和碳酸鹽分解產(chǎn)生大量的H2O和CO2，以及塊礦爆裂產(chǎn)生大量的粉末，降低了混合礦的孔隙率，導致料柱透氣性變差。

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