馬小青, 朱利, 張文哲, 付忠望, 趙勇， 吳鏗

（1.北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院，北京 100083；2.首鋼技術(shù)研究院鋼研所，北京 100041）

由于燒結(jié)礦、球團(tuán)礦和天然塊礦在還原性能和價(jià)格等方面存在差異，高爐生產(chǎn)應(yīng)考慮含鐵爐料資源的合理搭配，同時(shí)滿足不斷提高的環(huán)保要求[1-5].近些年國內(nèi)鋼鐵產(chǎn)能已達(dá)到全世界的一半左右，鐵礦石進(jìn)口量也一直處于高位，但受市場等因素的影響鐵礦石價(jià)格波動(dòng)較大[6].高爐的爐料結(jié)構(gòu)要根據(jù)市場的變化進(jìn)行調(diào)整，保證鋼鐵廠的經(jīng)濟(jì)效益.為了掌握高爐內(nèi)含鐵爐料在升溫過程中對透氣性的影響，通過高溫荷重熔滴實(shí)驗(yàn)，由測定的壓差、荷重軟化溫度等參數(shù)，用得到的荷重熔滴特征值表征不同配比含鐵爐料對高爐軟融帶的影響，為指導(dǎo)高爐選擇合理的爐料結(jié)構(gòu)提供依據(jù)[7-10].

隨著高爐的大型化，高溫荷重熔滴設(shè)備也向大容量發(fā)展.實(shí)驗(yàn)設(shè)備和耗材增加，試驗(yàn)所需的人力和物力的成本增高，試驗(yàn)的周期也較長.高溫熔滴試驗(yàn)得到的荷重熔滴特征值，通常只能對高爐爐料結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)行事后分析和指導(dǎo).國內(nèi)鋼鐵廠高爐生產(chǎn)為了保持長期穩(wěn)定，焦炭質(zhì)量和鼓風(fēng)參數(shù)基本上變化不大，含鐵爐料在還原反應(yīng)過程的特性是影響高爐軟融帶和透氣性的主要因素[11-12].因此，文中提出采用模擬的方式研究含鐵爐料在高溫還原時(shí)的熔化特性.該方法通過對含鐵爐料在還原過程中的不同變化來描述不同比例含鐵爐料混合后的性能.通過對不同爐料結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行高溫荷重熔滴實(shí)驗(yàn)和還原條件下熔化實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)荷重熔滴特征值與在還原條件下的還原熔化參數(shù)有很好的一致性.還原熔化參數(shù)在焦炭質(zhì)量和鼓風(fēng)參數(shù)變化不大時(shí)也可很好的表征不同爐料結(jié)構(gòu)的高溫熔化性能.還原條件下的熔化實(shí)驗(yàn)周期短、人力、物力成本低，以荷重熔滴特征值的結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)，還原條件下熔化實(shí)驗(yàn)可作為高溫荷重熔滴試驗(yàn)的補(bǔ)充，為事前預(yù)測高爐合理爐料結(jié)構(gòu)提供依據(jù).

1 含鐵爐料的高溫熔滴性能

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及材料

圖1所示為高溫荷重熔滴試驗(yàn)的裝置.

試驗(yàn)爐剛玉管的尺寸：長1 000 mm；直徑100 mm.石墨坩堝的尺寸：高度100 mm；直徑50 mm.高溫荷重熔滴試驗(yàn)結(jié)果用以下參數(shù)表示：

T10：軟化開始溫度，即料層收縮10%時(shí)的溫度，單位為℃；T40：軟化終了溫度，即料層收縮40%時(shí)的溫度，單位為℃；△T1：軟化溫度區(qū)間，△T1＝T40-T10，單位為℃；TS：熔融開始溫度，即壓差開始陡升（△PS＝490 Pa）時(shí)的溫度，單位為℃；△H：試樣收縮率，即試驗(yàn)結(jié)束后料柱收縮的高度與料柱初始高度的比值，單位為%；Td：滴落開始溫度，單位為℃；S：荷重熔滴特征值，是壓差陡升溫度和滴落溫度這段范圍內(nèi)沿溫度坐標(biāo)的壓力曲線積分值，單位為kPa·℃，荷重熔滴特征值（S）的大小反映了熔融狀態(tài)下煤氣阻力損失的高低.△Pm：熔融狀態(tài)時(shí)的最大壓差值，單位為 Pa；△T2：熔滴溫度區(qū)間，△T2＝Td-Ts，單位為℃.

圖1 高溫荷重熔滴試驗(yàn)裝置原理Fig.1 Schematic diagram of high temperature load drop test device

實(shí)驗(yàn)材料為生產(chǎn)用燒結(jié)礦、實(shí)驗(yàn)室超高堿度燒結(jié)礦、堿性球團(tuán)礦、酸性球團(tuán)礦、鐵礦塊，以及石灰石和焦炭，其化學(xué)成分如表1所列.焦炭的工業(yè)分析與元素分析如表2所列.用表1和表2中實(shí)驗(yàn)材料，在保持堿度為1.22的條件下，探究不同配料方案對爐料高溫性能的影響，實(shí)驗(yàn)方案如表3所列.

表1 實(shí)驗(yàn)材料化學(xué)成分分析Table 1 Chemical composition analysis of experimental materials單位：質(zhì)量分?jǐn)?shù),%

高溫熔滴試驗(yàn)方法如下：先在石墨坩堝底部放入20 g焦炭，后將含鐵爐試樣裝到要求的高度，再在其表面放20 g焦炭，含鐵爐料試樣粒度和焦炭粒度均為 10.0～12.5 mm，石墨坩堝內(nèi)試樣高度（68±2） mm，荷重1 kg/cm2.然后將裝好試樣的坩堝放入熔滴爐內(nèi)，按程序自動(dòng)升溫，升溫速率為：1 200℃以下，10℃/min；1 200℃以上，5℃/min.熔滴爐溫度達(dá)到100℃前，通N2保護(hù).熔滴爐溫度達(dá)到500℃時(shí)，通入m（CO）∶m（N2）=30∶70 的還原氣 15 L/min.

表2 焦炭的工業(yè)分析與元素分析Table 2 Industrial analysis and elemental analysis of coke單位：%

表3 不同試驗(yàn)方案中不同爐料的配比Table 3 Proportion of different charge materials in different test schemes單位：質(zhì)量分?jǐn)?shù),%

1.2 混合爐料的高溫熔滴性能

基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)方案熔滴實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示.

圖2 基準(zhǔn)方案熔滴結(jié)果曲線Fig.2 Benchmark scheme melt drop results curve

7種試驗(yàn)方案的高溫荷重熔滴實(shí)驗(yàn)參數(shù)和荷重熔滴特征值見表4.

在表4中，基準(zhǔn)方案為高爐實(shí)際生產(chǎn)的爐料結(jié)構(gòu)，方案1至方案5分別對比了堿性球團(tuán)礦逐步增加對高爐爐料結(jié)構(gòu)的影響.方案1和方案2的熔化開始溫度與基準(zhǔn)方案較為接近，方案3到方案5熔化開始溫度較基準(zhǔn)方案低，故方案3到方案5形成軟融帶位置相對較高.

對比軟融區(qū)間，方案1與方案2與基準(zhǔn)方案較為接近，而方案3、方案4和方案5的軟融區(qū)間都要比基準(zhǔn)方案高10℃以上.方案6用實(shí)驗(yàn)室超高堿度燒結(jié)礦與酸性球團(tuán)礦和鐵礦塊配合，與方案4相比，收縮10%溫度和收縮40%溫度都降低，熔化區(qū)間略有上升.

分析表4中荷重熔滴特征值可見，方案1、方案2、方案3和方案5隨著堿性球團(tuán)礦的增加，荷重熔滴特征值與基準(zhǔn)方案相比略有增加，但變化不大，這與大高爐在生產(chǎn)中分別采用了相對應(yīng)的爐料結(jié)構(gòu)，高爐透氣性變化不大，高爐生產(chǎn)一直可以保持穩(wěn)定的情況相吻合.方案4中，爐料中不用堿性球團(tuán)礦，增加酸性球團(tuán)礦的含量，添加石灰石保持堿度，其荷重熔滴特征值達(dá)到188.高爐生產(chǎn)中采用該種配比后，爐料透氣性有所變差，影響了生產(chǎn)的穩(wěn)定性.如按方案6實(shí)驗(yàn)高比例實(shí)驗(yàn)室的超高堿度燒結(jié)礦與酸性球團(tuán)礦和鐵礦塊配合，其荷重熔滴特征值也達(dá)到188.預(yù)計(jì)采用該方案高爐生產(chǎn)也不易保持長期穩(wěn)定.

表4 7種試驗(yàn)方案的高溫荷重熔滴實(shí)驗(yàn)參數(shù)和荷重熔滴特征值Table 4 High-temperature load-drip experimental parameters and load-drip characteristic values of seven test schemes

荷重熔滴特征值是表示含鐵爐料在反應(yīng)熔化過程特性的綜合指標(biāo)，其值越小越有利于高爐的透氣性[13].從前面不同配料方案的高溫荷重熔滴試驗(yàn)的結(jié)果看，大高爐在焦炭和鼓風(fēng)參數(shù)變化不大的情況下，適當(dāng)加入一定比例的堿性球團(tuán)礦，減少鐵礦塊及不加石灰石對荷重熔滴特征值的變化影響不大，對高爐的透氣性的影響也不大，不會(huì)影響生產(chǎn)的長期穩(wěn)定順行.

2 含鐵爐料高溫還原時(shí)熔化特性

2.1 測定還原反應(yīng)熔化特性的實(shí)驗(yàn)設(shè)備

高溫還原反應(yīng)時(shí)熔化特性的實(shí)驗(yàn)設(shè)備為：臥式高溫爐（型號(hào)為SK1BYL，額定功率為6 kW）、攝像記錄系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)和壓片裝置，實(shí)驗(yàn)裝置示意圖見圖3.

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置示意Fig.3 Diagram of experiment device

2.2 還原反應(yīng)熔化參數(shù)

2.2.1 實(shí)驗(yàn)方法

為了模擬高爐內(nèi)含鐵爐料在高溫下與碳進(jìn)行還原反應(yīng)，通過預(yù)備實(shí)驗(yàn)確定了在不同配比含鐵爐料中加入15%的焦炭.高溫還原反應(yīng)實(shí)驗(yàn)方案如表5所列.

表5 高溫還原反應(yīng)熔化特性實(shí)驗(yàn)方案Table 5 Experimental scheme for melting characteristics of high temperature reduction reaction

采用表1和表2的實(shí)驗(yàn)材料，不同含鐵爐料的配比見表3.將含鐵爐料和焦炭研磨到粒度小于75 μm，分別用電子天平稱量2.55 g含鐵爐料和0.45 g焦炭，混合均勻后，在高壓壓片機(jī)上壓成直徑10 mm×長度（5～6）mm的上邊圓柱試樣；稱量3.00 g混合爐料在高壓壓片機(jī)上壓成直徑25 mm×長度 （3～4）mm下邊圓柱試樣，放入高溫臥式爐中焙燒.高溫臥式爐的升溫制度為：室溫約為 1150℃，75min；1 150～1 150℃，40 min；1 150～1 300 ℃，40 min；1 300～1 375 ℃，45 min.整個(gè)過程中通入氮?dú)獗Ｗo(hù)氣體，流量為10 mL/min.攝像機(jī)采集圖片信息，記錄反應(yīng)過程.

圖4給出了高溫還原反應(yīng)實(shí)驗(yàn)中基準(zhǔn)試樣在熔化過程主要節(jié)點(diǎn)的形狀變化.

圖4 高溫還原反應(yīng)實(shí)驗(yàn)中基準(zhǔn)試樣在熔化過程主要節(jié)點(diǎn)的形狀變化示意Fig.4 Schematic diagram of the shape change of the main node of the reference sample during the melting process in the high temperature reduction reaction experiment

由圖4可見，試樣開始收縮時(shí)定為還原反應(yīng)起始點(diǎn)，即試樣軟融開始的時(shí)刻.從試樣開始收縮到達(dá)到最小時(shí)為軟融達(dá)到第1次最大收縮，從達(dá)到最大收縮到又一次開始膨脹到最大高度為軟融后最大膨脹，當(dāng)反應(yīng)結(jié)束后，試樣的形狀不變時(shí)為試樣軟融過程結(jié)束的時(shí)刻.

用試樣最大膨脹量后的線性位移相對變化程度作為特征量表征有還原反應(yīng)的熔化特性，通過實(shí)驗(yàn)可以獲得：熔化收縮開始溫度T1、軟熔結(jié)束溫度T2、溫度區(qū)間ΔT，位移變化率ΔH.

文中定義的還原反應(yīng)熔化參數(shù)（簡記RHF）如下所示：

式（1）中：T1為熔化收縮開始溫度（圖 4（a）對應(yīng)的溫度）；T2為軟熔結(jié)束溫度（圖 4（d）對應(yīng)的溫度）；溫度區(qū)間ΔT＝T2-T1，H1為軟熔過程第1次達(dá)到最大收縮量時(shí)試樣料柱收縮的收縮高度（圖4（b））；H2為熔化后從第1次最大收縮到最大膨脹的膨脹高度（圖4（c））；位移變化率ΔH為反應(yīng)過程試樣料柱產(chǎn)生最大膨脹時(shí)的位移變化率，ΔH＝（H2/H1）×100%.

2.2.2 混合爐料的熔化特性

表3中所列的不同配比含鐵爐料的7種方案的還原反應(yīng)熔化實(shí)驗(yàn)的參數(shù)和反應(yīng)熔化參數(shù)見表6.

表6 7種方案的高溫反應(yīng)熔化試驗(yàn)的參數(shù)和反應(yīng)熔化參數(shù)Table 6 Parameters of high temperature reaction melting test and reaction melting parameters of seven schemes

在表6中，基準(zhǔn)方案的熔化溫度區(qū)間最窄，為214℃.方案1與方案2的熔化溫度區(qū)間比基準(zhǔn)方案的高出10℃左右；方案3與方案5的熔化區(qū)間比基準(zhǔn)方案的高出近20℃，而方案4和方案6的熔化區(qū)間超過240℃.

測定含鐵爐料的反應(yīng)熔化特性全過程可視，由于含鐵爐料在還原反應(yīng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生氣泡，使得試樣體積膨脹[14]，表6中的位移變化表征了試樣體積的變化.在方案6中，當(dāng)采用實(shí)驗(yàn)室高堿度燒結(jié)礦時(shí)，還原熔化參數(shù)迅速增大.這是由于采用高堿度燒結(jié)礦，還原反應(yīng)劇烈進(jìn)行，使試樣膨脹更加明顯.

熔化參數(shù)和熔化溫度區(qū)間小對應(yīng)的軟融帶厚度也應(yīng)該窄，熔化開始溫度高，對應(yīng)的還原反應(yīng)開始進(jìn)行的時(shí)間就越晚，軟融帶的位置也低.從方案1到方案5，堿性球團(tuán)礦的含量依次增加，熔化參數(shù)RHF呈現(xiàn)先減小再增加的趨勢，其中方案2的熔化參數(shù)最小，即配比到24%時(shí)，混合爐料更加適應(yīng)高爐，使高爐順行.說明在高爐配礦時(shí)，在堿度一定的條件下，堿性球團(tuán)礦的配入含量不應(yīng)該太高.配入適當(dāng)含量的堿性球團(tuán)礦可以適當(dāng)?shù)脑黾铀嵝郧驁F(tuán)礦的比例.通過增加爐料中球團(tuán)礦的比例，相應(yīng)的可以減少高爐燒結(jié)礦的入爐含量.而煉鐵行業(yè)作為鋼鐵行業(yè)重要的組成部分，其能源消耗、CO2排放占整個(gè)鋼鐵冶金流程能源消耗和排放比例分別為70%和80%，肩負(fù)著整個(gè)行業(yè)在資源、能源和減少污染排放方面的艱巨任務(wù)，是鋼鐵企業(yè)節(jié)能減排的重點(diǎn)工序[15-16].減少燒結(jié)礦的運(yùn)用，增加球團(tuán)礦的比例可以減小鋼鐵企業(yè)的環(huán)境壓力.

3 高溫熔滴性能與還原熔化特性的關(guān)聯(lián)性

表7給出7種爐料結(jié)構(gòu)的還原反應(yīng)熔化參數(shù)和熔滴特征值.

表7 7種爐料結(jié)構(gòu)熔滴特征值與還原熔化參數(shù)對比Table 7 Comparison of characteristic values and reduction melting parameters of seven kinds of charge structure

圖5給出7種爐料結(jié)構(gòu)的還原反應(yīng)熔化參數(shù)和熔滴特征值的對比圖.

圖5 7種爐料結(jié)構(gòu)熔滴特征值與還原熔化參數(shù)對比Fig.5 Comparison of characteristic values and reduction melting parameters of seven kinds of charge structure

由表7和圖5可得，反應(yīng)熔化參數(shù)和荷重熔滴特征值兩者有較好的一致性，2種指數(shù)的變化趨勢都相同.

荷重熔滴特征值是表示在有壓力和氣流通過時(shí)還原反應(yīng)過程中含鐵氧化物的熔化特性，荷重熔滴實(shí)驗(yàn)更接近高爐內(nèi)爐料的實(shí)際情況.但荷重熔滴實(shí)驗(yàn)過程不是可視的，實(shí)驗(yàn)較為復(fù)雜，人力成本較高，所耗時(shí)間較長.同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)模擬大高爐內(nèi)的軟融過程，熔滴設(shè)備也有向大發(fā)展的趨勢，這會(huì)影響熔滴實(shí)驗(yàn)中含鐵爐料透氣性，影響爐料的還原度.由國標(biāo)的變化可以得出，在爐膛容積變化不大的情況下，氣流量的變化非常明顯，由之前的（83±1）L/min 降到（5.0±0.1）L/min[17-18],可見在整個(gè)荷重熔滴實(shí)驗(yàn)過程中，氣流量的大小對實(shí)驗(yàn)的結(jié)果影響較小.

反應(yīng)熔化參數(shù)是表示含鐵氧化物在還原過程中熔化特性，是將爐料在還原熔化過程的主要特征進(jìn)行模擬研究.在還原熔化實(shí)驗(yàn)過程中，還原溫度提高，使高爐軟融帶位置下移，軟融帶的厚度變薄，有利于提高高爐內(nèi)含鐵原料的間接還原反應(yīng).還原熔化過程前期固體相互黏結(jié)產(chǎn)生空隙收縮，反應(yīng)后期產(chǎn)生液相流動(dòng)體積不斷收縮并使得墊片試樣發(fā)生軟化流動(dòng).反應(yīng)中期隨著溫度升高焦炭與含鐵爐料的反應(yīng)不斷增強(qiáng)產(chǎn)生越來越多的液相，與反應(yīng)產(chǎn)生的氣體形成氣泡使試樣發(fā)生膨脹[19-20].液相產(chǎn)生和氣泡的形成會(huì)對高爐的透氣性產(chǎn)生影響.當(dāng)液相生成較多且不易流動(dòng)時(shí)，在還原熔化實(shí)驗(yàn)過程中會(huì)形成較大的氣泡.這樣的爐料結(jié)構(gòu)在高爐中會(huì)影響爐料層的透氣性，從而影響高爐的透氣性指數(shù).

通過對還原熔化實(shí)驗(yàn)和荷重熔滴實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比較，可以得到，雖然2種實(shí)驗(yàn)方法及原理存在著一定的差異，但2種方法都通過測定含鐵爐料的高溫熔化性能來表征不同爐料結(jié)構(gòu)對高爐生產(chǎn)的影響.雖然采用了不同的參數(shù)進(jìn)行表征，但在實(shí)驗(yàn)的結(jié)果上都能夠反應(yīng)出爐料結(jié)構(gòu)性能好壞，從而對高爐生產(chǎn)進(jìn)行指導(dǎo).相比之下，還原熔化實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)過程可視，可以實(shí)時(shí)記錄，而且實(shí)驗(yàn)設(shè)備也比熔滴實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備簡單，從而降低實(shí)驗(yàn)及人工成本.實(shí)驗(yàn)周期短，可以更好地適應(yīng)爐料結(jié)構(gòu)變化的技術(shù)分析的需要，為生產(chǎn)提供依據(jù).這些是比荷重熔滴實(shí)驗(yàn)更有優(yōu)勢的地方.將2種實(shí)驗(yàn)方法結(jié)合，把還原熔化實(shí)驗(yàn)作為荷重熔滴實(shí)驗(yàn)的替代或者補(bǔ)充，可以更好地指導(dǎo)高爐生產(chǎn).

4 結(jié) 論

1）通過對7種實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，隨著堿性球團(tuán)礦含量的增加，熔滴特征值和還原熔化參數(shù)呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢.說明在堿度一定的條件下，添加一定含量堿性球團(tuán)礦的爐料結(jié)構(gòu)對高爐生產(chǎn)的影響不大，但堿性球團(tuán)礦的含量超過一定范圍后就會(huì)對高爐生產(chǎn)帶來不利的影響.在當(dāng)前實(shí)驗(yàn)方案的條件下，堿性球團(tuán)礦的含量在24%時(shí)，熔滴特征值和還原熔化參數(shù)較小，與基準(zhǔn)方案相差不大，更加適合于高爐生產(chǎn).

2）通過對還原熔化參數(shù)和荷重熔滴特征值進(jìn)行對比，雖然2種實(shí)驗(yàn)方法在機(jī)理上有所不同，但荷重熔滴特征值和還原熔化參數(shù)這2個(gè)參數(shù)之間存在很好的相關(guān)性，都能很好地反應(yīng)不同爐料結(jié)構(gòu)對高爐的影響.但相比之下，還原熔化實(shí)驗(yàn)成本低，實(shí)驗(yàn)可視，周期短，可以更好地適應(yīng)爐料結(jié)構(gòu)變化的技術(shù)分析的需要，作為荷重熔滴實(shí)驗(yàn)的替代或者補(bǔ)充，用于指導(dǎo)高爐生產(chǎn).