王來信，常 鳳，趙國磊

（中冶華天工程技術有限公司，江蘇210019）

0 引言

高爐作為傳統(tǒng)煉鐵工藝，因其生產(chǎn)高效，目前仍是最主要的鐵水生產(chǎn)工藝。然而，日益增加的環(huán)境壓力和優(yōu)質(zhì)煉焦煤資源的日益匱乏，不斷驅(qū)使替代工藝的發(fā)展。其中，COREX 熔融還原煉鐵工藝發(fā)展成為目前接受度最高的替代工藝，是首個使用非煉焦煤作為燃料并被工業(yè)驗證的熔融還原煉鐵工藝[1-2]。COREX 由兩個反應器所組成：預還原豎爐和熔融氣化爐，如圖1 所示。原料（球團礦、塊礦、焦炭、熔劑等）被持續(xù)加入到還原豎爐內(nèi)，850 ℃左右的還原氣通過環(huán)管加入到豎爐內(nèi)，還原氣與下降的爐料逆向上升到豎爐頂部，在此過程中對含鐵爐料進行預還原，煤氣從豎爐頂部排出時溫度約300 ℃；預還原得到的直接還原鐵（DRI）和經(jīng)過部分焙燒熔劑通過螺旋給料器加入到熔融氣化爐頂部，非煉焦煤加入到氣化爐內(nèi)，氧氣通過風口鼓入爐內(nèi)，燃燒燃料并產(chǎn)生還原氣和熱量[3-5]。盡管如此，COREX 工藝也存在一些缺點，如鐵水硫含量相較于高爐更高，波動也更為嚴重。因而，有必要研究各工藝參數(shù)對鐵水硫含量的影響。

本文，在分析COREX 爐內(nèi)硫元素分布規(guī)律的基礎上，提煉出可能的影響因素，并統(tǒng)計解析COREX-3000 的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，以明確各工藝參數(shù)對鐵水硫含量的影響規(guī)律。

1 影響鐵水硫含量的因素分析

圖1 COREX 工藝流程簡圖

本文采用SPSS 軟件進行各工藝參數(shù)與鐵水硫含量的相關分析和回歸分析。Pearson 相關系數(shù)用于衡量相關程度的高低，取值范圍為[-1，1]，負值表示負相關關系[6-7]。為了處理各參數(shù)之間的相互作用，簡化復雜影響，需要先進行數(shù)據(jù)篩選。數(shù)據(jù)篩選是基于生產(chǎn)經(jīng)驗、各參數(shù)之間的相互關系以及數(shù)據(jù)量等原則進行。表1 為各參數(shù)用于相關分析和回歸分析的范圍。同時，在進行相關分析的時候，會根據(jù)需要對數(shù)據(jù)進行進一步的篩選，因此不同變量的相關分析所用數(shù)據(jù)會有一定的差別。

表1 用于相關分析和回歸分析的各參數(shù)范圍

圖2 為COREX 鐵水硫含量的波動情況，共計230 組數(shù)據(jù)，硫含量最大值為0.152%，最小值為0.015%，可以看出波動較為嚴重。盡管如此，在經(jīng)過嚴格的數(shù)據(jù)篩選后，仍然可以通過相關分析定性地掌握各工藝參數(shù)對鐵水硫含量的影響。

圖2 COREX 鐵水硫含量波動情況

1.1 煤比的影響（以煤代焦）

煤作為COREX 的主要燃料來源，也是硫的主要來源，故此煤比將對鐵水硫含量有較大的影響，如圖3 所示。由可圖3 以看出，在燃料比基本不變的條件下，隨著煤比的升高，鐵水硫含量有輕微下降趨勢。即，以煤代焦會產(chǎn)生更多的煤氣，而且所用的煤和焦炭含硫量分別為0.5%和0.8%，故此，煤比升高意味著硫輸入減少，有助于降低鐵水硫含量，但要注意保證一定的焦比，從而保障豎爐的透氣性。

A 煤和B 煤為實際生產(chǎn)過程中所用的兩種煤，前者為低硫煤，硫含量為0.4%，后者為高硫煤，硫含量為0.6%。由圖4 可以看出，提高A 煤的比例有助于降低鐵水硫含量，不僅因其自身硫含量低，而且硫主要是在氣化爐拱頂分解進入煤氣。

圖3 煤比對鐵水硫含量的影響

圖4 A 煤配比對鐵水硫含量的影響

1.2 渣比的影響

由燃料灰分和鐵礦石脈石所產(chǎn)生的爐渣，在相同含鐵爐料的情況下，渣比由燃料比所決定。圖5所示為渣比對鐵水硫含量的影響，可以看出，渣比的升高會導致硫含量的略微增加。原因是，燃料比的增加為爐內(nèi)提供了一個更好的溫度條件，但同時也增加了硫收入。此外，燃料比的增加會導致爐渣中酸性成分的增加，進而導致二元堿度的降低，此外，硫容量 CS 也會隨之降低，見式（1）[8-9]。在爐渣脫硫能力降低，而渣比升高的條件下，脫除的總硫量可能維持在一定水平。

圖5 渣比對鐵水硫含量的影響

1.3 鐵水溫度的影響

溫度條件對于脫硫反應的熱力學和動力學條件至關重要，脫硫反應和脫硫率的計算如式（2）、（3）所示。

式中，A 為反應界面積，M 為鐵水質(zhì)量，LS為渣鐵間硫分配比，km和ks分別為硫元素在鐵水和爐渣中的質(zhì)量傳輸系數(shù)。

脫硫反應為吸熱反應，因此溫度的升高有利于脫硫反應的進行。從動力學角度分析，溫度升高會改善爐渣的流動性，提高氧和硫的傳質(zhì)速率，同樣促進脫硫反應的進行。溫度與鐵水硫含量的關系如圖6 所示。

1.4 熔煉率的影響

圖6 鐵水溫度對鐵水硫含量的影響

圖7 所示為熔煉率對鐵水硫含量的影響。熔煉率表示的是COREX 的生產(chǎn)效率，在某種程度上，也代表著氣化爐內(nèi)熱鐵水的滴落速率。鐵水上漂浮著一層厚厚的爐渣，鐵滴穿過渣層發(fā)生脫硫反應，這也是脫硫反應最為激烈的地方。鐵水滴落穿過渣層的速度越快，爐渣和鐵水之間的接觸時間越短，從而使得脫硫反應削弱。換句話說，隨著熔煉率的增加，COREX 鐵水硫含量增加。

圖7 熔煉率對鐵水硫含量的影響

1.5 爐渣二元堿度R2 和MgO/Al2O3 的影響

圖8 所示為鐵水硫含量與二元堿度R2的關系。作為衡量爐渣脫硫能力的一個重要參數(shù)，硫容量受溫度和爐渣堿度的影響[10]。當溫度恒定時，爐渣脫硫能力隨著爐渣堿度的增加而升高，同時可改善爐渣的流動性，促進脫硫反應的進行。

圖8 爐渣堿度對鐵水硫含量的影響

由圖9 可以看出，爐渣MgO/Al2O3越高，鐵水硫含量越低。與二元堿度相似，爐渣MgO/Al2O3的升高意味著更多的堿性氧化物或很少的酸性氧化物，從而改善爐渣的流動性，促進脫硫反應的進行。

圖9 爐渣MgO/Al2O3 對鐵水硫含量的影響

1.6 煤氣利用率的影響

由熔融氣化爐內(nèi)燃料燃燒產(chǎn)生的還原氣，通過圍管送入豎爐內(nèi)，并上升穿過爐料到達豎爐爐頂，排出時溫度約250 ℃～300 ℃。在這一過程中，含鐵爐料被還原氣還原成具有一定金屬化率的海綿鐵。煤氣利用率的計算如式（4）所示[11]，受煤氣成分、還原反應溫度、礦石的特性等影響。

圖10 為URG 與鐵水硫含量的關系。在金屬化率一定的條件下，煤氣利用率升高，則還原所需煤氣量降低，可以通過降低煤比減少產(chǎn)生的煤氣量。而由前文可知，鐵水硫含量會隨著煤比的降低而升高，因此豎爐內(nèi)煤氣利用率的升高會引起鐵水硫含量的增加。

圖10 煤氣利用率對鐵水硫含量的影響

1.7 噸礦頂煤氣消耗量的影響

由圖11 可以看出，噸礦頂煤氣消耗量（TGC）的升高會導致鐵水硫含量的降低。TGC 的升高直接加速氣固界面的還原氣的更新，從而促進豎爐內(nèi)鐵礦石還原。然而，當氣體流量超過一定值時，還原氣利用率會降低，這一界限值對于CO 和H2分別為800 Nm3/t 和 1 000 Nm3/t[11]。本文中，TGC 值基本全超過1 000 Nm3/t，因此TGC 的增加導致煤氣利用率URG的降低。根據(jù)前文鐵水硫含量與煤氣利用率的關系可知，TGC 的升高將有利于鐵水硫含量的降低。

圖11 噸礦頂煤氣消耗量對鐵水硫含量的影響

1.8 金屬化率的影響

在氣化爐內(nèi)，煤的燃燒反應是爐內(nèi)的主要熱源，同時生成豎爐還原所需的還原煤氣。金屬化率是用于評價豎爐內(nèi)鐵礦石的還原程度，可根據(jù)式（5）進行計算。

式中，ωFe為還原后鐵礦石中Fe 的質(zhì)量分數(shù)分別為原始鐵礦石中 Fe2O3、Fe3O4和FeO 的質(zhì)量分數(shù)。

海綿鐵金屬化率（Met）和鐵水硫含量的關系如圖12 所示。預還原豎爐內(nèi)的海綿鐵金屬化率越高，氣化爐內(nèi)所需要的還原劑和燃料就越少[12]。此外，金屬化率是影響煤比的主要因素[13]。換句話說，隨著海綿鐵金屬化率的升高，COREX 煤比降低，從而使鐵水硫含量升高。

1.9 煤氣氧化度的影響

還原煤氣氧化度（OD）和還原勢一樣是用于評價煤氣的還原能力，可依式（6）進行計算。

式中，VCO2、VH2O、VCO和 VH2分別為送入豎爐內(nèi)的還原氣中 CO2、H2O、CO 和 H2的體積分數(shù)。

圖12 海綿鐵金屬化率對鐵水硫含量的影響

圖13 表明隨著煤氣氧化度的增加，鐵水硫含量略微下降。煤氣氧化度的增加意味著氣化爐內(nèi)燃料的燃燒更加充分，也為渣鐵的融化以及豎爐內(nèi)原料的還原提供更多的熱量。一方面，煤氣氧化度的增加意味著產(chǎn)生所需熱量的燃料量降低；另一方面，隨著煤氣氧化度的增加，達到一定金屬化率所需的還原氣體量增加，因此需要更多的熱量。而根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗，金屬化率對燃料比的影響要遠比氣體氧化度的影響大得多。因此，隨著還原煤氣氧化度的增加，鐵水中硫含量最終呈降低趨勢[13]。

圖13 還原煤氣氧化度對鐵水硫含量的影響

1.10 煤布料指數(shù)的影響

爐料的布料模式可以由布料指數(shù)（BDI）來衡量，根據(jù)式（7）進行計算，包括煤布料指數(shù)（CDI）和直接還原鐵布料指數(shù)（DDI）。式（7）表明，隨著BDI的增加，爐料趨向邊緣布置，因為邊緣5 m 環(huán)處的權重系數(shù)要大于中心0 m 環(huán)處的權重系數(shù)。

式 中 ，d1、d2、d3、d4、d5、d6、d7、d8、d9、d10、d11分 別 為 0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5 和 5 m 環(huán)處煤或直接還原鐵（DRI）的料層厚度。

圖14 所示為煤布料指數(shù)CDI 對鐵水硫含量的影響。盡管COREX 熔融氣化爐的生產(chǎn)工藝與高爐下部相似，但彼此仍有所不同。一方面，由于塊煤加入拱頂后快速升溫至1 050 ℃左右，塊煤破碎稱為小塊煤，從而惡化了爐料的透氣性；另一方面，COREX 工藝的純氧鼓風使得風口回旋區(qū)較淺，爐缸氣體量也較少。這兩個方面使得熔融氣化爐內(nèi)偏向于邊緣發(fā)展，而這對于DRI 的進一步還原是不利的。

圖14 煤布料指數(shù)對鐵水硫含量的影響

隨著CDI 的增加，煤被逐漸分布到邊緣區(qū)域，其分解和燃燒將會更加充足，爐缸的熱量條件也會更佳，而熱量條件的改善對于脫硫反應的熱力學和動力學條件均有利。故此，CDI 的增加將有利于鐵水硫含量的降低。

1.11 直接還原鐵布料指數(shù)的影響

由于COREX 氣化爐內(nèi)的氣體流量偏向于邊緣發(fā)展，直接還原鐵（DRI）布料指數(shù)（DDI）的增加將有利于脫硫反應的進行。由圖15 可以看出，氣化爐拱頂區(qū)域，DRI 中殘留的FeO 將被更加快速和更加充分地還原，這使得軟熔層更窄，位置更高，從而吸收相對較少的含硫化合物，下部脫硫反應空間也更大。因此，DDI 的增加將有利于鐵水硫含量的降低。

圖15 DRI 布料指數(shù)對鐵水硫含量的影響

2 基于相關性分析的鐵水硫含量預測

在進行回歸分析之前，先使用SPSS 軟件進行主成分分析（PCA），主成分分析的結果如表2 所示，從中選擇了7 個主成分，分別為：煤氣利用率（URG）、煤布料指數(shù)（CDI）、熔煉率（MR）、鐵水溫度（T）、爐渣二元堿度（R2）、渣比（SR）和爐渣 MgO/Al2O3（M/A）。隨后，基于此得到了COREX 鐵水硫含量的預測模型，如式（8）所示，為生產(chǎn)過程中的控制提供了精確、可靠的信息。

式中，SR 為渣比（kg/t），T 為鐵水溫度（℃），MR 為熔煉率（t/h）、R2為爐渣二元堿度，M/A 為爐渣 MgO/Al2O3，URG 為煤氣利用率（%），CDI 為煤布料指數(shù)。

為了更好地理解回歸分析結果，標準化系數(shù)（β值）按照絕對值大小的順序列于表3 中，絕對值越大，其對鐵水硫含量的影響越大。因此，要降低鐵水硫含量，應當優(yōu)先調(diào)整爐渣堿度R2、鐵水溫度T 和煤布料指數(shù)（CDI）。

為驗證該模型，將回歸模型的計算結果與實際生產(chǎn)一個月的數(shù)據(jù)進行對比。由圖16 可以看出，預測所得硫含量與實際值吻合良好，說明回歸模型可用于預測和控制COREX 工藝的鐵水硫含量。

表2 主成分分析的系數(shù)矩陣

表3 各參數(shù)的標準化回歸系數(shù)

圖16 鐵水硫含量預測值與實際值的比較

3 結論

本文分析了COREX 爐內(nèi)硫的分布和轉移行為，并由此得到可能影響鐵水硫含量的一些工藝參數(shù)。在此基礎上，分析了各參數(shù)與鐵水硫含量的關系，得到了一個可用于預測COREX 鐵水硫含量的多元線性回歸模型。主要結論如下：

（1）由于COREX 工藝的燃料比高，且爐渣的脫硫能力相對較弱，故此COREX 鐵水硫含量要比高爐高得多。

（2）燃料灰分和海綿鐵DRI 中的硫以COS、SO2的形式分解出，或在風口區(qū)域還原成S2（特別是高硫煤），隨后混入還原氣中上升。在上升過程中，含硫氣體將被下部熔融氣化爐和上部豎爐中的爐料部分吸收。

（3）根據(jù)相關分析和回歸分析的結果，與鐵水硫含量呈負相關關系的參數(shù)有：煤比、鐵水溫度、爐渣二元堿度R2、爐渣MgO/Al2O3和DRI 布料指數(shù)。相反地，渣比、熔煉率和還原煤氣利用率與鐵水硫含量為正相關關系。

（4）本文得到了一個經(jīng)過驗證的多元線性回歸模型，可用于預測和調(diào)控COREX 工藝的鐵水硫含量。