陳海軍

(新疆昆玉鋼鐵有限公司)

新疆昆玉鋼鐵煉鐵廠現(xiàn)兩座450m3高爐，配置一臺(tái)210m2帶式抽風(fēng)燒結(jié)機(jī)及一條60萬(wàn)t/a鏈篦機(jī)-回轉(zhuǎn)窯球團(tuán)生產(chǎn)線。兩座高爐分別于2013年6月底和7月初相繼開(kāi)爐，開(kāi)爐初期，受環(huán)保及去產(chǎn)能雙重壓力及疆內(nèi)鐵礦石價(jià)格大幅度上漲的影響，生鐵成本居高不下，嚴(yán)重制約了企業(yè)生存空間，昆玉鋼鐵處于間歇式生產(chǎn)狀態(tài)。

2018年昆玉鋼鐵利用所處西部新疆區(qū)位優(yōu)勢(shì)，先后與俄羅斯、哈薩克斯坦等國(guó)家的礦石供應(yīng)商建立良好的貿(mào)易關(guān)系，在穩(wěn)定進(jìn)口礦粉供應(yīng)的同時(shí)，逐漸加大價(jià)格較低廉的高M(jìn)gO磁鐵精礦粉進(jìn)口比例。

近年來(lái)，為探索大比例使用高M(jìn)gO鐵精礦，在高爐-燒結(jié)-球團(tuán)各生產(chǎn)工序進(jìn)行了高(MgO)渣冶煉、高M(jìn)gO高堿度燒結(jié)[1]及含MgO酸性球團(tuán)生產(chǎn)工藝優(yōu)化，通過(guò)逐漸增加進(jìn)口高M(jìn)gO鐵精礦粉使用配比，努力提高技術(shù)質(zhì)量指標(biāo)，降低了生產(chǎn)成本與工序能耗。

1 昆玉煉鐵爐料結(jié)構(gòu)及高爐生產(chǎn)情況

昆玉鋼鐵高爐入爐料技術(shù)質(zhì)量指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 2018—2020年昆玉鋼鐵高爐入爐料技術(shù)質(zhì)量指標(biāo)

近年來(lái)，昆玉鋼鐵高爐爐料結(jié)構(gòu)主要是以高M(jìn)gO高堿度燒結(jié)礦配加含MgO酸性球團(tuán)礦入爐，隨著入爐料中高M(jìn)gO磁鐵精礦粉配加量的增加，燒結(jié)礦、球團(tuán)礦的強(qiáng)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M(jìn)gO爐料后，高爐始終難以維持長(zhǎng)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(yīng)的調(diào)整，但煤氣利用波動(dòng)較大，經(jīng)常發(fā)生掉渣皮及崩、滑料現(xiàn)象，燃料消耗居高不下，沒(méi)有達(dá)到使用高M(jìn)gO爐料穩(wěn)定爐況、優(yōu)化指標(biāo)的目的。昆玉鋼鐵高爐主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)生產(chǎn)情況見(jiàn)表2。

表2 2018—2020年昆玉鋼鐵高爐主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)及生產(chǎn)情況

因此，昆玉鋼鐵在進(jìn)口高M(jìn)gO鐵礦資源且供給充足條件下，開(kāi)展了通過(guò)選擇適宜的造渣制度，最大比例使用價(jià)格低廉的高M(jìn)gO磁鐵精礦，既降低配礦成本又能滿足高爐生產(chǎn)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(shí)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(shí)，爐渣熔化溫度隨著堿度的變化也有較大變化，當(dāng)渣堿度約為1.1時(shí)，所對(duì)應(yīng)的(圖中橢圓A區(qū)域)為昆玉鋼鐵高爐近年來(lái)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(shí)，其熔化溫度也隨之升高20℃，此時(shí)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(shuō)明該爐渣具有較高的熔化溫度和良好的穩(wěn)定性，另外當(dāng)爐渣MgO含量高于17%(B區(qū)域向右移動(dòng))發(fā)生變化時(shí)，熔化溫度會(huì)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(dāng)降低高爐爐渣堿度在一定范圍內(nèi)(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(shí)可以減少高爐冶煉過(guò)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(yīng)控制在0.4Pa·s以下[3]，提高爐渣MgO含量是調(diào)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(chǎn)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(shí)，爐渣MgO含量由10%增加至17%，即使?fàn)t渣二元堿度在0.90～1.10范圍波動(dòng)，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(dá)到理想爐渣黏度狀態(tài)。尤其MgO含量為17%的爐渣，當(dāng)爐況波動(dòng)造成爐渣溫度降至1400℃時(shí)，其黏度也能保持在0.6Pa·s以內(nèi)(圖2橢圓D區(qū)域)，爐渣仍具有良好的流動(dòng)性，不會(huì)發(fā)生因爐渣溫度急劇降低引起黏度變化，導(dǎo)致?tīng)t況不順現(xiàn)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(nèi)的循環(huán)富集，保證生鐵質(zhì)量和高爐穩(wěn)定順行。近年來(lái)，昆玉鋼鐵高爐入爐有害元素，主要是堿金屬(Na2O+K2O)及鋅(Zn)負(fù)荷偏高。統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，入爐堿金屬負(fù)荷高達(dá)4.4kg/t以上，最高值達(dá)6.5kg/t，鋅負(fù)荷高達(dá)0.94kg/t，最高峰值達(dá)1.1kg/t,過(guò)高的堿金屬及鋅負(fù)荷在爐內(nèi)循環(huán)富集并加劇了燒結(jié)礦的還原粉化及球團(tuán)礦的異常膨脹，導(dǎo)致料柱透氣性下降，給高爐的強(qiáng)化冶煉操作帶來(lái)不利影響。提高(MgO)含量并適當(dāng)降低爐渣堿度，可以降低渣中K2O、Na2O活度，改善爐渣脫硫動(dòng)力學(xué)條件，提高爐渣脫硫排堿能力，由歐洲某鋼鐵公司正常生產(chǎn)時(shí)的高爐爐渣成分[4]中可以看出：高M(jìn)gO低堿度爐渣具有較強(qiáng)的脫硫排堿能力(見(jiàn)表3)。

表3 歐洲某鋼鐵公司正常生產(chǎn)時(shí)的高爐爐渣成分 %

2.4 爐渣成分控制范圍

分析認(rèn)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(nèi)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(dòng)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M(jìn)gO爐料入爐比例，滿足爐渣(MgO)=17%的同時(shí)適當(dāng)降低爐渣堿度，堿度的調(diào)整以鐵水中[S]控制在一類鐵為依據(jù)，將爐渣R2維持在1.0±0.05范圍內(nèi)較為適宜。

3 高M(jìn)gO爐料性能及結(jié)構(gòu)協(xié)同優(yōu)化

通過(guò)對(duì)燒結(jié)礦、球團(tuán)礦等爐料的礦物組成按一定比例科學(xué)、合理搭配，使?fàn)t料的強(qiáng)度、還原性及高溫軟熔性能滿足高爐生產(chǎn)過(guò)程中的透氣性、爐渣性能及爐況順行等因素的冶煉需求，實(shí)現(xiàn)高爐高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、低耗、長(zhǎng)壽的目標(biāo)。

3.1 提高M(jìn)gO對(duì)燒結(jié)礦性能的影響

多年來(lái)的理論研究和生產(chǎn)實(shí)踐表明，高堿度燒結(jié)礦具有良好的還原性和高溫軟熔性能。由于高堿度燒結(jié)礦是以強(qiáng)度好，還原性好的鐵酸鈣為主要黏結(jié)相，當(dāng)高堿度燒結(jié)礦中MgO含量過(guò)高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致燒結(jié)礦強(qiáng)度變差，其主要原因是MgO在燒結(jié)過(guò)程中易與Fe3O4反應(yīng)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(jié)礦強(qiáng)度和還原性變差。高爐實(shí)踐表明，燒結(jié)礦中MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加1%，燒結(jié)礦的冷強(qiáng)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(dòng)性變差，導(dǎo)致冷強(qiáng)度變差，燒結(jié)機(jī)產(chǎn)量下降[5]。

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

因此高M(jìn)gO高堿度燒結(jié)礦在高爐內(nèi)會(huì)嚴(yán)重影響軟熔帶的位置和形狀，導(dǎo)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(xiàn)象，造成高爐順行受阻。近年來(lái)昆玉鋼鐵兩座高爐爐況表現(xiàn)說(shuō)明，使用高M(jìn)gO高堿度燒結(jié)礦配加酸性球團(tuán)的爐料，高爐操控難度較大，風(fēng)壓、風(fēng)量易呆滯，爐渣脫S排堿能力減弱，高爐崩、滑料現(xiàn)象較多，高爐難以維持長(zhǎng)周期的穩(wěn)定順行。

所以就高M(jìn)gO高堿度燒結(jié)礦的還原性和高溫軟熔性能對(duì)高爐的影響，應(yīng)降低燒結(jié)礦中高M(jìn)gO鐵精礦粉使用比例，降低燒結(jié)礦中MgO含量為宜。

3.2 提高M(jìn)gO對(duì)球團(tuán)礦性能的影響

酸性球團(tuán)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(qiáng)化冶煉及爐況順行。高爐生產(chǎn)中，一般要求合格球團(tuán)礦的膨脹率小于20%。用高M(jìn)gO磁鐵精礦生產(chǎn)高M(jìn)gO酸性球團(tuán)礦可起到減少還原膨脹的作用，從顯微結(jié)構(gòu)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(nèi)，并能減慢還原離子的遷移速度，起到抑制球團(tuán)礦膨脹的作用；同時(shí)MgO進(jìn)入液相能夠提高液相熔點(diǎn)。有研究證實(shí)，高熔點(diǎn)液相具有較好的結(jié)合強(qiáng)度，有助于削弱還原過(guò)程因內(nèi)應(yīng)力增大而產(chǎn)生的還原膨脹現(xiàn)象[7]。

高M(jìn)gO酸性磁鐵礦球團(tuán)在高溫氧化氣氛中焙燒時(shí)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(zhì)，阻礙難還原的鐵橄欖石和鈣鎂橄欖石的形成，促進(jìn)了礦粉顆粒之間的粘結(jié)，在還原時(shí)不會(huì)發(fā)生Fe2O3轉(zhuǎn)變成Fe3O4反應(yīng)，而生成FeO和MgO固溶體，從而提高了球團(tuán)礦的軟化溫度和高溫還原強(qiáng)度。在高爐內(nèi)高M(jìn)gO酸性球團(tuán)礦在高溫還原過(guò)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(nèi)可降低爐內(nèi)軟熔帶位置高度，有利于提高間接還原反應(yīng)，降低高爐燃料消耗。

依據(jù)昆玉鋼鐵現(xiàn)有生產(chǎn)裝備及進(jìn)口鐵精礦資源條件(見(jiàn)表4)，通過(guò)其化學(xué)成分的調(diào)劑和焙燒工藝制度的控制，可以生產(chǎn)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(zhì)球團(tuán)，最大限度使用高M(jìn)gO磁鐵精礦，降低配礦成本的同時(shí)為高爐降低燃料比創(chuàng)造條件。

表4 近年來(lái)新疆昆玉鋼鐵部分進(jìn)口鐵精礦化學(xué)成分及物理指標(biāo) %

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

相比高M(jìn)gO高堿度燒結(jié)礦配加低MgO酸性球團(tuán)礦的爐料結(jié)構(gòu)，高堿度低MgO燒結(jié)礦配加高M(jìn)gO酸性球團(tuán)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(jī)械強(qiáng)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(diào)整后的高爐運(yùn)行效果

2021年上半年，爐料結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)初步調(diào)整優(yōu)化，增加高M(jìn)gO鐵精礦在球團(tuán)中的添加比例并適當(dāng)降低了燒結(jié)礦中的MgO含量，使球團(tuán)中MgO含量提高至2.4%，高爐配加高M(jìn)gO球團(tuán)并逐漸增加入爐比例，高爐表現(xiàn)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(shù)減少，高爐消耗逐步下降，主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)有了較大提升(見(jiàn)表5)。

表5 上半年新疆昆玉鋼鐵高爐主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)及生產(chǎn)情況

5 結(jié)語(yǔ)

(1)合理的爐料結(jié)構(gòu)，應(yīng)根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)裝備水平、原料資源特點(diǎn)等，合理、經(jīng)濟(jì)的使用鐵礦資源進(jìn)行優(yōu)化調(diào)配，滿足高爐冶煉性能需求為高爐穩(wěn)定順行和實(shí)現(xiàn)良好經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)創(chuàng)造條件。

(2)昆玉鋼鐵高爐應(yīng)以適宜的高(MgO)低堿度爐渣作為爐料結(jié)構(gòu)的配料目標(biāo)，綜合考慮高M(jìn)gO爐料的冶金性能及對(duì)高爐有害元素、脫硫排堿等因素的影響。隨著爐料結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化和改進(jìn)，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(nèi)。

(3)低成本煉鐵是在經(jīng)濟(jì)爐料的基礎(chǔ)上，通過(guò)爐料結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究，發(fā)揮爐料結(jié)構(gòu)功效最大化的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)高爐穩(wěn)定順行及高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、低耗、長(zhǎng)壽的煉鐵目的。

(4)一個(gè)滿足高爐冶煉性能要求且性價(jià)比優(yōu)的爐料結(jié)構(gòu)配料方案，不僅能夠指導(dǎo)生產(chǎn)，而且能夠指導(dǎo)采購(gòu)，為企業(yè)創(chuàng)效發(fā)揮更大的降本空間。