面向高炉冶炼的烧结与炼焦技术

毕学工

(武汉科技大学,钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室)

面向高炉冶炼的烧结与炼焦技术

毕学工

(武汉科技大学,钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室)

提出了应对资源劣化、充分考虑价格和成本因素开发研究高效铁矿石造块技术和高效炼焦技术的必要性,简单介绍了国外面向高炉冶炼的烧结技术与炼焦技术的发展现状。

高炉冶炼 烧结 炼焦 资源

0 前言

精料是高炉高效运行的基础,是现代高炉技术生存和可持续发展的前提。当前的精料技术,不能再像过去一段时间那样建立在低价优质原料的基础上,而应该充分考虑价格和资源供应的限制。要大力研究开发大配比低价铁矿石的高效造块技术,从长远观点看,还要研究开发大配比弱粘结煤的高效炼焦技术。而高效烧结技术和高效炼焦技术的发展,首先得搞清烧结矿质量和焦炭质量与高炉冶炼指标之间究竟是什么关系。下面笔者就日本和欧洲在面向高炉冶炼的烧结和炼焦技术方面的研究与应用现状作一介绍,以资国内炼铁同行参考。

1 焦炭反应性高、烧结矿还原性高是高炉冶炼的需要

随着喷煤量不断增加,焦炭作为还原剂和发热剂的重要性越来越小,而骨架作用的重要性越来越大,所以要求焦炭不仅冷强度高,而且热强度也高是完全正确的。由于焦炭的热强度指标 (CSR)和反应性指标 (CR I)是同一个实验的两种不同结果,二者之间存在明显的负相关关系,所以目前一般认为焦炭反应性越低越好。但从高炉理论角度分析,焦炭反应性低不利于降低焦比和增产。图 1为提高反应效率改善高炉过程技术的操作线图解。

图1 提高反应效率改善高炉过程技术的操作线图解

由图 1可以看出,W点的炉身效率等于 100%。目前高炉操作水平一般超过 90%。为了进一步提高高炉的效率,有两种途径可供选择:①保持目前的热保存带温度不变,使操作线向W点移动 (A→B);②通过降低热保存区的温度,使W点向ηCO较高的一侧移动,增大还原驱动力,达到加速矿石还原、扩大降焦潜力的目的 (B→C)。

传统采取的措施,如改善烧结矿的还原性,矿石层的高温性能(焦丁和矿石混装等),通过控制布料改善煤气流分布等,都属于途径①。而途径②的措施,目前仅有使用高反应性焦炭和大量使用矿煤团块。

日本新日铁公司第三研究室 (炼铁研究室)开发了如图 2所示的实验装置,命名为绝热高炉内部反应模拟器,简称 B IS[1]。反应器是一根内径103 mm的不锈钢管,长 5.4 m。电炉由 4个加热炉和 10个绝热炉组成,加热炉的任务是将煤气预热到高炉软熔带上部的温度 (1200℃)。B IS还具有煤气成分在线检测和连续调节荷重的功能。

图2 绝热高炉内部反应模拟器 (B IS)示意图

在B IS上进行了使用高反应性焦炭提高高炉反应效率的研究。使用高反应性焦炭的目的是通过降低焦炭的开始反应温度控制热保存区温度以及矿石的还原平衡点,通过增大高温下的还原势加速矿石的还原。烧结矿是生产烧结矿,J IS还原度 =66%,总气孔率 32%,粒度范围 10 mm～15 mm。考虑到高炉内碱金属的循环富集,焦炭预加了 2%的碱,准备了几种不同 J IS反应性的焦炭试样。因受到反应管内径的限制,以 10 mm～15 mm部分模拟粗颗粒焦炭,3 mm～5 mm部分模拟焦丁。

试验结果显示,使用高反应性焦炭不仅有效地降低了热保存区的温度,而且提高了烧结矿的还原度。这是因为 FeO+CO=Fe+CO2与 C+CO2=2CO是一对耦合反应,矿石的还原性不可避免地受到焦炭反应性的影响,如图 3所示 (图中细实线代表高反应性焦炭(J IS反应性 =93%),长虚线代表普通焦炭 (J IS反应性 =59%))。

图3 焦炭反应性对温度和烧结矿还原行为的影响

由图 3可知,使用高反应性焦炭以后,热保存区温度明显降低,而且当温度超过热保存区温度 (此处取 1000℃)以后,烧结矿的还原度随焦炭反应性的增大而显著提高。也就是说,烧结矿在高炉内的高温还原性不仅取决于烧结矿自身的性能,而且还与焦炭的反应性有密切关系。

在B IS上还进行了在烧结矿和焦炭层中混入不同粒度、不同配比高反应性焦炭 (J IS反应性 =93%)的试验。结果表明,将高反应性焦炭混在烧结矿层里面比将其混在焦炭层里面,对改善烧结矿还原指数的效果更好;高反应性焦炭的配比越高,效果越好;焦炭粒度越小,效果越好,配加 25%的高反应性小粒度焦炭,达到的高炉内部还原指数与配加50%的大颗粒高反应性焦炭基本相同。

通过理论计算,使用高反应性焦炭可以使燃料比减少 25%～35%,烧结矿还原性越高,燃料比降低的幅度越大。

通过对降低热保存区温度改善烧结矿还原效率机理的研究,得到如下结论:

1)高反应性焦炭在比普通焦炭在较低的温度下即开始与 CO2反应,结果使得 FeO-Fe还原达到平衡时的ηCO增大;

2)低温下能够发生 FeO到 Fe还原反应的气孔很小,这些气孔对改进还原速度有贡献;

3)使用高反应性焦炭降低了浮氏体结构铁酸钙 (CW)还原为铁的反应开始温度,从而迅速减少CW量,避免其转化为液相而堵塞气孔,从而对改善烧结矿的高温性能做出贡献。

基于以上基础研究结果,新日铁公司的高炉一直在生产中试用高反应性焦炭。

3 改善烧结矿高温性能的研究

烧结矿的质量检测指标有许多种,但对哪些指标对高炉冶炼影响最大的问题,炼铁界尚未达成共识。比利时 Sidmar公司通过对进厂矿石全程跟踪和进行 SPC(统计过程分析技术)分析,发现烧结矿的各种检测指标 (如 ISO转鼓,低温还原粉化指标(LTB,-0.5 mm%),<5 mm返矿量,FeO含量,900℃中温还原性等)中,除 LTB以外,都找不到与高炉操作指标之间有什么明显的关系[2]。日本 JFE公司的研究也发现,烧结矿的 RD I指标与高炉的煤气利用率有密切关系[3]。Sidmar公司将矿石分为以下四类:

1)不容易同化的矿石,烧结时可保持较多的核矿石,为烧结矿提供良好的机械强度;

2)与熔剂同化能力强的矿石,为烧结矿提供良好的热强度;

3)赤铁矿和褐铁矿类矿石,为烧结矿提供良好的还原性;

4)熔点特别高的矿石,它会使烧结矿在高炉内的行为不规律。

通过生产实际,确定了这四种矿石在烧结混合料中的合理配比:第四类的配比不得高于 13%,第三类的配比不得低于 15%,第一类配比与第二类配比的比值不得低于 0.3。这样生产的烧结矿,其低温还原粉化率才能够符合高炉冶炼的要求 (LTB的控制标准是 18%)。

为了改善烧结矿的低温还原粉化性能,我国普遍采用了喷洒氯化钙的技术。通过近年来对烧结矿低温还原粉化率的测试,我们发现虽然喷洒前各车间的烧结矿 RD I有比较大的差别,但喷洒以后却非常接近 (如图 4和图 5所示)。

图4 各车间烧结矿低温还原粉化性能的对比(喷洒 CaCl2后)

图5 喷洒 CaCl2对烧结矿低温还原粉化性能的影响

这意味着,在研究烧结矿 RD I指标与高炉冶炼关系的时候,应该采用喷洒后的检测值,而不是喷洒前的检测值;而且由于喷洒氯化钙以后不同烧结矿的 RD I变得比较接近,因此 RD I对高炉冶炼的影响将不会像比利时和日本高炉那样明显。

日本新日铁公司利用B IS实验装置深入探讨了烧结矿高温还原性与高炉冶炼指标之间的关系,引进了 R1000(1000℃时的还原度)和 R1200(1200℃时的还原度)两个新指标。

停止配加蛇纹石以后,烧结矿的 R1000值有所升高,而且滴落温度提高了 15℃(如图 6所示)。根据实验室研究结果,在烧结生产中减少了蛇纹石的配比,这种低 SiO2、低 MgO新型烧结矿在室蘭厂2号高炉上做了冶炼试验。试验时虽然渣量有所增加,但因为烧结矿的高温还原性较好,高炉下部透气性指数 K值减小,煤比从 140 kg/t增加到 170 kg/t。之后,八幡厂也生产了低 SiO2、低 MgO烧结矿并在其 4号高炉上使用。为了不增加渣量,没有从炉顶加块状熔剂,而是通过成分控制使高炉渣的粘度和熔点满足生产需要。结果,高炉利用系数达到2.37 t/d.m3,焦炭负荷增加到 4.87,煤比提高到161 kg/t。

图6 减少蛇纹石对烧结矿高温还原行为的改善

2001年在八幡厂 3号烧结机和 4号高炉上又进行了一系列减少烧结矿中 Al2O3含量的试验。因为减少Al2O3可多生成液相,所以减少了烧结矿中的 S iO2量;同时为了降低烧结矿的 FeO含量,适当减少了烧结配碳。采用这些措施的目的是在保证烧结矿强度的同时明显改善还原性。在绝热高炉内部反应模拟器 (B IS)上进行的测试证明,这种烧结矿的 S值减小,高炉的炉身效率改善。目前,在新日铁所有高炉上都使用了新的低 Al2O3烧结矿。虽然使用了廉价的烧结性能不好的铁矿石,但生产出的烧结矿质量很高,对高炉的高生产率和低还原剂消耗做出了贡献。

新日铁公司为迎接未来的挑战,正着力研究开发优良高温还原性的烧结矿,措施之一是增加微气孔的含量。现在对微气孔形成机理和如何促进微气孔形成等问题仍然不太清楚,需进一步进行研究。

4 结束语

现在钢铁厂表征烧结矿性能的指标有很多,但说不清楚哪种指标最重要,重要到什么程度。对于焦炭的性能指标也存在同样情况,目前一般追求热强度高而反应性低,但这并没有体现高炉对焦炭性能的本质要求。这种状况直接到影响到烧结和炼焦技术的进步,最终对高炉生产带来不利影响。

因此,有必要借鉴国外的经验,开展面向高炉的铁矿石烧结技术和炼焦技术 的研究,在不断恶化的资源形势下,用更多的劣质矿和劣质煤生产出满足高炉工艺要求的烧结矿和焦炭。

[1] 内藤誠章,岡本晃,山口一良,等.高温熱保存帯温度制御による高炉内反応効率向上技術 [J].新日鉄技報,第 384号(2006),95-99.

[2] L.Bonte等著.西德马高炉的高质量低成本铁水炉料结构[J].世界钢铁,1999(3):34-38.徐万仁译自:1999 Ironmaking Conference Proceedings,pp.13-19.

[3] Takeshi Sato,Michitaka Sato,Kanji Takeda,et al.Desirable Blast Furnace Operation conditions and Burden Quality for Reduction of Exhaust CO2[J].The 4th International Conference of Science and Technology of Ironmaking,November 26-30,2006,Osaka,Japan,343-346.

[4] Kenichi HIGUCHI,Yasushi TAKAMOTO,Takashi OR IMOTO,et al.Quality Improvement of Sintered Ore in Relation to Blast Furnace Operation[J].N IPPON STEEL TECHN I CAL REPORT No.94 July 2006.36-41.

SINTERING AND COKING TECHNOLOGIES ORIENTED TO BLAST FURNACE SM ELTING

Bi Xuegong

(KeyLaboratory for FerrousMetallurgy and ResourcesUtilization ofMinistry of Education,WuhanUniversity of Science and Technology)

The necessity of studying and developing highly effective technologies of iron ore agglomeration and coking was proposed,copingwith deteriorated resources and fully considering the price and cost factors,and the present situation of sintering technology and coking technology oriented to blast furnace smelting in abroad was briefly discussed.

Blast furnace s melting Sintering Coking Resources

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联系人:毕学工,教授,博士生导师,中国金属学会炼铁学术委员会理事,湖北.武汉 (430081),武汉科技大学;

2010—1—3