威钢进口块矿高温冶金性能研究

张明远 梁仁桃 武鑫龙 王高峰 文彩明

(重庆科技学院冶金与材料工程学院， 重庆 401331)

随着炼铁技术的逐步完善与发展，高炉冶炼逐渐向大容量、高效率、自动化、低排放量的方向发展，逐步形成了以烧结矿、天然块矿、球团矿的炉料结构[1]。目前，供应国内高炉冶炼的天然块矿主要来自巴西、澳大利亚等国。在现代高炉冶炼过程中，天然块矿必不可少。但是，与烧结矿和球团矿相比，块矿的冶金性能较差。如果大幅度提高块矿的比例，就会出现炉料还原性下降、低温还原粉化指数上升及熔滴性能变差等现象，严重时还会阻碍高炉顺行，使冶炼指标恶化[2]。威钢在提高进口廉价块矿的用量方面进行了积极探索，利用进口的纽曼块矿和吉布森块矿资源，通过适当调整配比以改善炉料结构。在此，我们针对这两种进口块矿进行冶金性能实验研究。

1 实验内容

1.1 实验材料与设备

实验材料主要包括纽曼块矿、吉布森块矿、天然气、矿石原料、天平、木炭以及瓶装N2、CO2气体等。实验设备主要包括煤气发生炉、三段式天平、方孔试验筛、还原管、还原炉、马弗炉、称量装置、转鼓装置、熔滴炉、升温控制系统、坩埚、摄像头、显示屏、木炭、空气压缩机、烘干机、干燥皿。

1.2 实验方法

1.2.1 低温还原粉化率的测定

实验在静态还原炉中进行。将铁矿石样品放入到还原管中，样品的粒径大小为10.0～12.5 mm，样品总质量为(500±1)g。 在N2的保护下，将样品加热到指定温度，然后将气体引入到管道中，气体流速为15 Lmin。还原气由20%的CO、20%的CO2和60%的N2组成(皆为体积分数)，负荷为14 Ncm2。在恒定温度下，样品被还原60 min，然后切断电源，并通入N2予以保护。在样品被冷却到室温后，称量其质量。将还原后的样品放入转鼓中，以30 rmin的速度滚动10 min。通过低温还原粉化指数RDI+6.3、RDI+3.15、RDI-0.5来评价还原后不同铁矿石的还原粉化特性。

1.2.2 热爆裂指数的测定

实验在马弗炉中进行，铁矿石样品由块矿组成，样品的粒径大小为20.0～25.0 mm,样品总质量为(500±1)g。调节好马弗炉电流、电压，设定好加热温度，将空钢碗放入到炉中预热。当温度达到700 ℃时稳定保持20 min，将预热的钢碗取出并向碗内加入(500±1)g样品，用稍小的钢碗反扣在上面；然后，利用铁铲等辅助工具将准备好的试样放入马弗炉中加热，30 min后取出试样冷却至室温，进行筛分。称量冷却后的试样质量m0，并用6.30、3.15和0.50 mm的孔筛进行筛分，筛后的试样质量分别为m1、m2、m3。通过热爆裂指数DI-6.3、DI-3.15、DI-0.5来评价还原后铁矿石的热爆裂特性。

1.2.3 铁矿石还原度的测定

实验是在静态还原炉中进行，铁矿石样品由块矿组成。将铁矿石样品放入还原管中，样品的粒径大小为10.0～12.5 mm，样品总质量为(500±1)g。在N2的保护下，将样品加热至指定温度，然后将气体引入到管道中，气体流速为15 Lmin。还原气由20%的CO、20%的CO2和60%的N2组成，负荷为14 Ncm2。还原3 h后，切断电源，停止还原气的引入，改通保护气N2予以保护。取出还原管放在空气中直至冷却，称量其反应后的铁矿石试样质量，记录数据。

1.2.4 铁矿石熔滴性能的测定

实验在熔滴炉中进行，样品的粒径大小为6.3～10.0 mm，样品总质量为(500±1)g，用10.00～15.00 mm的孔筛进行筛取焦炭。在石墨坩埚中装入厚度为10 mm的焦炭，再装入厚度为80 mm的混合铁矿石，并在上面铺装一层10 mm厚的焦炭。每装完一层，需用尺子准确测量其厚度，检查料面是否平整，最后加入石墨盖。实验采取三段升温的方式[3]，在N2的保护下，将样品加热到指定的900 ℃，然后将气体引入到管道中，气体流速为15 Lmin。还原气由30%的N2和70%的CO组成，继续升温。通过安装在熔滴炉中的摄像头进行观察，当观察到炉内有铁水滴落时，记录此时的炉料温度并及时切断电源，对熔滴炉进行降温，结束实验。最后，从熔滴炉自动控制系统中调出数据，计算铁矿石软化温度区间。

2 实验结果与分析

2.1 铁矿石低温还原粉化程度

铁矿石在高炉与煤气反应发生晶格变化，随着炉料的下降受到阻力作用而发生碎裂。进口块矿的低温还原粉化率实验数据如表1所示，其中RDI+6.3是天然块矿的低温还原粉化率常用指标。

表1 低温还原粉化率实验数据

由表1可以看出，纽曼块矿和吉布森块矿的低温还原粉化性能指标RDI+3.15均大于80%，低温还原粉化性能较好，满足高炉冶炼的要求。纽曼块矿的低温还原粉化性能指标RDI+3.15为82.95%，较之吉布森块矿相对较好。通常，铁矿石粉化率越高，产生的粉末越少，高炉料柱的透气性越佳且高炉顺行更稳定。准确分析川威进口铁矿石低温还原粉化指数，有利于掌握生产中高炉炉内煤气流的合理分布以及高炉炉料顺行情况，从而制定提高产量、降低成本的合理措施。

2.2 铁矿石热爆裂程度

铁矿石热爆裂指数越低，产生的粉末越少，高炉料柱的透气性越好和高炉顺行稳定。实验执行标准为《铁矿石 热裂指数的测定方法》(GBT 10322.6 — 2004)，两种进口铁矿石的热爆裂指数实验数据见表2。其中，纽曼块矿和吉布森块矿的热爆裂指数DI-6.3平均值分别为6.98%、16.35%。

表2 两种块矿热爆裂指数实验数据

由表2可知，纽曼块矿的爆裂性能优于吉布森块矿。纽曼块矿产生的粒径小于6.3 mm的颗粒约为6.98%，产生的细小粉状物较少，不会因块矿热爆裂产生较多粉状颗粒物而引起煤气流通道堵塞、炉墙结厚等炉况不良的现象，而吉布森块矿引起此类情况的概率略高。对于这个情况，应在高炉配料时予以重视，合理控制炉料配比。

2.3 铁矿石的还原程度

铁矿石还原度越高，出铁量也越高，炉渣流动性越能得以更好地改善。两种进口铁矿石的还原实验数据见表3。

表3 实验所用块矿还原结果

注：mt为还原到t时间的试样质量。

通常认为，块矿的还原度一般较低，不利于高炉降低焦比和提高煤气利用率。但从表3可以看出，这两种块矿还原度差别不大。其中，纽曼块矿的还原度最高(IR)，IR达到了71.7%，而吉布森块矿还原度稍低，IR也达到了65.9%。这说明纽曼块矿的中温还原强度较好，不会对高炉上部的透气性带来明显的负面影响，符合高炉冶炼要求。由于样品质量较小，计算误差较大，故以实验用还原管质量的变化来表征块矿的还原情况。从图1所示还原曲线可以看出，两种块矿的还原速率相近，还原趋势平缓，有利于高炉炉况的稳定。

2.4 铁矿石的软熔性能

模拟铁矿石在进入高炉炉身中下部1 200 — 1 500 ℃温度区间时的变化，当滴落完成后，通过计算测出铁矿石的软化区间。若铁矿石软化温度区间越小、软熔带越薄，则高炉的透气性能就越好、顺行越稳定。表4所示为两种块矿的软熔性能测定数据。

从表4可以看出，两种块矿具有相对低的软化开始温度和相对宽的软化温度区间,这与传统认识一致[4-5]。但两者的开始软化温度相差较大。其中，纽曼块矿的软化温度区间差值(ΔT)小于200 ℃，吉布森块矿的软化温度区间差值大于200 ℃。吉布森块矿软化区间大、软熔带厚，其滴落温度(Tm)为1 488 ℃，对高炉的透气性和顺行会产生不利影响。对于此现象，应在进行炉料结构优化予以重视，合理控制。

3 结 论

通过对威钢进口的两种块矿进行实验研究，得到以下结论：

(1) 纽曼块矿和吉布森块矿的低温还原粉化指数都大于80%，表明其低温还原粉化性能好，满足入炉原料要求。

(2) 吉布森块矿热爆裂指数为16.35%，纽曼块矿的热爆裂指数为6.98%。吉布森块矿热爆裂指数高，粉末较多。在冶炼过程中，粉末会增加高炉炉尘的排出量，影响顺行，因此需合理控制高炉矿料配比。

(3) 吉布森块矿的还原度为65.9%，纽曼块矿的还原度为71.7%，吉布森块矿的还原性能稍差。

(4) 纽曼块矿的软化温度区间差值为173 ℃，滴落温度为1 350 ℃；吉布森块矿的软化温度区间差值为232℃，滴落温度为1 488 ℃。就矿石熔滴性能而言，吉布森块矿不能满足高炉冶炼的要求。