首钢股份高钛氧化球团生产实践

2020-07-07刘长江高培程贾国利

矿业工程 2020年2期

刘长江高培程王刚贾国利

(北京首钢股份有限公司炼铁作业部，迁安064000)

0 引言

随着冶金行业兼并发展，倒逼产能进一步释放，以高炉为主要设备的炼铁流程，尤其对于长时间、高负荷运行的大型高炉，炉体长寿逐渐受到重视。通常护炉措施主要分为主动型与被动型，通过控制碳砖成分或者添加含钛物料来实现对炉体的保护。在我国、日本、澳洲、北美等地区主要以添加含钛物料实现护炉。用于护炉的含钛球团矿TiO2≤13%、全铁品位53%左右[1]，具有品位高、透气性好、冶金性能优良、成分单一可控的优点[1-4]，正逐渐代替高炉中直接喷吹钛精粉或钛精矿冷固球团和含钛烧结矿，成为高炉护炉的主要原料。

首钢球团于1985年建厂，先后进行过金属化球团、氧化球团生产探索，拥有100万t/a和200万t/a链箅机-回转窑-环冷机产线两条。由于我国钛资源主要集中于川贵、两广地区，华北分布较少，含钛球团矿采购成本较高，首钢股份高炉以配加钛矿为主。为进一步改善护炉炉料，首钢球团以现有设备进行含钛球团矿的生产探索。

1 原料性能与设备条件

1.1 原料性能

试验选用承德高钛精矿作为钛源(以下称为高钛粉)，配加比例为25%。为控制变量，粘结剂种类、煤粉供应等外部因素按照原有标准。含铁物料成分及性能见表1、膨润土性能见表2。

表1 含铁物料成分及性能(%)

表2 膨润土质量情况

由表1、表2可知，高钛粉-0.074mm含量≤77.1%，且SiO2和S含量等杂质较高，这对高钛粉用于造球是不利的。膨润土吸水率达到380%，膨胀倍达到19.5，性能较好。

高钛粉与水高粉配矿比例(w%)3：1。两次试验精矿配比及湿球参数见表3。

表3 精矿配比及湿球粒度(%)

1.2 设备条件

目前，二系列产线以生产磁铁矿氧化球团为主，同时进行了多个点位的升级改造，用于提高焙烧环境，稳定设备运行。本次试验为全流程工业试验。主要设备见表4。

表4 二系列产线主要设备

对于链箅机-回转窑-环冷机生产体系，生球在链箅机中主要发生自由水、吸附水以及少量结晶水的散失蒸发，亚铁开始氧化并形成部分液相，生球强度逐渐由机械连接力转变为化学作用力等变化，温度变化窗口达到900℃以上。因此，良好的热工制度能够保证预热球在生产中减少亚铁品位、提高入窑强度并减少结圈产生，这对成球性能较差的高钛粉球团至关重要。链箅机风热流向见图1。

图1 链箅机热流示意图

进行含钛球团试验过程中应同时考虑设备耐受与稳定。以预热段热量走向为例，其下箅床余热经过两台耐热风机送至抽风干燥段。由于过高温度会对耐热风机叶轮造成严重损坏，因此在保证机头温度达到950℃的同时应保证适当的料厚和机速，保持相对稳定的温降，对风机叶片适当保护。

2 含钛球团矿在生产中存在的困难

2.1 技术难题

试验选取的精矿为高品位TiO2与磁铁精矿配矿所得。一般认为，与磁铁矿球团相比钒钛磁铁矿球团生球落下强度低，膨润土消耗高，造球过程困难[4,5]；含TiO2球团在氧化球团预热焙烧过程中，由于在温度950℃时生成了钛磁铁矿与致密氧化铁层，影响内部磁铁矿的进一步氧化[6]，球团焙烧难度进一步增大，且随着微晶与周围赤铁矿的生长连接，结构更加致密，影响氧化进程。其在物料粒度、颗粒形貌、成球性能、高温氧化性能上发生的变化，使得含钛球团矿在造球、高温固结方面与原有磁铁矿球团以及常规钒钛磁铁矿存在差异，原有热工参数需要不断改进。

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2.2 设备难题

由于高钛粉的添加，磁铁精矿在球团中的比例下降，在发生铁氧化物固相扩散固结时难度增加，达到相同抗压强度时，较相同粒度磁铁矿物球团需要的焙烧温度升高[7]。同时有研究表明，在焙烧温度1 150℃～1 250℃区间时，含钛球团矿抗压强度呈现先增加后下降的趋势。从目前机速、环速以及链箅机布料厚度控制标准分析，生产含钛球团矿应适当提高机速、降低布料厚度，在提升预热效率的同时稳定设备运行。

3 含钛球团生产与分析

3.1 干球性能

3.1.1 造球过程

结合2017年6月在二系列产线展开的含钛球团生产试验数据，高钛粉粒度粗，直接用于造球效果差，本次试验采取经过辊磨处理的方法提高混合精矿的比表面积。造球及湿球转运工序过程参数见表5。

表5 造球工序过程参数

注：2017年06月含钛精矿配加量为4%，2019年含钛精矿配加量为25%。

由表5可知，2017年6月试验中，将4%高钛粉直接添加在原矿中比表面积下降173cm2/g，成球性指数下降0.14。结合现场生产效果，生球长大速度加快，湿球结构松散且表面粗糙。同时，皂土消耗较原流程增加约61.5%，落下强度由5.1N/个下降为4.6N/个。结合原料性能以及上表分析，高钛粉中大于0.074mm粒级含量较多，对比表面积提高起主要作用的细粒级含量过少，混合精矿的比表面积明显下降，导致皂土消耗升高的同时湿球在粒度、落下强度方面质量均大大降低。

2019年12月试验中，25%高钛粉经过高压辊磨处理后，混合精矿比表面积达到938cm2/g，相比于直接加入高钛粉比表面积增加114cm2/g、相比于未配加前精矿下降208cm2/g、成球性指数下降0.22，同时在皂土消耗波动较小的前提下，落下强度提高47.8%，生球粒度波动较小。相比于2017年6月试验，本次试验含钛物料配比明显增加，高压辊磨机在处理较粗高钛粉原料时能够明显增加原料成球性能，为高品位钛球团生产提供支撑。

3.1.2 预热及焙烧过程

生产中，生球在链箅机中的干燥、氧化进程控制通过调整链箅机风箱、烟罩以及布料厚度实现，两次试验相关数据见图2。

图2 产线温度控制

2019年12月试验中，通过前期对回转窑主枪助燃风腔以及导风翼角改造，将回转窑高温点整体

向后拉伸，机头温度得到提高，预热流程温度整体升高，减少了粉料入窑。以环冷机一冷段为例，温升达17℃。结合环冷机鼓风机参数设置：配加高钛粉前后，1#鼓风机开度由60%提升到70%，3#鼓风机开度由40%提升到50%，一方面有利于预热球团在环冷机台车中二次氧化、固结，另一方面提高了预热二段烟罩的整体温度，满足含钛球团矿高温固结、氧化相对困难的需要。

3.2 成品球性能分析

3.2.1 成品球固结及抗压强度分析

目前，国内专用护炉炉料的全铁品位介于45%～52%之间，对应的TiO2含量介于12%～15%，全铁品位较低，并导致高炉渣量增加[8]。两次试验中，高钛粉添加量的明显差异，一方面为探索在符合本企业生产实际的条件下，TiO2添加量的允许限值；另一方面为进一步探索因品位下降带来的炼铁成本上升和酸性护炉料含钛量增加之间的最适范围。

如表6所示，以2019.11产品批次作为常规氧化球团质量基准。2019.12工业试验中，TFe品位下降为57.86%，TiO2品位达到9.12%，全铁品位保持相对较高水平的同时含钛量明显高于2017.6试验，同时由于成品球中FeO含量波动较小，两次试验成品球抗压强度与基准相比变化不大。2017.6试验中，TiO2品位较低，其他参数变化较小，引入较多杂质的同时，有益元素Ti含量偏低，不适宜直接用作护炉炉料。

表6 成品球质量和元素分析

对常规氧化球团(2019.11)、2017.6试验、2019.12试验进行了SEM成像分析并对2019.12试验谱图进行了EDS能谱分析结果见图3、表7。

由图3可知，常规磁铁矿氧化球团(A)氧化固结后能够形成良好的赤铁矿微晶连接、渣键，逐渐呈集合体状，成品球强度较易形成。2017.6试验成品球团(B)，由于粒度较粗，预热过程中+3处的微晶连接较弱，是机头球抗压强度不足的微观机理，但在焙烧阶段中，由于+2、+4赤铁矿微晶连接的生长使得成品球抗压强度能够满足要求，与常规氧化球团变化不大。2019.12试验中，成品球中固相连接生长较为完整，结构较为致密。这是由于焙烧温度升高，钛精矿氧化过程加剧，赤铁矿连接数量增加。在C谱图2处存在大面积赤铁矿微晶连接，C谱图1处存在铁板钛矿，这可能是由于在焙烧过程中板钛矿(TiO2)与赤铁矿反应生成Fe2TiO5的产物[1]。

A：常规氧化球团，B：1.04%TiO2，C：9.12%TiO2

表7 2019.12试验EDS能谱元素分析(%)

通过改变回转窑中高温点位置、提高流程温度、提高环冷机冷却效率等一系列加强氧化焙烧环境的工序，成品球团中铁板钛矿、赤铁矿连接更加致密，硅酸盐液相分布更加均匀，抗压强度稳定的基础上大大增加了含钛物料的配比，为连续生产TiO2含量9.12%的高钛球团奠定了基础。

3.2.2 成品球冶金性能分析

球团矿的还原膨胀是指在还原条件下六面体结构的Fe2O3还原为立方晶格结构的Fe3O4时由于晶格转变引起的体积膨胀，以及浮氏体还原成金属铁时出现的铁晶须而引起的恶性体积膨胀。其大幅降低球团矿强度。

2019.12：9.12% TiO2； 2017.6：1.04% TiO2； 2019.11：0% TiO2

由图4可知，随着球团矿中TiO2含量的增加，还原膨胀率得到遏制，有利于增加高炉料柱的透气性；还原度升高4%左右，与含TiO2氧化球团的还原规律相反，这可能是由于在环冷机冷却阶段增加了1#、3#鼓风机风量，焙烧球中残余FeO氧化过程加剧，Fe2O3晶键生长导致(SEM及EDS能谱分析可以证明这点)。通过添加高钛粉，低温还原强度RDI+6.3与低温还原粉化性能RDI+3.15出现下降，通过升高焙烧温度和加快氧化过程进行，含钛球团的还原性能得到提升。