鞍钢高炉配加块矿种类和比例的研究

2022-06-12张辉唐继忠周明顺夏铁玉刘杰翟立委徐礼兵

鞍钢技术 2022年3期

张辉，唐继忠，周明顺，夏铁玉，刘杰，翟立委，徐礼兵

（1.鞍钢集团钢铁研究院，辽宁鞍山 114009；2.鞍钢股份有限公司鲅鱼圈钢铁分公司，辽宁营口 115007；3.鞍钢股份有限公司炼铁总厂，辽宁鞍山 114021）

块矿是高炉使用的重要含铁原料之一，与烧结矿和球团矿一起构成高炉原料结构，为高炉实现合理炉料结构奠定基础［1-2］。钢铁企业面临日益严重的环保和成本压力，由于块矿不需要造块过程，在环境友好和经济效益方面比烧结矿和球团矿更具优势［3-4］。块矿属于“生料”，单一块矿的高温软熔性能比烧结矿和球团矿差，严重制约高炉炼铁块矿配比的提高［5］。块矿与烧结矿的高温交互作用可以改善单一块矿的软熔性能［6］，为高炉增加块矿配比创造条件。如何在不影响炉料性能的前提下尽可能提高块矿比例，成为降低炼铁成本、减轻环保压力的研究方向。鞍钢开展了高炉配加块矿种类和比例的研究，本文对此做一介绍。

1 鞍钢高炉配加块矿种类的优化选择

1.1 块矿的冶金价值研究

根据鞍钢高炉块矿使用情况，本次研究选取10种常用块矿进行检测分析，其化学成分如表1所示。

表1 块矿化学成分（质量分数）Table 1 Chemical Compositions in Lump Ore（Mass Fraction） %

块矿冶金价值是综合考虑矿石含铁品位、冶炼熔剂用量以及对焦比的影响，得出的块矿到厂最高价格［7］。用鞍钢炼铁工艺参数对巴甫洛夫冶金价值计算公式进行修正，将燃料比分为焦比、喷煤比两项，按铁品位提高1%，产量增加2%，焦比降低1.5%，喷煤增加15 kg/t，炉渣碱度1.15计算，则适合鞍钢的块矿冶金价值计算方法如式（1）所示：

式中，P1为铁矿石冶金价值，元/t；F为矿石铁品位，%；f为生铁含铁量，%；P为生铁控制成本，元/t；C1为计算期焦比，t/t；C2为高炉喷煤比，t/t；δ为块矿品位与入炉品位之差，%；P2为焦炭价格，元/t；P3为煤粉价格，元/t；SiO2矿、Al2O3矿、CaO矿和MgO矿分别为铁矿中SiO2、A12O3、CaO和MgO的质量分数，%；（CaO+MgO）熔剂为熔剂中CaO和MgO的质量分数，%；P4为熔剂价格，元/t；g为生铁制造费，元/t。生铁成本按2 525元/t控制，焦炭和煤粉价格按1 530元/t和820元/t计算，由公式（1）得出表1中块矿的冶金价值，结果如图1所示。

图1 不同块矿的冶金价值Fig.1 Metallurgical Values of Different Lump Ores

冶金价值是反映块矿性质对高炉产量和燃料比影响的重要指标，更能体现块矿的经济性。由图1可知，NF块和BX块的冶金价值均在1 200元/t以上，属于高冶金价值块矿；NUM块、PEB块、MIK块、LYS块和HMS块的冶金价值均高于1 150元/t，属于中冶金价值块矿；YD块、YL块和JBS块冶金价值较低，属于低冶金价值块矿。

1.2 块矿的热分解性能研究

利用综合热分析仪对中高冶金价值块矿的热分解特性进行研究。将块矿细磨至小于0.074 mm，放在烘箱中烘干4 h，然后进行块矿热分解特性检测试验，升温速率为20℃/min，降温速率为50℃/min，结果如表2所示。

表2 块矿热分解特性检测试验结果Table 2 Test Results of Thermal Decomposition Characteristics of Lump Ores

由表2可知，MIK块高温分解吸收的热量最多，达到329 mJ/mg，其次为NUM块；PEB块高温分解吸收的热量最少；块矿高温分解吸热与其烧损不成正比。从块矿热分解温度区间看，NF块热分解起始温度和结束温度均较高，温度区间跨度最大；LYS块热分解结束温度低，温度区间跨度最小。从DTG的峰值及对应温度看，NF块失重峰值最小，且对应温度最高；LYS块和HMS块失重峰值适中，且对应温度较低。从块矿热分解特性看，配加LYS块、PEB块、NF块、BX块和HMS块，对高炉炼铁有利。

1.3 块矿的冶金性能研究

爆裂指数、低温还原粉化性和还原性反映块矿在高炉中上部区域的冶金性能。爆裂指数是反映块矿抗热冲击能力大小的指标，爆裂指数越小，块矿抗热冲击能力越强［8］。还原性是表征矿石中与铁结合的氧被还原气体夺取难易程度的指标。不同块矿的冶金性能如表3所示。

表3 不同块矿的冶金性能Table 3 Metallurgical Properties of Different Lump Ores%

由表3可知，NF块的爆裂指数DI-6.3最小，只有1.45%；LYS块和BX块爆裂指数DI-6.3适中，均小于5%；HMS块和PEB块爆裂指数DI-6.3均大于5%。块矿的低温还原粉化强度指标较好，RDI+3.15均大于83%。LYS块还原度RI最高，达到了84.75%，配加时有利于高炉提产降焦；PEB块、HMS块和BX块的还原度指标适中；NF块还原度RI只有56.87%，其配加比例不应太高。

软熔滴落性能反映块矿在高炉中下部的冶炼特性。不同块矿的软熔滴落性能如图2所示。

由图2可知，NF块和BX块的软化开始温度T10和软化终了温度T40均高于LYS块和HMS块；NF块和BX块的软化区间均比LYS块和HMS块的窄；单从软熔性能看，NF块和BX块优于LYS块和HMS块，这是因为NF块和BX块属于赤铁矿，而LYS块和HMS块属于褐铁矿，褐铁矿失去结晶水后还原性好。NF块和BX块的压差陡升温度Ts和滴落温度Td均高于LYS块和HMS块，但NF块和BX块的熔滴区间比LYS块和HMS块略宽。从块矿软熔滴落整体性能看，BX块最优，其次为NF块，HMS块较差。

图2 不同块矿的软熔滴落性能Fig.2 Soft Melting and Dripping Properties of Different Lump Ores

综合考虑块矿的冶金价值和高温冶金性能，中高冶金价值块矿均可作为鞍钢备用炼铁原料，但NF块、HMS块和MIK块配加比例不应过大。

2 鞍钢高炉配加块矿比例的优化研究

2.1 试验原料和方案

选取LYS块、HMS块分别与鞍钢的烧结矿和球团矿搭配，进行高炉块矿配加比例的优化研究，烧结矿和球团矿成分如表4所示。

表4 烧结矿和球团矿化学成分（质量分数）Table 4 Chemical Compositions in Sintered Ore and Pellet Ore（Mass Fraction） %

控制烧结矿1配比为70%，调整球团矿1和LYS块的配比组成综合炉料，检测综合炉料冶金性能，优化LYS块的配加比例；控制烧结矿2配比为75%，调整球团矿2和HMS块的配比组成综合炉料，检测综合炉料冶金性能，优化HMS块的配加比例。块矿配比优化试验方案如表5所示。

表5 块矿配比优化试验方案Table 5 Test Scheme for Optimization of Proportion of Lump Ores %

2.2 综合炉料还原性能的研究

还原性是含铁炉料冶金性能的基础，其对高炉稳定顺行和降低焦比有很大影响。不同块矿搭配方案所形成综合炉料的还原度如图3所示。

图3 综合炉料还原度Fig.3 Reducibility of Comprehensive Furnace Burden

由图3可知，方案N1～N4综合炉料的还原度随着LYS块配比的增加先升高后降低，在LYS块配比为15%时取得最优值80.59%；这是因为一方面LYS块的还原性比球团矿高，其配比增加使综合炉料还原性改善，另一方面LYS块属于褐铁矿，其结晶水高温迅速分解，降低了综合炉料周围的还原性气氛［9］，导致LYS块继续增加到20%时还原度略微降低。方案N5～N8综合炉料的还原度随着HMS块配比的增加而升高，HMS块配比15%的综合炉料还原度比配比3%的提高2.23个百分点；当HMS块配比超过11%继续增加到15%时，综合炉料还原度提升幅度不大，只有0.36个百分点。

2.3 综合炉料软熔滴落性能的研究

高炉软熔带的位置和形状，对煤气流合理分布、降低焦比和冶炼顺行等至关重要，而软熔带的形成及软熔带的位置与综合炉料的软化特征密切相关［10］。不同块矿搭配方案所形成综合炉料的软熔滴落性能如图4所示。

图4 综合炉料软熔滴落性能Fig.4 Soft Melting and Dripping Properties of Comprehensive Furnace Burden

由图4可知：

（1）随着LYS块配比由5%增加到20%，综合炉料的软化开始温度T10和软化终了温度T40均降低；当LYS块配比超过15%时，软化开始温度T10降低幅度较大，但均超过1 050℃，软化终了温度T40降低幅度不大；综合炉料软化区间由129℃增加到147℃，略微变宽。随着LYS块配比由5%增加到20%，综合炉料压差陡升温度TS由1 312℃降低到1 278℃，滴落温度Td变化幅度不大；滴落区间先变窄后变宽，在LYS块配比15%时最窄，在LYS块配比20%时最宽。LYS块与烧结矿1和球团1搭配，其配比提高到15%可以得到较好的软熔指标，但LYS块的配比不宜超过20%。

（2）随着 HMS块配比由 3%增加到 15%，综合炉料的软化开始温度T10由1 114℃降低到1 076℃，软化终了温度T40变化幅度不大；软熔区间变宽，增加32℃；HMS块配比增加，综合炉料软熔性能变差。随着HMS块配比由3%增加到15%，综合炉料压差陡升温度TS降低30℃，滴落温度Td先降低后增加，在HMS块配比11%时最低，但变化幅度不大；熔滴区间随块矿配比增加而变宽，当HMS块配比增加到15%时熔滴区间达到193℃。HMS块与烧结矿2和球团块2搭配，其配加比例不应超过11%。

3 增加块矿配比工业试验

为了改善高炉炉料结构，降低炼铁成本，2020年6-10月在鞍钢某高炉进行了提高LYS块配比的工业试验，LYS块矿配比提高到17.5%，其对高炉指标的影响如图5所示。

图5 LYS块矿配比对高炉指标的影响Fig.5 Effect of LYS Lump Ore Mixture Ratio on BF Index

由图5可知，高炉燃料比随着LYS块矿配比增加先降低后升高，在块矿配比为12.6%时取得最低值 513.9 kg/t；LYS块矿配比由 12.6%增加到15.5%时，高炉燃料比升高幅度不大；但当块矿配比超过15.5%后继续增加到17.5%时，高炉燃料比升高幅度较大。高炉利用系数随着LYS块配比的增加整体呈升高趋势；当LYS块矿配比由5%增加到11%时，高炉利用系数提高 0.03 t/（m3·d）；当 LYS块矿配比由11%增加到16.5%时，高炉利用系数提高 0.055 t/（m3·d）；当 LYS 块配比超过 16.5%继续增加到17.5%时，高炉利用系数呈降低趋势。

2021年2-4月在鞍钢某高炉进行了提高HMS块配比的工业试验，HMS块矿配比提高到9.5%，其对高炉指标的影响如图6所示。

图6 HMS块矿配比对高炉指标的影响Fig.6 Effect of HMS Lump Ore Mixture Ratio on BF Index

由图6可知，高炉燃料比随着HMS块矿配比增加呈降低趋势，高炉利用系数随HMS块矿配比增加呈升高趋势，但由于高炉生产影响因素众多，指标改善过程出现波动。在块矿配比3%～9.5%之间，当HMS块矿配比由3.1%增加到7.3%时，高炉燃料比变化不大；当HMS块矿配比由7.5%提高9%时，高炉燃料比降低幅度较大，达到5.1 kg/t；但当HMS块矿配比超过9%继续增加时，燃料比呈升高趋势。当HMS块矿配比由3%增加到5.3%时，高炉利用系数升高幅度不大；当HMS块矿配比由5.3%增加到 9%时，高炉利用系数提高 0.14 t/（m3·d），升高幅度较大。当HMS块矿配比超过9%继续增加时，高炉利用系数略微降低。