高炉入炉原料优化的生产实践

陈 艳，张文政

（天津市新天钢联合特钢有限公司，天津 301500）

1 前言

新天钢联合特钢高炉炉料结构为70%～80%的烧结矿、10%～15%的块矿以及10%～15%的球团，高烧结比的特点显著。烧结矿占比长期在75%左右，鉴于如此高比例的烧结矿，这种情况下烧结矿碱度对烧结自身产质量指标和高炉炼铁的影响更为显著，高碱度烧结矿的综合炉料软熔性能、煤气利用率、高炉经济型核算都有必要展开针对性的研究。

关于低硅低碱度的技术研究能够使烧结矿品位得到有效提升，但是碱度的下降会导致利用系数下降，烧结矿质量和冶金性能受到影响。因此，新天钢联合特钢在现有原燃料条件下，以高碱度烧结矿为基础，对烧结矿与球团及块矿交互作用、高炉综合炉料结构优化等方面进行机理性研究，为高球团、块矿比奠定理论基础，最终形成有利于指导现场烧结与高炉工序协作高效经济生产的研究结果。

2 现场炉料化学成分

高炉炉料结构为70%～80%的烧结矿、10%～15%的块矿以及10%～15%左右的球团。根据生产现场所使用炉料，选择烧结机所产烧结矿、竖炉自产球团矿、南非块矿以及SP10块矿为研究对象，对其冶金性能进行分析。

所选定的5种含铁炉料的化学成分，1#、2#烧结矿的TFe 分别为56.32%和57.01%，两次取样的烧结矿的TFe 相差不大，SiO2约5%，属于典型的高铁低硅型烧结矿，烧结矿碱度为1.95～2.00，SiO2和MgO处于较低水平，会使其还原粉化性能降低。

球团矿中FeO低于0.4%，SiO2为5.22%，属于高硅，其碱度为0.03，属于酸性球团。SP10 块相对于南非矿，SiO2含量较高、TFe含量低、H2O含量少的特点。南非矿烧损为0.38%，属于赤铁矿，而SP10 矿烧损为1.31%。

3 现场炉料冶金性能试验结果与分析

为评估分析当前烧结矿及高炉综合炉料冶金性能上的优缺点，现对天钢现场所使用的炉料进行冶金性能分析，评估当前烧结矿及高炉综合炉料冶金性能上的优缺点，以明晰烧结矿为主的综合炉料质量优化的方向。

3.1 烧结矿还原性能试验结果与分析

对于烧结矿来说，若烧结矿具有较好的还原性能，烧结矿中的FeO 将更多地被还原为金属铁，使进入渣中的FeO 相应减少，因而使烧结矿具有较高的软熔温度。通过对天钢不同批次的烧结矿进行还原性能检测，1#、2#、3#烧结矿的还原度指数分别为88.33%、89.89%以及78.46%。一般而言，优质烧结矿的还原度指数要求≥78%，天钢的3 种烧结矿均属于优质烧结矿，其中3#烧结矿的还原度指数偏低。

3.2 烧结矿还原粉化性能试验结果与分析

从烧结矿的低温还原粉化试验结果可以看出1#、2#烧结矿的低温还原粉化指数分别为57.84%、51.65%，3#机烧结矿的低温还原粉化指数为58.30%。比较而言，3#烧结矿的低温还原粉化指数比1#和2#烧结矿好，有利于减少在高炉中上部的低温区域粉化现象。

3.3 块矿还原性能试验结果与分析

南非块矿及SP10 块矿的还原度指数分别为61.72%以及56.54%。南非块矿还原性能明显优于SP10块矿，有利于提高高炉利用系数。

3.4 块矿热爆裂性能试验结果与分析

块矿在高炉中加热还原的过程中，其中的针铁矿向赤铁矿转变，产生水分。随着温度的持续升高，部分的水蒸气在封闭气孔中产生较大的内应力。当相邻的封闭气孔间达到破碎应力上限时气孔贯穿。当多个相邻气孔贯穿形成裂纹时，破碎颗粒会从块矿基体上剥落形成细小粉末，使得料层的透气性变差，影响还原气体的上升，热爆裂性是块矿重点关注的指标。

南非块矿的热爆裂指数为8.4%，而SP10 块矿的热爆裂指数为13.23%。南非块矿的爆裂性能优于SP10块矿，产生的粉末少，能够减少粉状对高炉煤气流的堵塞，从而提高高炉透气性。

3.5 球团矿还原膨胀试验结果与分析

在高炉冶炼过程中，球团矿还原膨胀会对其冶炼带来不利影响，膨胀可能导致球团强度陡降，出现裂纹和粉化现象，导致高炉料层透气性降低，冶炼难度加大。

3.6 球团矿还原性能试验结果与分析

球团矿的整体抗压强度较好，最高抗压强度达到了3 160 N，平均抗压强度2 446 N。试验研究过程中发现球团矿的抗压强度存在一定的波动，生产中应注意操作。

球团矿的还原度为69%，相比一般的碱性球团，酸性球团的还原度较低，主要原因：碱性球团在焙烧过程中由于碳酸钙分解放出CO2，使得球团的开气孔率增加，有利于还原过程的进行；碱性球团的矿物组成中有一定数量的易还原的铁酸钙，并且球团的碱度较高，铁酸钙数量较多，还原性能相应提高。

3.7 现场炉料荷重软化熔滴性能试验结果与分析

通常要求入炉原料的软化温度区间窄，熔滴温度适当。一般而言，软化温度高于1 050 ℃、熔滴温度高于1 450 ℃、软化区间低于200 ℃、熔滴温度区间低于100 ℃的矿石，属于冶金性能好的矿石［1］。

一般而言，高碱度烧结矿的软熔温度较高，主要是因为随着烧结矿碱度的提高，CaO含量相应增加，很容易形成2CaO·SiO2（C2S），而2CaO·SiO2的熔点很高，达到2 130 ℃，故烧结矿碱度的提高能导致矿石软熔温度升高。而且当烧结矿碱度一定时，随着MgO的增加，初渣中含MgO的高熔点物质增多，渣相熔点升高，烧结矿熔化带和软熔带区间显著增加，软化区间变化不大。

脉石成分含量形成的高熔点矿物导致；球团矿软化开始温度、滴落温度低于烧结矿，软熔带窄；块矿的软熔区间最窄，滴落温度远低于烧结矿和球团矿，块矿的杂质元素含量低。块矿的软化温度区间很宽是因为块矿中矿物组成不均匀，既有大量低熔点矿物，也有许多高熔点矿物所致。

随球团矿w（MgO）升高，软化结束温度升高，熔化带透气性提高由于矿物组成的差异，碱性烧结矿的软熔温度一般高于酸性块矿和球团矿的原因有两个：（1）烧结矿的还原性优于球团矿和块矿，同样条件下还原出的铁相更多，容易发生连晶，使其外部的铁壳较厚，增强了烧结矿的抗变形能力；（2）烧结矿还原后的矿物组成为熔点较高的Ca2SiO4，而球团矿和块矿矿物组成为熔点较低的Fe2SiO4（铁橄榄石）。

对现场炉料进行综合炉料荷重软化熔滴试验，按现场高炉炉料所使用配比“70%烧结矿+15%块矿+15%球团”进行试验。基于天钢联合特钢现场高炉炉料结构，设计综合炉料配比，利用荷重软化熔滴设备研究天钢联合特钢现场高炉基准配比下的综合炉料熔滴性能。

对比3种烧结矿单种炉料的软化熔滴数据，综合炉料的软化性能有了明显的改善。与单一炉料熔滴试验相比，综合炉料软化性能相当，熔化性能改善明显，与烧结矿相比，滴落温度降低了43 ℃；与球团矿及块矿相比，滴落温度提高了100～160 ℃。这是由于烧结矿还原性能较好，另一方面较高碱度的烧结矿与其酸性块矿的碱度差别更大，因而与块矿的交互反应推动力也更大，在更大程度上解决块矿自身软熔性能差的问题。

4 现场炉料微观结构及物相分析

4.1 烧结矿微观结构分析

烧结矿中的矿物类型和其微观结构对烧结矿的冶金性能起着重要作用。当前国内外的烧结矿工艺主要是基于铁酸钙理论生产高碱度烧结矿发展而来。复合铁酸钙是高碱度烧结矿的主要黏结相之一，复合铁酸钙既具有较高的还原性，同时其强度也较高。使烧结矿中生成大量的复合铁酸钙，有利于提高烧结矿的还原性和烧结矿强度。高碱度烧结的碱度大于2.5 时，由于生成铁酸二钙增多会导致烧结矿还原性变差。

4.2 球团矿微观结构分析

通过对球团矿进行微观结构分析，可以看到球团矿内部孔隙结构呈“类圆状”，表明球团矿内有一定液相形成；球团矿内微孔隙结构发达，矿物颗粒间以面接触形式存在，有利于改善性能。

4.3 块矿微观结构分析

纽曼块矿的微观结构及矿相结构分析。纽曼块孔隙较多，多为微米级细孔，结构较为疏松，易在高温下形成应力点。纽曼块矿主要物相为针铁矿以及赤铁矿。纽曼块矿的铁氧化物主要以赤铁矿形式赋存，其中硅元素主要是SiO2形式存在，此外还含有大量的针铁矿，这就是造成纽曼块矿在高炉内产生热爆裂现象的主要原因。

不同于小粒级块矿有大量的黏附脉石颗粒和丰富的孔隙，大粒级的块矿，整体呈现致密状态，杂质物相较少，主要为铁氧化物组成，在内部裂缝处，块矿呈现不规则颗粒状，颗粒与颗粒之间有较丰富的孔隙。这些内部孔隙对块矿升温过程中内应力的释放起到重要作用，而外层多为致密的铁氧化物层，受热易产生裂纹进而脱落，因此在大粒级块矿中结晶水含量对裂纹的产生影响较大，是块矿软熔性能的主要影响因素［2］。

纽曼矿为典型赤铁矿，脉石含量较低，杂质元素较少；通过对不同粒度的纽曼块矿分析发现，其中全铁含量随粒度减小而降低，硅铝含量随粒度减小而升高。且烧损量在不同粒度间也存在差异，粒度越小含水量越低，因此纽曼矿中小粒度颗粒中脉石含量较高，结晶水含量相对较低。

在前期确定粒度分布的基础上，对比原始块矿和筛分后不同粒度块矿的精修结果，其中纽曼矿以赤铁矿针铁矿为主，少量的含有石英和三水铝石，且针铁矿比例随着矿石粒度的减小先升高后降低，脉石成分主要集中在较小粒级中。

对纽曼矿进行XRD 精修，分析各物相在不同粒度间的分布情况。随着矿石粒度的减小，矿石中的针铁矿先升高后降低再升高，在各粒度间存在差异，脉石成分（石英，三水铝石）相对较少，在小颗粒中比例有所提高。

5 结语

通过对天钢现场所使用的炉料进行化学分析，冶金性能研究分析和矿物类型研究分析，得出以下结论。

（1）就烧结矿而言，其TFe 较高（约57%），SiO2含量约5%，属于高铁低硅型；各组烧结矿还原度较好（78.46%～89.89%），但烧结矿的低温还原粉化指数较低（51.65%～58.30%），在高炉内易发生低温还原粉化现象；矿相研究表明，烧结矿铁酸钙呈交织状结构分布，部分位置铁橄榄石相结构多，导致了烧结还原粉化性能好、还原性能差。

（2）球团矿品位较高，碱度为0.13；抗压强度较好，还原性指数约69%；矿相研究表明，球团矿内部孔隙结构呈“类圆状”，故球团矿内有一定液相形成，球团矿内微孔隙结构发达，矿物颗粒间以面接触形式存在，有利于改善性能。

（3）相对块矿而言，SP10 块矿相对于纽曼块矿SiO2含量高、TFe含量低，SP10块矿（80.0%）比纽曼块矿（67.6%）的还原性好；SP10 块矿热爆裂指数为13.24%，纽曼块矿热爆裂指数为8.4%，说明其纽曼块矿抗热冲击能力更大，而SP10块矿含有较高的结晶水，由于高温下结晶水的排出，矿石热膨胀不同，从而产生更多粉末；相对于SP10块来讲，配加纽曼块更有利于高炉料柱透气性的改善，有利于高炉顺行。