高爐入爐原料優化的生產實踐

陳 艷，張文政

（天津市新天鋼聯合特鋼有限公司，天津 301500）

1 前言

新天鋼聯合特鋼高爐爐料結構為70%～80%的燒結礦、10%～15%的塊礦以及10%～15%的球團，高燒結比的特點顯著。燒結礦占比長期在75%左右，鑒于如此高比例的燒結礦，這種情況下燒結礦堿度對燒結自身產質量指標和高爐煉鐵的影響更為顯著，高堿度燒結礦的綜合爐料軟熔性能、煤氣利用率、高爐經濟型核算都有必要展開針對性的研究。

關于低硅低堿度的技術研究能夠使燒結礦品位得到有效提升，但是堿度的下降會導致利用系數下降，燒結礦質量和冶金性能受到影響。因此，新天鋼聯合特鋼在現有原燃料條件下，以高堿度燒結礦為基礎，對燒結礦與球團及塊礦交互作用、高爐綜合爐料結構優化等方面進行機理性研究，為高球團、塊礦比奠定理論基礎，最終形成有利于指導現場燒結與高爐工序協作高效經濟生產的研究結果。

2 現場爐料化學成分

高爐爐料結構為70%～80%的燒結礦、10%～15%的塊礦以及10%～15%左右的球團。根據生產現場所使用爐料，選擇燒結機所產燒結礦、豎爐自產球團礦、南非塊礦以及SP10塊礦為研究對象，對其冶金性能進行分析。

所選定的5種含鐵爐料的化學成分，1#、2#燒結礦的TFe 分別為56.32%和57.01%，兩次取樣的燒結礦的TFe 相差不大，SiO2約5%，屬于典型的高鐵低硅型燒結礦，燒結礦堿度為1.95～2.00，SiO2和MgO處于較低水平，會使其還原粉化性能降低。

球團礦中FeO低于0.4%，SiO2為5.22%，屬于高硅，其堿度為0.03，屬于酸性球團。SP10 塊相對于南非礦，SiO2含量較高、TFe含量低、H2O含量少的特點。南非礦燒損為0.38%，屬于赤鐵礦，而SP10 礦燒損為1.31%。

3 現場爐料冶金性能試驗結果與分析

為評估分析當前燒結礦及高爐綜合爐料冶金性能上的優缺點，現對天鋼現場所使用的爐料進行冶金性能分析，評估當前燒結礦及高爐綜合爐料冶金性能上的優缺點，以明晰燒結礦為主的綜合爐料質量優化的方向。

3.1 燒結礦還原性能試驗結果與分析

對于燒結礦來說，若燒結礦具有較好的還原性能，燒結礦中的FeO 將更多地被還原為金屬鐵，使進入渣中的FeO 相應減少，因而使燒結礦具有較高的軟熔溫度。通過對天鋼不同批次的燒結礦進行還原性能檢測，1#、2#、3#燒結礦的還原度指數分別為88.33%、89.89%以及78.46%。一般而言，優質燒結礦的還原度指數要求≥78%，天鋼的3 種燒結礦均屬于優質燒結礦，其中3#燒結礦的還原度指數偏低。

3.2 燒結礦還原粉化性能試驗結果與分析

從燒結礦的低溫還原粉化試驗結果可以看出1#、2#燒結礦的低溫還原粉化指數分別為57.84%、51.65%，3#機燒結礦的低溫還原粉化指數為58.30%。比較而言，3#燒結礦的低溫還原粉化指數比1#和2#燒結礦好，有利于減少在高爐中上部的低溫區域粉化現象。

3.3 塊礦還原性能試驗結果與分析

南非塊礦及SP10 塊礦的還原度指數分別為61.72%以及56.54%。南非塊礦還原性能明顯優于SP10塊礦，有利于提高高爐利用系數。

3.4 塊礦熱爆裂性能試驗結果與分析

塊礦在高爐中加熱還原的過程中，其中的針鐵礦向赤鐵礦轉變，產生水分。隨著溫度的持續升高，部分的水蒸氣在封閉氣孔中產生較大的內應力。當相鄰的封閉氣孔間達到破碎應力上限時氣孔貫穿。當多個相鄰氣孔貫穿形成裂紋時，破碎顆粒會從塊礦基體上剝落形成細小粉末，使得料層的透氣性變差，影響還原氣體的上升，熱爆裂性是塊礦重點關注的指標。

南非塊礦的熱爆裂指數為8.4%，而SP10 塊礦的熱爆裂指數為13.23%。南非塊礦的爆裂性能優于SP10塊礦，產生的粉末少，能夠減少粉狀對高爐煤氣流的堵塞，從而提高高爐透氣性。

3.5 球團礦還原膨脹試驗結果與分析

在高爐冶煉過程中，球團礦還原膨脹會對其冶煉帶來不利影響，膨脹可能導致球團強度陡降，出現裂紋和粉化現象，導致高爐料層透氣性降低，冶煉難度加大。

3.6 球團礦還原性能試驗結果與分析

球團礦的整體抗壓強度較好，最高抗壓強度達到了3 160 N，平均抗壓強度2 446 N。試驗研究過程中發現球團礦的抗壓強度存在一定的波動，生產中應注意操作。

球團礦的還原度為69%，相比一般的堿性球團，酸性球團的還原度較低，主要原因：堿性球團在焙燒過程中由于碳酸鈣分解放出CO2，使得球團的開氣孔率增加，有利于還原過程的進行；堿性球團的礦物組成中有一定數量的易還原的鐵酸鈣，并且球團的堿度較高，鐵酸鈣數量較多，還原性能相應提高。

3.7 現場爐料荷重軟化熔滴性能試驗結果與分析

通常要求入爐原料的軟化溫度區間窄，熔滴溫度適當。一般而言，軟化溫度高于1 050 ℃、熔滴溫度高于1 450 ℃、軟化區間低于200 ℃、熔滴溫度區間低于100 ℃的礦石，屬于冶金性能好的礦石［1］。

一般而言，高堿度燒結礦的軟熔溫度較高，主要是因為隨著燒結礦堿度的提高，CaO含量相應增加，很容易形成2CaO·SiO2（C2S），而2CaO·SiO2的熔點很高，達到2 130 ℃，故燒結礦堿度的提高能導致礦石軟熔溫度升高。而且當燒結礦堿度一定時，隨著MgO的增加，初渣中含MgO的高熔點物質增多，渣相熔點升高，燒結礦熔化帶和軟熔帶區間顯著增加，軟化區間變化不大。

脈石成分含量形成的高熔點礦物導致；球團礦軟化開始溫度、滴落溫度低于燒結礦，軟熔帶窄；塊礦的軟熔區間最窄，滴落溫度遠低于燒結礦和球團礦，塊礦的雜質元素含量低。塊礦的軟化溫度區間很寬是因為塊礦中礦物組成不均勻，既有大量低熔點礦物，也有許多高熔點礦物所致。

隨球團礦w（MgO）升高，軟化結束溫度升高，熔化帶透氣性提高由于礦物組成的差異，堿性燒結礦的軟熔溫度一般高于酸性塊礦和球團礦的原因有兩個：（1）燒結礦的還原性優于球團礦和塊礦，同樣條件下還原出的鐵相更多，容易發生連晶，使其外部的鐵殼較厚，增強了燒結礦的抗變形能力；（2）燒結礦還原后的礦物組成為熔點較高的Ca2SiO4，而球團礦和塊礦礦物組成為熔點較低的Fe2SiO4（鐵橄欖石）。

對現場爐料進行綜合爐料荷重軟化熔滴試驗，按現場高爐爐料所使用配比“70%燒結礦+15%塊礦+15%球團”進行試驗?；谔熹撀摵咸劁摤F場高爐爐料結構，設計綜合爐料配比，利用荷重軟化熔滴設備研究天鋼聯合特鋼現場高爐基準配比下的綜合爐料熔滴性能。

對比3種燒結礦單種爐料的軟化熔滴數據，綜合爐料的軟化性能有了明顯的改善。與單一爐料熔滴試驗相比，綜合爐料軟化性能相當，熔化性能改善明顯，與燒結礦相比，滴落溫度降低了43 ℃；與球團礦及塊礦相比，滴落溫度提高了100～160 ℃。這是由于燒結礦還原性能較好，另一方面較高堿度的燒結礦與其酸性塊礦的堿度差別更大，因而與塊礦的交互反應推動力也更大，在更大程度上解決塊礦自身軟熔性能差的問題。

4 現場爐料微觀結構及物相分析

4.1 燒結礦微觀結構分析

燒結礦中的礦物類型和其微觀結構對燒結礦的冶金性能起著重要作用。當前國內外的燒結礦工藝主要是基于鐵酸鈣理論生產高堿度燒結礦發展而來。復合鐵酸鈣是高堿度燒結礦的主要黏結相之一，復合鐵酸鈣既具有較高的還原性，同時其強度也較高。使燒結礦中生成大量的復合鐵酸鈣，有利于提高燒結礦的還原性和燒結礦強度。高堿度燒結的堿度大于2.5 時，由于生成鐵酸二鈣增多會導致燒結礦還原性變差。

4.2 球團礦微觀結構分析

通過對球團礦進行微觀結構分析，可以看到球團礦內部孔隙結構呈“類圓狀”，表明球團礦內有一定液相形成；球團礦內微孔隙結構發達，礦物顆粒間以面接觸形式存在，有利于改善性能。

4.3 塊礦微觀結構分析

紐曼塊礦的微觀結構及礦相結構分析。紐曼塊孔隙較多，多為微米級細孔，結構較為疏松，易在高溫下形成應力點。紐曼塊礦主要物相為針鐵礦以及赤鐵礦。紐曼塊礦的鐵氧化物主要以赤鐵礦形式賦存，其中硅元素主要是SiO2形式存在，此外還含有大量的針鐵礦，這就是造成紐曼塊礦在高爐內產生熱爆裂現象的主要原因。

不同于小粒級塊礦有大量的黏附脈石顆粒和豐富的孔隙，大粒級的塊礦，整體呈現致密狀態，雜質物相較少，主要為鐵氧化物組成，在內部裂縫處，塊礦呈現不規則顆粒狀，顆粒與顆粒之間有較豐富的孔隙。這些內部孔隙對塊礦升溫過程中內應力的釋放起到重要作用，而外層多為致密的鐵氧化物層，受熱易產生裂紋進而脫落，因此在大粒級塊礦中結晶水含量對裂紋的產生影響較大，是塊礦軟熔性能的主要影響因素［2］。

紐曼礦為典型赤鐵礦，脈石含量較低，雜質元素較少；通過對不同粒度的紐曼塊礦分析發現，其中全鐵含量隨粒度減小而降低，硅鋁含量隨粒度減小而升高。且燒損量在不同粒度間也存在差異，粒度越小含水量越低，因此紐曼礦中小粒度顆粒中脈石含量較高，結晶水含量相對較低。

在前期確定粒度分布的基礎上，對比原始塊礦和篩分后不同粒度塊礦的精修結果，其中紐曼礦以赤鐵礦針鐵礦為主，少量的含有石英和三水鋁石，且針鐵礦比例隨著礦石粒度的減小先升高后降低，脈石成分主要集中在較小粒級中。

對紐曼礦進行XRD 精修，分析各物相在不同粒度間的分布情況。隨著礦石粒度的減小，礦石中的針鐵礦先升高后降低再升高，在各粒度間存在差異，脈石成分（石英，三水鋁石）相對較少，在小顆粒中比例有所提高。

5 結語

通過對天鋼現場所使用的爐料進行化學分析，冶金性能研究分析和礦物類型研究分析，得出以下結論。

（1）就燒結礦而言，其TFe 較高（約57%），SiO2含量約5%，屬于高鐵低硅型；各組燒結礦還原度較好（78.46%～89.89%），但燒結礦的低溫還原粉化指數較低（51.65%～58.30%），在高爐內易發生低溫還原粉化現象；礦相研究表明，燒結礦鐵酸鈣呈交織狀結構分布，部分位置鐵橄欖石相結構多，導致了燒結還原粉化性能好、還原性能差。

（2）球團礦品位較高，堿度為0.13；抗壓強度較好，還原性指數約69%；礦相研究表明，球團礦內部孔隙結構呈“類圓狀”，故球團礦內有一定液相形成，球團礦內微孔隙結構發達，礦物顆粒間以面接觸形式存在，有利于改善性能。

（3）相對塊礦而言，SP10 塊礦相對于紐曼塊礦SiO2含量高、TFe含量低，SP10塊礦（80.0%）比紐曼塊礦（67.6%）的還原性好；SP10 塊礦熱爆裂指數為13.24%，紐曼塊礦熱爆裂指數為8.4%，說明其紐曼塊礦抗熱沖擊能力更大，而SP10塊礦含有較高的結晶水，由于高溫下結晶水的排出，礦石熱膨脹不同，從而產生更多粉末；相對于SP10塊來講，配加紐曼塊更有利于高爐料柱透氣性的改善，有利于高爐順行。