铁矿石加钙品位论

张志霞,尹海生

(1.河北联合大学 科研处,河北唐山 063009;2.河北联合大学冶金与能源学院,河北 唐山063009)

工作中曾几次听到过:“因为烧结矿的碱度越高品位越低,所以烧结矿的碱度不能定得太高”、“因为球团矿的品位高,烧结矿的品位低,所以高炉要尽量多吃球团矿少吃烧结矿”。笔者对以上说法不敢苟同,认为:烧结矿碱度高是因为加进了钙,而钙是对高炉冶炼有用的元素,钙不加在烧结矿里,也会加在球团矿里或以石灰石的形式直接加入高炉,钙量必须满足高炉炉渣碱度的要求。只要铁精粉选定了,加入的钙量也就确定了。即加钙量只取决于铁精粉的化学成分而与是否加在烧结矿里无关,或说烧结矿品位降低并不会影响出铁量。提高碱度主要是为了改善烧结矿的冶金性能。对“多吃球团矿少吃烧结矿”的驳论也是如此。

持以上不妥说法的人士,可能是对烧结、球团、炼铁知识不甚精通的人士,但是品位这一指标的重要性显然已深入其心。作者沉思,品位虽重要,但也会将不精通专业知识的人士引入歧途,如果能用一个更合理更客观的指标来描述这一内容岂不更好。本文提出的“加钙品位”就能解决这一问题。

有关文献[1]在介绍球团矿的优点时也写到“球团矿品位高”。从国外进口的大部分球团矿品位高,笔者认同,而国内生产的许多球团矿品位在63～64,高吗?笔者不能认同。球团矿里加进了不少膨润土,膨润土里有半数以上的硅,也就是说球团矿里加进了很多有害元素硅,这些硅进入高炉后是要靠烧结矿里的钙来中和的。

球团矿里加进了有害元素,烧结矿里加进了有用元素,如果用的是同一种铁精粉,烧结矿的冶炼价值要大于球团矿,但表面上却是球团矿的品位高,似乎是球团矿的冶炼价值高。如何来表示烧结矿的冶炼价值高于球团矿呢?本文的加钙品位也能解决这一问题。

1 改进品位指标的重要意义和必要性

品位即指铁矿石的含铁量,是衡量铁矿石冶炼价值的重要指标。在采矿、选矿、烧结、球团以及炼铁等各工序中都要用到这一指标。无论专业技术人员还是管理人员以及经销商,无不知晓这一指标。铁矿石有无开采价值,开采后能否直接入炉冶炼,主要取决于这一指标。铁矿石价格上下浮动,以品位变化为依据,高低一个品位,相应涨降多少元。

随着冶金技术的进步,冶金工作者对这一指标有了更深刻的认识,并不断地探索这一指标的合理性。例如,上世纪七十年代,提出了扣钙品位的概念,并放进了当时冶金部制定的烧结矿质量标准中[2]。规定烧结矿的品位为。又如文献[3]写到:铁矿石含铁量降低时,其冶炼价值降低的幅度远比含铁量降低的幅度大。并设定了四种铁矿石,进行了计算(铁全部以Fe2O3形式存在,酸性脉石为主,生铁中92%的铁由铁矿石带入,炉渣碱度为1.05,石灰石有效熔剂性50%)。炼一吨生铁需要的矿石量、脉石量、熔剂量如表1。

表1 炼一吨生铁需要的矿石量、脉石量、熔剂量

从表1可以看出,矿石含铁量依次降低10%,而矿石中脉石量、熔剂消耗量依次增长3.5倍、7.2倍和13.0倍。

计算结果不但说明了品位指标的重要性,而且还说明了修正这一指标的必要性。

2 加钙品位的思考

生产实践中发现,品位这一指标对于有些矿石,例如高钙矿(也称碱性矿)、高硅矿等不能很好地衡量它们的冶炼价值。由于品位指标的重要性和敏感性,就迫使冶金工作者思考及改进这一指标。扣钙品位正是在这种思考下提出并实施的改进指标。扣钙品位虽然实施了,至今偶尔也用到,但并没有广泛的使用。这就意味着扣钙品位没有被广泛的认可。这是因为,它只解决了矿石中钙的问题,而没有解决硅的问题,而硅在生产中也是一个重要的元素。能否把钙、硅这两个重要元素一并考虑到品位中去?文献[3]是这样处理的:甲、乙两种矿石,甲矿铁低钙高,将甲矿换算成乙矿的碱度后再计算品位,然后加以比较,如表2。

表2 甲乙矿折算品位比较

表2表明:表面看甲矿品位低,冶炼价值低,而折算处理后显示甲矿的冶炼价值更高。

以上这种处理的思路是:把不同矿石换算成相同的碱度,再计算品位。甲矿中CaO比乙矿多,可认为是另外加进去的钙。这种处理显然是没有与高炉渣碱度联系起来,也是有缺陷的。

武轶在“对进口铁矿石评价的新法初探”[4]中认为,以往评估和优化烧结含铁料主要是依靠“吨度价”和“单烧值”,这种评估是有缺陷的。武轶研究探索了新法——硅平衡单烧法,即在单烧计算的基础上再配一种高硅矿,以保持烧结矿中的SiO2含量稳定在某一范围,并使烧结矿中的R、MgO和SiO2含量均处于同一水平。此法也没有与高炉渣碱度联系起来,应该说也是不完美的。

大型高炉的有效容积利用系数远不如中小高炉,许多专家认为:不是大型高炉的冶炼技术水平低,而是这一指标不科学。如果用炉缸面积利用系数代替有效容积利用系数,或用燃烧强度代替冶炼强度将会更客观、更合理地反映高炉冶炼技术水平[5]。这说明,随着冶金工业的发展和技术进步,有些指标需要改进或代替,铁矿石品位这一指标也在改进或完善之列。

熔剂的“有效熔剂性”是早已广泛使用的改进名词,是从熔剂的钙含量演化而来,它不但考虑了熔剂中的SiO2含量,同时还考虑了炉渣碱度,是一个比较合理的概念。其定义是:按炉渣碱度要求,除去本身酸性氧化物消耗掉的碱性氧化物外,剩余碱性氧化物含量。作者认为:既然熔剂可以这样处理,矿石也完全可以这样处理。

综上所述,作者将铁矿石的品位这一指标进行了改进,衍生出加钙品位。其定义为:铁矿石补加氧化钙达到高炉炉渣碱度要求时铁元素的质量百分含量。

3 相关定义及表达式

(1)基础品位(通常说的品位):铁矿石中铁元素的质量百分含量。表达式为:

(2)扣钙品位:铁矿石扣除CaO后铁元素的质量百分含量。表达式为:

(3)加钙品位:铁矿石补加氧化钙达到高炉炉渣碱度要求时铁元素的质量百分含量。表达式为:

以上三式中:Fe、CaO、SiO2——铁矿石化学分析中的质量百分含量。

Rs——高炉炉渣碱度(即高炉渣中碱性氧化物/高炉渣中酸性氧化物)。

4 补加氧化钙后,加钙品位不变的推导

这里设定两个试样:一为原样,总量100 g。二为加钙样,即在原样100 g中加入xgCaO,总量(100+x) g。化学成分如下:

CaO原 样 a b c加钙样 A B C Fe SiO2

这里的A、B、C与a、b、c存在如下关系:

将(4)、(5)、(6)式代入(8)式

化简后得到(7)式,即:TFe+CaO'=TFe+CaO。

也就是说,补加氧化钙后的加钙品位与原样的加钙品位相等,也即加钙品位不变。这一结果与烧结矿提高碱度后冶炼价值不变是一致的。

算例:用文献[5]的数据(表3),计算加钙品位。

表3 梅山精粉化学成分(%)

计算得知加钙品位TFe+CaO=56.95。

若在梅山精粉中加入5%的CaO(相当于100 kg梅山精粉中加入5 kgCaO),相应成分计算如表4。

表4 加钙梅山精粉化学成分(%)

计算加钙梅山精粉的加钙品位TFe+CaO'=56.95,即加钙前后梅山精粉的加钙品位不变。

5 加钙品位计算

5.1 铁矿石加钙品位计算

作者从文献[3]15中查得某些铁矿石的化学成分,以这些化学成分为基础,分别计算扣钙品位和加钙品位(Rs=1.1),并与原品位进行比较,结果如表5。

表5 铁矿石加钙品位计算(%)

从以上计算结果可看出,扣钙品位全部是提高的,平均提高3.58个品位,相对增量平均为7.03个百分点。加钙品位有的提高、有的降低,平均降低了2.98个品位,相对增量平均为-5.85个百分点。铁矿石中SiO2含量高,若全部用铁矿石炼铁,生产中必须加入石灰石,加钙品位大部分下降或平均下降,这与铁矿石冶炼价值低是一致的,因此说明用加钙品位评价铁矿石的冶炼价值是比较客观合理的。

对于个别矿石,如包头(赤)和甲矿,由于CaO的含量比SiO2含量高,它的加钙品位更高,也体现了它的冶炼价值在增长。对于乙矿和海南岛矿,加钙品位大幅下降,其冶炼价值也大幅下降。这应该是为生产者和使用者都能接受的说法。

5.2 烧结矿加钙品位计算

加钙品位可以扩展使用到精矿粉、烧结矿、球团矿、入炉混合料等方面。下列表6数据是从文献[6]查得的几种烧结矿的主要化学成分,以这些成分为基础,计算烧结矿的扣钙品位、加钙品位,并与原品位进行比较(Rs=1.1)。

表6 烧结矿加钙品位计算(%)

表6中的数据是全梅山精粉烧结条件下,SiO2在4.5%左右的试验烧结矿数据。试验烧结矿的碱度从1.07变到2.03,而加钙品位变化很小,都是60点几,极差只有0.28。这里的差别是由于烧结辅料带进的SiO2量不同引起的,而与碱度无关。也就是说,只要SiO2含量不变,加钙品位是不变的。而基础品位随碱度提高而下降,扣钙品位大幅上升。

作者认为,扣钙品位、基础品位都不能很好地反映烧结矿的冶炼价值,只有加钙品位才能更客观更合理地描述烧结矿的冶炼价值。

文献[6]在分析烧结矿品位时这样写到:“全梅精烧结条件下,烧结矿SiO2在4.5%左右(见表6),铁品位基本上都在58.0%以上,与当前烧结矿品位持平。当碱度在1.3、1.41、1.54时,品位都在59.0%以上。品位上升对高炉提高产量、降低焦比、减少渣量及炉况顺行均有积极的意义。”注意这里的“品位上升”、“有积极意义”,作者理解为:文献作者认为全梅精烧结碱度降低时,品位上升,对生产有积极作用,应降低碱度。

众知,降低碱度会降低冶金性能。目前大多厂都生产高碱度烧结矿,高碱度烧结矿会有品位降低的“消极意义”吗?本作者认为:只要是全梅精烧结,无论烧结矿碱度高低,它的冶炼价值是不变的。碱度高品位低,是加进了钙引起的,而钙是有用元素,不加在烧结矿里也要加在高炉里。全梅精烧结,无论烧结矿碱度高低,其冶炼价值不变可用加钙品位不变来表示。

5.3 球团矿加钙品位计算

表7中球团矿的化学成分是从文献[7-8]中查得的(Rs=1.1)。

表7 球团矿加钙品位计算(%)

表7中给出的5种球团矿,品位从63.29到67.16,平均为64.70,扣钙品位平均为64.98,相对增量平均为0.43,可见扣钙品位变化很小;而加钙品位平均为61.02,相对增量平均为-5.67,加钙品位大幅下降,尤其是2007均球,加钙品位只有57.84,下降了8.61%。球团矿加进了很多SiO2,它的冶炼价值大幅度下降。冶炼价值大幅度下降正好与加钙品位大幅下降一致。所以说用加钙品位来评价球团矿冶炼价值也是客观合理的。

5.4 铁精粉加钙品位计算

表8是从文献[9]中查得的3种铁精粉的主要化学成分。扣钙品位、加钙品位(Rs=1.1)计算结果列入表8中。

表8 铁精粉加钙品位计算(%)

从表8看出,辽宁精粉基础品位最高,为66.77,而加钙品位最低。这是因为辽宁精粉较另两种精粉硅高钙低,自然冶炼价值就低。所以用加钙品位来评价铁精粉的冶炼价值也是客观合理的。

6 结 语

作者提出的评价铁矿石冶炼价值的新概念——加钙品位,是将铁矿石中最重要的三个元素Fe、Si、Ca综合在一起的一个综合指标。其定义为:铁矿石补加CaO达到高炉炉渣碱度要求时铁元素的质量百分含量。表达式为

铁矿石加钙品位可以扩展使用到铁精粉、烧结矿、球团矿以及入炉混合料等方面。

希望这一概念能得到广大冶金工作者的认同,并加以使用和推广。对于“加钙品位”这一名称是否贴切,也需要同行讨论。作者曾想用“折算品位”或“标准品位”、“补钙品位”等来命名,但考虑再三,还是用了“加钙品位”这一名称。无论什么名称,这一概念的内涵是不变的。

[1] 傅菊英,朱德庆.铁矿氧化球团基本原理、工艺及设备[M].北京:冶金工业出版社,2005.

[2] 鞍钢炼铁厂.炼铁工艺设计手册[M].北京:冶金工业出版社,1973.

[3] 任贵义.炼铁学[M].北京:冶金工业出版社,1996.

[4] 武轶.对进口矿石评价的新法初探[J].烧结球团,2003,28(3):4-8.

[5] 刘琦.我国中型高炉生产技术中存在的问题与对策[J].炼铁,2008,27(6):36.

[6] 刘佩秋,吴浩方,戴红.梅钢全梅精烧结试验研究[J].烧结球团,2008,33(2):23.

[7] 邱国,袁铭杰,卢锡友.进口球团矿在韶钢高炉上的应用[J].炼铁,2008,27(6):42.

[8] 徐若兰,赵吉祥.本钢球团降低膨润土配量的试验研究与生产实践[J].烧结球团,2008,33(3):5.

[9] 赵威,王翠轻.邯邢磁铁矿精粉用作球团原料的试验研究[J].烧结球团,2008,33(6):11.