块矿配比对高炉配合炉料冶金性能影响规律研究

谈承麟,毛晓明,徐万仁

(宝山钢铁股份有限公司中央研究院,上海 201999)

近年来,随着钢铁行业的产能过剩和市场需求的日益下滑,高炉炼铁的成本不断增加。由于块矿具有价格低廉、省下了建造生产烧结矿和球团矿的设备费用及占地费用、减弱了环境污染等优点,为了应对降本增效、节能减排等多重压力,各大企业通过不断提高入炉的块矿比例、减少或不用球团矿等熟料的方法降低炉料成本[1]。但由于块矿属于生矿,其冶金性能比烧结矿和球团矿差,一般具有以下特征:①块矿的软化温度较低、软熔带较宽、软熔性能差,熔滴区间大,这些性能导致高炉软熔带的透气性变差,下部压差增高。②块矿的热爆裂性能较差,中温区爆裂后,粉化产生大量粉末,对透气性和煤气流的分布影响严重。③块矿的Al2O3/SiO2较高,对高炉造渣影响较大,特别是初成渣影响炉内气流的变化,造成边缘气流逐步增加,同时渣中Al2O3升高,降低炉渣的流动性,降低脱硫能力而影响生铁质量。④一些块矿品种的还原性不好,造成高炉燃料比升高。因此,如果大幅度提高块矿的比例,就会出现炉料还原性变差、低温还原粉化率提高及熔滴性变差等现象,严重时会阻碍高炉的顺行,恶化冶炼指标,所以必须对单一矿石和炉料结构综合冶金性能进行分析研究。国内外多家钢铁企业在对提高高炉块矿配比进行了长期的、大量的实验室研究后,在生产实践中通过采取一系列有效措施,提高高炉块矿配比,保证了炉况稳定顺行,实现了高炉生产降本增效的目的[2]。

1 研究内容

1.1 试验原料

试验原料取自宝钢炼铁厂,分别为两种块矿(N和F),一种烧结矿,其化学成分如表1所示。

表1 两种块矿和烧结矿的化学成分

由表1可知,N块矿w(TFe)最高,为63.13%,F块矿和烧结矿的相差不大,分别为56.09%和57.36%。F块矿烧损将近是N块矿的两倍。

1.2 热爆裂指数测定

选用粒度为20～25 mm的两种块矿,用10组平行试验,每组500 g,试验设备选用马弗炉,试验温度为700 ℃,恒温30 min。试验结束后冷却至室温,通过振动筛,测其小于6.3 mm所占的百分比,最后算出这10组试验小于6.3 mm所占的百分比的平均值即为该矿的热爆裂指数。

经上述试验得到F块矿和N块矿热爆裂指数分别为16.9%和8.5%。F块矿的热爆裂指数远高于N块矿,是因为其所含结晶水和碳酸盐较多,在700 ℃条件下,结晶水蒸发和少量碳酸盐分解,导致其爆裂指数更高。但即使是热爆裂指数较高的F块矿也远比烧结矿低温还原粉化(小于3 mm的比例)产生的粉末量少,对高炉顺行影响相对较小,因此块矿的热爆裂指数不应作为评价块矿的重要指标[3]。

2 炉料冶金性能测定试验方案

含铁炉料的热态冶金性能主要包括低温还原粉化、中温还原和熔融滴落性能等。选用N块矿和F块矿分别与烧结矿按一定比例混合,进行低温粉化试验(550 ℃)和还原试验(900 ℃),具体配比方案如表2所示。

表2 不同比例配矿的冶金性能测定试验方案

2.1 低温还原粉化试验结果

低温还原粉化性的测定是模拟高炉上部条件进行的,是评价炉料冶金性能的重要指标。本次粉化试验所采用的设备是江阴南闸热工仪表厂所定制的非标试验炉,试验遵循JIS标准。比较了N块矿以及F块矿在不同配比下的低温还原分化率RDI与加权RDI之间的关系,试验结果如图1所示。

图1 两种块矿在不同配比下的低温还原粉化率

由图1得知,即使在低温还原粉化的试验中也存在着一定的交互反应。烧结矿与块矿混合后,其低温还原粉化率略有下降。相同配比的两种块矿与烧结矿混合,得到的不同混合矿,配入F块矿的混合矿其低温还原粉化率要比配入N块矿的低,说明F块矿与烧结矿混合后抗低温还原粉化性能较好,在筛分良好的情况下不会给高炉上部的透气性带来大影响。

2.2 矿石还原试验结果

本次还原试验所用设备与低温还原粉化试验所用设备一致,试验遵循JIS标准。图2是还原性测定过程中不同炉料的还原速率曲线。由图2可以看出,还原速率最快的是F块矿,还原速率最慢的是烧结矿。

图2 不同炉料还原速率曲线

根据试验所得还原失重数据,结合还原率公式,可计算得出两种块矿在不同配比下与烧结矿混合后的还原度,如图3所示。

图3 两种块矿在不同配比下的还原度

试验计算得出,单种块矿F块矿的RI为61.68%、N块矿的为56.10%。

从图3可以看出,F块矿的还原性能优于N块矿。究其原因,N块矿相较于F块矿内部孔隙率更为发达,而结构致密的物质,气体由外向内扩散的阻力相对较大,其中心的还原难度增大,导致还原率下降[4]。

N块矿与烧结矿混合后,混合矿的还原率随块矿比例增加略有降低,总体变化不大,但高于单独N块矿的还原率。F块矿与烧结矿混合后,混合矿的还原率随块矿比例增加先降低,后升高,都高于单独F块矿的还原率。相同比例的两种块矿与烧结矿混合,配入F的混合矿其还原率高于配入N块矿的。产生这种变化的原因与矿的致密度以及孔隙率等有关,其次混合后块矿与烧结矿之间可能产生了交互反应。

2.3 高温性能试验结果与分析

熔滴试验依旧遵循JIS标准,试验所采集的压差陡升温度ts(即为熔融开始温度)、滴落温度、熔融区间等参数是评价炉料结构软熔性能的重要参数;相同块矿配比的情况下,不同种类的块矿搭配对高炉冶炼的影响差异很大,优化炉料配比是保持高比例块矿冶炼的关键[5]。

本次试验的鉴定指标体系的科学性及实用性体现在:①将t10定义为软化开始温度,而将软化终了温度t40定义为试样开始不透气所对应的温度。这时,试样的物理状态是孔隙度为零,这就避开了定义压差陡升温度的随意性。②本鉴定指标体系使试验结果与高炉内的软熔带建立了一定的联系。只要知道高炉内的温度分布便可根据试验测出的t40、td(滴落开始温度,即判定试验结束)模拟高炉软熔带的径向宽度。③高炉内矿层的透气性是在下降过程中逐渐变化的。我们用t40～t10、td～ts两个温度区间来说明这种状况。在t40～t10区间内矿层虽然发生了软化,但仍能让气流通过,而在td～ts区间内气流则不能通过,后者对高炉冶炼的影响显然比前者大[6]。

本次试验结果如表3所示,各单种矿的软熔曲线如图4所示。

表3 单种矿及混合矿的熔滴试验结果

由表3、图4可知,两种块矿的开始软化温度比烧结矿低,软化终了温度又比较高,所以软化温度区间很宽。由此可见,绝大部分情况下块矿的软熔性能要比烧结矿差,单独三种矿熔滴性能烧结矿最好,其次为N块矿,F块矿最差。这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。

图4 单种矿的软熔曲线

N块矿与烧结矿混合后,随着块矿比例的增加(由15%增加到40%),其t10逐渐降低,(t40-t10)逐渐增加;ts逐渐降低,(td-ts)变化不大,维持在240 K左右;当N块矿配比小于25%,ΔPmax变化不大,都在12 kPa左右;当N块矿配比超过25%时,其变化规律不明显,可能是因为块矿颗粒的孔隙变化较小,故压差较小且稳定;软熔层厚度随配比的增加呈缓慢增长趋势。面积(S)随配比的增加总体呈降低趋势。

F块矿与烧结矿混合后其融滴性能相比较于单种F块矿明显得到提升,当F块矿配比为20%,其融滴性能最差,随着块矿比例的增加(由15%增加到25%),混合矿t10逐渐降低,(t40-t10)逐渐增加,ts逐渐降低,(td-ts)逐渐增加。在与烧结矿混合时F块矿的配比不宜超过15%。

相同比例的不同块矿分别与烧结矿进行混合,得到的两种混合矿其融滴性能相差不大,N块矿的混合矿其t10比F块矿的高;最大压差、软熔层厚度以及面积(S),F块矿的混合矿相比N块矿的混合矿略低。这可能是因为F块矿与烧结矿混合反应后其交互作用更明显。

3 结论

(1)N块矿的全铁含量比F块矿高,烧损比F块矿的低,热爆裂指数比F块矿的低。热爆裂指数高的F块矿将导致高炉冶炼时炉尘吹出量增加及高炉作业指标变坏,应在高炉配料时予以重视。

(2)N块矿的RDI比F块矿的低,两种块矿分别与烧结矿进行混合,配入F块矿的混合矿的RDI比配入N块矿混合矿的低;单种矿的还原率,烧结矿>F块矿>N块矿,F块矿和N块矿相同比例分别与烧结矿混合后,配入F块矿的混合矿还原率仍高于配入N块矿混合矿的还原率。

(3)单种矿的融滴性能,烧结矿>N块矿>F块矿,F块矿和N块矿相同比例分别与烧结矿混合后,得到的两种混合矿其融滴性能相差不大,F块矿与烧结矿混合反应后其交互作用更明显;N块矿的混合矿其t10比F块矿的高;F块矿与烧结矿的混合矿的最大压差、软熔层厚度以及面积(S)比N块矿的略低。

(4)综合块矿与烧结矿的配比试验结果,当N块矿与烧结矿混合时的含量达到25%以后,其熔滴性能变化规律并不明显,此时的粉化与还原性能指数相较于其他配比变化不大;但当N块矿与烧结矿混合后其配比占到40%时,作为炉料透气性指数的特征值面积(S)最小;而相对来说F块矿与烧结矿混合时的配比含量则不宜超过15%。