陳海軍

(新疆昆玉鋼鐵有限公司)

摘 要: 針對近年來昆玉鋼鐵高爐在使用高 MgO 爐料配比存在的問題及高爐生產(chǎn)狀況，開展了高爐高( MgO) 渣性能研究及高 MgO 爐料性能及結(jié)構(gòu)協(xié)同優(yōu)化。認為昆玉高爐爐料結(jié)構(gòu)應(yīng)依據(jù)現(xiàn)有生產(chǎn)裝備及進口高 MgO 鐵礦資源條件下，合理調(diào)配高 MgO 精礦在燒結(jié)與球團中的比例，逐步實現(xiàn)以高堿度低 MgO 燒結(jié)礦配加高 MgO 酸性球團礦的綜合爐料，在滿足高爐爐況穩(wěn)定順行的基礎(chǔ)上，提高高 MgO 鐵精礦使用量，達到爐料結(jié)構(gòu)功效最大化，生鐵成本最優(yōu)。

關(guān)鍵詞: 高爐; 高 MgO 鐵精粉; 爐料結(jié)構(gòu); 資源優(yōu)化

新疆昆玉鋼鐵煉鐵廠現(xiàn)兩座 450m³ 高爐，配置一臺 210m² 帶式抽風(fēng)燒結(jié)機及一條 60 萬 t /a 鏈篦機 － 回轉(zhuǎn)窯球團生產(chǎn)線。兩座高爐分別于 2013 年6 月底和 7 月初相繼開爐，開爐初期，受環(huán)保及去產(chǎn)能雙重壓力及疆內(nèi)鐵礦石價格大幅度上漲的影響，生鐵成本居高不下，嚴重制約了企業(yè)生存空間，昆玉鋼鐵處于間歇式生產(chǎn)狀態(tài)。

2018 年昆玉鋼鐵利用所處西部新疆區(qū)位優(yōu)勢，先后與俄羅斯、哈薩克斯坦等國家的礦石供應(yīng)商建立良好的貿(mào)易關(guān)系，在穩(wěn)定進口礦粉供應(yīng)的同時，逐漸加大價格較低廉的高 MgO 磁鐵精礦粉進口比例。近年來，為探索大比例使用高 MgO 鐵精礦，在高爐 － 燒結(jié) － 球團各生產(chǎn)工序進行了高( MgO) 渣冶煉、高 MgO 高堿度燒結(jié)^［1］及含 MgO 酸性球團生產(chǎn)工藝優(yōu)化，通過逐漸增加進口高 MgO 鐵精礦粉使用配比，努力提高技術(shù)質(zhì)量指標，降低了生產(chǎn)成本與工序能耗。

1 昆玉煉鐵爐料結(jié)構(gòu)及高爐生產(chǎn)情況

昆玉鋼鐵高爐入爐料技術(shù)質(zhì)量指標見表 1。

近年來，昆玉鋼鐵高爐爐料結(jié)構(gòu)主要是以高MgO 高堿度燒結(jié)礦配加含 MgO 酸性球團礦入爐，隨著入爐料中高 MgO 磁鐵精礦粉配加量的增加，燒結(jié)礦、球團礦的強度、還原性及高溫軟熔性能也發(fā)生了改變。昆玉鋼鐵高爐在使用高 MgO 爐料后，高爐始終難以維持長周期穩(wěn)定順行，爐況處于間斷不穩(wěn)定狀態(tài)，雖然在操作上也做相應(yīng)的調(diào)整，但煤氣利用波動較大，經(jīng)常發(fā)生掉渣皮及崩、滑料現(xiàn)象，燃料消耗居高不下，沒有達到使用高 MgO 爐料穩(wěn)定爐況、優(yōu)化指標的目的。昆玉鋼鐵高爐主要經(jīng)濟技術(shù)指標生產(chǎn)情況見表 2。

因此，昆玉鋼鐵在進口高 MgO 鐵礦資源且供給充足條件下，開展了通過選擇適宜的造渣制度，最大比例使用價格低廉的高 MgO 磁鐵精礦，既降低配礦成本又能滿足高爐生產(chǎn)需求的高( MgO) 渣系性能研究。

2 高( MgO) 渣系性能研究

2． 1 爐渣熔化溫度變化

在 Al2O3 = 15% 時的 CaO － SiO₂ － MgO － Al₂O₃四元渣系等溫度相圖^［2］( 圖 1) 中添加兩條等 MgO 線( 10% 、17% ) ，爐渣的熔化溫度隨著渣堿度和渣中 MgO 含量的升高而升高，由圖 1 可以看出，爐渣MgO 含量為 10% 時，爐渣熔化溫度隨著堿度的變化也有較大變化，當渣堿度約為 1． 1 時，所對應(yīng)的( 圖中橢圓 A 區(qū)域) 為昆玉鋼鐵高爐近年來爐渣熔化溫度變化區(qū)間，此熔化溫度區(qū)間為 1410 ～ 1440℃。隨著渣中 MgO 含量升高至17% 時，其熔化溫度也隨之升高 20℃，此時的爐渣即使堿度在 0． 95 ～ 1． 15 較大范圍變化，其熔化溫度( 圖中橢圓 B 區(qū)域) 仍靠近1450℃等溫線上，說明該爐渣具有較高的熔化溫度和良好的穩(wěn)定性，另外當爐渣 MgO 含量高于 17% ( B 區(qū)域向右移動) 發(fā)生變化時，熔化溫度會隨堿度的升高而升高較快，降低爐渣堿度，可以緩解熔化溫度的敏感性。

由此得出: 冶煉 MgO 含量為 17% 的爐渣，并適當降低高爐爐渣堿度在一定范圍內(nèi)( 0． 95 ～ 1． 05) ，爐渣不僅具有較高的熔化溫度和良好的穩(wěn)定性，有利于高爐軟熔帶的穩(wěn)定及煤氣利用的提高，而且能緩解高鎂爐渣因鎂含量變化引起的溫度敏感性，同時可以減少高爐冶煉過程 CaO 的添加量，降低生鐵成本及能耗。

2． 2 爐渣黏度變化

高爐正常冶煉適宜的爐渣黏度應(yīng)控制在 0． 4Pa·s 以下^［3］，提高爐渣 MgO 含量是調(diào)整爐渣黏度為0． 3 ～ 0． 4Pa·s 的有效措施之一^［4］。在高爐正常生產(chǎn)中，排出爐外的爐渣溫度一般為 1500℃，如 CaO－ SiO₂ － MgO － Al₂O₃ 四元渣系等黏度相圖^［2］( 圖2) 所示，在 1500℃時，爐渣 MgO 含量由 10% 增加至17% ，即使爐渣二元堿度在 0． 90 ～ 1． 10 范圍波動，爐渣黏度也能穩(wěn)定在 0． 3 ～ 0． 4Pa·s。( 圖 2 橢圓 C區(qū)域) ，完全能達到理想爐渣黏度狀態(tài)。尤其 MgO 含量為 17% 的爐渣，當爐況波動造成爐渣溫度降至1400℃時，其黏度也能保持在 0． 6Pa·s 以內(nèi)( 圖 2橢圓 D 區(qū)域) ，爐渣仍具有良好的流動性，不會發(fā)生因爐渣溫度急劇降低引起黏度變化，導(dǎo)致爐況不順現(xiàn)象。

2． 3 爐渣脫硫排堿性能的變化

提高爐渣脫硫排堿能力，可以有效降低［S］及堿金屬等有害元素在高爐內(nèi)的循環(huán)富集，保證生鐵質(zhì)量和高爐穩(wěn)定順行。近年來，昆玉鋼鐵高爐入爐有害元素，主要是堿金屬( Na₂O + K₂O) 及鋅( Zn) 負荷偏高。統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，入爐堿金屬負荷高達4． 4 kg /t 以上，最高值達6． 5 kg /t，鋅負荷高達0． 94 kg /t， 最高峰值達 1． 1kg /t，過高的堿金屬及鋅負荷在爐內(nèi) 循環(huán)富集并加劇了燒結(jié)礦的還原粉化及球團礦的異常膨脹，導(dǎo)致料柱透氣性下降，給高爐的強化冶煉操作帶來不利影響。提高( MgO) 含量并適當降低爐渣堿度，可以降低渣中 K₂O、Na₂O 活度，改善爐渣脫硫動力學(xué)條件，提高爐渣脫硫排堿能力，由歐洲某鋼鐵公司正常生產(chǎn)時的高爐爐渣成分^［4］中可以看出: 高 MgO 低堿度爐渣具有較強的脫硫排堿能力( 見表 3) 。

2． 4 爐渣成分控制范圍

分析認為，MgO 含量為 17% 的爐渣，不僅具有較高的熔化溫度和良好的穩(wěn)定性，能夠改善爐內(nèi)軟熔帶縱向和圓周方向上的溫度分布，有利于煤氣利用及爐況穩(wěn)定，并且爐渣具有良好的流動性和脫硫排堿能力。目前，新疆昆玉鋼鐵高爐渣中 MgO 含量約為 11． 5% ，在提高高 MgO 爐料入爐比例，滿足爐渣( MgO) = 17% 的同時適當降低爐渣堿度，堿度的調(diào)整以鐵水中［S］控制在一類鐵為依據(jù)，將爐渣 R₂ 維持在 1． 0 ± 0． 05 范圍內(nèi)較為適宜。

3 高 MgO 爐料性能及結(jié)構(gòu)協(xié)同優(yōu)化

通過對燒結(jié)礦、球團礦等爐料的礦物組成按一定比例科學(xué)、合理搭配，使爐料的強度、還原性及高溫軟熔性能滿足高爐生產(chǎn)過程中的透氣性、爐渣性能及爐況順行等因素的冶煉需求，實現(xiàn)高爐高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、低耗、長壽的目標。

3． 1 提高 MgO 對燒結(jié)礦性能的影響

多年來的理論研究和生產(chǎn)實踐表明，高堿度燒結(jié)礦具有良好的還原性和高溫軟熔性能。由于高堿度燒結(jié)礦是以強度好，還原性好的鐵酸鈣為主要黏結(jié)相，當高堿度燒結(jié)礦中 MgO 含量過高時，會導(dǎo)致燒結(jié)礦強度變差，其主要原因是 MgO 在燒結(jié)過程中易與 Fe₃O₄ 反應(yīng)生成鎂磁鐵礦，阻礙 Fe₃O₄ 氧化成 Fe₂O₃，即阻礙了鐵酸鈣的生成，造成燒結(jié)礦強度和還原性變差。高爐實踐表明，燒結(jié)礦中 MgO 質(zhì)量分數(shù)增加 1% ，燒結(jié)礦的冷強度就下降 3% ，還原性降低 5% 。由于含 MgO 的礦物多是難熔礦物，它們的形成造成燃耗升高，液相量和流動性變差，導(dǎo)致冷強度變差，燒結(jié)機產(chǎn)量下降^［5］。

有研究表明: 高 MgO 高堿度( MgO 為 2． 4% ，自由堿度 2． 0) 燒結(jié)礦在還原軟熔過程中，MgO 易與 SiO₂、Al₂O₃、浮氏體結(jié)合，形成鈣鎂橄欖石、鎂黃長 石、鎂鐵黃長石等熔體的初渣，導(dǎo)致未熔渣堿度升高，使 CaO 與 SiO₂ 結(jié)合形成 2CaO·SiO₂ 硅酸二鈣為主相的高熔點難熔渣粉，在燒結(jié)礦表面不斷析出，造成未熔渣與熔化渣之間嚴重的成分偏析^［6］， 從而惡化燒結(jié)礦的高溫軟熔性能。

因此高 MgO 高堿度燒結(jié)礦在高爐內(nèi)會嚴重影響軟熔帶的位置和形狀，導(dǎo)致軟熔帶的不穩(wěn)定，使煤氣流分布不勻，極易形成管道氣流及崩、滑料現(xiàn)象，造成高爐順行受阻。近年來昆玉鋼鐵兩座高爐爐況表現(xiàn)說明，使用高 MgO 高堿度燒結(jié)礦配加酸性球團的爐料，高爐操控難度較大，風(fēng)壓、風(fēng)量易呆滯，爐渣脫 S 排堿能力減弱，高爐崩、滑料現(xiàn)象較多，高爐難以維持長周期的穩(wěn)定順行。所以就高 MgO 高堿度燒結(jié)礦的還原性和高溫軟熔性能對高爐的影響，應(yīng)降低燒結(jié)礦中高 MgO 鐵精礦粉使用比例，降低燒結(jié)礦中 MgO 含量為宜。

3． 2 提高 MgO 對球團礦性能的影響

酸性球團礦由于其軟化溫度低、軟熔區(qū)間寬和還原膨脹率高等性能缺陷，不利于高爐強化冶煉及爐況順行。高爐生產(chǎn)中，一般要求合格球團礦的膨脹率小于 20% 。用高 MgO 磁鐵精礦生產(chǎn)高 MgO 酸性球團礦可起到減少還原膨脹的作用，從顯微結(jié)構(gòu)看，是由于 Mg^{2 +} 離子能自由置換磁鐵礦晶格中的Fe^{2 +} 離子，并均勻分布在浮氏體內(nèi)，并能減慢還原離子的遷移速度，起到抑制球團礦膨脹的作用; 同時MgO 進入液相能夠提高液相熔點。有研究證實，高熔點液相具有較好的結(jié)合強度，有助于削弱還原過程因內(nèi)應(yīng)力增大而產(chǎn)生的還原膨脹現(xiàn)象^［7］。

高 MgO 酸性磁鐵礦球團在高溫氧化氣氛中焙燒時可與鐵氧化物生成穩(wěn)定的鐵酸鎂 ( MgO · Fe₂O₃ ) 、鎂磁鐵礦［( Mg·Fe) O·Fe₂O₃］等含鎂物 質(zhì)，阻礙難還原的鐵橄欖石和鈣鎂橄欖石的形成，促進了礦粉顆粒之間的粘結(jié)，在還原時不會發(fā)生Fe₂O₃ 轉(zhuǎn)變成 Fe₃O₄ 反應(yīng)，而生成 FeO 和 MgO 固溶體，從而提高了球團礦的軟化溫度和高溫還原強度。在高爐內(nèi)高 MgO 酸性球團礦在高溫還原過程中生成的含 MgO( 3． 14% ～ 3． 8% ) 的鎂浮氏體和含MgO( 7． 2% ～ 12． 3% ) 的鐵鎂橄欖石等硅酸鹽渣都具有較高的熔化溫度( ＞ 1390℃ ) ，因而其軟熔性能和高溫還原性能均良好^［8］，在高爐內(nèi)可降低爐內(nèi)軟熔帶位置高度，有利于提高間接還原反應(yīng)，降低高爐燃料消耗。

依據(jù)昆玉鋼鐵現(xiàn)有生產(chǎn)裝備及進口鐵精礦資源條件( 見表 4) ，通過其化學(xué)成分的調(diào)劑和焙燒工藝制度的控制，可以生產(chǎn)軟熔性能和高溫還原性能優(yōu)良的高品位( ＞ 63% ) 、高鎂( ＞ 3． 5% ) 優(yōu)質(zhì)球團，最大限度使用高 MgO 磁鐵精礦，降低配礦成本的同時為高爐降低燃料比創(chuàng)造條件。

綜上所述，以高堿度低 MgO 燒結(jié)礦配加高 MgO酸性球團礦的爐料，既發(fā)揮了高堿度燒結(jié)礦優(yōu)良的冶金性能，又發(fā)揮了高 MgO 球團礦高品位、低渣量的優(yōu)勢，最大限度配加高 MgO 鐵精礦，在滿足高爐造渣及爐況順行需求的同時，降低配礦成本。

相比高 MgO 高堿度燒結(jié)礦配加低 MgO 酸性球團礦的爐料結(jié)構(gòu)，高堿度低 MgO 燒結(jié)礦配加高 MgO酸性球團礦的爐料可整體改善綜合爐料性能的協(xié)同優(yōu)化作用，具有良好的機械強度、還原性及高溫軟熔性能，使高爐軟熔帶位置下移，軟熔區(qū)間變窄，改善料柱透氣性，有利于提高煤氣利用及爐況順行穩(wěn)定。

4 爐料初步調(diào)整后的高爐運行效果

2021 年上半年，爐料結(jié)構(gòu)經(jīng)過初步調(diào)整優(yōu)化，增加高 MgO 鐵精礦在球團中的添加比例并適當降低了燒結(jié)礦中的 MgO 含量，使球團中 MgO 含量提 高至 2． 4% ，高爐配加高 MgO 球團并逐漸增加入爐比例，高爐表現(xiàn)壓差有所降低，料柱透氣性有所提高，兩座高爐順行明顯改善，塌、滑料次數(shù)減少，高爐消耗逐步下降，主要經(jīng)濟技術(shù)指標有了較大提升 ( 見表 5) 。

5 結(jié)語

( 1) 合理的爐料結(jié)構(gòu)，應(yīng)根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)裝備水平、原料資源特點等，合理、經(jīng)濟的使用鐵礦資源進行優(yōu)化調(diào)配，滿足高爐冶煉性能需求為高爐穩(wěn)定順行和實現(xiàn)良好經(jīng)濟技術(shù)指標創(chuàng)造條件。

( 2) 昆玉鋼鐵高爐應(yīng)以適宜的高( MgO) 低堿度爐渣作為爐料結(jié)構(gòu)的配料目標，綜合考慮高 MgO 爐料的冶金性能及對高爐有害元素、脫硫排堿等因素的影響。隨著爐料結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化和改進，逐步提高高爐爐渣中 MgO 含量約17% ，控制爐渣二元堿度在1． 0 ± 0． 05 范圍內(nèi)。

( 3) 低成本煉鐵是在經(jīng)濟爐料的基礎(chǔ)上，通過爐料結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究，發(fā)揮爐料結(jié)構(gòu)功效最大化的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)高爐穩(wěn)定順行及高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、低耗、長壽的煉鐵目的。

( 4) 一個滿足高爐冶煉性能要求且性價比優(yōu)的爐料結(jié)構(gòu)配料方案，不僅能夠指導(dǎo)生產(chǎn)，而且能夠指導(dǎo)采購，為企業(yè)創(chuàng)效發(fā)揮更大的降本空間。

參考文獻

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