岳爭超，柯顯峰，李嚴(yán)，竺龍，張勇

(湖北新冶鋼有限公司，湖北黃石435000)

摘要: 通過燒結(jié)杯試驗(yàn)，測定了新冶鋼520 m³ 高爐用爐料的軟熔滴落性能，并對(duì)其爐料結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)果表明: 當(dāng)高爐入爐料的燒結(jié)礦配比大于77%時(shí)，爐料的透氣性隨著燒結(jié)礦配比增加急劇變差; 當(dāng)燒結(jié)礦配比小于77% 時(shí)，爐料透氣性隨著燒結(jié)礦配比減小變差，但變化幅度相對(duì)緩慢; 熔滴區(qū)間隨著試樣的厚度增加而變大，試樣的最大壓差隨著厚度增加而變大，軟熔層厚度和特征值S 隨試樣厚度增加而變大?；诒敬卧囼?yàn)的研究結(jié)果，新冶鋼520 m3 高爐在生產(chǎn)中較為理想的爐料結(jié)構(gòu)為75% ～ 77%燒結(jié)礦+ 13%球團(tuán)礦+ 10% ～ 12%塊礦。

關(guān)鍵詞: 燒結(jié)杯試驗(yàn); 軟熔滴落性能; 高爐爐料結(jié)構(gòu)

0 前言

湖北新冶鋼現(xiàn)有2 座520 m³ 小高爐，1 座1 780 m³高爐，其中2 座小高爐分別投產(chǎn)于2001 年和2004 年，期間各大修1 次、中修1 次。1 780 m³高爐作為新冶鋼唯一的中大型高爐，就公司煤氣管網(wǎng)平衡和下道工序鐵水保供而言，其重要意義不言而喻，因此穩(wěn)定的原料供應(yīng)確保1 780 m³ 高爐穩(wěn)定順行顯得尤為重要。在實(shí)際生產(chǎn)中，2座520 m³ 高爐一直起著平衡調(diào)劑原料及降低原料成本的“試驗(yàn)田”作用，因此長期以來這兩座高爐的爐料結(jié)構(gòu)不僅波動(dòng)較大，還在調(diào)整時(shí)缺乏足夠的科學(xué)依據(jù)，高爐的運(yùn)行狀況不甚理想。

為了確保2 座520 m³ 高爐在爐況穩(wěn)定的前提下進(jìn)一步挖掘其生產(chǎn)潛能，我們利用燒結(jié)杯試驗(yàn)摸索其合理的爐料搭配方案，并對(duì)520 m³ 高爐的爐料結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)性研究，主要針對(duì)爐料的高溫冶金性能( 軟熔滴落性能) 進(jìn)行測定分析，并據(jù)此對(duì)高爐爐料結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到在實(shí)際生產(chǎn)中穩(wěn)定爐況和強(qiáng)化冶煉的目的。

1 試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)條件

目前國內(nèi)各科研院所、學(xué)校和企業(yè)所用的熔滴裝置型號(hào)較多，在鐵礦石熔滴性能檢測方面也沒有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，但是其制作所依據(jù)的熔滴原理相同，評(píng)價(jià)方法與評(píng)價(jià)指標(biāo)也基本一致，公開文獻(xiàn)顯示已有部分企業(yè)使用燒結(jié)杯試驗(yàn)指導(dǎo)生產(chǎn)^{［1 － 3］}。

新冶鋼燒結(jié)杯試驗(yàn)室現(xiàn)有1 套鐵礦石高溫荷重軟熔滴落測定裝置，該裝置自動(dòng)化水平高，受外界環(huán)境影響小，能比較準(zhǔn)確地測量出試驗(yàn)所需的理化性能數(shù)據(jù)。

試驗(yàn)所用的鐵礦石高溫荷重軟熔滴落測定裝置主要由熔滴爐、配氣系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)等組成。其主體設(shè)備為熔滴爐，熔滴爐的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示，主要由加熱爐( 石墨電極) 、石墨坩堝、智能溫控裝置( 熱電偶) 、荷重裝置、位移傳感器、進(jìn)氣口、出氣口等組成。升溫制度采用可編程溫度控制儀控制，可按設(shè)定的溫度控制爐內(nèi)溫度，爐內(nèi)最高溫度可達(dá)到1 600 ℃。溫度、壓差、收縮率等檢測數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集，其中溫度誤差控制在± 3 ℃，壓差誤差控制在± 0. 03 kPa，收縮率誤差控制在± 1%。

本次試驗(yàn)的升溫設(shè)定和通氣設(shè)定最大程度地模擬了高爐環(huán)境，具體參數(shù)設(shè)定見表1。

試驗(yàn)試樣裝料要求見表2。為了模擬高爐環(huán)境，在試樣層上部及下部各放40 g 焦炭( 控制焦炭厚度在20 mm 左右) 。

試驗(yàn)中需要測定的爐料軟熔滴落性能指標(biāo)見表3。

基于以上表述，本文根據(jù)T₁₀，T₄₀，T_s，和T_d的高低，相對(duì)比較不同配比時(shí)的爐料在高爐內(nèi)形成軟熔帶的部位; 根據(jù)△ T₁和△ T₂值相對(duì)比較不同配比時(shí)的爐料的軟化區(qū)間和熔滴區(qū)間，亦即軟熔帶和滴落帶的大致厚度; 根據(jù)特征S 值相對(duì)比較不同配比時(shí)爐料軟熔性能的好壞。

1 試驗(yàn)原料及方案

1． 1 原料條件

520 m³ 高爐在實(shí)際生產(chǎn)中使用的主要爐料有燒結(jié)礦( 自產(chǎn)) 、國產(chǎn)球團(tuán)礦、進(jìn)口球碎、PB 塊和巴西塊等，其中進(jìn)口球碎是球團(tuán)礦生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的頭尾料，它可以部分代替球團(tuán)礦進(jìn)行使用。筆者單獨(dú)試驗(yàn)研究結(jié)果表明: 進(jìn)口球碎低溫還原粉化指數(shù)RDI_{+3． 15}為75. 9%，國產(chǎn)球團(tuán)礦低溫還原粉化指數(shù)RDI_{+3． 15}為97. 6%，進(jìn)口球碎低溫還原粉化特性顯著差于國產(chǎn)球團(tuán)礦。

我廠財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)顯示，燒結(jié)礦采購價(jià)格最低，塊礦次之，球團(tuán)礦性價(jià)比最高。單純同類比較，巴西塊較PB 塊價(jià)格高約130 元/t; 進(jìn)口球碎較國產(chǎn)球團(tuán)礦低約200 元/t。

試驗(yàn)用原料化學(xué)成分見表4。

1． 2 單品種鐵礦石軟熔滴落性能試驗(yàn)

在生產(chǎn)實(shí)踐中，為了評(píng)價(jià)某種鐵礦石的高溫反應(yīng)性能，通常通過測定其軟熔滴落性能進(jìn)行判斷，并以此來指導(dǎo)生產(chǎn)。

1． 3 不同配比的爐料軟熔滴落性能試驗(yàn)

雖然進(jìn)口球碎的低溫還原粉化特性差，但由于其價(jià)格低，因此為了降低生產(chǎn)成本，仍將進(jìn)口球碎部分代替球團(tuán)礦在520m³ 高爐使用。試驗(yàn)中，按照固定國產(chǎn)球團(tuán)礦和進(jìn)口球碎比例、變動(dòng)燒結(jié)礦和塊礦比例的原則進(jìn)行配料。

根據(jù)我廠原料保供能力，結(jié)合考慮成本因素，決定將爐料中燒結(jié)礦的配比定在69% ～ 81%，塊礦配比定在6% ～ 18%。不同配比試驗(yàn)方案見表5。

1． 4 變試樣厚度軟熔滴落性能試驗(yàn)

實(shí)際生產(chǎn)中，經(jīng)常需要根據(jù)高爐爐況更改爐料批重，一般批重越大，爐內(nèi)料層越厚。為了研究料批改變后爐料軟熔滴落性能的變化，我們進(jìn)行了一組變試樣厚度的試驗(yàn)。

試驗(yàn)采用的爐料與熔滴試驗(yàn)所用爐料相同( 見表4) ，爐料中各礦種配比如下: 72% 燒結(jié)礦+ 6． 5%國產(chǎn)球團(tuán)礦+ 6． 5%進(jìn)口球碎+ 7． 5% PB 塊+ 7． 5%巴西塊。

一般熔滴試驗(yàn)試樣厚度為70 mm，因此本次試驗(yàn)以試樣厚度70 mm 為基準(zhǔn)設(shè)計(jì)試驗(yàn)，其余試驗(yàn)試樣厚度分別為60 mm 和80 mm。

2 分析與討論

2． 1 單品種鐵礦石軟熔滴落性能

520 m³ 高爐常用的鐵礦石軟熔滴落性能試驗(yàn)結(jié)果見表6。

對(duì)于燒結(jié)礦而言，其軟化開始溫度T₁₀和熔滴開始溫度T_s 較高，且軟化溫度區(qū)間和熔滴溫度區(qū)間△ T₂較窄，因此認(rèn)為其高溫冶金性能較好，但考慮到我廠僅使用過一種燒結(jié)礦，無法進(jìn)行對(duì)比分析，因此不對(duì)燒結(jié)礦做進(jìn)一步分析。

對(duì)于塊礦而言，在高溫冶金性能方面，PB 塊與巴西塊相差不大，但PB 塊具有較窄的熔滴區(qū)間，有利于高爐煤氣流穿過軟熔帶，更利于高爐冶煉; 在化學(xué)成分方面，PB 塊品位較巴西塊低1. 02%，w( SiO₂) 較巴西塊低4． 04%，因此PB 塊可較好地與低堿度礦搭配使用。由于巴西塊的價(jià)格遠(yuǎn)低于PB 塊價(jià)格，因此從生產(chǎn)冶煉及成本因素等方面來考慮，建議在520 m³高爐生產(chǎn)中適當(dāng)提高巴西塊的配比。

對(duì)于球團(tuán)礦而言，國產(chǎn)球團(tuán)礦的高溫冶金性能優(yōu)于進(jìn)口球碎，主要體現(xiàn)在國產(chǎn)球團(tuán)的軟化溫度區(qū)間△ T₁遠(yuǎn)低于進(jìn)口球碎，其他指標(biāo)相當(dāng); 化學(xué)成分方面，進(jìn)口球碎具有更高的品位和更低的SiO₂含量。從生產(chǎn)冶煉角度考慮，應(yīng)盡量少用進(jìn)口球碎的配比，但考慮到兩者200 元/t 的價(jià)差，建議兩者均衡使用，但國產(chǎn)球團(tuán)礦配比不應(yīng)過低。

2． 2 不同配比的爐料軟熔滴落性能

根據(jù)表5 的配比方案，通過鐵礦石高溫荷重軟熔滴落測定裝置測定了各方案的爐料軟熔滴落性能，試驗(yàn)結(jié)果見表7。

為了更清晰地比較不同配比爐料的軟熔滴落性能變化，對(duì)表7 中的數(shù)據(jù)進(jìn)行了進(jìn)一步對(duì)比分析，見圖2 ～ 4。

由圖2 可以看出，不同配比的爐料軟化開始溫度、軟化結(jié)束溫度和熔融開始溫度會(huì)隨著燒結(jié)礦的配比增加先升高后基本保持不變，在燒結(jié)礦配比為75%時(shí)達(dá)到最大值，在燒結(jié)礦配比為77% 時(shí)溫度水平最低; 熔融結(jié)束溫度隨著燒結(jié)礦的配比增加先升高后略微降低，最后有小幅上升趨勢，在燒結(jié)礦配比為73%時(shí)達(dá)到最大值。其中T₁₀，T₄₀，T_s這3 個(gè)指標(biāo)在燒結(jié)礦配比為75% 時(shí)有最高溫度，當(dāng)燒結(jié)礦配比繼續(xù)增加時(shí)，這3 個(gè)指標(biāo)的溫度水平緩慢降低，其溫度區(qū)間相對(duì)基本不變。綜合來說，燒結(jié)礦配比為75% ～ 77%時(shí)，能獲得較好的冶煉效果。

將圖3 和圖4 進(jìn)行對(duì)比可知，不同配比的爐料軟化區(qū)間變化不大; 熔滴區(qū)間變化很大，熔滴區(qū)間的最高溫度與最低溫度相差70 ℃，并隨著入爐料中燒結(jié)礦配比的增加先變窄后變寬，在燒結(jié)礦的配比為75%時(shí)熔滴區(qū)間達(dá)到最窄; 軟熔層厚度隨著燒結(jié)礦的配比增加先快速變小后又緩慢變大，在燒結(jié)礦配比為77%時(shí)軟熔層厚度為最小值，燒結(jié)礦配比為75% ～ 77%時(shí)，軟熔層厚度差別不大。綜合以上分析可得出以下結(jié)論: 燒結(jié)礦配比為75% ～ 77% 時(shí)，可以獲得較窄的軟熔層厚度和較窄的熔滴區(qū)間。

最大壓差指標(biāo)代表爐料的透氣性^［4］。由圖4 可知，不同配比爐料最大壓差會(huì)隨著燒結(jié)礦配比增加而先降低后升高。當(dāng)燒結(jié)礦配比為77% 時(shí)，最大壓差達(dá)到最低; 當(dāng)燒結(jié)礦配比小于73% 時(shí)，爐料的最大壓差會(huì)隨著燒結(jié)礦配比減少而急劇增大，爐料透氣性急劇惡化。因此從爐料透氣性指數(shù)方面來考慮，應(yīng)選擇燒結(jié)礦配比為77%的爐料結(jié)構(gòu)。

為了考慮爐料軟熔帶和滴落帶的厚度以及對(duì)通過該區(qū)域的煤氣影響，引入了不同配比的爐料特征值S ，即熵值。根據(jù)不同配比的爐料壓差—溫度曲線計(jì)算的特征值S 見表7，其曲線對(duì)比見圖4。由圖4 可知，不同配比的爐料S 值會(huì)隨著爐料中燒結(jié)礦的配比增加而先逐步下降，再急劇上升，因此，當(dāng)燒結(jié)礦配比為77%時(shí)有較理想的熵值。

2． 3 變試樣厚度熔滴試驗(yàn)

根據(jù)設(shè)計(jì)的變試樣厚度熔滴試驗(yàn)方案，通過鐵礦石高溫荷重軟熔滴落測定裝置測出了3 種不同厚度試樣的高溫冶金性能，具體見表8。

由表8 可知，不同厚度的試樣，軟化區(qū)間沒有太大區(qū)別，熔滴區(qū)間會(huì)隨著試樣的厚度增加而變大，試樣的最大壓差會(huì)隨著厚度增加而變大，軟熔層厚度和特征值S 都會(huì)隨試樣厚度增加而變大。因此，在實(shí)際生產(chǎn)操作中，不可盲目變更爐料批重，應(yīng)結(jié)合爐料配比逐步摸索出批重增加對(duì)料柱透氣性和壓差的影響，再根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算其高溫冶金性能的改變量，以指導(dǎo)生產(chǎn)。

3 結(jié)語

1) 在520 m³ 高爐的生產(chǎn)原料中，燒結(jié)礦的高溫冶金性能較好，性價(jià)比最高，應(yīng)維持較高的配比; PB塊高溫冶金性能略優(yōu)于巴西塊，但從成本考慮，應(yīng)適當(dāng)提高巴西塊的配比; 國產(chǎn)球團(tuán)礦高溫冶金性能優(yōu)于進(jìn)口球碎，從生產(chǎn)冶煉角度考慮，應(yīng)盡量少用進(jìn)口球碎，但從成本考慮，建議兩者均衡使用，但國產(chǎn)球團(tuán)礦配比不宜過低。

2) 不同配比的爐料高溫冶金性能試驗(yàn)表明，軟熔層厚度曲線、最大壓差曲線和綜合爐料特征值曲線表現(xiàn)出的規(guī)律基本一致，燒結(jié)礦配比為77% 時(shí)具有較窄的軟熔層，煤氣通過時(shí)阻力小，有利于煤氣流的通過，爐料整體透氣性好; 當(dāng)燒結(jié)礦配比大于77%時(shí)，爐料的透氣性隨著燒結(jié)礦配比增加急劇變差; 當(dāng)燒結(jié)礦配比小于77% 時(shí)，爐料透氣性隨著燒結(jié)礦配比減小變差，但變化幅度相對(duì)緩慢。結(jié)合軟化區(qū)間和熔滴區(qū)間的特點(diǎn)來看，520 m³ 高爐的爐料結(jié)構(gòu)中燒結(jié)礦配比應(yīng)穩(wěn)定在75% ～ 77%較為理想。

3) 變試樣厚度熔滴試驗(yàn)表明，熔滴區(qū)間隨著試樣的厚度增加而變大，試樣的最大壓差隨著厚度增加而變大，軟熔層厚度和特征值S 隨試樣厚度增加而變大。因此，在520 m³ 高爐生產(chǎn)中不可盲目變更爐料批重。

4) 綜上所述，現(xiàn)階段520 m³ 高爐生產(chǎn)中較為理想的爐料結(jié)構(gòu)為: 75% ～ 77% 燒結(jié)礦+ 13% 球團(tuán)礦和進(jìn)口球碎+ 10% ～ 12%塊礦。

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