沈峰滿  姜鑫  高強(qiáng)健  鄭海燕

（東北大學(xué)）

摘  要：對(duì)高爐爐渣全成分（Al₂O₃=8%~25%）的適宜鎂鋁比進(jìn)行了理論分析，以構(gòu)建協(xié)同優(yōu)化—功效最大化的適宜鎂鋁比理論體系。基于熱力學(xué)和相圖分析，定量給出了適宜鎂鋁比三段式精細(xì)化控制方針：①當(dāng)爐渣Al₂O₃<14%時(shí)，爐渣的鎂鋁比不受限，可根據(jù)原燃料條件和生產(chǎn)成本等條件添加MgO；②當(dāng)爐渣Al₂O₃=15%~17%時(shí)，爐渣適宜的鎂鋁比為0.40~0.50，但需注意爐渣對(duì)溫度的敏感性：③當(dāng)爐渣Al₂O₃>18%時(shí)，爐渣適宜的鎂鋁比為0.45~0.55。

關(guān)鍵詞：高爐；爐渣；鎂鋁比；黏度；MgO

隨著優(yōu)質(zhì)鐵礦資源逐漸枯竭，我國高爐煉鐵生產(chǎn)不得不轉(zhuǎn)向使用高Al₂O₃鐵礦石，使得有些高爐爐渣適宜鎂鋁比（MgO/Al₂O₃）的問題日漸凸顯。很多學(xué)者就添加MgO解決高Al₂O₃鐵礦石高爐冶煉問題開展了大量的研究^[1-7]，尤其是煉鐵界資深專家對(duì)MgO具有改善爐渣黏度功效的歷史演變過程及鎂鋁比問題進(jìn)行了非常有益的探討。但是，對(duì)于爐渣適宜鎂鋁比理論依據(jù)的研究，尤其是針對(duì)全成分高爐渣系（Al₂O₃=8%~25%）適宜的鎂鋁比應(yīng)如何管理？一直處于空白狀態(tài)。提高爐溫可以解決高Al₂O₃鐵礦石高爐冶煉問題，但是由此產(chǎn)生高能耗和高成本的代價(jià)是不言而喻的。因此，針對(duì)高Al₂O₃鐵礦石高爐冶煉，開展了適宜鎂鋁比理論與實(shí)踐的研究，應(yīng)用相圖理論分析，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)研究和現(xiàn)場實(shí)踐，探討適宜鎂鋁比等學(xué)術(shù)問題，以構(gòu)建協(xié)同優(yōu)化—功效最大化的適宜鎂鋁比理論體系，并定量給出了適宜鎂鋁比三段式精細(xì)化控制方針。

1. 高Al₂O₃爐渣操作的問題及對(duì)策

1.1 高Al₂O₃爐渣操作引發(fā)的問題

2000年以來我國進(jìn)口鐵礦石數(shù)量及對(duì)其依存度的變化如圖1所示。由圖1可見，進(jìn)口鐵礦石從2000年的0.7億t快速增加至2017年的10.75億t，短短的17年，進(jìn)口鐵礦石數(shù)量增加了15倍之多。進(jìn)口鐵礦石的依存度也由2000年的不足50%快速增長至2017年88%。

進(jìn)口鐵礦石與國產(chǎn)鐵礦石的主要差異在于礦石中Al₂O₃不同。從表1可見，進(jìn)口鐵礦石的Al₂O₃含量遠(yuǎn)高于國產(chǎn)礦石，尤其是占進(jìn)口鐵礦石總量約65%的澳大利亞鐵礦石Al₂O₃含量是國產(chǎn)礦石的4~5倍以上。大量使用高Al₂O₃進(jìn)口鐵礦石，必然使高爐爐渣Al₂O₃含量上升，給高爐冶煉帶來以下兩個(gè)問題：

（1）爐渣黏度上升。由圖2可知，高爐冶煉適宜的爐渣黏度應(yīng)控制在0.4Pa·s以下^[8]。當(dāng)爐渣堿度R為1.1左右時(shí)，對(duì)應(yīng)的爐渣Al₂O₃應(yīng)為9%～13%（A區(qū)域）。但是，如果維持爐渣堿度相對(duì)不變，則隨爐渣Al₂O₃含量上升（B區(qū)域），爐渣黏度將超過0.4Pa·s或更高，使得高爐冶煉操作變得困難。因此，在維持爐溫和爐渣二元堿度不變的前提條件下，高Al₂O₃爐渣使得爐渣黏度上升是導(dǎo)致高爐操作變得困難的根本原因之一。（2）爐渣脫硫能力的相對(duì)下降。如果維持爐渣堿度不變，隨著爐渣Al₂O₃含量的升高，爐渣CaO含量相對(duì)下降，導(dǎo)致爐渣脫硫能力下降；另外，爐渣黏度上升致使?fàn)t渣脫硫動(dòng)力學(xué)條件變差，也是高Al₂O₃爐渣脫硫能力下降的原因之一。無論是從熱力學(xué)角度，還是從動(dòng)力學(xué)角度，高Al₂O₃對(duì)爐渣脫硫能力均產(chǎn)生負(fù)面影響。實(shí)際上，上述兩個(gè)問題歸一，即高Al₂O₃爐渣冶煉問題主要在于爐渣黏度的變化。

1.2高Al₂O₃爐渣冶煉的對(duì)策

由于高Al₂O₃爐渣冶煉問題源于爐渣黏度的升高，那么作為對(duì)策應(yīng)設(shè)法在確保適宜的爐渣熔點(diǎn)前提下降低爐渣黏度。在一定范圍內(nèi)，通過提高爐渣堿度可以改善爐渣黏度^[9]，但卻顯著地提高了爐渣熔點(diǎn)；反之，通過適當(dāng)降低爐渣堿度可以降低爐渣熔點(diǎn)，但又將使?fàn)t渣脫硫能力更加惡化^[10]。因此，當(dāng)前較流行的調(diào)整爐渣冶金性能的做法是添加MgO。鑒于MgO屬于堿性物質(zhì)，在二元堿度不變的前提下，每添加1%MgO，CaO相應(yīng)減少約0.4%。一般說來，MgO的脫硫能力是CaO的0.7倍^[11]。因此，從熱力學(xué)角度分析，添加MgO基本可以維持爐渣脫硫能力不變。若適當(dāng)提高堿度，必然會(huì)提高爐渣的脫硫能力。同時(shí)，由于添加MgO可改善爐渣流動(dòng)性，有助于改善爐渣脫硫動(dòng)力學(xué)條件。因此，添加MgO是目前針對(duì)高Al₂O₃爐渣冶煉的有效舉措之一。

1.3添加MgO功效—調(diào)整爐渣黏度

從圖3可見，隨著MgO的添加，爐渣的黏度呈下降趨勢。對(duì)于堿度R為1.1左右的高爐渣，因此，添加一定量的MgO是調(diào)整爐渣黏度為0.3～0.4Pa·s的有效措施之一。為確保高Al₂O₃爐渣具有適宜的黏度，有必要添加MgO。但隨之而來產(chǎn)生如下問題：（1）爐渣適宜MgO含量，即適宜鎂鋁比是多少？理論依據(jù)是什么？（2）實(shí)現(xiàn)適宜鎂鋁比的MgO添加方式是什么？現(xiàn)行MgO添加方式多采用燒結(jié)礦帶人的方式，但該方式是否是最合理的MgO添加方式？（3）燒結(jié)-球團(tuán)-高爐各環(huán)節(jié)均涉及MgO，應(yīng)如何協(xié)同優(yōu)化MgO添加方式，才能使得MgO功效最大化？針對(duì)上述問題，有必要構(gòu)建協(xié)同優(yōu)化-功效最大化的適宜鎂鋁比理論體系。這包括：——適宜鎂鋁比的理論依據(jù)；——制備低MgO燒結(jié)礦及MgO優(yōu)質(zhì)球團(tuán)礦的理論依據(jù)。

2. 適宜鎂鋁比的理論依據(jù)

探討適宜鎂鋁比，應(yīng)從爐渣流動(dòng)性（黏度）和熔化溫度兩方面著手考慮。

2.1爐渣黏度

圖4給出了實(shí)驗(yàn)室條件下測定的堿度R為1.1、1.2和Al₂O₃分別為12%、15%、18%爐渣在1500℃下的黏度隨鎂鋁比的變化規(guī)律。從圖可見，當(dāng)爐渣Al₂O₃低于15%時(shí)，隨著鎂鋁比的下降，爐渣黏度雖有所上升，但上升幅度不明顯；可是，當(dāng)爐渣Al₂O₃達(dá)到18%時(shí)，對(duì)于較低堿度（R=1.1）的爐渣，隨著鎂鋁比的下降，爐渣黏度呈較快的上升趨勢，當(dāng)鎂鋁比為0.25時(shí)爐渣黏度將達(dá)到0.48Pa·s。因此，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果可以判定：對(duì)于高Al₂O₃爐渣，鎂鴿比下限不應(yīng)低于0.25。

2.2爐渣熔化溫度

從圖5可見，若爐渣Al₂O₃超過16%時(shí)（此時(shí)MgO/ Al₂O₃=0.80），爐渣的熔點(diǎn)將高達(dá)1500℃（圖中的虛線）。在高爐實(shí)際生產(chǎn)過程中，排出爐外的爐渣溫度一般為1500~1550℃，若爐渣熔點(diǎn)為1500℃甚至超過1500℃，則爐缸中的爐渣有可能出現(xiàn)不能完全熔化的現(xiàn)象。實(shí)際上，為了安全生產(chǎn)，爐渣熔點(diǎn)應(yīng)控制不超過1400℃^[12]。因此，根據(jù)爐渣熔化溫度分析，可得出爐渣的鎂鋁比上限不應(yīng)高于0.80。

2.3鎂鋁比控制范圍

綜合爐渣黏度和熔化溫度這兩方面制約條件，可以得到高Al₂O₃爐渣的鎂鋁比控制范圍為0.25~0.80。

3. 適宜鎂鋁比的精細(xì)化控制

對(duì)于高Al₂O₃爐渣的鎂鋁比控制范圍應(yīng)為0.25 ~0.80，但這個(gè)范圍較寬，有必要進(jìn)行細(xì)化。另外，為了全面考察鎂鋁比的作用機(jī)制，對(duì)于低Al₂O₃含量爐渣的適宜鎂鋁比也應(yīng)進(jìn)行考究。

3.1爐渣Al₂O₃<14%

應(yīng)該說，爐渣Al₂O₃<14%是我國在大量使用進(jìn)口鐵礦石之前的生產(chǎn)狀況。從圖6可見，在MgO=10%～20%范圍內(nèi)，爐渣的熔化溫度均在1400℃以下，表明此時(shí)MgO的添加量不受限制，可依據(jù)資源條件和生產(chǎn)成本添加MgO。從表2可見，雖然該高爐爐渣MgO含量高達(dá)17.5%，但由于爐渣Al₂O₃含量僅為13%，爐渣的熔點(diǎn)僅為1390℃左右（圖6橢圓區(qū)域），因此，該高爐仍能正常生產(chǎn)，就是因?yàn)闋t渣Al₂O₃含量低的緣故。因此，當(dāng)爐渣Al₂O₃<14%時(shí)，爐渣的鎂鋁比不受限。

3.2爐渣Al₂O₃=15%~17%

在圖3上繪制出R=1.0~1.2、Al₂O₃=12.5%~20.0%、MgO =5.0%~15%的區(qū)域，再把相對(duì)應(yīng)的鎂鋁比等值線選加在圖中（如圖7虛線所示）。由圖7可見，當(dāng)Al₂O₃=15%~17%時(shí)，鎂鋁比為0.3~1.0條件下，均能滿足爐渣黏度小于0.4Pa·s的冶煉要求。但是，從節(jié)約成本、減少渣量（等價(jià)于降低燃料消耗）的角度考量，應(yīng)盡可能地降低鎂鋁比。

由圖7亦可見：對(duì)于Al₂O₃=15%~17%爐渣，滿足爐渣黏度為0.3~0.4Pa·s（圖中灰色區(qū)域）的鎂鋁比為0.35~0.8。為了在確保高爐正常冶煉前提下最大限度地降低生產(chǎn)成本與工序能耗，適宜的鎂鋁比應(yīng)為0.4~0.5（圖中深灰色區(qū)域）。因此，可以確定：對(duì)于Al₂O₃=15%~17%爐渣的適宜鎂鋁比為0.4~0.5（圖7中深灰色區(qū)域）。例如，某鋼鐵公司高爐的實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，爐渣Al₂O₃約為16%，鎂鋁比為0.6（A點(diǎn)），若將鎂鋁比降至0.4~0.5，同時(shí)適當(dāng)提高爐渣堿度（B點(diǎn)），不僅可以確保爐渣黏度為適宜的黏度范圍（0.3~0.4Pa·s），同時(shí)可以減少高爐冶煉過程MgO的添加量，降低生產(chǎn)成本和能源消耗。應(yīng)特別指出的是：在爐渣成分Al₂O₃=15%～17%冶煉時(shí)，應(yīng)注意該成分爐渣的溫度敏感性。圖8給出了不同Al₂O₃含量爐渣黏度隨溫度的變化規(guī)律。圖中各標(biāo)號(hào)對(duì)應(yīng)的爐渣成分見表3。從圖可見，無論爐渣Al₂O₃含量多宴，隨溫度的下降黏度均呈上升趨勢。但是從圖中還可以得出如下規(guī)律：（1）相同溫度條件下，在表3中給出各種爐渣中6號(hào)爐渣的黏度較小，這是因?yàn)闋t渣Al₂O₃只有13.4%，相對(duì)而言，在各種爐渣中1、2、8號(hào)爐渣的黏度較高，約是6號(hào)爐渣的1倍以上，這一規(guī)律印證了在爐渣堿度一定的條件下，隨Al₂O₃含量的增加爐渣黏度呈上升趨勢的結(jié)果（參照?qǐng)D2）。

（2）對(duì)于Al₂O₃=15%~17%（3、4、7、9、10號(hào)爐渣），當(dāng)爐渣溫度較高時(shí)，黏度尚可，但是當(dāng)爐渣溫度降至1425℃左右時(shí)，爐渣黏度急劇上升，也就是說Al₂O₃=15%~17%的爐渣在1425℃左右時(shí)對(duì)溫度的敏感性極強(qiáng)。因此在冶煉該組成的爐渣時(shí)，應(yīng)充分注意爐溫的變化，要確保爐溫充沛，以防止因爐溫偏低導(dǎo)致爐渣黏度急劇上升而致使?fàn)t況不順的現(xiàn)象。

3.3爐渣Al₂O₃>18%

在圖7上繪制出18%和20%等Al₂O₃線（如圖9所示）。采用與分析Al₂O₃=15%~17%爐渣時(shí)同樣的方法可知，使Al₂O₃含量為18%～20%爐渣黏度處于0.3~0.4Pa·s的鎂鋁比為0.45~0.55。因此，對(duì)于超高Al₂O₃含量（>18%）爐渣的適宜鎂鋁比為0.45~0.55。

印度盛產(chǎn)高Al₂O₃，鐵礦石，高爐冶煉時(shí)爐渣Al₂O₃高達(dá)18%以上，爐渣鎂鋁比為0.5左右（圖9中的黑色圓點(diǎn)）。從圖可見：印度的冶煉狀況與本理論給出的鎂鋁比范圍相接近，該生產(chǎn)數(shù)據(jù)從側(cè)面印證了本理論的合理性。

另外，從爐渣熔點(diǎn)的角度出發(fā)，可以佐證不同Al₂O₃爐渣對(duì)應(yīng)的適宜鎂鋁比的合理性。圖10給出了不同Al₂O₃含量爐渣鎂鋁比對(duì)爐渣熔化溫度的影響。由圖可見，對(duì)于Al₂O₃=10%的爐渣，鎂鋁比高達(dá)2.0時(shí)仍可保持爐渣熔點(diǎn)低于1425℃，即在此條件下，鎂鋁比不受限，可根據(jù)原燃料條件和生產(chǎn)成本添加MgO。而對(duì)于Al₂O₃=20%的爐渣，為了使?fàn)t渣熔點(diǎn)低于1425℃，應(yīng)控制爐渣鎂鋁比不超過0.55?？梢?，基于爐渣熔點(diǎn)得到的適宜鎂鋁比的結(jié)論與基于黏度分析得到的結(jié)論高度吻合，即：黏度和熔點(diǎn)分析雙雙給出了同樣的制定適宜鎂鋁比的科學(xué)理論依據(jù)。

4. 結(jié)論

對(duì)高爐爐渣全成分（Al₂O₃=8%~25%）的適宜鎂鋁比進(jìn)行了理論分析，構(gòu)建了協(xié)同優(yōu)化-功效最大化的適宜鎂鋁比理論體系。基于熱力學(xué)和相圖分析，定量給出了適宜鎂鋁比三段式精細(xì)化控制方針：（1）當(dāng)爐渣Al₂O₃<14%時(shí)，爐渣的鎂鋁比不受限，可根據(jù)原燃料條件和生產(chǎn)成本添加MgO。（2）當(dāng)爐渣Al₂O₃=15%~17%時(shí)，爐渣適宜的鎂鋁比為0.40~0.50，但需注意爐渣對(duì)溫度的敏感性。（3）當(dāng)爐渣Al₂O₃>18%時(shí)，爐渣適宜的鎂鋁比為0.45~0.55。應(yīng)當(dāng)指出的是，鎂鋁比要適宜，高于適宜值使得冶煉成本增加，低于適宜值則易導(dǎo)致爐況不穩(wěn)。

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