王呂輝¹，祁占林²,王正鵬²，嚴禮祥¹,楊吉祥¹

(1.重慶臻焱節(jié)能環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?重慶400000;2.酒鋼集團愉中鋼鐵有限責任公司煉鐵廠,甘肅蘭州730104)

摘 要;簡要闡明了燒結(jié)返礦的利用現(xiàn)狀及返礦冷固球團人爐的可行性,重點闡述了榆鋼燒結(jié)返礦冷固球團制備及2800m³高爐人爐應用的技術(shù)攻關(guān)成果。燒結(jié)返礦冷固球團的抗壓強度、熱爆裂性能指數(shù)、低溫還原粉化指數(shù)、還原性能及軟熔性能等質(zhì)量指標符合高爐爐料冶金性能要求。高爐生產(chǎn)實踐表明,返礦冷固球團人爐,有利于改善高爐透氣性,提高煤氣利用率,爐況穩(wěn)定順行,可取得良好的經(jīng)濟效益和社會效益。與返礦冷固球團使用前相比,在冷固球團人爐比例為5%時,煤氣利用率提高4%-5%,生鐵成本降低10.2元/1。

關(guān)鍵詞:高爐;燒結(jié)返礦;冷固球團;燒結(jié)礦;生鐵成本

當前,我國鋼鐵生產(chǎn)以能源消耗占比高、碳排放量大的長流程工藝為主,并且在高爐含鐵爐料中,燒結(jié)礦占比一般在70%左右。燒結(jié)工序能耗占鋼鐵企業(yè)總能耗的6%~10%^[1-2],碳排放量占長流程碳排放量約11.5%。從這個角度看,燒結(jié)工序已經(jīng)成為影響鐵前乃至鋼鐵工業(yè)降低能耗和碳排放量的重要一環(huán)。

酒鋼集團榆鋼現(xiàn)有1臺265m²燒結(jié)機,1座2800m³高爐,是目前西北地區(qū)單體容積最大、設(shè)備最先進的現(xiàn)代化高爐，年產(chǎn)生鐵260萬/a。高爐爐料結(jié)構(gòu)中,自產(chǎn)燒結(jié)礦比例達66%~72%。受制于較差的原燃料條件,燒結(jié)有35%左右返礦處于循環(huán)重復燒結(jié)狀態(tài),燒結(jié)礦平衡問題突出。為此,2019年決定成立攻關(guān)組,推動返礦冷周球團制備及2800m³高爐人爐應用技術(shù)的協(xié)同實施。

1燒結(jié)返礦的利用現(xiàn)狀

1.1燒結(jié)返礦的形成

燒結(jié)返礦是在燒結(jié)生產(chǎn)中產(chǎn)生的粒度小于5mm的含鐵顆粒，在整個燒結(jié)礦中的占比約10%，主要有兩大類,即一次返礦和二次返礦。返礦部分物化性能與成品燒結(jié)礦相同，與混勻礦有所不同。

(1)一次返礦。通常將破碎及整粒后的篩下物定義為一次返礦，燒結(jié)臺車運行至機尾后經(jīng)過破碎機破碎和熱振動篩篩分的篩下物(熱返礦)、熱燒結(jié)礦經(jīng)冷卻和整粒后的篩下物(冷返礦)。一次返礦也可以分為兩類:①由于“邊緣效應”及點火效果差，在邊緣位置存在未燒透甚至少部分未參與燒結(jié)過程的混合料;②已燒透燒結(jié)礦的低強度區(qū)(玻璃相等存在,黏結(jié)相強度不夠)在破碎及整粒過程產(chǎn)生小塊燒結(jié)礦。

(2)二次返礦。二次返結(jié)礦是在皮帶轉(zhuǎn)運及卸料過程中產(chǎn)生的小顆粒燒結(jié)礦，成分與成品燒結(jié)礦一致。高堿度燒結(jié)提高石灰石配比后，由于游離CaO的存在,燒結(jié)礦強度有所降低,在機械應力的作用下,部分燒結(jié)礦會再次出現(xiàn)破碎并產(chǎn)生槽下細礦。

1.2燒結(jié)返礦的利用

(1)返礦回燒結(jié)。目前,國內(nèi)大部分鋼廠將燒結(jié)返礦送回燒結(jié)配料,經(jīng)過一系列工序后再次形成燒結(jié)礦。但返礦回燒結(jié)回帶來一系列問題:①燒結(jié)礦成品率降低,有效產(chǎn)出下降;②能耗及CO2排放增加，返礦進人燒結(jié)系統(tǒng)需要占用部分資源，額外消耗能源,粉末焦炭用量會增加,提高煉鐵成本,如柳鋼生產(chǎn)實踐表明，返礦率降低1%，焦比下降0.7kg/t^[3];③返礦需要反復轉(zhuǎn)運，系統(tǒng)流程長，增加額外運輸成本(約5元/t);4影響燒結(jié)過程控制,燒結(jié)礦質(zhì)量下降。

(2)返礦進轉(zhuǎn)爐^[4-5]。返礦是一種在轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中比較常用的冷卻劑和化渣劑,冷卻效果好,能代替部分廢鋼,提高鋼水收得率,還能代替部分螢石,減少污染。與返礦回燒結(jié)相比,返礦進轉(zhuǎn)爐能夠降低生產(chǎn)成本。但是返礦降溫幅度大,在轉(zhuǎn)爐吹氧時間短的情況下不易熔煉完全,破壞冶煉平衡，導致脫氧難度相應增加。

(3)返礦人高爐。為有效解決以上這些問題，許多鋼鐵企業(yè)開展返礦人高爐研究,一方面,通過調(diào)整高爐操作，應用部分小粒度燒結(jié)礦^[6-7];另一方面,通過研究開發(fā)新技術(shù),對返礦進行再處理,以滿足高爐入爐要求。例如，日本JFE鋼鐵公司開發(fā)出燒結(jié)返礦新型造粒工藝,該工藝以水泥和高爐礦渣細粉為黏合劑,并通過圓盤造球機對燒結(jié)返礦進行冷黏結(jié)造粒。重慶臻焱開發(fā)了返礦冷固球團技術(shù)，其工藝流程如圖1所示。該技術(shù)是將返礦高效利用、固廢協(xié)同應用與冷固球團有效銜接,形成一種與高爐煉鐵生產(chǎn)相適的冷固球團技術(shù),即在燒結(jié)返礦中添加鐵精粉、鋼渣粉、除塵灰、污泥等物料,加人特研黏合劑均勻混合,經(jīng)冷壓成型后,采用低溫干燥固結(jié)方法生產(chǎn)出可投入工業(yè)化應用的返礦冷固球團。

2返礦冷固球團入爐的可行性^[8-10]

返礦冷固球團人爐的前提條件，是要達到高爐爐料冶金性能要求。

(1)冷固球團的強度。冷固球團采用黏合劑把返礦黏結(jié)在一起，理論上冷固球團中顆粒在黏結(jié)力、范德華力、毛細管力、靜電力和機械嚙合力等作用下,團聚在一起,具有一定強度,可以作為煉鐵原料。(2)冷固球團對軟熔帶的影響。采用“三傳一反”理論,對高爐上部軟熔帶以上料層行為進行計算,發(fā)現(xiàn)軟熔帶可以承受的還原度區(qū)間在70%~100%。也就是說含鐵原料在70%以上還原度時，均可以到達軟熔帶,剩下30%在爐缸液體渣鐵內(nèi)部完成還原。芬蘭奧盧大學Timo教授發(fā)現(xiàn)冷固球團在還原度大于70%時，才有粉化行為。此時，冷固球團基本上在軟熔帶,因其含量少,不會對軟熔帶產(chǎn)生大的影響。

瑞典LuLea科技大學在實驗室研究基礎(chǔ)上，在MEFOS試驗高爐測試冷固球團對軟熔帶透氣性的影響。發(fā)現(xiàn)冷固球團比例在35%以下時,對軟熔帶影響不大;冷固球團比例大于50%時，軟熔帶壓差增加20 ~25kPa/m。

3 返礦冷固球團的應用

3.1返礦冷固球團質(zhì)量指標

榆鋼返礦冷固球團制備項目位于煉鋼廠鑄鐵車間西側(cè),用地約3500m²,距離燒結(jié)車間約2.3km,距離煉鐵廠約0.5km,分兩期建設(shè),配套有焦爐煤氣作為低溫固結(jié)系統(tǒng)熱源。返礦冷固球團制備原料主要是燒結(jié)返礦和鐵精粉,均來自榆鋼。返礦冷固球團顆粒較大,外形尺寸約為40mmx40mmx30mm,呈不規(guī)則塊狀,四角分明,中部厚邊緣薄(見圖2)。

返礦冷固球團化學成分見表1。從表1可看出,冷固球團成分主要受榆鋼原料條件影響,除K,O升高外,其余指標均較穩(wěn)定,這意味著黏合劑對返礦冷固球團有害元素及堿金屬含量無較大影響。

返礦冷固球團物理性能和冶金性能見表2、3、4。從表2可看出，返礦冷固球團整體較完好，運輸過程中破碎量少,粒徑范圍在0~5mm、5~8mm、8~10mm占比均在1%以下,25~40mm占比平均在90%以上,人爐粉末占比小于1%。

從表3可看出:抗壓強度均值為3200N/個球，表明其機械強度高，經(jīng)受碰撞、沖擊、擠壓和摩擦等各種嚴酷的機械作用能力較好;熱爆裂性能指數(shù)較低,表明加人高爐后，因受熱而發(fā)生爆裂的傾向較小;低溫還原粉化指數(shù)總體指標較優(yōu),與燒結(jié)礦RDI指標較接近,說明返礦冷固球團在高爐上部低溫區(qū)還原時的粉化程度較低，能適應較高強度冶煉，有利于高爐順行及煤氣流分布;還原性能RI整體尚可，表明其在高爐中部還原程度較好，部分需在高爐下部高溫區(qū)進行直接還原，表明高爐配加返礦冷固球團后,對焦比影響較小。

從表4可看出,因受制于原燃料條件,返礦冷固球團綜合品位低,SiO₂含量高,所以其軟熔性能遜于燒結(jié)礦。

3.2 高爐配加返礦冷固球團的過程

(1)技術(shù)探索開發(fā)與驗證應用。2019年7月一2020年6月,通過13個方案不斷試驗、修正,再試驗、再修正后，確定返礦冷固球團的配料結(jié)構(gòu)為70%燒結(jié)返礦+30%鐵精礦。驗證結(jié)果表明，返礦冷固球團達到球團礦的指標，具備長期穩(wěn)定生產(chǎn)的有關(guān)條件。

(2)小比例、短周期配加試驗應用。2020年11月和2021年1月,兩次在高爐配加返礦冷固球團試驗,返礦冷固球團人爐比例按1%控制,各配加約1周,共應用返礦冷固球團約2000t。2021年3月29日,高爐開始持續(xù)配加1%的返礦冷固球團。經(jīng)過3個月試驗,返礦冷固球團人爐比例逐步提高到3%，高爐穩(wěn)定順行。全年消耗返礦冷固球團3萬余t。

(3)大比例、長周期配加穩(wěn)定應用。2022年5月,分為4期配加,單日用量的變化如圖3所示。返礦冷固球團入爐比例，在穩(wěn)定期為4%，在提升期達到5%以上。高爐穩(wěn)定順行,并持續(xù)強化冶煉,操作參數(shù)及技術(shù)經(jīng)濟指標均有進步。

3.3高爐應用效果

(1) 高爐主要操作參數(shù)。2022年5月2800m²高爐主要操作參數(shù)見表5。從表5可看出,返礦冷固球團人爐期間,在爐況穩(wěn)定順行的前提下,風量與鼓風動能等參數(shù)均有所提升，風溫平穩(wěn)上升，熱風壓力略有上漲,爐頂壓力各時期基本保持穩(wěn)定。富氧率在波動中升高，富氧率總體有所提升，有利于煤粉燃燒，提高煤粉利用率?？傮w而言，高爐作為一個煤氣發(fā)生器,隨著風量的增加,焦炭氣化量增加,有助于提高高爐的生產(chǎn)效率。

(2) 鐵水成分與溫度。2022年5月2800m³高爐鐵水成分及溫度見表6。從表6可看出,返礦冷固球團人爐期間，高爐鐵水化學成分及溫度穩(wěn)定,波動較小。生鐵[Si]雖然呈現(xiàn)下降趨勢,但是鐵水溫度1500C,爐缸活躍,實現(xiàn)了降[Si]不減熱。

(3) 主要技術(shù)經(jīng)濟指標。2022年5月,2800m³高爐主要技術(shù)經(jīng)濟指標見表7。從表7可看出，返礦冷固球團入爐期間，日產(chǎn)量總體呈現(xiàn)上升趨勢，利用系數(shù)由2.48/(m².d)提升至2.81t/(m².d)，焦比明顯降低,燃料比也呈下降趨勢。通過對高爐焦比、燃料比與冷固球團比例進行線性回歸分析(如圖4所示)，發(fā)現(xiàn)二者與冷固球團比例均存在負相關(guān)線性關(guān)系。

不同返礦冷固球團比例時,2800m³高爐的鼓風動能及煤氣利用率與冷固球團比例的關(guān)系如圖5所示,透氣性指數(shù)及全壓差與冷固球團比例的關(guān)系如圖6所示。從圖5可看出,隨著冷固球團比例的提升,高爐鼓風動能及煤氣利用率呈現(xiàn)上升趨勢，與冷固球團使用前相比，煤氣利用率在冷固球團比例為5%時提高4%~5%,表明爐內(nèi)的間接還原度有所改善，有利于降低高爐的燃料消耗,進而降低高爐生產(chǎn)成本。

從圖6可看出，高爐操作過程中對壓差的控制有所放寬,通過提高富氧率,增加風量，將壓差逐步調(diào)整到200kPa以上,透氣性指數(shù)呈現(xiàn)出穩(wěn)中緩升的趨勢，冶煉強度明顯提升。

3.4經(jīng)濟效益及社會效益

(1) 經(jīng)濟效益。按照返礦冷固球團替代外購球團礦進行價差成本核算,返礦冷固球團入爐比例每增加1%,生鐵成本降低2.31元/t。其中,剔除返礦冷固球團比例增加后，人爐品位下降的影響,生鐵成本升高0.27元/t。當返礦冷固球團人爐比例增加到5%時,生鐵成本降低10.2元/t。

(2) 社會效益。與燒結(jié)工序相比,返礦冷固球團技術(shù)可以有效減少CO₂排放量。生產(chǎn)實踐中,返礦冷固球團耗電小于30kW.h/t,消耗焦爐煤氣約16m³/t,折合標準煤共計12.83kg。與燒結(jié)工序能耗相比,每噸產(chǎn)品降低能耗約38.15kg標準煤,可減少CO₂排放量約112.28kg。按照返礦冷固球團20萬V/a產(chǎn)能計算,每年可減少CO₂排放量約2萬t/a。

4結(jié)語

將燒結(jié)返礦制備成冷固球團可以避免返礦在燒結(jié)系統(tǒng)的循環(huán)復燒，不僅降低能源消耗，而且進一步釋放燒結(jié)能力,緩解燒結(jié)生產(chǎn)壓力。榆鋼2800m³高爐生產(chǎn)實踐表明，返礦冷固球團加人高爐，有利于改善高爐透氣性,提高煤氣利用率，爐況穩(wěn)定順行，可取得良好的經(jīng)濟效益和社會效益。當返礦冷固球團人爐比例達到5%時,生鐵成本可降低10.2元/t。

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