（钢铁冶金专业论文）球团矿焙烧与还原过程中的热强度研究.pdf

摘要 摘要 随着我国高炉炼铁技术的不断进步，对入炉精料的要求越来越高。球团矿由于 具有粒度均匀、强度高、可以改善高炉料柱透气性等优点，被认为是实现高炉炉料 结构优化的优质炉料。球团矿质量的优劣对高炉冶炼指标的改进及炼铁技术的进步 有着重要的影响，其强度作为衡量球团矿质量的一项指标也就显得尤为重要。但是 目前国内外对球团矿强度的研究主要集中在冷态强度，对其热态强度方面的研究未 见有人涉足。本文对巴西精矿粉和东北精矿粉以不同配比制造成的球团矿在氧化焙 烧和还原过程中的热强度进行了系统的研究，研究成果主要应用于球团焙烧工艺可 行性判断及高炉炉料结构的优化，也为进步提高我国球团矿质量提供可靠的理论 依据。 本文研究的主要内容包括：通过不同温度的焙烧试验得到不同配料的球团矿试 样并铡得其常温抗压强度；使用一台可调气氛高温抗压试验机研究球团矿氧化焙烧 和还原过程中热态强度的变化规律：通过模拟试验得到还原至不同程度的球团矿试 样，并测得其试样在相应温度下的抗压强度。 球团矿抗压强度与焙烧温度关系的研究表明：单球抗压强度随着焙烧温度的升 高而升高；单球抗压强度与焙烧温度的关系决定了一个最低焙烧温度，m i n ，焙烧温度 不低于这个值时才能保证球团矿单球抗压强度满足一般中小高炉对球团矿单球抗压 强度的要求。 球团矿在氧化焙烧过程中的热强度变化规律的研究发现：球团矿氧化焙烧过程 中的强度变化规律决定了一个最高焙烧温度f m 。焙烧温度高于这值时，球团矿 的强度急剧下降，球团矿在焙烧过程中就将破损。要保证球团矿在焙烧过程中不产 生大量破损，焙烧温度必须低于，一。 高炉块状带球团矿抗压强度分布规律的研究表明：球团矿的抗压强度随着温 度、还原率的升高而降低；块状带球团矿强度受温度和还原率的双重影响，随着炉 料的下降抗压强度具有近似直线的分布状态。 图：1 5 ；表：1 2 ；参：6 2 关键词：球团矿；氧化焙烧：还原；热强度 分类号： t f 0 4 6 6 河北理| j ：人学硕士学位论文 a b s 仃a c t a l o n gw i 出t 1 1 ep r o g r e s so f 童l l ei r o n m a “n gt e c h i l i q u e sb yb l a s tf i l m a c ei no l l rc o l i n t r y ， h i g hi r o ng r a d ec h a r g e sa r el o a d e df o rm eb l a s tf l l i n a c e p e l l e t sa r ec o n s i d e r c dak i n do f h i g l lg r a d ec h 盯g i n gb yr e 嬲o no fw e um e t a l l u r g i c a ic a p a b i l i t i e s t h eq u a l h yo fp e l l c t s 对b c t st h ep r o c e s so ft l l eb l a s tf u m a c es m e 城n g 趾di r o i l l l l a l ( i n gt e c h n i q u e ，也es t r e l l g t l l ， q u aai n d e xt os c a i et l l eq u a l i 哪o f p e l l e t s ，i si m p o n a n t a tp r e s e 吐t 1 1 e 咖d yo nm e 姗n 2 ：t l l o f t l l ep e l l c t si sc o n f i n e di nn l en o 彻a lt c m p e 咖m t h er e s e a r c ho f s 协m g t l lu n d e rt h er e a l t e m p e m t u r eh a sn o tb e e nd o n e 1 nt l l i sp 印r e a ls t r e f 蛳o f t l l ep d l e t st h a t 也eb r a z i lo r e s w e r em i x e di nt t l en o n l l e 蚓w a r do r e sb yd i 姗s c a l em a s t i n ga n dr e d u c i n gp r o c e s s 删 s t l l d i e d t h em s u l t sa p p l ym a i l l l yt om e 驰u t l l eq u a l i t ) ro fp e l l e t sa n do p m n i z et 1 1 e s 劬c t i l r eo f c h a r g i n g 姐do 脑ar e l ia _ b l ec r i t e r i o nt oa d v c et h eq u a l 蚵o f p c l l e 扭 t h ei r i v e s t i g a t i 、r cc o n t c n t sm c l u d et l l a tp e l l e t sw i t l ld i f r e r e mp 咒s c r i p t i o n sw e r e p r o d u c e da td i b r e n tt e m p i 删u r e s 如dt h e i rn o 咖a is 订e n g t h 、st e s t e d ，t l l em i eo f 曲 v a r i e 够o fr e a l 妣n g t hi nr o a s t i n ga i l dr e d u c i i l gp m c e s sw a si n v e s t i g 矾e db yu s i n gah i g h t 锄p e r a t i l r ec o m p r c s s i 、他t e s t i n gi i l a c l l i n e 埘t l la d j u s t a b i e 咖唧h e f e ，p e l l e t sw i 血 d i f 断e n tr e d u c t i o nr a t cw e 咒p r o d u c e db yas i m l l l a t i v et e s ti nt l l i sw 0 r ka i l d 血es 扛e n g t h 、v a sd e t e r m i n e di nt 1 峙s a n l et e m 徉骶i n l r e t h c 础l i i l l yi e s u l t s 、：l ，e r e 船f o l l o w sb ys t u d y i i l gr c l a t i o n s l l i pb e t w e 蜘c o 瑚p m s s i o n s t n g m so ft l l ep e l l e t s 蛐dr o 船t i l l gt e l 秘r a t i l 咒t h es e n g mr i s e sa l o n gw i t l lm eh o i s to f r o 剁n gt e m l e r a n 鹏r e l a l i o n 出pk 帆e e i lc o m p r e 豁i o n 蛐蟛h so ft l l ep e l l e t 锄d i _ 0 嬲t i n gt e m p e m t u r ed e c i d e dam i n i m 眦a s t i n g 把m p c r a t u r e ，r m i nr 0 a s t i n gt e m p e 鞠加r e m u s tb eh i 曲e r 也a nf m i ni no f d e rt os 蛹c et h em e d i u ma n dp i n t s i 捌b l a s tf i l m a c e 咒q u e s t n er c 鲫l t sw e r e 雒f o l l o 粥b y 咖d y i n gr e l a t i o f l s h i p 醅t v e nc 锄p r e s s c d 咖喀ho f p d l e t s 趾dm er e a lt e i n p e f a 哝d l m n gr o a s t i n g r e l a t i o n s h i pb e t w e e nc o m p 糟s s e ds 廿e n g 吐l o fp e l l e t s 觚d 血e 硎t 髓l p e r a t u 把d 面n gr o 嬲t i n gd e c i d e dal l ig ：h e s tm a s t i n gt c 】m l ，啪t i l 心， i fr o a s t i n gt e 】n p e r 砷叫cw 勰l l i g h e rt h 锄f “，t h es 帆n g 吐l so fp e l l e t sw o l l l dd p r a p i d l y r d a s t i n gt c m p e r a t i l r em u s tb cl o w c rm 强k “i no r d e rt oa s s u r ct h cm t e 础yo f p e l l e t s t h er e s u l t sw e r e 鹊f o l l o w sb ys t i l d y i l l gi n t e l l s 时d i s 啊b u t i o no f c o m p r e s s e ds 锨m g l l l o fp e l l e t s c o m p s s c d g t r e n g mo fp e l l e t sw 瞩d e p 他s di nc 蚰糊丽m 虹把r a i s i n go f t e m p e f a t l l r ea n dr e d u c t i o nd e 鲈e t h ed i 蛳b 嘶o no ft h ep e l l e t sc o m p 豫s ds h 加g t l li n t h el u n l p y 刚i o nw 瞄触d b yb o mt c r n p e r a t u r ea n dr c d u c t i o nr a t c t h e n do n c o n l p r e s s e ds t r c n g i l lo fp c l l e t sa l o n g 谢t ht h ed r o po fc l m r g i n gc 鲫b ed e s c r i t i e dr o u g h 】y u s i i l gb e e l i l l e s f i g u r e ：1 5 ，t a b l e ：1 2 ，r e f b r e l l c e ：6 2 k e yw o r d s ： p e l l e t s ，o x i d i z i n gr o a s t i n g ，r e d u c t i o n ，妣n g t l la tm a lt e m 邮n 】r e c h i n e s eb o o k sc a 诅l o g ：t f 0 4 6 6 - i i - 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 河北理工大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：壅缢翅日期：型生年上月互日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解河北理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复 制手段保存论文。 签名： ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 导师签名：丕至么日期：醴年坐月日 引言 引言 球团矿是重要的高炉冶炼原料之一，具有粒度均匀、强度高、炉内透气性好、 适应性广泛等特点。高炉冶炼中适当提高球团矿的比例，可阱改善料柱的透气性， 提高冶炼强度，同时，也可以降低焦比。但由于氧化性球团矿在还原过程中发生体 积膨胀，特别是灾难性的膨胀，使其强度急剧下降，引起球团矿粉化。因而限制了 球团矿在大型高炉的原料配比进一步提高。 实践证明，高炉炉料结构直接影响着高炉炼铁各项技术经济指标的改善。大型 钢铁企业需要利用自产球团矿来优化高炉炉料结构以提高市场竞争，因此，我国球 团矿发展有着非常广阔的前景。但是，由于国内铁矿资源储量的限制，大量使用外 矿( 例如巴磋精矿粉) 和某些特殊矿( 例如新西兰海沙) 成为当前我国球团工业发 展的重要课题。 球团矿生产是我国炼铁工业人工造块的主要手段之一。我国中小企业的球团矿 焙烧以竖炉流程为主。竖炉生产中球团矿在焙烧过程中必须保持足够高的强度，否 则球团矿将会大量破损，产品质量和竖炉顺行均会遭到严重破坏。另一方面，在高 炉冶炼过程中，球团矿强度变化也很大。如果球团矿的强度太低，将使高炉的透气 性恶化，进而影响到高炉的顺行。因此，了解球团矿在氧化焙烧和还原过程中的热 强度变化显得尤为重要。目前球团矿强度的研究一般仅限于常温，氧化焙烧和还原 过程中实际温度下的强度研究一直是一个难题。本课题研究的主要目的就是解决这 问题，为球团矿焙烧工艺的可行性判断和优化高炉工艺参数提供一种可靠的研究 手段和依据。 本课题是国家自然基金项目“高炉料高温性能研究”批准号( 5 0 4 7 4 0 7 8 ) 的一 个重要组成部分。本课题使用一台可调气氛高温抗压试验机和一台高炉块状带热模 型来研究试样在焙烧与还原过程中的热强度。通过试验结果对球团矿在焙烧与还原 过程中的变化规律及其影响因素进行了分析。研究成果主要应用于球团矿的质量检 测和高炉炉料结构的优化，为进一步提高我国球团矿质量提供可靠的理论依据。 河北理一l ：人学硕十学位论文 1 文献综述 1 1 国内外高炉炉料结构现状及发展趋势 实践证明，高炉炉料结构直接影响着高炉炼铁技术经济指标的改善，合理的炉 料结构是高炉生产获得高产、优质、高效、低成本的重要因索【l i 。合理的炉料结构 是以精料为基础的，只有入炉炉料的品位、强度、粒度、冶金性能提高了，才能更 好的体现出炉料结构的合理性，高炉才能实现优质、低耗、高产。高炉炼铁原料一 般包括含铁原料、熔剂和燃料。含铁原料有天然块矿、烧结矿、球团矿等，熔剂包 括石灰石、白云石、萤石等，这些原料占生铁制造成本的6 0 ，生铁制造成本在钢 铁联合企业成本中约占5 4 5 8 ，因此，要提高企业的经济效益就必须把好原料 关，必须要研究入炉含铁原料的合理搭配进而提高高炉技术经济指标】。经济合理 的炉料结构应该遵循以下几个原则：1 以高碱度烧结矿为主的原则；2 突出高品 位、低渣比的原则；3 高碱度烧结矿和酸性炉料合理搭配的原则；4 限制块矿配入 比例的原则；5 结合本地区资源特点，追求商效益的原则。 1 1 1 国内炉料结构的发展 纵观国内高炉炼铁发展历史，炉料结构大致经历了天然块矿、低碱度或自然碱 度烧结矿、自熔性烧结矿、高碱度烧结矿搭配酸性炉料四个发展阶段。建国初期高 炉使用的含铁原料全部是天然块矿或低碱度烧结矿，高炉利用系数在o 7t m - 3 一以 下，焦比大于1 2 0 0k g t 1 【4 ，绷。之后开始生产自熔性烧结矿，采用1 0 0 自熔性烧结矿 作为当时高炉主要的炉料结构。由于减少了石灰石、白云石熔剂直接入炉，且自熔 性烧结矿的冶金性能优于天然块矿，高炉利用系数达到1 5t m 3 d - l 以上，焦比下降 到6 0 0k g t - 1l z j ，高炉技术经济指标得到大幅度提高，这是我国炉料发展里程中的第 一次飞跃。7 0 年代后期高碱度烧结矿在全国范围内逐步推广起来，碱度在1 6 2 2 之 间【6 】，各企业都在努力提高高炉炉料的熟料率。1 9 8 1 年1 2 月，在杭钢召开了炉料结 构研讨会，明确提出高碱度烧结矿搭配酸性球团矿应该是我园高炉的合理炉料结 构，此后采用高碱度烧结矿搭配天然块矿或球团矿炉料结构模式成为主流，其中高 碱度烧结矿占7 5 8 5 。酸性球团矿多数为竖炉所产，少量为进口，高炉技术经济 2 1 文献综述 指标得到进一步提高。从此，烧结矿和球团矿维持什么比例才是合理的炉料结构成 为研究重点。 近年来，由于各个企业烧结矿和球团矿产量、品种、铁矿石来源和价格不尽相 同，在国内形成了几种类型高炉炉料结构f 7 。 1 高碱度烧结矿搭配酸性球团矿形式 高碱度烧结矿具有强度高、还原性能好的特点，而球团矿品位高、粉末少、强 度好、f e 0 低，从理论上讲，烧结矿与球团矿相互搭配属于最优炉料结构i o 川。实 验室试验证明，当酸性球团矿配入比例为2 5 5 0 时，高炉料柱的最大压差值最小 【1 2 1 。但是国内球团矿质量差、品位低，s i 0 2 含量偏高( 有的高达8 ) ，使高炉渣量 大幅度增加，大量的热能用在了化渣上，不利于强化高炉冶炼【l 矾。提高球团矿质量 必然会使高炉获得良好的经济效益，例如杭钢使用3 0 的巴西c v r d 球团矿，炉料中 球团矿的比例由3 0 增加到5 3 ，入炉矿品位提高4 5 ，产量提高约3 0 ，焦比下 降5 6 7 k g - t _ 11 1 4 1 。济钢、邯钢、莱钢的球团矿比例为1 5 2 5 ，水钢球团矿配比 3 0 ，杭钢达到5 3 。 2 高碱度烧结矿搭配酸性球团矿和天然块矿形式 国外优质块矿的t f e 在6 5 5 以上，s i 0 2 约小于3 5 ，s 、p 有害杂质很低，化学 成分与球团矿差别不大，虽然冶金性能比不上球团矿，替代部分球团矿还是可行的 “5 。鉴于酸性球团矿产量少，质量差，国外球团矿价格高的现状。使用高品位块矿 可以提高入炉矿的综合品位、减少渣量，达到降低炼铁成本的目的。宝钢、武钢、 包钢、酋钢的炉料结构中酸性球团矿比例约为1 0 ，块矿在1 0 1 5 左右。 3 高碱度烧结矿搭配天然块矿形式 对于靠近沿海地区，因其矿石运费低，进口优质块矿的吨铁价格低于烧结矿和 球团矿，是最经济的炼铁原料。长期的生产实践证明配加少量的块矿对高炉炉况顺 行并无影响，可以降低生铁成本。上钢一厂、梅钢、苏钢炉料中块矿的比例达到 1 5 2 0 ，高炉技术经济指标不低于全熟料比冶炼。 4 高碱度烧结矿搭配酸性烧结矿形式 近几年，一些企业为了减少投资， 解决酸性球团矿和块矿的不足，石钢、 结矿配比达到1 0 2 0 左右。 利用原有的小面积烧结机生产酸性烧结矿以 酒钢、昆钢、安钢、鞍钢炉料结构中酸性烧 3 河北理j ：大学硕十学位论文 1 1 2 国外炉料结构现状 亚洲是世界最大的产钢地区，几个主要的产钢大国，或铁矿资源不足，或几乎 没有铁矿资源。需要从澳人利亚和南美洲等地进口矿石，进口矿以粉矿为主，所以 烧结矿为主的炉料结构在亚洲占主导地位。 俄罗斯高炉的含铁原料以烧结矿为主，但球团矿配比在逐渐增多。俄罗斯高炉 的矿源精矿居多，但长期却用来生产烧结矿，随着技术的发展，球团矿配比已逐渐 增加。 美国的铁矿资源为嵌布极细的铁隧岩，需要磨得很细，方能使铁矿物与脉石单 体分离，因此精矿的粒度极细。从2 0 世纪5 0 年代起便发展球团矿，所以美国的高 炉炉料结构以球团矿为主，或多或少地配有烧结矿。加拿大和瑞典的高炉则以1 0 0 球团矿作为高炉原料【1 6 j 。 世界上的球团矿多为酸性，在北美洲由于球团矿含铁品位高，含s i 0 2 低，焦炭 的灰分低，所以炉料中基本不用配加石灰石，只加少量白云石和金刚渣。近十几年 来，在美国也生产碱度o 6 1 o ( c a o s i 0 2 ) 的球团矿。 欧洲有几个厂家的高炉用烧结矿和球团矿各5 0 左右。为了平衡高炉渣的碱 度，烧结矿的碱度( c a 0 s i 0 2 ) 要在2 o 以上。球团矿中配加镁橄榄石或白云石，以改 善酸性球团矿的冶金性能。 欧美高炉的炉料结构则有所不同，有的以球团矿为主，也有烧结矿、球团矿各 占一半，表l 中列出有代表性的工厂的炉料结构。 表1 欧美代表企业高炉科结构及相关操作指标1 9 i t a b l e lo p e 州n gi n d e x 船锄d b u f d 蛐d e s i 驴o f b fi ne n c e i p r j s eo f a m e r i c a 硼de u r o p e 锄 企业 烧嘏品孙黼豸礴位麓一 瑞典瑞钢 o 5 0 9 7 2 2 33 04 5 7 6 61 4 6 美国黄钢联1 5 2 08 0 8 s 德国不来梅 4 8 - 34 6 2 5 51 8 4 德国1 9 9 8 年平均 6 0 32 8 5 1 1 22 1 14 6 6 26 02 5 2 加拿大多法斯科 1 0 0 1 9 4 荷兰霍戈文 4 6 9 5 0 7 2 4 2 0 5 芬兰罗德罗基7 5 2 5 2 9 4 3 96 2 52 0 3 比利时西德玛 8 5 1 32 2 5 9 英国雷德卡i b f 6 2 73 12 3 2 4 7 05 9 52 8 4 4 1 文献综述 无论是何种炉料结构，高炉操作指标都可能取得一流水平，即使是同样的炉料 结构模式，高炉的技术指标也会有高有低。合理的炉科结构只是相对的，随着原料 供应状况、炉料性质的改善和高炉技术进步，炉料结构模式总是要发生变化的，实 践证明，炉料结构只能在一定条件下起到调节作用而非决定因素，进一步提高炼铁 技术经济指标，必须在原料上实现精料方针。合理的炉料结构也是以精料为基础 的，只有入炉炉料的品位、强度、粒度、冶金性能提高了，才能更好的体现出炉料 结构的合理性，高炉才能实现优质、低耗、高产。各国的资源条件和经济技术水平 不同，到底是选择球团法造块还是烧结法造块必须立足于本国的国情，从世界高炉 炉料结构发展趋势看，球团矿的比例正在不断增加，而且球团矿中含m 窟o 酸性球团 矿或熔剂性球团矿配合烧结矿是一种正在发展、很有前途的新兴炉料结构 8 1 。 1 2 国内外球团工业现状 1 2 1 国外球团矿生产的现状 铁矿球团是2 0 世纪早期开发的一种细粒铁精矿的造矿方法。它是富矿资源日益 枯竭、贫矿资源大量开发利用的结果。随着现代高炉炼铁对精料几近苛刻的要求， 球团矿在钢铁工业中的作用愈加重要，已成为一种不可缺少的优质冶金炉料。近年 来，国际市场上球团矿涨价幅度远高于铁矿块矿和粉矿，这种情况在一定时期内仍 将保持上升趋势。截至2 0 0 4 年底，全世界近2 0 多个国家的球团矿总生产能力约为 2 3 6 亿t a - 1 。其中，北美球团矿产量最高，每年生产能力约为1 0 0 2 亿t 。正在建设 的球团厂生产能力为1 5 7 5 万t ，主要生产国家有俄罗斯、美国、巴西、加拿大、瑞 典和墨西哥等。 目前世界球团生产能力中，带式机球团矿生产能力为2 0 5 亿t ，占世界总生产 能力的6 6 4 3 ，链算机一回转窑球团矿生产能力为8 0 6 0 万t ，占世界总生产能力的 2 6 7 1 ，竖炉球团矿生产能力为2 3 0 0 万t ，占世界总生产能力的6 8 6 。所以，设 备大型化是未来球团工业发展的总趋势。 1 2 2 国内球团矿生产的现状 二十世纪末，我国铁矿球团的年产量己达到2 4 0 0 万t 左右，年产生铁1 3 0 0 0 万 t ，需要2 1 5 0 0 万t 含铁炉料3 1 。而球团矿占炉料的比例不足11 2 ，显然是太低 一5 一 河北理i 大学硕十学位论文 了。从高炉冶炼合理炉料结构的需求出发，铁矿球团占炉料的比例应在3 0 左右。 我国为了实现质量、效益为中心的增长方式，在跨入二十一世纪的第十个五年计划 中，提出了“增加氧化球团生产能力，改善高炉炉料结构，提高球团比例”的方针 政策。此后近一年多来，我国铁矿球团工业有了很大的发展。武钢、马钢、重钢、 涟钢、八钢、国丰等企业相继建成了8 m 2 球团竖炉。首钢通过截窑，生产能力由年 产6 0 万t 一跃增加到年产1 0 0 万t 的水平。2 0 0 1 年春又规划建设一座年产2 0 0 万t 的链算机回转窑。可见，近年来球团矿的生产能力在以很快的速度增长。但是，作 为球团矿生产的原料，铁精矿却以每年3 0 0 万t 的速度递减，因此，探索和发展我 国铁矿球团原料的问题成为一个重大的现实问题。 1 3 国内外球团生产资源状况 1 3 1 国内铁矿资源状况 我国富矿粉很少，主要以开采贫矿为主，国内铁矿资源平均品位为3 3 o ，低 于世界平均品位1 1 个百分点【”，1 8 j ，9 0