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高炉合理含铁炉料结构的研究 黄培正 S0126069 钢铁研究总院摘要： 高炉冶炼条件的改善主要得益于炉料的合理化，高炉炉料结构优化不仅是含铁炉料搭配模式的优化，还应该是包括各种含铁炉料自身性能的优化。根据高炉内温度分布的特点，分别研究烧结矿、球团矿和块矿的热稳定性、低温还原粉化性能、热裂性能、还原性能、还原膨胀性能、还原后强度和高温软熔性能，掌握含铁炉料在入炉后的冶炼过程中强度和粒度的变化，查明影响高炉各区炉料顺行与透气性的控制因素。通过分析含铁炉料冶炼性能的影响因素，找到改善含铁炉料冶炼性能的措施。关键词：高炉炉料结构；低温还原粉化性能；还原性；软熔性1.1高炉炼铁在钢铁工业中的地位钢铁是人类社会使用的最主要的结构材料和产量最大的功能材料，钢铁是现代社会最重要的原材料之一，钢铁的产量和质量往往是一个国家的发达程度和经济实力的重要标志，是国民经济的的需求量随支柱产业。目前钢铁产量的迅速增加对生铁之升高，而高炉炼铁仍然是现代炼铁的主要方法，是钢铁生产中的重要环节。这种方法是由古代竖炉炼铁发展、改进而成的。尽管世界各国研究发展了很多新的炼铁法，如直接还原法、熔融还原法等，但是由于直接还原和熔融还原的产量较小。由于高炉炼铁技术经济指标良好，工艺简单，生产量大，劳动生产率高，能耗低，目前这种方法生产的生铁仍占世界铁总产量的95以上，在我国更占到99.5%以上。1.2高炉炉料结构合理化的重要性在钢铁工业中，高炉炼铁生产的物料消耗和能源消耗最大，排放物种类和数量也最多。高炉炼铁不仅是钢铁生产中最主要的成本构成工序，同时是与环境和社会联系最密切的生产环节。所以高炉炼铁的高产低耗和高炉长寿就成为高炉炼铁技术发展的方向。从影响高炉炼铁过程的因素来分析，除了高炉本体及其附属设施外，炼铁生产还必须具备原料(矿石、焦炭、熔剂)和热风两个基本的冶炼条件。但随着炼钢能力的提高，生铁的需求量越来越大，而焦炭资源却日渐缺乏。因此，要想在现有设备和资源条件下，达到增产降耗的目的，就必须采取一系列措施，进行高炉强化冶炼。目前，国内外通常采用精料、高压操作、高风温、富氧喷吹和自动控制等新技术措施来进行高炉强化冶炼。其中精料是高炉强化的物质基础，国内外高炉炼铁的实践表明，精料对高炉炼铁科技进步的影响率在70左右 所以强化高炉冶炼必须把精料放在首位。精料同样也是高炉炉料结构的基础，精料技术的发展推动了炉料结构的合理化，反之追求炉料结构的合理化又不断对原燃料品质提出更新更高的要求。可见高炉炉料合理化对高炉冶炼技术进步和发展的重大意义。1.3国内外高炉炉料结构发展现状1.3.1 高炉的基本含铁炉料高炉生产所用基本含铁炉料包含烧结矿、球团矿和块矿三种炉料。烧结矿是通过将粉状物料(如粉矿和精矿)进行高温加热，在不完全熔化的条件下烧结制成的人造矿，烧结矿是靠液相固结为主，其外形为不规则多孔状。目前生产的烧结矿多为高碱度烧结矿，其粒度均匀，粉末较少，还原性与高温软熔性能较好，化学成分稳定，造渣性能良好，同时可以在高炉生产时少加或不加熔剂，降低高炉内的热量消耗，改善高炉的生产指标。但是烧结矿的低温还原粉化性能较差，尤其是高铁低硅技术的发展，烧结矿的强度有所下降，造成其在高炉上部粉化较严重，恶化透气性，改善烧结矿低温还原粉化性和提高强度是当前的研究重点。球团矿是通过将细粒物料(尤其是细精矿)在加水的条件下专门造球设备上经过滚动而成生球，然后再经焙烧固结而成的人造矿，球团矿是当前使用最广泛的酸性炉料之一。球团矿生产的热耗比烧结低，环境比烧结好；另一方面，球团矿本身的性能较好，全铁含量高，冷强度高，粒度均匀，堆积密度大，适于贮运，还原性能良好。但是球团矿在高炉冶炼过程中存在体积膨胀的问题。常用的天然矿石主要有赤铁矿、磁铁矿、褐铁矿和菱铁矿。赤铁矿理论铁含量为70，属于高价铁氧化物，还原性好；磁铁矿理论铁含量为724，组织致密坚硬，空隙度小，还原比较困难。褐铁矿是含有结晶水的氧化铁矿石，理论含铁量不高，为3755，通过加热使其结晶水分解可以提高含铁量，同时增加气孔率，改善还原性；菱铁矿理论含铁量不高，为482，但同褐铁矿一样，通过加热提高含铁量、改变组织结构、改善还原性。块状炉料在高炉冶炼时都存在热裂现象，造成块矿粒度变小，影响高炉炉料料层透气性。1.3.2 建立高炉合理炉料结构的基本原则普通酸性烧结矿强度较好，而其还原性相对较差。高碱度烧结矿低温还原粉化性能得到改善，还原性较优。但是高炉生产也不能完全使用高碱度烧结矿，应综合考虑资源的合理利用等因素。各钢铁企业必须根据自身的铁矿石资源选择合理的炉料结构。 (1)经济效益第一的原则炼铁企业经营的最终目标是取得最大的经济效益和实现环境友好。高炉炼铁的合理炉料结构，除了技术方面的因素之外，主要是经济效益起决定性因素。合理炉料结构的目的是为了改善冶炼指标，提高企业的经济效益。这就要求既要充分利用好本地的资源，又要对本地区资源的弊端加以控制；既要发挥本地矿的作用，又要用好外来矿。不少企业的生产实践证明，低成本不等于高效益。低成本只是企业的手段，而追求高效益才是企业的目的，在炉料问题上不能只考虑降成本，还应该从铁前的整体效益出发，考虑降低采购成本后可能会出现的问题。(2) 高炉炉渣碱度制约原则高炉炼铁要求将炉渣碱度控制在1011，冶炼铸造铁时，炉渣碱度还会有所提高。主要原因是要确保炉渣要有好的流动性、穿透性，较高的脱硫能力，以保证高炉生产的顺行。高炉无论何种结构进行配料，最终总的炉渣碱度都要满足高炉正常生产的需求。 (3)充分发挥各种炉料优势的原则高碱度烧结矿，不论是产量还是质量，也不论是物理性能还是冶金性能都要比自熔性烧结矿优越得多。在这个问题上有两点需要认识清楚，一点是高碱烧结矿应有个最佳的碱度范围。大量的研究和生产实践证明，这个范围在180230之间。另一点是高碱度烧结矿的工艺和产质量也是发展的，高碱度小球团烧原料经过强化制粒后，料层透气性得到明显改善；如果实现燃料和熔剂分加还能使成品矿的的质量得到明显改善，燃料和工序能耗降低，FeO降低，在有条件的企业，应该把生产高碱度小球团烧结矿作为合理炉料的主要部分。但是，高炉炼铁全用高碱度烧结矿，会使炉渣碱度太高，高炉生产会出现困难。所以，用高碱度烧结矿炼铁必须要搭配酸性球团矿或适当比例天然块矿。同理，块矿和其他酸性炉料与高碱度烧结矿搭配也有一个合适比例的问题。各企业应通过试验研究和工业试验来确定合适的比例。球团矿的最大优点是含铁品位高，还原性能好。增加球团矿配比，可以有效地提高高炉炼铁入炉矿的含铁品位，同时还可以解决高碱度烧结矿给炉渣碱度造成的影响。高炉炼铁全用酸性球团矿生产时，要必须配加一定量的熔剂(石灰石、石灰等)，以保证炉渣的适宜碱度。但是高炉加入石灰石，会使高炉容易出现结瘤现象。高炉实现合理的炉料结构，在缺乏熟酸性炉料的前提情况下，配入适当比例的高品位块矿，有利于提高产量和增加效益。但由于块矿毕竟是生矿，其还原性和软熔性能比球团矿或烧结矿差，过量搭配块矿必然会影响冶炼效果。合理炉料结构基础就是要求炉料自身性质较优，没有最佳的炉料质量，就不会有最佳的合理炉料结构。1.3.3 含铁炉料性能对高炉冶炼的影响炉料在下降过程中经历了不同的变化过程，矿石在下降过程中经历如下几个阶段：（1）块状带这里的主要反应是结晶水的分解、矿石的间接还原，同时发生一些固相反应，形成了低熔点化合物。这一阶段要求原料具有良好的粒度组成、冷强度、透气性、很好的低温粉化率、高还原后强度等。（2）软熔带矿石在下降的过程中温度继续升高，接近炉料的熔点时，开始软化，逐渐形成半熔状态，这层具有一定厚度的塑性层，即为软熔带。此带的特征为初渣开始形成，但尚未均匀，矿石大部分已经还原至UFeO或金属铁，渣中含FeO量高，渣的碱度为自然碱度。这阶段要求炉料具有良好的透气性、荷重软化温度和良好的高温还原性能。（3）滴落带矿石经过软熔带的下部时，己经完全熔化为液体，金属铁也和渣完全分离，金属铁经过固体焦炭的缝隙往下流动。在这个过程中不断渗碳，并且继续吸收渣中的铁和其它金属元素。这阶段要求炉料最主要的性能就是熔滴性能。高炉解剖调查结果表吲301，各种原料的冷态性能固然重要，但热态性能对改善高炉冶过程更为重要。所谓热态或高温冶金性能主要包括还原后强度、还原性、高温软化特性等。各种矿的还原后强度对块状带料柱透气性有决定性的影响；高温软化特性对软熔带结构和气流分布有很大的影响。因此，不仅要研究炉料的冷态性能，而且还要研究炉料的还原性、还原后强度和高温软熔性能。研究并改善炉料的高温冶炼性能，是现代高炉强化冶炼的迫切需要。 1.3.4 国内高炉炉料结构的发展现状目前我国各重点企业采用的炉料结构均为高碱度烧结矿配加少量酸性炉料，酸性炉料主要包括球团矿、块矿和酸性烧结矿等。主要有以下几种形式：(1)高碱度烧结矿搭配酸性球团高碱度烧结矿强度高、还原性好。而酸性球团矿形状均匀规则，粉末少、品位高、强度高、FeO含量低，有很好的还原性。从技术角度考虑，二者相互搭配的炉料结构属于最优炉料结构。其中，酸性球团矿用量比例在20-30。鞍钢继1990年进行的采用70高碱度烧结矿配30酸性球团矿炉料结构的工业试验取得成功后，部分大型高炉采用了75碱度为185左右的烧结矿配加25酸性球团矿的炉料结构，与采用100自熔性烧结矿的高炉操作指标形成了鲜明的对比。该公司历年的平均高炉指标见表1-1。由表1-1可以看出，采用高碱度烧结矿配加酸性球团矿炉料结构与采用单一的自熔性烧结矿为炉料结构相比，利用系数提高了17-20，综合焦比降低40kg/t。7号高炉的对比说明了高碱度配加酸性球团矿作为炉料结构的合理性。表1-1鞍钢不同炉料结构的高炉生产指标时间高炉号高炉炉容/m3炉料结构入炉铁品位/%利用系数/t.m-3.d-1综合焦比/kg.t-11997年上半年72557自熔性烧结矿54.321.4755521997年下半年7255775%高碱度烧结矿+25%球团矿55.301.7805451997年10258075%高碱度烧结矿+25%球团矿55.531.9105071997年11258075%高碱度烧结矿+25%球团矿55.441.8455342005年1月10258075%高碱度烧结矿+25%球团矿59.532.1244812005年1月11258075%高碱度烧结矿+25%球团矿60.361.999495（2）高碱度烧结矿搭配块矿和酸性球团矿此种炉料结构的形式是参考日本的炉料结构模式，宝钢、包钢和安钢(安阳)等企业都采用的是此种形式的炉料结构。表1-2宝钢高炉炉料结构和冶炼指标时间炉料结构入炉铁品位/%利用系数/tm-3d-1焦比/kgt-1煤比/kgt-1渣比/kgt-1烧结矿/%球团矿/%块矿/%1985年85.05.010.058.111.7645448.19(油)3201992年80.56.113.458.342.09441314.7-28.52991996年78.78.013.358.402.034410942931997年73.710.316.058.861.9833801093071998年74.99.116.059.452.0523201722651999年76.17.916.060.172.257293207259宝钢是在吸纳了国外高炉炼铁经验的基础上，不断完善和改进高炉的炉料结构，使高炉的生产冶炼指标有了大幅度的提升，跨入世界先进行列。其高炉炉料结构和冶炼指标如表1-2所示。(3) 其他形式国内炉料结构还包含了高碱度小球团烧结矿配加酸性球团矿、高碱度烧结矿配加酸性球团烧结矿和块矿、高碱度烧结矿搭配低碱度烧结矿三种，这三种炉料的搭配模式的应用较少。表1-3酒钢高炉的炉料结构和冶炼指标时间炉料结构酸性球团烧结矿入炉铁品位/%利用系数/tm-3d-1焦比/kgt-1煤比/kgt-1烧结矿/%球团矿/%块矿/%TFe/%SiO2/%R199668.2327.434.3451.5211.170.6150.211.39860640.4199760.2433.006.6754.1210.980.3549.71.62859843.3199857.8935.007.1153.7511.530.4249.611.72857242.9199962.3030.007.7053.9211.530.4250.471.93655249.81.4 高炉含铁炉料冶炼性能研究现状烧结矿、球团矿和块矿都是由不同的集合体组成，各种集合体呈树枝状、针状、柱状、片状、板状等，而这些不同形状的集合体的冶炼特性又有很大的差别，其化学成分和矿物组成各不相同，含铁炉料的化学成分、矿物组成及其结构对烧结矿的冶炼性能有着重要的影响。 图1.高炉分区示意图表1-4 高炉各区间温度高炉各区温度区间/主要反应A区400炉料预热，炉料水分的蒸发B区400-700间接还原，结晶水的分解C区700-1000间接还原，少量的直接还原D区1000-1300间接还原，直接还原，炉料软化E区1300-1500熔融，渣铁分离和渗碳1.4.1低温还原粉化性能低温还原粉化性能是指含铁炉料在低温(400600C)还原条件下含铁炉料还原粉化性能，它是衡量铁矿石在高炉上部块状带性能的一项指标，对高炉冶炼具有极大的影响。研究表吲给58J，烧结矿RDI+315每降低5，焦比增加约3kg，生铁产量下降15-5。另外，烧结矿低温还原粉化对炉龄、炉墙及热损失都有很大的影响。烧结矿发生低温还原粉化的最根本原因是：烧结矿中的再生赤铁矿在低温(450600C)时，由QFe203转变成YFe203时，由于前者为三方晶系六方晶格，而后者为等轴晶系立方晶格，在还原气体作用下发生了晶格的转变，造成了结构的扭曲，产生极大的内应力，导致在机械作用下严重的破裂。还原过程中产生的内应力主要是由烧结矿中赤铁矿逐级还原时体积膨胀引起的。1000时，赤铁矿在被COC02混合气体还原过程中体积变化如下： Fe2O3一Fe304一FexOFe相对体积% 100 125 132 127磁铁矿和浮氏体的晶格都是立方晶格，在第二阶段还原时体积变化很小，最后从浮氏体还原为铁，因为铁的分子体积比氧化物的小而伴随着体积的收缩。研究表明：烧结矿的裂纹普遍发生在骸晶状的次生赤铁矿晶体集中处，如果赤铁矿周围和玻璃相及赤铁矿内部有较多的气孔，它就能够缓和赤铁矿向磁铁矿转变时低温还原相变力，阻止裂纹扩。1.4.2 还原性能还原性是含铁炉料冶金性能的基础，其对高炉冶炼，尤其是加强稳定和降低焦比有很大影响，许多冶金工作者进行了大量的研究工作，发现还原性和含铁炉料的化学成分、矿物组成、矿物结构及物理性能(包括粒度、气孔率、气孔大小等)有很大的关系。一些研究表明，赤铁矿、磁铁矿、铁酸半钙、铁酸一钙容易还原，铁酸二钙还原性稍低，而玻璃质、钙铁橄榄石、钙铁辉石，特别是铁橄榄石难还原。对于以酸性脉石为主的非熔剂性烧结矿来说，气孔壁主要是由铁橄榄石和玻璃质或硅酸盐组成低熔点液相，过早软化，降低了气孔率，所以其还原性差；随着碱度的增加，烧结矿的气孔率增加，很难还原的铁橄榄石为钙铁橄榄石所代替，铁酸钙增加，烧结矿的还原性变好；特别是在低温烧结时形成针状铁酸钙对还原性的提高极为有利，而在高温烧结时生成的铁酸钙被玻璃质包裹，对还原性的提高不利，碱度继续提高，CaO的含量过多时，铁酸钙转变为铁酸二钙，使得还原性变差。烧结矿的结构对其还原性影响也很大171741。由于烧结矿的还原是气体扩散到反应界面进行的，所以还原性好坏与矿物晶体大小、分布情况、粘结相的多少及气孔率等有关。大块的磁铁矿或者被硅酸盐包裹形成斑状结构对还原性不利，相反晶粒细小密集而且粘结相少的易还原。气孔率低而且大部分是铁橄榄石或玻璃质组成的气孔壁还原性差，而气孔率高(大孔和微孔)、晶体嵌布松弛以及裂纹多的结构易还原，特别是形成针状铁酸钙粘结的残余原生赤铁矿形成的非均质结构或粒状结构对烧结矿的还原性极为有利。1.4.3 还原膨胀性能含铁炉料的还原膨胀性能是针对球团矿而言的，球团膨胀通常分为两步：第一步发生在赤铁矿还原为磁铁矿阶段，其膨胀率在20以下。一般解释为赤铁矿的六面体结构转变为磁铁矿的立方体结构，氧化铁晶体结构破裂，造成体积膨胀。对于焙烧球团，最大膨胀率出现在还原度为30oO。此种膨胀对于高炉操作影响不很大。第二步发生在浮士体(FexO)转变为铁时，膨胀十分显著，称之为异常膨胀或灾难性膨胀。体积可增加100甚至更多，严重时达至U300-400。1.4.4 高温软熔性能在高炉下部高温段，高炉炉料逐步被还原，发生软化、熔融、滴落，含铁炉料进入高炉后，其颗粒外部被还原，形成一层金属外壳，内部则由未还原渣相组成，形成一个为还原核，而炉料的软熔行为就与金属铁壳和未反应核内的矿物的软熔行为来决定，视量的大小而定，如果金属铁居多数，则由其渗碳后的熔点来决定，反之，则由渣相的熔点来决定。2 小结(1)比较烧结矿、球团矿和块矿三类炉料，烧结矿、球团矿热稳定性较好，块矿较差；球团矿的低温还原粉化性能较好，RDI+315都在92以上，烧结矿和块矿的低温还原粉化较差；烧结矿和球团矿的还原性较好，块矿的较差，都在60以下；含镁球团矿的软熔性能较好，软化区间和熔化区间都较窄，烧结矿的软熔性能较差，滴落温度较高，熔化区间较宽，块矿处于两者之间。(2)烧结矿、球团矿和块矿的赤铁矿含量和本身的强度是影响含铁炉料低温还原粉化的主要因素，赤铁矿含量越高，炉料本身强度越低，低温还原粉化性能越差；赤铁矿、铁酸钙、磁铁矿的含量和孔隙率是影响含铁炉料还原性能的主要因素，提高孔隙率和赤铁矿、铁酸钙的含量可以提高含铁炉料的还原性能；含铁炉料的还原性能和脉石含量，尤其是MgO的含量是影响其高温软熔性能的主要因素。(3)在高炉块状区，含铁炉料的各个反应存在叠加性，高炉综合炉料的冶炼性能可以由单一的炉料加权计算预测，冶炼性能好的炉料的配比越高，综合炉料的冶炼性能得到改善越高。在高炉的软熔区，含铁炉料的各个反应不存在叠加性。通过研究炉料在不同温度下的收缩率，发现炉料间存在相互反应。高炉炉料通过不同炉料的搭配，改善了单一炉料高温性能，且改善程度与炉料间的反应程度直接相关。(4)高炉合理含铁炉料结构的评估方法是包括考察炉料自身性能和炉料搭配模式两方面，在块状区可以用单一炉料自身性能来预测综合炉料的冶炼性能，在软熔区需考察炉料间的反应性的高低，以炉料结构综合的冶炼特性来评价炉料结构合理与否。参考文献【1】王丽娟关于钢铁工业发展循环经济规划目标的研究冶金经济与管理，2008，6)：1012【2】张寿荣21世纪前期钢铁工业的发展趋势及我国面临的挑战见2007中国钢铁年会论文集，北京：冶金工业出版社，2007：1-7【3】袁文2007年全球粗钢产量达到13435亿吨冶金管