岳爭(zhēng)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(guò)燒結(jié)杯試驗(yàn)，測(cè)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。基于本次試驗(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(zhǎng)期以來(lái)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(cè)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(guó)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(cè)方面也沒(méi)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(kāi)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(jiàn)表1。

試驗(yàn)試樣裝料要求見(jiàn)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(cè)定的爐料軟熔滴落性能指標(biāo)見(jiàn)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(guó)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(guò)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(guó)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(guó)產(chǎn)球團(tuán)礦。

我廠財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)顯示，燒結(jié)礦采購(gòu)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(guó)產(chǎn)球團(tuán)礦低約200 元/t。

試驗(yàn)用原料化學(xué)成分見(jiàn)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(guò)測(cè)定其軟熔滴落性能進(jìn)行判斷，并以此來(lái)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(guó)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(jiàn)表5。

1． 4 變?cè)嚇雍穸溶浫鄣温湫阅茉囼?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?cè)嚇雍穸鹊脑囼?yàn)。

試驗(yàn)采用的爐料與熔滴試驗(yàn)所用爐料相同( 見(jiàn)表4) ，爐料中各礦種配比如下: 72% 燒結(jié)礦+ 6． 5%國(guó)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(jiàn)表6。

對(duì)于燒結(jié)礦而言，其軟化開(kāi)始溫度T₁₀和熔滴開(kāi)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(guò)一種燒結(jié)礦，無(wú)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(guò)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(lái)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(guó)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(guó)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(guó)產(chǎn)球團(tuán)礦配比不應(yīng)過(guò)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(guò)鐵礦石高溫荷重軟熔滴落測(cè)定裝置測(cè)定了各方案的爐料軟熔滴落性能，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)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(jiàn)圖2 ～ 4。

由圖2 可以看出，不同配比的爐料軟化開(kāi)始溫度、軟化結(jié)束溫度和熔融開(kāi)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(shì)，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(lái)說(shuō)，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(lái)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(guò)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(jiàn)表7，其曲線對(duì)比見(jiàn)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?cè)嚇雍穸热鄣卧囼?yàn)

根據(jù)設(shè)計(jì)的變?cè)嚇雍穸热鄣卧囼?yàn)方案，通過(guò)鐵礦石高溫荷重軟熔滴落測(cè)定裝置測(cè)出了3 種不同厚度試樣的高溫冶金性能，具體見(jiàn)表8。

由表8 可知，不同厚度的試樣，軟化區(qū)間沒(méi)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(yǔ)

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(guó)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(guó)產(chǎn)球團(tuán)礦配比不宜過(guò)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(guò)時(shí)阻力小，有利于煤氣流的通過(guò)，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(lái)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?cè)嚇雍穸热鄣卧囼?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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