潘飛 范凱利
（江蘇鑌鑫鋼鐵集團）
摘 要：隨著鋼鐵工業的不斷發展，降本增效已成為鋼鐵企業發展的主流。燒結作為高爐原料供應的重要工序，其能耗和成本對鋼鐵生產的綜合能耗和生產成本具有重要影響。本文綜述了燒結優化配礦技術的研究進展，包括配礦方案的設計、鐵礦粉性能的評價以及優化配礦方法的應用。通過合理的配礦方案，可以改善燒結礦質量，降低能源消耗，保證高爐穩定順行，提高鋼鐵企業的競爭力。
關鍵詞：燒結；配礦優化；鐵礦粉；高爐；穩定順行；降本增效
一、引言
鋼鐵工業作為國民經濟的重要支柱，其降本增效對于提高整體經濟效益具有重要意義。降本增效的前提是高爐的穩定順行，燒結作為高爐原料供應的重要工序，其能耗和成本占鋼鐵生產總能耗和成本的較大比例，同時燒結礦質量的好壞對高爐的穩定順行具有重要影響。因此，優化燒結配礦技術，降低燒結能耗，提高燒結礦質量，已成為鋼鐵企業關注的焦點。高爐的降本增效，穩定順行是鋼鐵企業不斷追求的目標。
二、配礦方案的設計
配礦方案的設計是燒結優化配礦技術的核心，燒結配礦技術是在全面掌握鐵礦粉的常溫特性和高溫特性的基礎上，應用互補性原理和方法進行合理的配礦設計。合理的配礦方案應根據鐵礦粉的化學成分、物理性能以及燒結特性進行綜合考慮。不同鐵礦粉具有不同的燒結特性，如同化性、液相流動性、黏結相強度和鐵酸鈣生成特性等，這些特性對燒結礦的成礦和質量指標具有重要影響。在高爐生產中，入爐原料主要為燒結礦、球團礦及塊礦，其中燒結礦的占比普遍在70%以上。因此，燒結礦質量的好壞對高爐的生產及順行起著決定性的作用，提高燒結礦質量對降低生產成本、保障高爐順行具有重要的現實意義。
1、鐵礦粉性能評價
由于鐵礦粉物理化學特性及冶金性能的不同，使其在燒結特性方面存在較大的差異，燒結配礦技術就是在全面掌握鐵礦粉的常溫特性和高溫特性的基礎上，應用互補性原理和方法進行合理配礦設計。而鐵礦粉的燒結性能，不僅體現在同化性、液相流動性、粘結相強度、還原性和復合鐵酸鈣產生能力等方面，還要綜合考慮其常溫性能：包括化學成分、物理特性（粒度組成等）。化學成分：鐵礦粉的化學成分是影響燒結礦質量的基礎因素。通常要求鐵礦粉具有較高的鐵品位和適宜的化學成分比例，以保證燒結礦的冶金性能。物理性能：鐵礦粉的粒度、密度、強度等物理性能對燒結過程具有重要影響。粒度分布合理的鐵礦粉有利于改善燒結料的透氣性和混合料的成球性，從而提高燒結礦的產量和質量。燒結特性：鐵礦粉的同化性、液相流動性、黏結相強度和鐵酸鈣生成特性等燒結特性是影響燒結礦成礦和質量的關鍵因素。通過測定這些特性，可以指導配礦方案的設計，優化燒結工藝參數。燒結礦的質量由化學成分、物理性能和冶金性能組成，它們三者之間的關系為：
化學成分是基礎，物理性能是保證，冶金性能是關鍵。
2、方案優化
原料選擇：根據鐵礦粉的化學成分、物理性能和燒結特性，選擇適宜的原料進行配礦。通常要求原料具有較高的性價比和穩定的供應渠道。配比設計：通過試驗和計算，確定不同鐵礦粉的配比。合理的配比可以充分利用各種鐵礦粉的互補特性，提高燒結礦的質量和產量。工藝參數優化：根據配礦方案，優化燒結工藝參數，如堿度、燃料配比、混合料水分等，以進一步提高燒結礦的性能。從本質上講，現在配礦方法屬于試探性配礦，故盲目性較大。優化配礦的內涵是對鐵礦石資源進行合理和優化利用；提高燒結生產的穩定性；降低燒結生產成本；提高燒結礦產量和質量；具有較好的冶金性能，能夠滿足高爐生產需要。利用鐵礦性能互補原則，實現礦種合理搭配使用。滿足燒結礦化學成分要求，滿足燒結礦的轉鼓強度，成品率和粒度要求，滿足燒結礦冶金性能的要求。優化配礦的目的是使燒結礦的常溫特性和高溫特性均能滿足高爐的需要。使高爐能夠穩定順行，進而實現鐵前降本增效的目的。常溫特性主要有化學成分、粒度組成、礦相形貌、制粒性能；高溫特性主要有同化性、液相流動性、黏結相強度、連晶強度、熔化特性、吸液性、鐵酸鈣生成能力。
3、燒結礦的宏觀結構
疏松多孔的薄壁結構：在配碳量低，液相量少且粘度低的情況下出現。這種燒結礦強度低，還原性好。中孔厚壁結構：出現于配碳量適當，液相量充分的情況下，這種燒結礦強度好，還原性好。大孔厚壁結構：常出現于配碳量較高的情況下，燒結礦的強度較好，還原性較差。大孔薄壁結構：若配碳量太高，就會出現大孔薄壁結構，燒結礦的強度和還原性均差。決定燒結礦宏觀結構的主要因素是生產工藝參數的控制以及配碳量的高低。鑌鋼集團燒結礦低溫還原粉化指數長期偏低，低的時候在54左右，高的時候在64，還原度在80左右，給高爐的爐況順行造成了一定的影響。為實現優化配礦，確保高爐穩定順行，在燒結杯實驗中，以原有配礦方案為基線進行了調整，旨在提高燒結礦的冶金性能，通過綜合分析考量，設計了2個配礦方案， 降低了巴西精粉的配比，增加褐鐵礦比例，且保證燒結礦的品味在57以上。
燒結杯實驗轉鼓指數均＞65.50%根據YB-421-77 燒結杯轉鼓≥65.50%時，轉換為實際燒結礦轉鼓指標≥78%。方案1為基準配礦方案，方案2、3為在基準方案基礎上調整后的配礦方案。實驗方案中，燒結用雜料添加鎳礦，考慮到入爐有害元素情況，方案2、3的鎳礦比例較方案1有所下調，方案2和方案1燒結礦的硅相同，為4.6左右，方案3的硅為5.0，燒結礦品味依次下降，鋁含量依次上升。S、P含量基本正常，方案3有利于提高燒結礦的產量，且強度較好，燒結礦成品率高，內返率低，粒級分布更加合理。方案2和方案3從燒結杯實驗來看燒結固體燃耗會有所增加。從冶金性能數據分析方案2的冶金性能指數相對較好。
三、燒結礦化學成分的影響
1、堿度對其性質的影響
隨著堿度和燃料用量不同，燒結礦的礦物組成相應發生變化。當堿度高時磁鐵礦和赤鐵礦量減少，鐵酸鈣增加。這是由于CaO增加和氧化鐵結合的結果。隨著堿度的提高，燒結礦還原性能和燒結礦強度不斷提高，低溫還原粉化率有降低的趨勢。由于這個原因，燒結礦堿度變化時，不僅會造成高爐渣成分的波動，而且也會造成爐內燒結礦軟熔位置變化而引起爐況不順的情況。同時，因為燒結礦堿度的提高，燒結礦含鐵量會隨之下降，必須按照高爐的要求，結合燒結工序的具體情況，選擇適當的堿度進行控制。
2、Al2O3含量對燒結礦性質的影響
Al2O3是高熔點化合物，高Al2O3含量需要更高的燒結溫度和更長的燒結時間來維持所需的燒結礦強度。一般來說，會對燒結礦質量（特別是轉鼓指數和還原性）和生產率帶來不良影響。此外，Al2O3含量的增加還會使燒結礦低溫還原粉化率（-3.15）明顯升高。 當燒結料中含Al2O3較高時，可生成含Al2O3硅酸鹽，促進鐵酸鈣的生成，減少硅酸鈣的生成，同時會導致液相的粘度增大。Al2O3能加寬針狀鐵酸鈣存在的溫度范圍，針狀鐵酸鈣最大生成量對應的Al2O3/SiO2值為0.3～0.35。
3、MgO對燒結礦性質的影響
燒結礦中MgO的作用是滿足高爐造渣的要求，能改善高爐爐渣的流動性。同時還有助于改善燒結礦質量，降低其低溫還原粉化率。但燒結礦強度隨之降低。如果因較高的MgO含量對燒結礦質量造成較大影響時，要從保證燒結礦轉鼓強度和改善爐渣角度統籌考慮，可以考慮MgO的優化配置，即降低燒結礦MgO含量，提高球團礦中的MgO含量生產鎂質球團，以滿足高爐造渣要求。1）從改善爐渣流動性方面來講，MgO含量應與爐渣中Al2O3含量匹配，一般來說，燒結礦的MgO/Al2O3應大于1.05。2）從燒結礦冷強度來看，適量的氧化鎂（如MgO含量為1.8%到2.1%時）可以使赤鐵礦被交織熔蝕結構更均勻、更緊密地固結，有助于燒結礦的組織結構均勻化和鐵酸鈣的發育長大，從而提高燒結礦的強度。然而，當氧化鎂含量過高（2.6%以上時），磁鐵礦、玻璃相明顯增多，赤鐵礦、鐵酸鈣有所減少，導致燒結礦強度下降，MgO含量增加，燒結液相開始生成溫度明顯上升，液相流動相降低，燒結礦冷強度降低。3）從改善燒結礦低溫還原粉化率方面來看，MgO含量在1.4~2.3之間都有效果，在2.0-2.2達到最好。MgO易與Fe3O4結合生成鎂磁鐵礦（MgO·Fe3O4），阻礙Fe3O4氧化為Fe2O3，從而降低鐵酸鈣（CaO·Fe2O3）液相的生成量，影響燒結礦的還原性。此外，MgO·Fe2O3的還原性較CaO·Fe2O3差，因此高MgO燒結礦的還原性也較差。4）從熔滴性能來看：燒結礦MgO含量高會提高液相生成溫度，不利于燒結過程中液相的生成，從而影響燒結礦的熔滴性能。高MgO燒結礦的高溫軟熔性能也較差，熔融區間增大，壓差提高，滴落量變少。綜上所述， MgO含量應以爐渣中的Al2O3含量決定。
4、SiO2含量對燒結礦質量的影響
SiO2 的增加,燒結礦的轉鼓強度呈上升趨勢,SiO2 = 4. 5 %～5. 0 % ,轉鼓強度上升幅度較大, SiO2 = 5. 0 %～5. 5 % ,上升幅度較小。SiO2高時，燒結礦的還原性能較差，降低燒結礦SiO2含量，不僅可以減少高爐渣量和熔劑用量，降低高爐燃料消耗，同時還可以改善燒結礦的高溫性能，有利于穩定爐況和實現低Si冶煉。一般燒結礦SiO2含量宜控制在4.7-5.5%。
5、FeO含量對燒結礦性能的影響
燒結礦中FeO含量的高低，主要與所用鐵料、燒結過程中的氧化氣氛強弱及溫度水平高低有關，反映出了燒結過程中的溫度水平和氧位的高低。與配碳量和燃料粒度有關系。配碳量增加，會使燒結礦中FeO含量升高；燃料粒度粗，燃料在燒結料中的分散度小，化學反應不均勻，會造成相同配比下，燒結礦FeO含量波動大。工藝條件不變時，FeO含量有一個適宜值。可以根據需要進行微調整，偏重于改善還原度和軟熔性能，應適當低一點，偏重于改善粒度組成和低溫還原粉化時，可以稍高一點。燒結礦硅低時FeO可以適當控制高點，燒結礦硅高時FeO可以適當控制低些。
四、燒結礦冶金性能影響
燒結礦的冶金性能包括900℃還原性（RI）、500℃低溫還原粉化性能（RDI）、荷重軟化性能（TBS、TBE、ΔTB）和熔融滴落性能（Ts、Td、ΔT、ΔPm、S值）。這四項性能中900還原性是基本性能，它不僅直接影響煤氣利用率和燃料比，同時由于還原程度的不同，還影響其還原粉化性能（RDI）和軟熔性能。500℃低溫還原性能是反映燒結礦在高爐上部還原強度的，它是高爐上部透氣性的限制性環節。在高爐冶煉進程中，高爐上部的阻力損失約占總阻力損失的15%。燒結礦的荷重還原軟化性能是反映其在高爐爐身下部和爐腰部分軟化帶透氣性的，這部分的透氣阻力約占高爐總阻力損失的25% 。熔融滴落性能是燒結礦冶金性能最重要的部分，因為它約占高爐總阻力損失的60%，是高爐下部透氣性的限制性環節，要保持高爐長期順行穩定，必須十分重視含鐵原料在熔融帶的透氣阻力。1）燒結礦還原性對高爐冶煉主要操作指標的影響燒結礦還原性取決于其礦物組成和氣孔結構。還原性不好的燒結礦進入高爐后，首先會影響高爐上部塊狀帶的煤氣利用率，造成高爐內上部間接還原降低，直接還原增加，影響高爐的燃料比和產量，經驗數據顯示，入爐礦的直接還原變動10%影響高爐燃料比和產量各10%。多數高堿度燒結礦的900℃還原性應≥85%，燒結礦的氧化鎂和亞鐵含量高均會明顯降低燒結礦的還原性。2）燒結礦低溫還原粉化性對高爐主要操作指標的影響燒結礦在低溫下還原產生粉化的原因主要是骸晶狀赤鐵礦（又稱再生赤鐵礦）在低溫還原過程中發生晶格轉變產生的極大內應力，導致燒結礦碎裂。除此之外，礦種、配碳、二氧化鈦和三氧化二鋁含量過高等因素也會導致燒結礦產生低溫還原粉化，這是影響高爐上部塊狀帶透氣性的限制性環節。已有的生產實踐數據證明，燒結礦的RDI（-3.15）每增加10%，影響高爐產量3%以上，燃料比升高1.5%。堿度是影響RDI的一個重要因素。隨著燒結礦堿度的提高，燒結礦的強度有所提高，RDI（-3.15）值降低。原因如下：①燒結礦堿度的提高，燒結礦中強度高的鐵酸鈣增多，強度低的玻璃質降低。②高堿度燒結礦中，大量的磁鐵礦受鐵酸一鈣熔蝕并與其交織在一起，呈網狀結構。③高堿度燒結礦熔融充分，氣孔分布均勻，這也有利于提高燒結礦常溫強度。還原性的優劣是燒結礦質量的一項基本指標，高料層、高強度、高還原性、低碳、低FeO的三高兩低原則始終是燒結生產追求的目標。對高堿度(R=1.9~2.3)燒結礦而言，常規要求RI>85%,高要求RI應>90%，若RI<80%證明燒結礦的質量出了問題，或是配碳高了、FeO高了，或是配礦的原因導致氣孔結構出了問題，應提出改進的措施。3）熔滴性能的影響熔滴性能是燒結礦冶金性能中重要的指標，因為熔滴帶的阻力損失約占高爐總阻力損失的60%，它是高爐下部順行的限制性環節。優良的冶金性能是燒結礦質量的關鍵，當燒結礦的開始軟化溫度低于950℃、軟化溫度區間>300℃時，高爐必然會產生嚴重的懸料。因此為了保持高爐順行穩定，燒結礦應具有良好的荷重還原軟化性能，據實驗分析：開始軟化溫度由1200℃提高50度，高爐的透氣性△P下降8%，產量提高16%。高堿度燒結礦由于含FeO低和還原性優良，開始熔融溫度就高，同時由于其渣相熔點高，滴落溫度也高，但是開始軟化溫度Ts提高的幅度大于Td（滴落溫度） 所以熔滴區間窄(Td-Ts=△T),即熔滴帶的厚度變薄，從而使得透氣阻力損失(△Pm)降低，有利于高爐下部的順行和強化。燒結礦的軟化性能主要與其堿度、FeO、SiO2含量和還原性相關。在正常情況下，高堿度燒結礦的熔滴性能總是優于低堿度燒結礦，這就是高爐爐料結構為什么始終要堅持高堿度燒結礦的道理。日本學者斧勝也做過深入的研究，提出含鐵爐料開始熔融溫度（Ts）也即壓差開始陡升溫度（ΔPs）取決于FeO低熔點渣的熔點。含FeO高的爐料，會較早地造成壓差開始陡升。而渣相中的FeO取決于爐料被還原的程度。造成含FeO高和還原性差的爐料開始熔融溫度低。含鐵品位高是燒結礦質量的核心，高堿度是燒結礦質量的基礎，燒結礦生產追求高料層、高堿度、高還原性和低碳、低亞鐵的三高兩低目標。高MgO、高Al2O3、高FeO和大粒度的高溫型燒結不是燒結生產的方向，低碳厚料層的低溫燒結才是燒結生產的方向，優良的燒結礦質量有利于實現高爐冶煉低燃料比煉鐵，并且是高爐穩定順行的前提，是鐵前降本增效的關鍵。
五、結語
（1）燒結優化配礦要充分考慮各種礦粉的燒結特性，保證燒結礦具有較好的冶金性能，能夠滿足高爐的穩定順行，以高爐的順行為前提來指導燒結優化配礦結構。（2）由于地質條件、成礦過程的不同，除了化學成分、粒度組成等常溫特性之外，各種鐵礦粉在其燒結高溫特性方面亦存在明顯差異，通過深入研究以提取和凝練符合燒結工藝特點的鐵礦粉高溫特性，它們均是燒結優化配礦、工藝流程優化的重要技術判據。依據各種原料性能互補原理進行優化配礦，必能獲得質量較好的燒結礦。（3）燒結優化配礦技術是提高燒結礦質量、降低能源消耗的有效途徑。通過合理的配礦方案設計和優化配礦方法的應用，可以充分利用各種鐵礦粉的互補特性，提高燒結礦的產量和質量。未來，隨著鋼鐵工業的不斷發展，燒結優化配礦技術將繼續發揮重要作用，為鋼鐵企業的降本增效提供有力支持。10%精粉+50%赤鐵礦+40%褐鐵礦的配礦結構既不降低燒結礦的品味，又可以降低燒結成本，而且不影響高爐的爐況順行。
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