高块矿比高炉炉料的冶金性能研究

吴亮亮，傅元坤

(安徽工业大学冶金工程学院，安徽马鞍山243002)

近年来，随着铁矿石的价格不断攀升及炼铁技术的不断进步，提高价格较低的块矿比例成为提高企业竞争力的主要手段。由于块矿的冶金性能比烧结矿和球团矿差，如果大幅度提高块矿的比例(质量分数在20%以上)，就会出现炉料还原性变差、低温还原粉化率提高及熔滴性变差等现象，严重时会阻碍高炉的顺行，恶化冶炼指标[1-3]。目前国内高炉块矿质量分数一般仅为10%～15%，宝钢、首钢等钢铁企业的高炉含铁炉料中，天然块矿的质量分数曾高达20%以上，但无法长期维持较好的冶炼指标[4-7]。而日本高炉块矿质量分数在2003年就达到21.3%[8]，远远高于同期国内技术水平。国内对块矿质量分数在20%以上的炉料冶金性能研究较少，因此，对块矿质量分数在20%以上的炉料冶金性能进行研究是进一步提高国内高块矿使用比例的必要措施。文中研究块矿质量分数分别为15%，20%，25%的混合矿的还原性、低温还原粉化性及熔滴性能，分析混合矿炉料的冶金性能随块矿比例变化的关系，为高炉提高块矿配比提供理论和技术支持。

1 实 验

1.1 实验原料

实验原料来自宝钢不锈钢炼铁厂，分别是烧结矿、球团矿以及国内大部分企业常用的块矿纽曼矿和PB矿，成分及烧损率见表1。

表1 实验原料成分(w/%)及烧损率(%)Tab.1 Composition(w/%)and burning rate(%)of experimental materials

1.2 实验方法

含铁炉料的热态冶金性能主要包括中温还原、低温还原粉化和熔融滴落性能等。铁矿石还原性能采用国标GB/T13241—1991铁矿石还原性的测定方法，低温还原粉化性能采用GB/T13242—1991铁矿石低温粉化试验静态还原后使用冷转鼓的方法。

目前国内外对熔滴实验尚未明确的标准，实验室常用的方法主要分为两类：一类是实验原料不经过预还原处理，实验过程中通入还原性气体(成分与还原实验气体成分相同)；另一类是将实验原料预还原(一般还原度为60%)，实验中仅通入N2。对于铁矿石熔融滴落性能的测定，本实验在第一类实验方法的基础上，结合炉料在高炉内不同温度区间下所受压力和还原气氛的差异，制定与高炉实际内部环境相近的实验温度制度和气体成分，具体见表2。

表2 温度制度和气体成分Tab.2 Temperature regime and gas composition

1.3 实验方案

分别采用4种单矿和6种混合矿进行实验，PB块矿与纽曼块矿在混合矿中的质量分数分别为15%，20%，25%，测定其还原性能、熔滴性能。林李全等[9]研究发现，在高炉炉料中添加一定含量的球团矿可改善炉料的冶金性能及高炉的操作指标，因此增加1组球团矿质量分数为25%的对比性实验，共计11组，实验方案见表3。

表3 实验方案Tab.3 Experimental program

2 结果及分析

2.1 实验结果

中温还原实验、低温还原粉化实验及熔滴实验结果如表4。表4中：RI为炉料的还原度，RDI+6.30，RDI+3.15，RDI－0.50分别为炉料转鼓后颗粒半径大于6.30，3.15 mm和小于0.50 mm的质量分数；td为滴落温度；ts为压差陡升温度；t40为收缩率为40%时的温度；t10为收缩率为10%时的温度；S为炉料透气性指数的特征值。

表4 实验结果Tab.4 Experimental results

从表4可以看出，烧结矿的还原性相对较好，RI为80.99%，PB矿与纽曼矿的还原性较差，RI低于60%。这是因为PB矿与纽曼矿为生矿，一方面，块矿结构紧密，还原气体从矿石表面进入内部比较困难，所需的时间较长，因此还原性较差；另一方面，生矿中含有较多的结晶水和碳酸盐，受热分解后生成的CO2和H2O为氧化性气体，尤其是温度达到沸点时，结晶水迅速分解，产生大量的水蒸气(实验尾气出口处可见水蒸气冷凝形成的液态水)，降低了块矿周围气氛的还原性。由于块矿质地紧密且较脆，在受热分解时易发生爆裂，产生大量的粉末[10]，因此在低温还原粉化实验中，块矿的RDI+6.30较低(PB矿RDI+6.30为45.45%，纽曼矿RDI+6.30为50.70%)，而RDI－0.50较高(PB矿RDI－0.50为15.63%，纽曼矿RDI－0.50为12.82%)，若炉料中块矿配比过高，会严重影响透气性。

从表4还可以看出：块矿的滴落温度较低，PB矿为1 375℃，纽曼矿为1 498℃(烧结矿滴落温度为1 520℃)；软化区间t40－t10很宽，PB矿158℃，纽曼矿为159℃；块矿特征值S值较高，PB矿为1 256 kPa·℃，纽曼矿为850 kPa·℃，烧结矿为287 kPa·℃，表明作为生矿的块矿是1种容易熔融滴落且严重影响料柱透气性的高炉炉料，这也是限制块矿配比提高的主要原因。

2.2 单种块矿的冶金性能

PB矿和纽曼矿的压差Δp及收缩率ΔH与温度t的变化关系如图1。

图1 PB矿和纽曼矿Δp及ΔH与t的变化关系Fig.1 Relationship of Δp,ΔH and t of PB and Newman lump ore

从图1可以看出，温度由室温升高到800℃时，PB矿和纽曼矿的压差较低且无明显变化，这是因为块矿颗粒的孔隙变化较小，故压差较小且稳定；当温度达到800℃左右时(PB矿为800℃，纽曼矿为840℃)，压差出现第一次峰值(图1(a)，(b)中的峰1)，这是因为块矿中的结晶水和碳酸盐开始大量分解，产生大量的气体，料柱透气性变差；随着温度的升高，压差随之降低，这是因为分解物的数量减少，分解产生气体的速度降低；当温度继续升高到1 300℃左右时，压差开始升高，这是因为块矿开始软熔，颗粒之间间隙缩小；当温度升高到1 380℃以上时(PB矿为1 360℃，纽曼矿为1 372℃)，压差迅速升高到最大，出现第二次峰值(图1(a)，(b)中峰2)，这是因为开始矿石熔化，孔隙最小；然后矿石开始滴落。

2.3 混合矿的还原性

当PB矿和纽曼矿与烧结矿配比的质量分数由15%提高到25%时，混合矿还原性变化情况见图2。

从图2可以看出，随着块矿配比的增加，混合矿的还原性随之降低，且PB混合矿还原性降低速度较快。一方面块矿比较致密，还原性气体CO由矿石表面进入内部比较困难，还原的速度较慢；另一方面混合矿中的块矿在900℃进行还原时，所含的结晶水和碳酸盐迅速分解直至沸腾，降低了混合矿周围的还原性气氛，并且随着块矿配比增加，分解产生的气体量也会增加，所以还原性降低。从成分方面分析，PB矿的烧损比纽曼矿高，分解产生的气体量也较多，所以对PB混合矿还原性影响更大。因此，高炉冶炼时，应尽量使用烧损较低、结晶水含量较少的块矿，或将烧损较多与较少的块矿搭配使用，以改善炉料的还原性能。

图2 RI与块矿配比的关系Fig.2 Relationship between RIand ratio of lump ore

2.4 混合矿的熔滴性

当PB矿和纽曼矿与烧结矿配比的质量分数由15%提高到25%时，混合矿熔滴性变化情况见图3，4。从图3可以看出，随着块矿配比的增加，混合矿的滴落温度td逐渐降低，这是因为：一方面块矿本身滴落温度较低，其与烧结矿混合后，块矿会先发生熔化然后滴落，导致td降低；另一方面，块矿与烧结矿在高温下反应生成低熔点的化合物，降低了混合矿的熔化温度，也降低了td。

图3 td与块矿配比的关系Fig.3 Relationship between tdand ratio of lump ore

图4 S与块矿配比的关系Fig.4 Relationship between S and ratio of lump ore

从图4可以看出，随着块矿配比的增加，特征值S也随之增加。这是因为混合矿开始熔化温度ts随着块矿比例的增加而降低，导致矿石从开始熔化至完全融化的温度区间变大；同时，随着块矿配比的增加，料柱熔融状态的压差也在增大，料柱对还原气流的阻力主要集中在熔融区间，因此料柱的特征值S会增大。从图4还可以看出，纽曼混合矿的性能优于PB混合矿，这是因为PB矿烧损较大(表2)，所含结晶水和碳酸盐较多，高温下容易爆裂会产生大量粉末，同时结晶水和碳酸盐也会在高温下迅速分解而产生大量的气体，料柱一方面因为块矿爆裂形成的粉末而降低孔隙率，另一方面因为分解产生的大量气体，导致炉料颗粒孔隙之间蒸气压迅速增大，恶化料柱的透气性。

由于烧损越大的块矿对高炉炉料透气性影响越大，所以高炉冶炼应一方面尽量减少烧损较多的块矿使用量，或将烧损较多与较少的块矿按一定比例搭配使用；另一方面，从表4可以看出，球团矿的RI为74.40%，RDI+3.15为87.60%，S仅有66.9 kPa·℃，当混合矿中球团矿质量分数达到25%时，RI为79.32%，S为134 kPa·℃，炉料冶金性能良好，因此配加一定含量的球团矿可改善混合炉料的冶金性能。

3 结 论

1)PB和纽曼块矿配比的质量分数由15%增加到25%，炉料的冶金性能迅速变差，还原度RI降低5%，低温还原粉化率RDI－3.15升高2%，熔融区间滴落温度td与压差陡升温度ts差升高60℃左右，透气性指数的特征值S值升高100 kPa·℃。

2)混合矿中PB和纽曼块矿块矿配比增加，混合矿透气性变差。一方面随着块矿配比的增加，混合矿的熔融区间td－ts增大，熔融状态时的压差升高，因此透气性指数的特征值S变大，料柱透气性变差；另一方面，压差块矿所含结晶水和碳酸盐分解产生大量的H2O和CO2，以及块矿爆裂产生大量的粉末，降低了混合矿的孔隙率，导致料柱透气性变差。

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