基于高温交互作用的炉料优化技术在宣钢的研究实践

赵佐军

（河钢集团宣钢公司 技术中心，河北 宣化 075100）

长期以来，宣钢将烧结矿、球团矿、块矿单种炉料的冶金性能作为研究重点，但在高炉冶炼过程中各种单一炉料并非简单的物理混合，因此单一炉料的冶金性能并不能完全用于表征、评价综合炉料的整体性能。吴胜利等人研究认为，酸性炉料与烧结矿在高炉高温区存在着复杂的交互作用[1，2]，炉料脉石组成变化势必引起冶金性能的差异[3]，并为此提出了高温交互反应的新概念[4]。宣钢利用现有熔滴试验装置，对烧结矿、球团矿、块矿等含铁炉料，进行不同结构下的熔滴性能测定，根据高温交互反应指数，筛选出宣钢原料条件下的最优酸性炉料，实现高炉长周期顺行、高产、低耗。

1 高温交互反应试验研究

1.1 单种炉料熔滴性能

宣钢高炉含铁炉料主要有：烧结矿、自产球团矿、外购球团矿、PB块矿、蒙古块矿、南非块矿，其化学成分如表1所示，单种炉料的熔滴性能结果如图1、图2所示。

表1 含铁炉料的化学成分/%

图1 单种炉料软熔区间

图2 单种炉料S特征值

从检测结果看：这五种酸性炉料中，蒙古块矿为磁铁矿，微观结构致密，软熔区间最宽，S特征值最高，综合性能最差；PB块矿略好，南非块矿综合性能最好。自产球团矿的软熔区间和S特征值均低于外购球团。因此，若仅从单种炉料熔滴性能考虑，块矿当中，南非块矿最优，PB块矿次之，蒙古块矿最差。

1.2 综合炉料熔滴性能

上述五种酸性炉料均依次按照相同炉料比与烧结矿进行配矿，综合炉料冶金性能检测结果如图3、图4所示。

图3 单种酸性炉料和综合炉料软化开始温度

图4 单种酸性炉料和综合炉料软熔区间

酸性炉料与烧结矿混合以后，软化开始温度较单种酸性炉料均呈现出升高趋势，炉料间的高温交互反应有效缓解了酸性炉料软化温度过低、软熔区间过宽的弱点，促进炉料软熔带位置下移，减薄软熔带厚度，提高透气性，拉长块状带反应区域，增强间接还原反应，抑制高温区直接还原发展，为高炉实现顺行、降耗提供有利条件。

1.3 高温交互反应指数

为定量化表征酸性炉料与高碱度烧结矿之间发生交互反应程度的高低，吴胜利等人率先提出高温交互反应指数（INI）的概念[4]。

式中：T0—混合炉料软熔区间，℃；T1—烧结矿软熔区间，℃；T2—块矿或球团矿软熔区间，℃；a—混合炉料中烧结矿比例，%；b—混合炉料中块矿/球团矿比例%。

利用该计算公式，分别计算上述五种酸性炉料对烧结矿的高温交互反应指数，结果如图5所示。

图5 酸性炉料与烧结矿间高温交互反应指数

由于球团矿、块矿与烧结矿在接触方式上存在差异性较为明显的“点接触”和“面接触”，即块矿与烧结矿的有效接触面积更大，因此，三种块矿与烧结矿的高温交互反应指数均高于球团矿，其中PB块矿最高，南非块矿次之，蒙古块矿最低，这与单种炉料熔滴性能排序差异明显。

图6 PB矿、南非矿分别与烧结矿反应界面Ca元素能谱分布图

通过如图6所示的PB矿、南非矿分别与烧结矿的反应界面Ca元素能谱分布图可以看出：由于PB矿疏松多孔的微观结构，增加了反应“通道”，且与烧结矿发生有效的“面接触”，交互反应充分，反应界面两侧的Ca元素浓度差较小。反观南非块矿，由于其微观结构相对致密，相同条件下交互反应不够充分，反应界面两侧的Ca元素浓度差较大。

PB矿还原性能好、孔隙度高，与烧结矿在高炉高温区交互反应最为充分，FeO含量低且还原速率快，可有效抑制2FeO·SiO2等还原性差的橄榄石类生产，同时烧结矿中的CaO与PB矿Al2O3、SiO2反应生成黄长石类的低熔点物质，改善综合炉料的初渣生成行为，有效克服PB矿自身软化性能差的缺陷。

表2 近几年宣钢2500m3高炉炉料结构及指标情况

2 生产应用

基于高温交互反应，结合炉料熔滴性能研究，建立炉料结构优化评价体系，筛选出PB块矿和自产球团矿为最佳的酸性炉料，自2016年之后，入炉块矿以PB矿主，并逐步使用PB矿替代自产球团矿，增大PB矿配入比例，实现入炉结构优化的科学化、数据化。近些年宣钢2500m3高炉炉料结构及指标情况如表2所示。

通过不断摸索、总结，宣钢高炉形成了烧结矿+自产球+PB矿的炉料结构，并不断优化提高块矿比，较2016年相比，2500m3高炉利用系数提高近0.2t·m3·d，入炉焦比降低近15kg/t，喷煤比提高近30kg/t，技经指标创历史最好水平。

3 结论

（1）在高炉高温区内，天然块矿、球团矿均与烧结矿发生交互反应，由于块矿与烧结矿存在“面接触”，有效接触面积大于球团矿，INI指数较高。

（2）不同种类块矿之间存在微观组织结构上的差异，PB块矿疏松多孔，与烧结矿的高温交互反应能力最强。

（3）基于高温交互反应的炉料结构优化技术在宣钢2500m3高炉成功应用，逐步由PB块矿替代球团矿，实现高炉长周期稳定顺行，节焦降耗效果明显。