2017年, 我国钢铁市场趋于缓和, 市场需求逐步改善, 促进了钢铁企业进一步达到盈利状态; 为提高吨钢利润, 降低生产成本, 提升行业竞争力, 钢铁生产企业对铁矿石原料的要求也越来越高, 同样, 钢铁企业的能耗量占我国总能耗的16.3 %^[1], 为降低原料能源消耗, 优化配矿也是最捷径的节能方法, 所以必须通过对铁矿粉进行配矿来改善烧结矿的各项冶金性能指标.我国主要的高炉炼铁原料为烧结矿, 因此烧结矿质量的好坏也是高炉顺行的关键, 烧结配矿结构不仅与铁矿粉、熔剂、燃料有关, 而且与铁矿粉之间的合理搭配有关^[2].生产实践指出, 铁矿粉的常温性能主要决定烧结生产的经济指标, 而其高温性能是烧结生产技术指标及烧结矿性能的关键^[3-5].永锋钢铁公司为稳定炉料结构, 降低能耗, 提高产量及质量水平, 进行了烧结杯试验以调控原料结构, 达到高炉冶炼要求.本实验主要依据永锋钢铁公司原料条件, 进行优化配矿研究.

1   实验原料成分及配矿方案

实验主要以巴混(高硅)、混匀料、精粉、大混匀、Pb粉、返矿为含铁原料, 以白云石、生石灰为熔剂, 以焦粉为燃料, 进行不同比例的配矿研究, 原料成分结果如表 1所列, 配矿方案如表 2所列, 实验基础特性检测指标如表 3所列.由表 1可知, 铁品位由高到低为:地方精粉>巴混>Pb粉>大混匀>混匀.由原料基础特性指标可知, 巴混、Pb粉及地方精粉同化温度均较低, 同化性能较好.

表  1  原料成分/(质量分数, %)

Table  1.  Raw material composition /(massfraction, %)

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表  2  实验配矿方案/(质量分数, %)

Table  2.  Experimental matching ore scheme /(massfraction, %)

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表  3  实验原料基础特性

Table  3.  Basic characteristics of experimental raw material

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在配矿方案中, 1^#为现场配矿比例; 在现场配矿情况的基础上, 分别调整各含铁原料比例、负压及燃料比:其中, 2^#为巴混配比提高4 %, 负压为11 kPa; 3^#为巴混配比提高6 %, 负压为11 kPa, 燃料比降低至4 %; 4^#为Pb粉配比提高6 %, 负压为12 kPa; 5^#为巴混配比提高4 %, 负压为12 kPa, 燃料比降低至4 %.用配制好的矿粉进行烧结杯试验, 其主要步骤为混料、装料、点火烧结、落下筛分及转鼓检测.最后依据国家标准进行还原检测.配矿实验均是进行3组烧结杯实验后得出的相应优化结果.

2   试验结果及分析

2.1   优化配矿前后成品烧结矿成分分析

优化前后的烧结矿成分分析如表 4、表 5所列.对比表 4、表 5可知, 由于实验设备的限制, 烧结杯实验中的烧结矿品位略微降低, 但与1^#基准烧结杯实验相比, 2^#、3^#配矿方案的铁品位略有降低, 4^#、5^#配矿方案的铁品位略微提高.提高含铁品位, 可有效降低高炉焦比及提高产量, 研究发现^[6], 铁品位提高1 %, 可降低焦比2 %, 提高产量3 %.同时, 烧结矿碱度也有所变化; 提高碱度, 会促进铁酸钙的发展, 增强烧结矿被还原能力, 可提高烧结矿质量水平^[7].烧结过程中, 碱度不仅对烧结矿的产量及质量有影响, 同样也在高炉冶炼中, 对高炉升温还原过程及其炉料结构产生重大影响^[8-12].张立恒等^[13]研究了碱度对高铬型钒钛矿烧结过程的影响, 结果表明, 随着碱度的提高, 烧结矿垂直烧结速度、利用系数、转鼓强度均有所提高, 但其成品率、抗磨指数均有下降; 同样, 烧结矿的还原粉化指数RDI_+6.3提高, 而RDI_-0.5和RDI_-3.15指标降低.它对于高炉而言, 其软熔区间变窄, 软熔带下移, 透气性逐步提高, 会促进高炉顺行.

表  4  优化前两台烧结机所生产烧结矿化学成分/(质量分数, %)

Table  4.  Chemical composition of the sinter produced by two sintering machines before optimization /(massfraction, %)

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表  5  优化后烧结杯实验生产烧结矿化学成分/(质量分数, %)

Table  5.  Chemical composition of the sinter produced by sinter pot experiment after optimization /(massfraction, %)

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2.2   优化后的烧结矿返矿率、成品率、垂速、固体燃料及利用系数

表 6所列为优化后的成品矿返矿率、成品率等冶金性能指标.由于受烧结杯实验设备的影响, 对比基准实验1可知, 烧结矿返矿率均有所提高, 成品率及垂速降低, 固体燃料消耗整体提高(除实验3外), 利用系数也普遍降低.但以上指标均变化较小, 均可在现场烧结机上进行改善, 以满足冶炼要求.

表  6  优化后成品矿的返矿率、成品率、垂速、固体燃料及利用系数

Table  6.  Return ore rate, yield, sintering speed, solid fuel and productivity of sintered product after optimization

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2.3   优化配矿对成品烧结矿转鼓强度的影响

图 1所示为优化配矿后不同方案的成品烧结矿转鼓强度之柱状图.由图 1可知, 在降低燃料比的条件下, 随着巴混含量的提高, 铁品位、SiO₂含量及碱度均维持在较高水平; 与其他配矿方案相比、实验3的转鼓强度最高, 其值为70.93 %, T>70 %, 达到我国优质烧结矿要求.这是由于成品烧结矿中SiO₂含量对于烧结矿质量影响较为明显^[14-15], 在烧结过程中, SiO₂作为液相的主要组分, 其含量较少时, 液相生成量及黏结相变少, 从而导致烧结矿强度下降.而随着SiO₂含量的提高, 烧结过程大量的液相会黏结其周围的铁精粉, 黏结相的增多增加烧结矿强度; 同时实验3中生成较多针状铁酸钙也进一步提高烧结矿转鼓强度^[16].

图  1  优化后成品矿转鼓强度

Figure  1.  Tumbler index of sintered product after optimization

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2.4   配矿方案对成品烧结矿显微结构的影响

由图 2可以看出, 在各配矿方案的各SEM照片中, 方案1、方案2、方案4、方案5均出现少量的针状或纤维状铁酸钙, 以及大量片状铁酸钙.而方案3中出现大量的针状铁酸钙.实验证明, 在碱度R为1.7~2.1, 温度为1 275 ℃左右时, 可大量生成针状铁酸钙; 且在还原过程中它最先被还原, 强度高; 可以说.铁酸钙针状是还原性最好的显微结构^[17].

图  2  优化后成品矿SEM像

Figure  2.  SEM figure of sintered product after optimization

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2.5   配矿方案对成品烧结矿还原性的影响

还原性是检验烧结矿的重要指标.在高炉内, 若提高烧结矿的还原性, 可增加其间接还原的比例, 从而达到节能降耗的目的^[18].按照国标(GB/T13241-1991)方法^[19]分别将基准实验1、实验2、实验3、实验4及实验5的烧结矿试样破碎、并选取500 g、10~2.5 mm粒级试样进行烧结矿还原性实验.该实验用立式电炉还原炉, 还原气体为30 %CO+70 %N₂, 流量为15 L/min.实验开始前, 在氮气保护性气氛下将炉温升至900 ℃, 温度到达后放入试样, 将气体切换为还原性气体.试样放置在石墨坩埚中, 并连接炉体上部的天平, 并由计算机实时记录天平重量变化, 并将还原180 min的试样的还原度作为实验最终还原度.实验结果如图 3所示.

图  3  优化后成品矿的还原度

Figure  3.  Reduction degree figure of sintered product after optimization

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从图 3中可知, 基准实验1、实验2、实验3、实验4及实验5的还原度分别为74.5 %、84.4 %、83.5 %、80.5 %和81.6 %.但综合FeO含量来看, 实验3的烧结矿FeO含量只有6.78 %, 而基准实验烧结矿样品FeO含量为9.82 %, 其余试样的FeO含量均超过了10 %, 这是由于FeO会随着SiO₂含量的升高而降低, 而还原度则会随FeO的上升逐步降低; 这是因为FeO是Fe²⁺来换算, Fe²⁺多存在于各种矿物之中, 如橄榄石(2FeO·SiO₂)、钙铁橄榄(CaO·FeO·SiO₂)等, 随着FeO含量的提高橄榄石等矿物质量分数提高, 赤铁矿与铁酸钙含量会逐步减少, 而矿物在还原过程的递减顺序为赤软矿→铁酸钙→磁铁矿→钙铁橄榄石→硅酸铁的缘故.因此还原性会随FeO含量的增加而降低, 同时因FeO的升高, 烧结矿内部结构会变得致密, 孔隙度降低, 同样也会影响烧结矿的还原性^[20].为此、实验3中的铁酸钙均以针状形式存在, 且孔隙较多, 铁氧化物与还原气体充分反应, 易被还原.这就证明在本实验3的条件下、其烧结矿还原性能最好; 同时也说明铁矿粉的类别、性质以及其孔隙度等是决定烧结矿还原性的重要指标; 对于高碱度烧结矿, 其铁酸钙的还原性较好, 而对于含有铁橄榄石及钙铁橄榄石的烧结矿, 其还原性较差^[21].

图 4所示为转鼓指数大于68 %的烧结矿低温还原粉化实验结果.其中实验3的RDI_+6.3和RDI_+3.5分别达到了69.3 %和86 %.蓝荣宗, 王静松等^[22]认为, 在富氧高炉中, 烧结矿低温还原分化率高于传统高炉, 所以对于低温还原粉化率较低的烧结矿, 可在后续研究过程中应用于富氧高炉中.以综合成矿率、转鼓指数、还原性能和低温还原粉化性能等指标衡量, 实验3的烧结矿之冶金性能最好.

图  4  优化后成品矿的低温还原粉化率

Figure  4.  Low temperature reduction degradation of sintered product after optimization

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3   结论

1) 在永锋钢铁公司所拥有的原料条件下, 可适当提高巴混含量的同时降低燃料比, 以降低原料成本, 获得更高的经济效益.因此, 可以在原有配矿原料基础上提高巴混比例6 %, 降低燃料比至4 %, 负压设定为11 kPa, 此配矿方案可用于指导生产实践.

2) 通过实验研究可知, 实验方案3的FeO含量为6.78 %、成品率为84.44 %、利用系数为1.77(t/m²h)、转鼓强度为70.93 %、还原度为83.5 %、低温还原粉化率RDI_+6.3和RDI_+3.5分别为69.3 %和86 %, 是目前条件下该公司较优的配料方案; 它可作为永锋钢铁公司烧结配矿的生产指导方案在生产中应用.