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降低烧结矿低温还原粉化率探讨

齐玉珍1，孟建荣1，徐海芳1，孙雅平1，李晓云2

（1.唐山钢铁有限公司教育中心，河北 唐山 063001；2.唐山钢铁有限公司技术中心， 河北 唐山 063016）

摘 要：论述了影响烧结矿低温还原粉化率的因素，并针对这些影响因素，通过优化配料结构，合理控制烧结矿中SiO2，Al2O3，MgO，R2，FeO，改进不合理工艺设备，加强操作等措施，最终改善烧结矿低温还原粉化率指标。

关 键 词：低温还原粉化率；烧结矿；化学成分

烧结矿质量的好坏对高炉炼铁生产技术经济指标产生重大影响,与高炉炼铁成品的优质、低耗、高效益密切相关。随着高炉“ 精料”技术的发展，对烧结矿质量要求除品位高、杂质少、粒度均匀外，还要求有较好的冶金性能。烧结矿冶金性能主要包括还原性、低温还原粉化性、软熔性能等。

烧结矿在高炉炉身上部的低温区 (温度大约在500~600 ℃)还原时由于热冲击及铁矿石中Fe2O3还原(Fe2O3-Fe3O4-FeO)过程中发生Fe2O3晶形转变，会导致烧结矿严重破裂、粉化，使高炉料柱的空隙度降低、透气性变差、压差高、炉况不顺。生产实践表明：烧结矿粒度为-3.15的低温还原粉化率（以下用RD（I-3.15）表示）每升高5％，高炉产量会下降1.5％，煤气中CO利用率降低0.5％，焦比升高1.55％。目前，烧结由于大量使用进口矿粉，烧结矿RD（I-3.15）值高达35％以上。严重影响高炉炉况顺行及高炉寿命。为此，把“降低烧结矿低温还原粉化率”作为技术攻关工作的重点。

2 影响烧结矿低温还原粉化率的因素

2.1 原料条件的影响

矿石原料主要有磁铁矿和赤铁矿两种，赤铁矿烧结矿含Fe2O3较多，因而低温还原粉化率较高。唐钢炼铁厂北区在2001年前以磁铁矿相的冀东精粉为主生产烧结矿，2001年后为了降低SiO2，提高烧结矿品位，适当配加了赤铁矿相的进口矿粉生产烧结矿，到2006年以后，赤铁矿相的进口比例大约占75％以上，致使烧结矿低温还原粉化率高达35％以上。

随着优质铁矿粉资源的逐渐减少，进口铁矿粉成分波动大，质量劣化，品种更换频繁。而在烧结这个高温、多相、复杂的反应过程中，各相之间，各组分之间相互作用，相互影响；不同种类的铁矿粉，因其基础特性各不相同，它们之间也相互作用，相互影响，因此在烧结配矿时，必须在全面了解铁矿粉的常温特性和高温特性的基础上应用互补原理和方法进行合理配矿。为此对烧结用含铁原料的冶金性能进行了系统的研究，对单品种物料的化学成分、矿物组成、脉石粒度、孔隙度、矿物结构、熔点、同化性能、液相流动性、吸水性等进行了全面分析。同时模拟生产实际，对混匀矿进行物理化学性能、成球性、烧结性能和相应烧结矿冶金性能的系统研究。

通过实验研究与生产实践可知， 用单品种矿粉生产的烧结矿的粉化指标比较：巴西精矿粉、巴卡矿粉生产的烧结矿的低温还原粉化性能很差；中特SC粉、安吉拉斯矿粉、扬迪矿粉生产的烧结矿的低温还原粉化性能比较差；澳矿粉、MAC矿粉生产的烧结矿的低温还原粉化性能比较好； 棒磨山精粉生产的烧结矿的低温还原粉化性能最好。根据铁矿粉烧结性能的互补原理，确定了最佳的烧结配矿方案。

目前，基本稳定了混匀矿大堆配比，实现了优势互补，有效地指导了烧结生产，保证了工艺参数的合理控制，从而稳定了烧结生产，改善了烧结矿的低温还原粉化指标。

2.2 烧结矿中SiO2，MgO，Al2O3，R2，FeO这些主要化学成分的影响

1）SiO2是烧结过程形成黏结相的主要因素。高SiO2含量有利于烧结液相的形成，改善粉化指标，但如果SiO2含量过高，一方面影响液相流动性，降低产量；另一方面，SiO2高会生成大量正硅酸钙(2CaO·SiO2)。由于正硅酸钙(2CaO·SiO2)在冷却过程中的相变(γC2S→βC2S)体积膨胀，会造成自然粉化和降低烧结矿强度。生产实验结果：烧结矿中w（SiO2）低于4.6%时，烧结矿RD（I-3.15）达到35％以上。这主要是因为SiO2低会造成因黏结相量明显不足，铁酸钙数量减少，显微结构的均匀性显著恶化，使烧结矿粉化指标明显变差。后来逐步提高烧结矿中的w（SiO2）到4.8％，4.9％，5.0％，5.1％，5.2％，5.3％，烧结矿RD（I-3.15）是降低的趋势。通过近几年的生产实践，在现有的烧结原料条件下，较适宜的烧结矿w（SiO2）控制在在5.2%～5.3％左右。

2）由于烧结矿中的MgO与Fe2O3结合，游离低，可减轻烧结矿粉化。同时为了满足高炉造渣的要求，改善炉渣的流动性和提高脱硫能力，烧结矿中需保证一定量的MgO。但是因MgO的熔点高达2799 ℃，在烧结过程中Mg2+进入Fe3O4晶格中取代Fe2+，稳定了Fe3O4矿相，造成Fe3O4难以向Fe2O3转变形成铁酸钙，限制了铁酸钙系的发展，使矿物组成复杂化。由于各种矿物的结晶能力不同，冷凝后，必然存在应力，所以随着MgO含量增加，烧结矿的低温还原粉化指标变差。经过多次实践摸索，同时考虑炉渣对MgO含量的要求，烧结矿w（MgO）控制在2.4%～2.6%较合适。

3）Al2O3是烧结矿化学成分不可缺少的成分。因为一定的铝硅比（m（Al2O3）/m（SiO2）=0.1～0.4）是烧结过程形成铁酸钙的必要条件，但生产实践中烧结矿中w（Al2O3）＞2％以后会导致液相流动性变差，还会恶化烧结矿的还原粉化指数。因为烧结矿中Al2O3的含量增加，在铁酸钙中Al2O3的固溶量增加，促进了板状铁酸钙的生成，而板状铁酸钙在低温下就开始还原产生应力，降低了烧结矿抵御裂纹扩展的能力，加剧了粉化的产生。根据生产实践经验，烧结矿中w（Al2O3）的合理控制在1.8%左右。因澳矿粉系列w（Al2O3）较高，在配矿时注意考虑了与低的w（Al2O3）矿粉的合理搭配。

4）由于烧结矿R2的不同，烧结矿生成的液相也不同。随R2升高铁酸钙黏结相增多 Fe3O4晶粒与黏结相矿物形成网状熔蚀结构或柱状交织结构。特别是高R2烧结矿磁铁矿被铁酸钙熔蚀晶粒细小，形状浑圆呈它形晶或半自形晶，与铁酸钙紧紧相连而形成熔蚀结构，两者之间有较大的接触面和摩擦力，因此镶嵌牢固，烧结矿的强度相应提高，低温还原粉化指数有所改善。通过多次的生产实践摸索，就目前烧结配料结构，碱度控制在1.98～2.08之间，有利于保证烧结矿既有良好的机械强度和还原性，又有较低的低温还原粉化率。

5）烧结矿FeO含量反映了烧结过程的动态控制状态。FeO含量不仅受配碳量、混合料水分、返矿量的交互作用，而且受原燃料配比、烧结料层厚度、透气性、工艺过程控制等的共同影响，降低烧结矿FeO含量有利于改善烧结矿的还原性，但过低的FeO又会恶化低温还原粉化率，同时FeO含量的波动区间越窄，烧结过程越稳定。

通过近几年的生产实践得出：FeO含量是影响RDI和还原性的显著因素。因此，在烧结工序中，要保证烧结矿有较好的冶金性能，关键是控制好FeO含量。FeO含量又受以下因素影响。

1）混合料水、碳的影响。 烧结混合料中水、碳的合理匹配是获得优质烧结矿的保证，一般情况是：低水低碳厚料层有利于降低烧结矿中的FeO含量，随混合料配碳量的提高，烧结矿的FeO含量会升高。但由于是厚料层烧结，如配碳过高烧结过程还原气氛增强，由于料层的自动蓄热作用，会使下层烧结温度过高，燃烧带温度升高，恶化透气性，不利于针状铁酸钙的形成，而且烧结矿中燃料分布不均匀，产生热脆性，使烧结矿低温还原粉化率指标变差。

2）燃料质量的影响。 烧结用的固体燃料有焦粉和无烟煤粉两个品种。生产实践表明：燃料粒度、焦粉和白煤比例，分加焦粉比例也是影响FeO含量的一个因素。由于每种燃料的燃烧特性不同，对于其粒度就应有不同的要求，当原料条件有较大幅度改变后，烧结用的燃料粒度及分加焦粉比例应有不同的需求。根据原料条件变化，需确定不同的燃料分加比例，在混匀矿粒度相对较粗时，分加焦粉比例适当降低（20%～25%）；而当原料粒度相对较细时，分加焦粉适当提高（25%～35%）。同时燃料粒度过细或白煤比例过高，会使燃料燃烧速度过快，使烧结过程液相形成不充分；燃料粒度过粗，布料时大颗粒燃料滚到料层下部，造成下层烧结温度高，燃料分布不均。目前控制焦粉大于3 mm部分85％，白煤大于3 mm部分75％以上。

通过不断的生产实践，根据目前的原料结构，控制烧结混合料的固定碳含量（质量分数）在2.8%～2.95％之间，烧结机混合料水分在（7.8±0.2）％左右，烧结矿的w（FeO）在（9±0.5）%之间，烧结矿的低温还原粉化率指标及还原性指标比较好。表1是抽测的RDI指标与烧结矿FeO关系。

2.3 操作制度及工艺设备的影响

烧结过程的温度控制也影响烧结矿低温还原粉化率的因素，它与烧结点火温度、点火负压、负压、机速、废气温度、终点控制等有关。如机速过快或烧结负压较低，会使液相结晶发育不完善，烧结矿强度差，粉化率高。为提高点火温度，对点火炉及保温炉进行了改造更新。新式点火炉采用新型烧嘴提高点火强度，同时增加东西两排烧嘴角度，延长了点火时间。点火温度由改造前的980 ℃提高到目前的1120 ℃以上，料面点火效果有明显改善，有力保证了烧结矿低温还原粉化指标的改善。

为保证烧结过程的均匀稳定，一方面根据生产实际情况对烧结机机尾后5个风箱实行自动控制，后5个风箱设定不同的温度，达到规定温度，风箱自动关闭，这样保证了风的合理利用。另一方面对不合理的工艺、设备进行改进。如增加了疏料器长度，考虑边缘效应，适当缩短了沿台车方向的宽度；对混合料槽加蒸汽工艺不断改进，大大减轻了混合料槽南北两侧的水分和料温差别较大的现象；为减少悬料、粘料次数，配料室燃料仓改造；使用新型生石灰消化器等。

2.4 使用SYP烧结剂及烧结矿表面喷洒CaCl2

SYP烧结强化剂一般占混合料总量的万分之三至万分之四，该产品对煤气化反应，燃烧反应起到一定的催化助燃作用，使煤粉的反应活性大大提高，可使烧结过程的氧化气氛增强，促进矿物组成中SFCA的大量生成。提高烧结矿强度，防止其低温粉化。从近两年使用SYP烧结强化剂情况，使用后烧结矿RD（I-3.15）指标可降低2％左右。

在入高炉前的成品烧结矿表面喷洒CaCl2溶液后，其表面被CaCl2覆盖，低温时CaCl2不分解，在烧结矿表面形成一层保护膜，减少了与还原气体的接触，所以降低了烧结矿的RD（I -3.15）。喷洒CaCl2浓度为5％左右，表2是喷洒CaCl2前后指标对比情况。从表2看，烧结矿表面正常喷洒CaCl2可降低RD（I -3.15）7～9个百分点。

3 结语

通过优化烧结配料结构，合理控制烧结矿成分，改进不合理的工艺设备，烧结矿表面喷洒CaCl2等一系列措施，烧结矿RD（I-3.15）基本控制在30％以下，保证了高炉的稳定顺行，提高了煤气利用率，降低了焦比。取得了显著的经济效益。但由于混合料槽使用的是利用环冷余热回收自产的蒸汽，生产波动时蒸汽不稳定，造成混合料水分和料温的波动，影响了生产的稳定性。今后，拟把提高和稳定混合料温度作为重要课题进行研究。