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预还原含铁炉料在高炉内的软熔滴落行为的探讨

吴胜利1，2，庹必阳1，2，张丽华1，2，武建龙1，2，孙颖1，2

(1.北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点试验室，北京 100083；2.北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083)

摘 要：试验考察不同金属化率、不同碳含量下预还原含铁炉料软熔滴落特性。结果表明：与未还原含铁炉料相比，预还原含铁炉料的软化温度区间或软熔温度区间虽然较大，但温度区间内的料柱压差较小；熔滴温度区间内，熔化开始温度随着金属化率的增加而升高，滴落温度随铁水碳含量的增加而降低，料柱的最大压差随着金属化率的增加而减小；软熔滴落性能特征值(SD)随着金属化率和碳含量的增加而减小。由此推测，高炉使用具有一定碳含量的预还原含铁炉料将有利于增大软化层空隙、降低熔融层厚度，从而改善软熔带的透气性。

关 键 词：高炉；含铁炉料；金属化率；碳含量；软熔滴落

随着环境污染问题的日益严重，为了满足全球“低碳经济”发展的要求，高炉炼铁如何在现有工艺基础上实现节能减排已成为钢铁行业亟待解决的重要问题。高炉使用软熔滴落特性优良的含铁炉料，可以改善炉内软熔带状况和煤气流分布，进而降低煤气压力损耗和固体燃料消耗。

国内外研究者对如何改善高炉含铁炉料的软熔滴落特性做了大量的工作，其研究内容主要集中在炉料结构、炉料成分及布料方式等方面[1-6]。近年来，人们发现在高炉内提高含铁炉料到达软熔带的金属化率，有助于改善其软熔滴落特性。矿煤团块的软熔滴落特性研究表明，矿煤颗粒的间隙降低到微米级，接触面积增大，反应速率加快，金属化率提高，含铁炉料的软熔滴落特性及软熔带的透气性得以改善[7-9]。含碳烧结矿的熔滴试验结果表明，含碳烧结矿与普通烧结矿比例为1∶1时，因含碳烧结矿到达软熔带时提升了含铁炉料的金属化率，其软熔带的最大压差是使用普通烧结矿时的1/3[10]。含铁炉料配加小块焦的软熔滴落特性研究表明，含铁炉料层混加小块焦，可以增大矿焦的接触面积，减小含铁炉料的还原延迟效应，提高含铁炉料到达软熔带时的金属化率，改善含铁炉料的软熔滴落特性[11-12]。

然而，因矿煤团块强度偏低，影响高炉料柱的透气性，故无法大量使用；含碳烧结矿的生产工艺难以有效实现；含铁炉料混加小块焦的数量及其作用均有限。因此，高炉使用预还原含铁炉料成为人们关注的对象。获得预还原含铁炉料可以借助金属化烧结工艺或者直接还原工艺。后者在铁矿石资源劣质化条件下无法生产电炉炼钢所需脉石含量低的海绵铁，而高炉使用则无限制。

由于高炉使用预还原含铁炉料条件下的软熔滴落性能研究并不深入，金属化率及预还原含铁炉料的适宜碳含量对软熔滴落特性的影响规律未见报道。为此，本文针对不同金属化率、碳含量的预还原含铁炉料，试验研究其软熔滴落特性，考察预还原含铁炉料的适宜金属化率和碳含量。

1 含铁炉料的准备

试验所用综合炉料由65.7%的烧结矿、19.8%的巴西球团矿和14.5%的澳大利亚块矿(质量分数)组成，粒级为10～12.5mm。A为200g综合炉料，B、C、D分别为200g综合炉料通过静态还原试验还原至金属化率为45%、45%、75%，碳含量分别为0.1%、0.6%、1%时的预还原含铁炉料。还原条件如表1所示。其中，φ(CO)、φ(CO2)和φ(N2)分别为CO、CO2和N2的体积分数，Vg为气体流量，vT为升温速率。

预还原含铁炉料制备过程中，试样的温度、气体成分以及试样失重等均由电脑实时监测记录。通过理论计算金属化率分别为45%与75%时静态还原含铁炉料的失重量来确定还原的终点。含铁炉料的FeO含量、碳含量(质量分数)及金属化率如表2所示。

2 熔滴试验方法

熔滴试验设备为钢铁行业测定铁矿石熔滴特性的常规熔滴炉，试验所用焦炭粒级为6.3～10mm。用电脑实时监测记录试验过程的温度、料柱高度及料柱压差。熔滴试验步骤为：将含铁炉料、焦炭按料柱底层和顶层分别为20g焦炭，中间层为含铁炉料的布料方式装入石墨反应管，料柱荷重为1kg/cm2，按照表3所示条件开始熔滴试验。当铁水滴落至刚玉管底部的坩埚时，关闭电源，降温至室温，结束试验。

3 试验结果与分析

试验测定的含铁炉料软熔滴落特性参数如表4所示。分别考察了各种含铁炉料的软熔特性和熔滴特性，并在此基础上综合分析了含铁炉料的软熔滴落性能特征值。

3.1 含铁炉料的软熔特性

图1和表5给出4种含铁炉料的软熔特性测定结果。

3.1.1 含铁炉料的料柱高度

由图1可知，含铁炉料的料柱高度随着温度的升高逐渐降低；同一温度节点，预还原含铁炉料C、B的料柱收缩值相对大，其次为预还原含铁炉料D，未还原含铁炉料A的料柱收缩值相对小。对于料柱的压差而言，随着温度升高，4种含铁炉料的料柱压差均逐渐增大，但含铁炉料D在1368℃前的压差增幅明显小；同一温度节点，未还原含铁炉料A的料柱压差相对最大，其次为预还原含铁炉料B、C，预还原含铁炉料D的料柱压差最小。

3.1.2 含铁炉料软熔特性的温度参数

由表5可看出：1)软化开始温度。未还原含铁炉料A相对最高，其次是金属化率为75%的预还原炉料D，而金属化率为45%的预还原炉料B、C相对最低；2)软化结束温度。与前述规律一致，但各种含铁炉料间的差异性变小。3)熔化开始温度。金属化率高的预还原炉料D相对最高，其次为金属化率较高的预还原炉料B、C，而未还原含铁炉料A则明显低。

通常，含铁炉料中FeO含量越高，低熔点化合物的生成量越多，料柱高度的收缩值越大，故所对应的软化开始温度、软化结束温度以及熔化开始温度相对低。就预还原炉料而言，因初始FeO含量相对高，加之随反应进程的推进，FeO逐渐被还原成铁，致使后期FeO含量降低，故呈现前期软化温度相对低、后期熔化温度相对高的态势。金属化率高的含铁炉料D，因预还原程度高而FeO含量相对低，且随着反应的进行，FeO含量更低，故表现出软化温度和熔化温度均高于预还原程度低的含铁炉料B和C。另一方面，A是未经还原的含铁炉料，试验测定中的还原历程是Fe2O3→Fe3O4→FeO→Fe。初始FeO含量低，随着反应的进行，FeO含量逐渐升高，故表现为前期软化温度相对高、后期熔化温度相对低的特征。

3.1.3 含铁炉料软熔特性的温度区间参数

由表5可知，预还原含铁炉料B、C的软化温度区间相对宽，其次为预还原含铁炉料D，未还原含铁炉料A的软化温度区间相对最窄；软熔温度区间的规律与前述一致，但各种含铁炉料间的差异性变小。与未还原含铁炉料A相比，预还原含铁炉料B、C、D的还原历程为FeO→Fe，前期FeO含量较高，导致熔化量较大，故软化开始温度较低；随着温度进一步升高，预还原含铁炉料中FeO含量逐渐减少，熔化量增加较慢，料柱收缩40%点所对应的温度或料柱压差达到490Pa对应的温度升高，故预还原含铁炉料的软化温度区间、软熔温度区间相对较大。此外，随着金属化率的增加，因料柱中熔化量减小，空隙率增大，使预还原含铁炉料的软化温度区间、软熔温度区间均变窄。未还原含铁炉料A因前期熔化量低，而后随着FeO含量急剧增加，使料柱空隙快速减小，在相对短的时间内料柱收缩达到40%，料柱压差达到490Pa，故其软化温度区间、软熔温度区间相对最小。

3.1.4 含铁炉料软熔特性的压差参数

由表5可知，含铁炉料A、B、C和D的料柱平均压差依次减小。与未还原含铁炉料A相比，金属化率为45%的预还原含铁炉料B、C，因FeO含量相对较低且料柱中熔化量相对较少，故料柱中空隙相对较大，从而B、C的料柱平均压差相对较低；预还原含铁炉料D则为大量的金属铁和少量的FeO共存，低熔点熔化物更少，料柱的空隙相对最大，故平均压差相对最低。

由此可见，含铁炉料的软化开始温度、软化结束·13·温度、熔化开始温度、软化温度区间、软熔温度区间以及各区间内料柱压差，均取决于含铁炉料的还原历程和料柱中液相的生成行为。与未还原含铁炉料相比，虽然预还原含铁炉料的软化开始温度低，软化温度区间、软熔温度区间大，但料柱的平均压差明显低，料柱透气性更好。

3.2 含铁炉料的熔滴特性

图2和表6给出4种含铁炉料熔滴特性的测定结果。

3.2.1 含铁炉料的料柱压差

由图2可知，在熔滴温度区间内，与未还原含铁炉料柱A相比，预还原含铁炉料B、C、D的料柱压差线依次排列于未还原含铁炉料A的料柱压差线下方，整个区间的压差均明显低，且最大压差依次减小。

3.2.2 含铁炉料熔滴特性的温度参数

由表6可知，含铁炉料B、A、C和D的铁水滴落温度分别为1487、1427、1396和1375℃。这一排列顺序与各炉料条件下的铁水碳含量由低到高相对应。图3给出铁水碳含量(质量分数)与滴落温度之间的关系，即：铁水的滴落温度主要由碳含量决定。随着铁水碳含量的增加，滴落温度降低。众所周知，纯铁的熔点是1530℃[13]，与碳形成合金后熔点下降，且碳含量越高，熔点越低。上述试验结果与这一理论基本吻合。

铁水中碳含量主要与炉内渗碳和原始炉料中的碳含量有直接关系[14]。由图4可知，与预还原含铁炉料相比，未还原含铁炉料在熔滴炉中渗碳量大。究其主要原因是：未还原含铁炉料还原过程中新生的海绵铁更容易渗碳；预还原含铁炉料在炉内的渗碳量相差较小，其铁水中碳含量主要与进入熔滴炉前预还原炉料的原始碳含量相关。原始碳含量较高的预还原炉料，相应地铁水中碳含量也较高。

3.2.3 含铁炉料熔滴特性的温度区间

参数由表6可知，熔滴温度区间主要由熔化开始温度和滴落温度决定。预还原含铁炉料B的熔滴温度区间相对最大，其次为未还原含铁炉料A，金属化率为75%的预还原含铁炉料D的熔滴温度区间相对最小。

与未还原含铁炉料A相比，预还原含铁炉料B的熔滴温度区间相对大。这主要是由于预还原含铁炉料B的铁水碳含量相对较低，导致滴落温度升高幅度较大；预还原含铁炉料C因金属化率相对高而熔化开始温度较高，同时因铁水碳含量相对较高而使滴落温度明显降低，故其熔滴温度区间减小；预还原含铁炉料D因其金属化率、铁水碳含量均相对最高，致使熔化开始温度相对最高，且滴落温度相对最低，故其熔滴温度区间变得最窄。由此可见，含铁炉料的熔滴温度区间随着金属化率、铁水碳含量的增高而变窄，使用适宜碳含量的金属化含铁炉料可降低高炉软熔带中熔融层的厚度。

3.2.4 含铁炉料熔滴特性的压差参数

由表6可知，预还原含铁炉料料柱的最大压差随着金属化率提高而减小，未还原含铁炉料料柱的最大压差相对最大。与未还原含铁炉料A相比，金属化率为45%的预还原含铁炉料B和C，因料柱中熔化量相对少而导致料柱的最大压差相对较低。金属化率为75%的预还原含铁炉料D在滴落温度区间内几乎不熔化，颗粒空隙率相对大，故料柱最大压差相对最小。由此可见，熔滴温度区间内，与未还原含铁炉料相比，预还原含铁炉料的熔化量相对较少，空隙率相对较大，料柱压差相对低，且随着金属化率的提高，料柱中熔化量减小，空隙率增大。

由此可见，含铁炉料的滴落温度、熔滴温度区间均取决于铁水的碳含量，而区间内料柱的最大压差主要由熔化量的最大值决定。与未还原含铁炉料相比，虽然预还原含铁炉料的熔滴温度区间相对较大，但其料柱的最大压差明显低，料柱透气性更好。此外，当含铁炉料的滴落温度较高时，高炉内滴落带下移，而对应于该区域的高炉炉腹直径逐渐减小，不利于降低此区域的压差。而提高预还原含铁炉料的碳含量可以降低滴落温度。因此，高炉更适合使用碳含量较高的预还原含铁炉料。

3.3 含铁炉料的软熔滴落性能特征值

含铁炉料软熔滴落性能特征值(SD)的定义是：在软熔温度区间、熔滴温度区间内含铁炉料料层压差函数对温度的积分之和。由于难以提取压差函数，本研究采取定积分-微元法进行计算。软熔性能特征值(SD1)、熔滴性能特征值(SD2)和软熔滴落性能特征值(SD)的计算公式[15]如式(1)～(3)所示：

式中，Ti表示软熔或熔滴温度区间内的任意温度值，ΔPi表示软熔或熔滴温度区间内与温度Ti对应的压差值。

SD1、SD2及SD计算值越小，含铁炉料相应的性能越好。图5给出本试验各类含铁炉料SD1、SD2及SD的比较。

由图5可以看出：

1)SD。预还原含铁炉料的软熔滴落性能特征值(SD)均小于未还原含铁炉料A，且随着炉料金属化率和铁水碳含量的提高而下降。

2)SD1。预还原含铁炉料B和C的SD1相差很小，其值均略高于未还原含铁炉料A，预还原含铁炉料D的SD1最小。与未还原含铁炉料A相比，尽管预还原含铁炉料B和C的软熔温度区间相对较宽，但其软熔温度区间内的压差很小，使含铁炉料B和C的SD1只是略高于A；预还原含铁炉料D因软熔温度区间和料柱压差均相对小，致使其SD1相对最小。

3)SD2。预还原含铁炉料B、C、D的SD2均小于未还原含铁炉料A，且随着含铁炉料金属化率和铁水碳含量的提高而减小。究其主要原因：①与未还原含铁炉料A相比，即使预还原含铁炉料的熔滴温度区间宽，但熔滴温度区间的料柱压差相对低，致使预还原含铁炉料的SD2相对小；②金属化率越高的预还原含铁炉料，料柱中熔化量越少[16]，料柱压差更低。故随着金属化率的提高，SD2逐渐降低；③SD2与铁水中的碳含量有关。碳含量高时，滴落温度低，相应熔滴温度区间窄，致使SD2值减小。

由此可见，与未还原含铁炉料相比，虽然低金属化率预还原含铁炉料的软熔性能特征值相对略大，但熔滴性能特征值下降幅度明显，致使低金属化率预还原含铁炉料的软熔滴落性能显著优于未还原含铁炉料A。对于相同金属化率的预还原含铁炉料，碳含量相对较高时可获得更好的软熔滴落性能。高碳含量、高金属化率的预还原含铁炉料，其软熔滴落性能更为优异。

4 结论

1)与未还原含铁炉料相比，使用金属化率为45%或75%的预还原含铁炉料，虽然其软熔温度区间相对较大，但区间内的料柱压差明显降低，软熔滴落性能特征值也明显减小，故高炉可获得更好的透气性。

2)随着预还原含铁炉料金属化率的提高，料柱最大压差降低，SD值减小，但滴落温度有升高趋势，对炉腹区域的透气性有负面影响。而提高预还原含铁炉料的碳含量则可明显降低其滴落温度，从而能够更加显著地改善预还原含铁炉料的软熔滴落性能。

3)针对劣质化的低品位、高脉石含量的铁矿石，采用以煤基或煤制气为还原剂的直接还原工艺，可制备具有一定金属化率且碳含量相对较高的预还原含铁炉料，有望促进高炉炼铁工艺的节能减排，提升冶炼效率。

参 考 文 献：

[1]   Yutaka Ujisawa，Kaoru Nakano，Yoshinori Matsukura，etal.Subjects for Achievement of Blast Furnace Operation WithLow Reducing Agent Rate[J].ISIJ International，2005，45(10)：1379.

[2]   Kohei Sunahara，Takuya Natsui，Kyoichiro Shizawa，et al.Effect of Coke Reactivity on Sinter Softening-Melting Proper-ty by Simultaneous Evaluation Method of Carbonaceous andFerrous Burdens in Blast Furnace[J].ISIJ International，2011，51(8)：1322

[3]   Wu Shengli，Han Hongliang，Xu Haifa，et al.Increasing Lump Ores Proportion in Blast Furnace Based on the High-Temperature Interactivity of Iron Bearing Materials [J].ISIJ International，2010，50(5)：686.

[4]   Yanga Huifen，Jinga Lili，Zhang Baogang.Recovery of IronFrom Vanadium Tailings With Coal-Based Direct ReductionFollowed by Magnetic Separation[J].Journal of HazardousMaterials，2011，185(2)：1405.

[5]   Hideki Ono-Nakazato，Chikahito Sugahara，Tateo Usui.Effect of Slag Components on Reducibility and Melt Forma-tion of Iron Ore Sinter[J].ISIJ International，2002，42(5)：558.

[6]   Ichiro Shigak，Shoji Shirouchi，Kunihiko Tokutak，et al.Study and Improvement of Properties of Pellets ReductionRetardation and Melt-Down[J].ISIJ International，1990，30(3)：199.

[7]   Mizoguchi Hiroyuki，Suzuki Hironori，Hayashi Shoji.Influ-ence of Mixing Coal Composite Iron Ore Hot Briquettes onBlast Furnace Simulated Reaction Behavior in a Packed MixedBed[J].ISIJ International，2011，51(8)：1247.

[8]   Yuki Tanaka，Tomohiro Ueno，Keiji Okumura，et al.Reac-tion Behavior of Coal Rich Composite Iron Ore Hot Briquettesunder Load at High Temperatures Until 1400℃[J].ISIJ International，2011，51(8)：1240.

[9]   Morimasa Ichida，KazuhirO Nishihara，Kenji Tamur，et al.Influence of Ore/Coke Distribution on Burden in Blast Fur-nace Descending and Melting Behavior of Burden in Blast Fur-nace[J].ISIJ International，1991，31(5)：505.

[10]   Tsunehisa Nishimura，Kenichi Higuchi，Masaaki Natio，etal.Evaluation of Softening，Shrinking and Melting ReductionBehavior of Raw Materials for Blast Furnace[J].ISIJ International，2011，51(8)：1316.

[11]   Shiro Watakabe，Kanji Takeda，Hirobumi Nisimura，et al.Development of High Ratio Coke Mixed Charging Techniqueto the Blast Furnace[J].ISIJ International，2006，46(4)：513.

[12]   Kaushik P，Fruehan R J.Mixed Burden Softening and Melt-ing Phenomena in Blast Furnace Operation，Part 3—Mecha-nism of Burden Interaction and Melt Exudation Phenomenon[J].Ironmaking and Steelmaking，2007，34(1)：10.

[13]   Kaushik P.Mixed Burden Softening and Melting Phenomena[D].Pennsylvania：Carnegie Mellon University，2006：05.

[14]   张景智.还原度对铁矿石软熔温度的影响[J].烧结球团，1986(2)：42.

[15]   韩宏亮.铁矿石资源在宝钢各炼铁工艺中高效使用技术的研究[D].北京：北京科技大学，2010.

[16]   Mousa E，Senk D，Babich A.Reduction of Pellets-Nut CokeMixture Under Simulating Blast Furnace Conditions[J].SteelResearch International，2010，81(9)：706.