湘钢高炉炉结构优化试验研究

摘要：对湘钢铁所用炉料的冶金性能进行了试验，比较各种炉料的还原性和熔滴性能，并对碱度符合要求的几种炉料结构进行高温性能研究和成本分析，找出了比较合理的炉料结构，为高炉配矿提供了理论依据。

关键词：高炉炉料  优化  冶金性能  试验研究

1、概况

　　精料是高炉炼铁的基础，合理的记料结构是精料技术的重要内容。采用合理的炉料结构可改善高炉透气性，促进炉况顺行，提高产量，降低焦比。经过长期生产实践和研究，国内外炼铁工作者普遍认为，综合炉料比单一炉料更适合高炉冶炼要求。由于炉料结构没有固定的一成不变的模式，而应该在生产过程中地行不断地调整和优化。为此，我们对湘钢高炉所用含铁炉料的冶金性能和炉料结构进行了试验研究，以寻求最佳的炉料配合。

　　试验分两部分进行，首先研究了单五含铁炉料（7种，包括4种块铁、2种球团矿和1种烧结矿）的冶金性能；然后，在此基础上进行了炉料结构试验，试验共7组，均按炉渣碱度1.1-1.2进行搭配，以寻求最佳软熔特性的综合配矿组成。7种含铁炉料的化学万分由湘钢炼铁厂提供，见表1。

表1  试验用含铁炉料的化学成分（%）

2、单种铁矿石的冶金性能

2.1还原性测定

　　单种铁矿石还原性测定采用GB/T13241-91标准方法，试验结果见表2。

表2  单种铁矿石的还原性

2.2熔滴性能测定

　　单种铁矿石熔滴性能测定方法为：试样料度10-12.5mm,质量200g，预还原度60%。将试样和焦碳组成料住（上焦炭15g，中试样200g，下焦炭20g，焦炭粒度10-12.5mm），置于φ_内48的石墨坩埚内，放在加热炉中加热，料柱荷重9.8N/cm²。加热程序：0-800℃，手调快速加热（约30℃/min）；800-1000℃，自动升温速率4℃/min；1000℃恒定30min，再以4℃/min升温至试验结束，以试样不再收缩5min后停止，为试验结束。≤1000℃时，通入2L/min Ar气保护试样，＞1000℃时，通2L/min还原气体（CO/N₂=30/70）。用位移传感器测定料面下降毫米数，并用压差变送器测定通过料柱的压差。将料面最终下降毫米数作为收缩率100%，以收缩率为10%时的试样温度为开始软化温度（Ts），以压差开始上升到0.1kPa时的试样温度为开始熔融温度（Tm），以压差开始上升至滴下开始的温度区间内压差的积分值为透气性指标S（kPa?℃）。该试验的衡量指标和7种铁矿石的试验结果见表3。

表3  单种铁矿石熔滴试验结果

2.3单种铁矿石冶金性能评述

　　从上述结果可知，烧结矿碱度较高，FeO较低，还原性良好，软化、熔融温度尚好，滴下温度较高，透气性指标尚好，滴下性能亦较好。

　　进口球团矿的还原性较好，但软化熔融温度较竖炉球团矿低，而透气性指标优于竖炉球团矿，两种球团矿的滴下性能都良好。从透气性指标看，在炉渣碱度相同的条件下，进口球团矿搭配烧结矿应优于竖炉球团矿搭配烧结矿，因为进口球团矿炊熔温度低，和烧结矿搭配后，传质作用更强。

　　两种进口块矿中，澳矿的还原性优于南非块矿，南非块矿的熔融温度高于澳矿。两者的软化温度均较低，滴下温度较高，透气性指标良好，滴下性能较好，澳矿的透气性指标比南非矿更好。它们和烧结矿搭配，在炉渣碱度相同的条件下，应是南非矿和烧结矿搭配时T_D-T_m区间略窄，S值较大。

3、两组配矿方案的软熔试验

　　炼铁厂提供了两组配矿方案，其化学成分和软熔试验结果列于表4。

表4  两组配矿方案及试验结果

从表4可见：

　　1）配-1方案的炉料碱度为1.81，配-2为1.43。就湘钢炉料结构而言，前者碱度偏高，后者基本适中，由此可见，在湘钢炉料条件下，高碱度烧结矿配比不宜过高。

　　2）括号中的数据为理论计算值（系各种矿石熔滴试验数据按比例计算相加得出），T_s、T_m两者理论值的实验值差距不大，但T_D的理论和实验值差距明显，这是由于炉料内部传质作用所致，但由于炉料处于相对静止状态，传质作用不彻底，故两者滴下温度相同。

　　3）碱度较高的配-1样T_D-T_m区间较宽，压差和透气性指标值较大，滴下量有所减少，这些差异是由于碱度不同造成的。

4、炉料结构试验

　　根据配矿试验以及湘钢提出的高炉实际生产资料，设计出5组炉料结构方案（见表5），其相应的化学成分、矿耗和炉渣碱度列于表6。5组方案的熔滴试验结果列于表7。

表5  5种炉料结构方案 

表6  5种方案的化学成分、矿耗和炉渣碱度

表7  综合配矿试验结果

　　从矿种化学成分可知，大冶块矿和海南块矿含SiO₂较高，配比不宜超过10%，而澳矿和南非矿可以相互替代，主要取决于成本。

从表5-表7可见：

　　1）烧结矿搭配进口球团矿时（综-1），软化温度虽然低，但熔融温度高，T_D-T_m区间窄，透气性优，最高压差小，滴下性能尚好，在5种组合方案中其软熔性能最好。当烧结矿搭配竖炉球团矿时（综-2），软化温度有所升高，熔融温度较低，T_D-T_m区间宽，最高压差较大，透气性指标S值变大。因此，竖炉球团矿的软熔性能较进口球团矿差。

　　2）综-3和综-5是烧结矿与两种球团矿和两种块矿的组合。其中，块矿的组合为：海南矿+澳矿；澳矿+大冶矿；南非矿+大冶矿。从化学成分和单种矿金冶金性能可知，海南矿+大冶矿的组合是不宜的，而澳矿可以取代南非矿，因此，上述三种块矿组合都比较适宜。由于综-4全用竖炉球团矿，其还原性稍差，故而采用还原性较好的澳矿和大冶矿的组合。结果表明，这三种配矿方案都具有较高的软化熔融温度，T_D-T_m区间很窄，透气性指标良好，滴下必能亦良好。可以认为综-3、综-4和综-5属于较佳组合。

5、综合配矿成本分析

　　根据炼铁厂提供的矿厂内部价格（见表8）和5种方案的吨勿矿耗，计算出冶炼每吨生铁的矿石成本，列于表9。为反映这几种综合配矿的熔滴性能与成本的关系。

表8  炼铁厂矿石价格（元?t^-1）

表9  综合配矿吨铁矿石成本

从表9可知，综-3、综-4的配矿组成成本最低，熔滴性能优良。

6、结论

　　1）湘钢高炉炼铁用烧结矿碱度高，还原性好，其软熔性能、透气性指标和滴下性能均较好；进口球团矿的还原性能优于竖炉球团矿，软化温度低于竖炉球团矿，透气性指标较竖炉球团好。当球团矿和烧结矿搭配使用时，烧结矿和进口球团矿的组合优于烧结矿和竖炉球团矿的组合。

　　2）四种块矿的冶金性能优劣排序依次为：澳矿、南非矿、海南矿、大冶矿。在炉料结构中，以澳矿配海南矿或大冶矿，南非矿配海南矿或大冶矿的组合为宜，澳矿和南非矿基本可以互换。

　　3）当炉料结构中，低软熔温度炉料的配比较少时（如配-1、配-2），其软化、熔融温度的实验值基本等于各单项数据按比例计算相加得到的计算值，其较小的差别主要是由于颗粒界面相互嵌入引起的。但滴下温度差别较大，这是因为传质作用的影响。而低软熔温度炉料的配比较大时，由于它先软化，导致嵌入程度不断加大，故软化温度试验值比计算值低很多。

　　4）按入炉含铁料平均碱度为1.49计算，上述几种炉料结构都是可行的。但从冶金性能试验结果来看，几种炉料结构中，以综-3、综-4和综-5方案较佳。结合成本分析，则综-3、综-4更加经济。

　　5）当实际烧结矿的碱度发生破动，如碱度降低时，可根据炉渣碱度增加烧结矿配比，同时降低成本较高的进口球团矿比例，使熟料率保持一定水平，生矿比例则维持不变。当然也可以降低生矿比例，但此时矿石成本将会升高。