高炉精料与科学配矿
2004-07-30 00:00 来源： 我的钢铁 作者：mysteel
1、前言
21世纪钢铁工业将继续发展和进步，钢铁材料仍是最主要的结构材料和用量最大的功能材料。我国钢铁工业的时代命题不再是原来计划经济体制下的“品种、质量为中心”单一命题，而是市场竞争力和可持续发展的综合命题。因此，我国钢铁工业的调整和发展，必须综合考虑市场需求、技术进步、投资效益、环境友好等因素。以高炉大型化及长寿化、高喷煤比、低渣量、高效益为目标的技术将进一步发展和提高，而高炉的这些技术的发展，必须建立在高炉精料的基础上。因此，21世纪高炉精料方针的内涵将进一步提升，科学用矿是内涵的具体体现。
2、高炉精料的要求
2、1提高熟料比
在缺乏熟酸性炉料的条件下，配入适当比例的高品位块矿，对降低炼铁原料的成本有一定的好处。但块矿毕竟是生料，其还原性和软熔性等均比不上酸性球团矿，过量的搭配块矿会影响冶炼效果。而且，这种高品位的块矿也越来越少。目前，我国不少钢铁企业所用的一些块矿，铁品位很低，SiO2含量很高，这种矿虽然价格便宜，但从炼铁的总体效益来看是不好的。所以，应尽可能提高熟料比，限制块矿配入的比例。
2、2优质的炉料
凡是熟料就是好炉料的观点是错误的，因为质量差的烧结矿、球团矿会影响高炉的顺利操作，恶化高炉的经济指标。因此烧结矿、球团矿必须优质，优质应体现在以下两个方面：
1）高品位
入炉品位升高、冶炼渣量减少，有利于提高高炉利用系数，降低焦比，从而降低生钱成本。根据高炉生产实践，入炉品位每升高1%，焦比可降低2%，产量可提高3%，渣量可减少20kg/t，综合体现在生铁成本下降10元/t。以烧结为例，若将全国烧结矿平均品位由56%—57%提高到58%—59%，年创直接经济效益在25亿元以上。此外，2000年我国重点企业平均入炉铁品位为54.88%（宝钢为60.35%），地方骨干企业为56.12%（三明钢厂为59.54%），比国际先进水平低5个百分点。
我国烧结矿占入炉矿的80%左右，因此提高烧结矿品位是提高入炉品位的重要措施。2000年全国炼铁工作年会上，已将高铁低硅烧结矿的生产列入“十五”发展指南。
球团矿因其强度好、粒度均匀、铁品位高、还原性好等特点，越来越受到现代高炉炼铁的青睐。其在炉料结构中的用量比例越来越高。但是目前我国只有个别球团厂的铁品位达到65%，大部分都在62%—63%左右，有的球团厂还低于60%。与国外一些球团矿相比，我国球团矿铁品位一般要低3—4个百分点，有的球团矿SiO2含量高达到7%—8%。所以，进一步提高球团矿铁品位是加快球团生产的首要任务。
2）高强度和良好的冶金性能
优质炉料的另一表现就是具有高强度和良好的冶金性能，它们的好坏直接影响到高炉的料层透气性和炉内煤气分布的均匀性，特别是现代大型高炉，对烧结矿和球团矿的要求更为严格。而这些对于高铁低硅烧结矿而言更重要，因此要生产高碱度、低FeO的烧结矿。因为高碱度有利于铁酸钙系粘结相的形成，而烧结矿FeO含量低，其还原性较好，从而可降低高炉焦比。根据生产经验，烧结矿中FeO含量每提高1%，高炉焦比增加1.5%，生铁产量降低1.5%。
因此，优质烧结矿的具体要求是：TFe≥58%（最好TFe≥60%），SiO2≤5.5%，CaO/SiO≥1.8，FeO<5%；优质球团矿的具体要求是：TFe≥65%,，SiO2≤3.5%，抗压强度≥2500N/个，耐磨指数<3.5%，膨胀指数≤10%。
3、高炉精料的实现
目前，高炉精料中原料的改善，主要表现在进口矿增加、入炉品位提高和高炉炉料结构合理化等方面。这些改善虽然促进了高炉的技术进步，但也给优质炉料的生产带来了新的问题。
一方面，进口矿使用量的增加，在给钢铁厂带来较大的经济效益的同时，也给企业经营带来风险。如果不能实现科学配矿，则不但不能充分发挥进口矿的效益，反而会增加钢铁企业总成本。因此，必须进行配矿结构的整体优化。
另一方面，我国烧结矿占入炉矿的80%左右，因此提高入炉品位主要是提高烧结矿的品位。但是随着烧结矿铁品位的提高，SiO2含量的下降，烧结矿中粘结相量减少，将造成烧结矿强度降低、成品率下降，这不仅会影响炉料的质量，甚至有的还影响了正常生产。所以必须研究高铁低硅烧结机理和高铁低硅烧结技术，提示在高铁低硅条件下如何增加粘结相量，如何在有限粘结相量条件下提高烧结矿强度。
再者，高碱度烧结矿搭配酸性球团矿以及高碱度烧结矿搭配酸性球团矿地块矿的形式已是我国高炉公认的合理炉料结构，但是随着炉料品位的提高，高炉渣量的降低，含铁炉料中Al2O3和MgO的含量如何控制、来源如何配置才能使高炉冶炼处于最佳技术状态，也是值得探讨的课题。因此，在钢铁生产所用铁矿石的来源、结构都发生较大变化，对经济合理炉料结构有了新的理解和认识的今天，围绕钢铁工业市场竞争力和可持续发展的时代命题，以实现钢铁生产的低成本、高效益为目标，开展炼铁原料整体优化理论和新技术的研究，具有重要的意义。
4、科学配矿
目前，随着世界铁矿石资源的不断变化，钢铁企业对铁矿石的种类和配比需要不断作出调整。科学配矿有着更为重要的意义[1，2]。宝钢高炉的技术经济指标跨入世界先进行列的根本原因在于配矿结构的优化。
4、1烧结配矿的现状
20世纪80年代末，日本的Takazo Kawaguchi等人在大量烧结试验的基础上，建立了铁矿石烧结综合模拟模型。该模型利用铁矿石的物理化学性质、烧结设备特性及操作条件的信息作为输入数据，预报烧结矿质量、能耗、生产率和其他操作性能[3]。90年代巴西CVRD公司为了以高质量的产品和服务来满足用户的需要，对各种矿石的微观结构及其对烧结过程的影响进行了大量的研究，并应用人工神经网络模拟了铁矿石微观结构与烧结性能和烧结矿质量之间的关系，来评价铁矿石的烧结性能[4]。
20世纪90年代末，上海宝钢冯建生等人总结宝钢10余年来的配矿经验，应用神经网络技术，建立了配矿专家系统。该系统能准确预测烧结矿质量，并能根据对质量的要求给出科学的配矿方案[5]。21世纪初，北京科技大学吴胜利等提出烧结过程的各项技术经济指标更大程度上依赖于铁矿石的同化性能、液相流动性、粘结相强度性能和铁酸钙生成性能等高温物理化学性质，为科学配矿奠定了理论基础[6]。
从上述分析可以看出，国内外在配矿研究方面主要有以下不足：
1）只考虑烧结技术指标要求或者单纯考虑采购成本，未能将科学配矿与烧结和炼铁的整体技术经济指标相结合。不把烧结技术指标和整个炼铁成本综合考虑，就很难实现配矿结构的优化和钢铁企业总成本的降低；而且，不同的配矿结构必然有与之相适应的烧结过程工艺参数，如果不考虑配矿的配套使用技术——烧结过程工艺参数的优化，就很难实现真正意义上的科学配矿。
2）未能将专家经验与内在规律相结合。铁矿石在实际生产过程中所表现出的行为和性能是极其复杂的，不同的矿种具有不同的烧结性能。即使在混匀矿化学成分、粒度组成相同的情况下，配矿方案不同，混匀矿的烧结性能也有差异，导致烧结生产的技术经济指标和炼铁成本也差异很大。单纯依赖于专家经验，不考虑铁矿石烧结性能与烧结矿产质量指标之间的内在规律，对于新矿种就会遇到“经验不足”的问题；而且对于信息量大、因素多、关系复杂的配矿系统，单纯靠“人脑”是难以胜任的，必须将“人脑”与计算机技术和信息技术有机结合。
4、2科学配矿的方法
笔者认为，铁矿石在实际生产过程中所表现出的行为和性能是极其复杂的。不同的矿种具有不同的烧结性能，即使在混匀矿化学成分、粒度组成相同的情况下，配矿方案不同，混匀矿的烧结性能也有差异，导致烧结生产的技术经济指标和炼铁成本也差异很大；有的矿石烧结性能差，造成烧结指标大大下降，虽然价格便宜，但最终烧结成本反而上升了；相反，某些矿石虽然价格高些，但因为品位高、杂质少，烧结性能好，烧结生产率提高，反而能使烧结成本降低。对配矿方案应作综合技术经济分析，即以最终生产1t铁的成本来衡量；既要对烧结原料作成本分析，又要计算出炼1t生铁所需要的烧结矿量和炼1t铁所需要的烧结矿原料成本。
烧结配矿是一项系统工程，在技术上既要考虑混匀矿的烧结矿化学成分和粒度组成，还要考虑铁矿石的各种性能（冷态性能和热太性能）对烧结过程产量、质量和能耗的影响，更要考虑对炼铁过程焦比、利用系数和生铁质量的影响；在经济上既要考虑采购成本，也要考虑烧结过程中的烧结成本和高炉生产过程中的冶炼成本，同时还要考虑企业产品的效益；此外还要考虑矿石性能和配矿方案对烧结过程工艺参数的影响。只有将配矿、烧结和高炉炼铁三个环节结合起来，综合考虑炼铁技术经济指标，建立包括配矿、烧结和高炉炼铁的完整配矿体系，才能真正实现配矿结构的整体优化。
将计算机技术、专家系统技术、神经网络技术、数据库技术和系统优化理论与烧结理论相结合，建立由铁矿石综合性能数据库、铁矿石烧结性能预报模型、科学配矿技术经济模型和烧结工艺参数优化模型组成的烧结科学配矿综合技术经济系统，实现低成本、高效益的炼铁生产。
参考文献
1、叶匡吾，高炉炉料结构与精料，烧结球团，2001，26（3）：6—7
2、许满兴，论配好、用好矿的原则及理论。长沙：2002年全国烧结球团技术交流牟会论文集：8—12
3、L.Caporali,R.ottoni,R.Ottoni,E.C.Siva,A.Napoleao.Application of artificial neural networks to describe the microstructure-proper-ties-performance relationship in iron ore agglomeration and reduction process,1st Brazilian Symposium on Iron Ore Characterization,Beneficication and Pelletizing.Quro Preto,Brazil,1996
4、Takazo Kawaguchi,Mayumi Yoshinaga,Minoru Ichidate,etal.Development and application of an integrated simulation model for iron ore sintering.Ironmaking Proceedings,1987,45:99-106
21世纪钢铁工业将继续发展和进步，钢铁材料仍是最主要的结构材料和用量最大的功能材料。我国钢铁工业的时代命题不再是原来计划经济体制下的“品种、质量为中心”单一命题，而是市场竞争力和可持续发展的综合命题。因此，我国钢铁工业的调整和发展，必须综合考虑市场需求、技术进步、投资效益、环境友好等因素。以高炉大型化及长寿化、高喷煤比、低渣量、高效益为目标的技术将进一步发展和提高，而高炉的这些技术的发展，必须建立在高炉精料的基础上。因此，21世纪高炉精料方针的内涵将进一步提升，科学用矿是内涵的具体体现。
2、高炉精料的要求
2、1提高熟料比
在缺乏熟酸性炉料的条件下，配入适当比例的高品位块矿，对降低炼铁原料的成本有一定的好处。但块矿毕竟是生料，其还原性和软熔性等均比不上酸性球团矿，过量的搭配块矿会影响冶炼效果。而且，这种高品位的块矿也越来越少。目前，我国不少钢铁企业所用的一些块矿，铁品位很低，SiO2含量很高，这种矿虽然价格便宜，但从炼铁的总体效益来看是不好的。所以，应尽可能提高熟料比，限制块矿配入的比例。
2、2优质的炉料
凡是熟料就是好炉料的观点是错误的，因为质量差的烧结矿、球团矿会影响高炉的顺利操作，恶化高炉的经济指标。因此烧结矿、球团矿必须优质，优质应体现在以下两个方面：
1）高品位
入炉品位升高、冶炼渣量减少，有利于提高高炉利用系数，降低焦比，从而降低生钱成本。根据高炉生产实践，入炉品位每升高1%，焦比可降低2%，产量可提高3%，渣量可减少20kg/t，综合体现在生铁成本下降10元/t。以烧结为例，若将全国烧结矿平均品位由56%—57%提高到58%—59%，年创直接经济效益在25亿元以上。此外，2000年我国重点企业平均入炉铁品位为54.88%（宝钢为60.35%），地方骨干企业为56.12%（三明钢厂为59.54%），比国际先进水平低5个百分点。
我国烧结矿占入炉矿的80%左右，因此提高烧结矿品位是提高入炉品位的重要措施。2000年全国炼铁工作年会上，已将高铁低硅烧结矿的生产列入“十五”发展指南。
球团矿因其强度好、粒度均匀、铁品位高、还原性好等特点，越来越受到现代高炉炼铁的青睐。其在炉料结构中的用量比例越来越高。但是目前我国只有个别球团厂的铁品位达到65%，大部分都在62%—63%左右，有的球团厂还低于60%。与国外一些球团矿相比，我国球团矿铁品位一般要低3—4个百分点，有的球团矿SiO2含量高达到7%—8%。所以，进一步提高球团矿铁品位是加快球团生产的首要任务。
2）高强度和良好的冶金性能
优质炉料的另一表现就是具有高强度和良好的冶金性能，它们的好坏直接影响到高炉的料层透气性和炉内煤气分布的均匀性，特别是现代大型高炉，对烧结矿和球团矿的要求更为严格。而这些对于高铁低硅烧结矿而言更重要，因此要生产高碱度、低FeO的烧结矿。因为高碱度有利于铁酸钙系粘结相的形成，而烧结矿FeO含量低，其还原性较好，从而可降低高炉焦比。根据生产经验，烧结矿中FeO含量每提高1%，高炉焦比增加1.5%，生铁产量降低1.5%。
因此，优质烧结矿的具体要求是：TFe≥58%（最好TFe≥60%），SiO2≤5.5%，CaO/SiO≥1.8，FeO<5%；优质球团矿的具体要求是：TFe≥65%,，SiO2≤3.5%，抗压强度≥2500N/个，耐磨指数<3.5%，膨胀指数≤10%。
3、高炉精料的实现
目前，高炉精料中原料的改善，主要表现在进口矿增加、入炉品位提高和高炉炉料结构合理化等方面。这些改善虽然促进了高炉的技术进步，但也给优质炉料的生产带来了新的问题。
一方面，进口矿使用量的增加，在给钢铁厂带来较大的经济效益的同时，也给企业经营带来风险。如果不能实现科学配矿，则不但不能充分发挥进口矿的效益，反而会增加钢铁企业总成本。因此，必须进行配矿结构的整体优化。
另一方面，我国烧结矿占入炉矿的80%左右，因此提高入炉品位主要是提高烧结矿的品位。但是随着烧结矿铁品位的提高，SiO2含量的下降，烧结矿中粘结相量减少，将造成烧结矿强度降低、成品率下降，这不仅会影响炉料的质量，甚至有的还影响了正常生产。所以必须研究高铁低硅烧结机理和高铁低硅烧结技术，提示在高铁低硅条件下如何增加粘结相量，如何在有限粘结相量条件下提高烧结矿强度。
再者，高碱度烧结矿搭配酸性球团矿以及高碱度烧结矿搭配酸性球团矿地块矿的形式已是我国高炉公认的合理炉料结构，但是随着炉料品位的提高，高炉渣量的降低，含铁炉料中Al2O3和MgO的含量如何控制、来源如何配置才能使高炉冶炼处于最佳技术状态，也是值得探讨的课题。因此，在钢铁生产所用铁矿石的来源、结构都发生较大变化，对经济合理炉料结构有了新的理解和认识的今天，围绕钢铁工业市场竞争力和可持续发展的时代命题，以实现钢铁生产的低成本、高效益为目标，开展炼铁原料整体优化理论和新技术的研究，具有重要的意义。
4、科学配矿
目前，随着世界铁矿石资源的不断变化，钢铁企业对铁矿石的种类和配比需要不断作出调整。科学配矿有着更为重要的意义[1，2]。宝钢高炉的技术经济指标跨入世界先进行列的根本原因在于配矿结构的优化。
4、1烧结配矿的现状
20世纪80年代末，日本的Takazo Kawaguchi等人在大量烧结试验的基础上，建立了铁矿石烧结综合模拟模型。该模型利用铁矿石的物理化学性质、烧结设备特性及操作条件的信息作为输入数据，预报烧结矿质量、能耗、生产率和其他操作性能[3]。90年代巴西CVRD公司为了以高质量的产品和服务来满足用户的需要，对各种矿石的微观结构及其对烧结过程的影响进行了大量的研究，并应用人工神经网络模拟了铁矿石微观结构与烧结性能和烧结矿质量之间的关系，来评价铁矿石的烧结性能[4]。
20世纪90年代末，上海宝钢冯建生等人总结宝钢10余年来的配矿经验，应用神经网络技术，建立了配矿专家系统。该系统能准确预测烧结矿质量，并能根据对质量的要求给出科学的配矿方案[5]。21世纪初，北京科技大学吴胜利等提出烧结过程的各项技术经济指标更大程度上依赖于铁矿石的同化性能、液相流动性、粘结相强度性能和铁酸钙生成性能等高温物理化学性质，为科学配矿奠定了理论基础[6]。
从上述分析可以看出，国内外在配矿研究方面主要有以下不足：
1）只考虑烧结技术指标要求或者单纯考虑采购成本，未能将科学配矿与烧结和炼铁的整体技术经济指标相结合。不把烧结技术指标和整个炼铁成本综合考虑，就很难实现配矿结构的优化和钢铁企业总成本的降低；而且，不同的配矿结构必然有与之相适应的烧结过程工艺参数，如果不考虑配矿的配套使用技术——烧结过程工艺参数的优化，就很难实现真正意义上的科学配矿。
2）未能将专家经验与内在规律相结合。铁矿石在实际生产过程中所表现出的行为和性能是极其复杂的，不同的矿种具有不同的烧结性能。即使在混匀矿化学成分、粒度组成相同的情况下，配矿方案不同，混匀矿的烧结性能也有差异，导致烧结生产的技术经济指标和炼铁成本也差异很大。单纯依赖于专家经验，不考虑铁矿石烧结性能与烧结矿产质量指标之间的内在规律，对于新矿种就会遇到“经验不足”的问题；而且对于信息量大、因素多、关系复杂的配矿系统，单纯靠“人脑”是难以胜任的，必须将“人脑”与计算机技术和信息技术有机结合。
4、2科学配矿的方法
笔者认为，铁矿石在实际生产过程中所表现出的行为和性能是极其复杂的。不同的矿种具有不同的烧结性能，即使在混匀矿化学成分、粒度组成相同的情况下，配矿方案不同，混匀矿的烧结性能也有差异，导致烧结生产的技术经济指标和炼铁成本也差异很大；有的矿石烧结性能差，造成烧结指标大大下降，虽然价格便宜，但最终烧结成本反而上升了；相反，某些矿石虽然价格高些，但因为品位高、杂质少，烧结性能好，烧结生产率提高，反而能使烧结成本降低。对配矿方案应作综合技术经济分析，即以最终生产1t铁的成本来衡量；既要对烧结原料作成本分析，又要计算出炼1t生铁所需要的烧结矿量和炼1t铁所需要的烧结矿原料成本。
烧结配矿是一项系统工程，在技术上既要考虑混匀矿的烧结矿化学成分和粒度组成，还要考虑铁矿石的各种性能（冷态性能和热太性能）对烧结过程产量、质量和能耗的影响，更要考虑对炼铁过程焦比、利用系数和生铁质量的影响；在经济上既要考虑采购成本，也要考虑烧结过程中的烧结成本和高炉生产过程中的冶炼成本，同时还要考虑企业产品的效益；此外还要考虑矿石性能和配矿方案对烧结过程工艺参数的影响。只有将配矿、烧结和高炉炼铁三个环节结合起来，综合考虑炼铁技术经济指标，建立包括配矿、烧结和高炉炼铁的完整配矿体系，才能真正实现配矿结构的整体优化。
将计算机技术、专家系统技术、神经网络技术、数据库技术和系统优化理论与烧结理论相结合，建立由铁矿石综合性能数据库、铁矿石烧结性能预报模型、科学配矿技术经济模型和烧结工艺参数优化模型组成的烧结科学配矿综合技术经济系统，实现低成本、高效益的炼铁生产。
参考文献
1、叶匡吾，高炉炉料结构与精料，烧结球团，2001，26（3）：6—7
2、许满兴，论配好、用好矿的原则及理论。长沙：2002年全国烧结球团技术交流牟会论文集：8—12
3、L.Caporali,R.ottoni,R.Ottoni,E.C.Siva,A.Napoleao.Application of artificial neural networks to describe the microstructure-proper-ties-performance relationship in iron ore agglomeration and reduction process,1st Brazilian Symposium on Iron Ore Characterization,Beneficication and Pelletizing.Quro Preto,Brazil,1996
4、Takazo Kawaguchi,Mayumi Yoshinaga,Minoru Ichidate,etal.Development and application of an integrated simulation model for iron ore sintering.Ironmaking Proceedings,1987,45:99-106
