优化配矿试验研究与生产实践
1、前言
精料是高炉炼铁的基础，炉料的合理搭配是获得良好的技术经济指标的保证。作为精料技术生大举措之一的鞍钢矿山系统提铁降硅工艺改造，为炼铁技术经济指标的改善提供了必要保障。但提铁降硅后，铁矿石含铁品位提高，SiO2含量下降，烧结原料条件发生了明显变化，致使烧结液相量减少，烧结矿质量受到影响；加之铁精矿自身特性各不相同，其在烧结过程中的高温行为和作用亦有差别，因此各种铁精矿的不同搭配也直接影响烧结矿的产、质量[1、2]。而目前鞍钢烧结用各种大宗精矿的配比是根据矿山精矿产量和运输情况来决定的，其配比是否合理，值得研究；另外，鞍钢现有一条带式焙烧机氧化球团生产线，除生产初期采用D精矿配加该厂自产精矿生产外，一直以D精矿配加C精矿生产酸性球团。由于鞍钢矿业公司链篦机—回转窑球团生产线建成投产，鞍钢炼铁总厂可以使用的D精矿将逐步减少，直到全部被抽调，使用新的铁精矿取代C精矿是炼铁总厂面临的唯一选择。为此，我们在实验室条件下，采用最优试验设计方法[3]对鞍钢四种常用大宗精矿进行了烧结和球团合理配矿技术研究，提出了鞍钢烧结和球团的合理配矿方案，并在炼铁总厂二烧及球团车间初步实施，取得了较为显著的效果。
2、烧结优化配矿
2、1试验条件和方法
根据鞍钢烧结生产的实际，试验是在一定碱度范围内，首先确定各种大宗精矿不同搭配与烧结利用系数、转鼓强度、粒度组成及冶金性能等的定量关系，然后用最优方法寻求烧结矿获得最大和最小性能指标时对应的一次铁料配比。试验用原燃料均取自炼铁总厂烧结生产现场，其化学万分见表1。
2、2试验设计及数据处理
试验采用回归正交组合设计方法进行，取鞍钢四种常用大宗精矿配比及烧结矿碱度作为因素，精矿配比的变化范围参考了矿山精矿产量，且比实际生产的变化范围要宽。根据试验方法的要求，将设计变量进行编码，见表2。由计算机计算获得因素与烧结指标的经验模型，并进行可靠性烧结杯检验试验，结果表明，经验模型都是可靠的。
2、3试验结果分析
A矿份数为44左右，B矿份数为15左右时，是垂直烧结速度最低的区域；碱度为1.72左右，A矿份数为27左右，是烧结矿40—10mm粒级的最小区域；当B矿与C矿份数在均大于60，且近于等比例增加时，40—10mm粒级增加。由图5—图8可见，在试验碱度范围内，A矿配比增加，转鼓强度降低；从还原性能看，当A矿份数超过35时，碱度不能低于1.98；当A矿份数为40，B矿份数为20时，是低温还原粉化强度（>3.15mm）较低的区域。
2、4配矿方案的优化
根据实验研究结果，用“步长加速法”[4]对所得回归议程进行优化处理，得到各烧结指标与相应的一次铁料配比的关系（见表3）。由表3可见，表中优化值是对单项烧结指标的优化，只能说明该组配矿对某一指标是最佳的。实际生产中，除考虑互补性配矿原则外，还需要考虑各矿种的资源量、烧结车间的矿槽配置及其装置能力、生产流程的设置等实际约束条件。
2、5烧结配矿应用效果
合理配矿技术于2003年6月在鞍钢炼铁总厂二烧车间初步投入使用，在综合考虑原燃料及生产条件后，二烧的试验期配料比见4。生产实践证明，烧结采用合理配矿方案后，各项技术及经济指标均有不同程度改善，见表5。
3、球团优化配矿
3、1试验方法
根据前期正交设计的试验结果进行球团配加A精矿的投笼试验，着重考察在相同焙烧制度下，不配加C精矿，而配加不同比例A精矿后，对成品球团矿冷强度及冶金性能的影响。试验期A精矿配比分别为40%、50%、60%和100%，基准期球团配比为D精矿85%，C精矿15%。投笼试验是将试验球团装入特制的耐热网笼内，在带式机给料端随生产球团投入到带式机上，并随生产球团一起完成干燥、预热和焙烧等过程。试样取出后，对成品球的抗压强度、转鼓指数和FeO含量进行检测，以分析配加不同比例A精矿对氧化程度的影响。剩余成品球团样留做冶金性能检验。
3、2、1成品球团的化学成分及冷强度
成品球的冷强度列于表6。由表可见，不同配比A精矿球团及基准期球团的FeO含量均为0.18%，100%A精矿球团的抗压强度最高达3782N/个，这说明球团氧化非常完全，且抗压强度随A精矿配比增加而提高；成品球团的转鼓强度也随A精矿配比增加而增加。
上述结果表明，A精矿的连晶能力较强，适于生产球团。值得一提的是，本次试验并未观察到因A精矿FeO含量低于C精矿，磁铁矿自身放热少而对冷强度产生的影响。这可能是由于A精矿焙烧时，连晶能力强而抵消了这部分影响；另外，A精矿FeO含量在15%左右，属于“假像磁铁矿”，所以，A精矿球团要获得与当前生产球团相同的冷强度，并不需要更高的焙烧温度。
3、2、2球团矿的冶金性能
对部分球团的主要冶金性能进行了检验，结果列于表7。从表中可以看到，A精矿配比为60%时，低温还原粉化指数远好于其它A精矿配比和基准期球团。不同配比时还原度指数相关不大，还原膨胀指数也在要求的范围内，均属优质球团。
综合考虑球团的冷强度和冶金性能指标，建议球团车间铁料配比为：A精矿：D精矿=60：40，且A精矿配比不宜超过60%。
3、3球团配矿应用效果
根据球团配加A精矿的实验室试验和工业投笼试验结果，球团配加A精矿的工业试验于2003年8月1日10时正式开始，以A精矿取代弓磁精矿，生产计划A精矿配比为20%。根据生产报表统计，A精矿的实际平均配比为14.05%。
球团配加A精矿工业试验结果表明，虽然A精矿配比未达到工业试验要求的水平，但仍取得了粘结剂配量降低，球团产质量改善，球团氧化完全的效果，见表8。
4、结论
1）运用最优化理论建立的烧结配矿统计模型可得到烧结获得最佳指标值时各种矿的定量搭配关系，模型较正确地反映了各种矿不同搭配后烧结的规律性。
2）从改善烧结矿粒度组成、还原度、低温还原粉化以及成品率等不同角度进行优化，可以得出各种精矿的不同优化配比，生产中可根据实际情况综合考虑，有所侧重。
3）鞍钢烧结生产的改进方向应为，将适宜于烧结生产的矿石用于烧结，适于球团生产的用于球团，对那些不适宜单独使用的矿石要进行合理搭配，使鞍钢铁矿资源实现合理配置。
4）建议球团车间铁料配比为：A精矿：D精矿=60：40，且A精矿配比不宜超过60%。
表1 原料化学成分（%）
| 原料名称 | TFe | FeO | SiO2 | CaO | MgO | 烧损 |
| A矿 | 67.50 | 16.70 | 2.80 | <0.15 | 0.55 | -0.57 |
| B矿 | 67.15 | 17.24 | 4.85 | <0.15 | 0.30 | -0.84 |
| C矿 | 68.26 | 29.09 | 5.00 | <0.15 | 0.30 | -2.68 |
| D矿 | 66.73 | 28.74 | 7.10 | <0.15 | 0.35 | -2.26 |
| 石灰石 | 0.28 | 0.18 | 3.00 | 52.72 | 1.17 | 41.81 |
| 生石灰 | 0.28 | 0.18 | 2.32 | 72.90 | 3.02 | 20.62 |
| 镁石 | 0.98 | 0.36 | 2.56 | 4.60 | 42.96 | 47.95 |
| 焦粉灰分 | 50.0 | 7.9 | 1.7 |
表2 因素水平编码
| 水平 | 因素 | ||||
| A矿（X1） | B矿（X2） | C矿（X3） | D矿（X4） | 碱度（X5） | |
| 上星号臂（+1.547） | 62 | 0 | 46 | 0 | 2.23 |
| 上水平（+1） | 51 | 7 | 38 | 11 | 2.10 |
| 基准水平（0） | 31 | 20 | 23 | 29 | 1.85 |
| 下水平（-1） | 11 | 33 | 8 | 47 | 1.60 |
| 下星号臂（-1.547） | 0 | 40 | 0 | 57 | 1.46 |
| 变化间距 | 20 | 13 | 15 | 18 | 0.25 |
表3 各烧结指标优化后的对应一次铁料配比
| 考核指标 | 最佳值 | 对应一次铁料配比/% | 最差值 | 对应一次铁料配比/% | ||||||
| A矿 | B矿 | C矿 | D矿 | A矿 | B矿 | C矿 | D矿 | |||
| 成品率/% | 72.44 | 47.20 | 52.80 | 64.15 | 28.03 | 32.29 | 39.70 | |||
| 利用系数/t·m2·h-1 | 2.04 | 100.00 | 0.92 | 82.22 | 17.68 | |||||
| 固体燃耗/kg·t-1 | 38.40 | 41.24 | 58.77 | 48.50 | 82.22 | 17.68 | ||||
| 垂速/mm·min-1 | 29.23 | 28.17 | 32.40 | 39.44 | 15.38 | 39.28 | 12.46 | 29.41 | 18.87 | |
| 40-10mm粒级/% | 64.13 | 26.67 | 73.34 | 37.50 | 51.09 | 48.91 | ||||
| 10-5mm粒级/% | 5.89 | 57.27 | 42.73 | 12.16 | 100.00 | |||||
| <5mm粒级/% | 34.84 | 7.31 | 25.85 | 32.03 | ||||||
| 转鼓强度/% | 75.45 | 100.00 | 43.58 | 37.59 | 27.93 | 34.49 | ||||
| FeO/% | 5.93 | 37.43 | 28.22 | 34.36 | 15.31 | 100.00 | ||||
| 还原度/% | 91.00 | 37.43 | 28.22 | 34.36 | 73.66 | 57.01 | 42.99 | |||
| RDI+6.3/% | 86.00 | 100.00 | 59.67 | 46.20 | 14.77 | 17.01 | 22.04 | |||
| RDI+3.15/% | 93.00 | 44.75 | 55.26 | 81.47 | 66.53 | 33.47 | ||||
| RDI-0.5/% | 2.10 | 41.86 | 27.05 | 31.11 | 10.29 | 100.00 | ||||
表4 二烧基准期与试验期配料比（%）
| 时间 | C矿 | 杂矿1 | B矿 | D矿 | 杂矿2 | 澳粉 | 南非 | 返矿 | 尘泥 |
| 基准期 | 34.36 | 0.00 | 31.24 | 0.00 | 1.42 | 3.39 | 0.12 | 3.86 | 0.62 |
| 试验期 | 30.77 | 3.80 | 24.10 | 11.34 | 0.80 | 0.09 | 0.00 | 4.02 | 0.07 |
| 差值 | -3.59 | 3.80 | -7.14 | 11.34 | -0.61 | -3.29 | -0.12 | 0.17 | -0.55 |
表5 烧结矿主要生产指标的比较
| 时间 | 粒级/% | 转鼓指数/% | 利用系数/t·m2·h-1 | 煤耗/kg·t-1 | 成品率/% | |||
| >40mm | 40-10mm | 10-5mm | <5mm | |||||
| 基准期 | 11.86 | 52.22 | 27.00 | 8.04 | 81.86 | 1.515 | 52.57 | 65.20 |
| 试验期 | 7.57 | 57.37 | 27.83 | 6.53 | 82.10 | 1.644 | 50.87 | 67.30 |
| 差值 | -4.29 | 5.15 | 0.83 | -1.51 | 0.24 | 0.129 | -1.70 | 2.10 |
表6 成品球性能指标
| 时期 | A精矿配比/% | TFe/% | FeO/% | SiO2/% | 成品球抗压N·个-1 | 转鼓强度/% | 耐磨指数/% |
| 试验期 | 40 | 64.05 | 0.18 | 6.10 | 2723.5 | 90.86 | 6.85 |
| 50 | 65.05 | 0.18 | 5.85 | 3232.1 | 91.15 | 6.72 | |
| 60 | 65.19 | 0.18 | 5.20 | 3250.5 | 93.38 | 4.20 | |
| 100 | 66.03 | 0.18 | 3.50 | 3782.0 | 93.68 | 4.80 | |
| 基准期 | 精矿D：精矿C=85：15 | 64.50 | 0.18 | 6.95 | 2650.9 | 93.02 | 5.69 |
| 生产现场 | D：C：除尘灰=80：16.5：2 | 64.77 | 0.44 | 6.05 | 2664.0 | 93.10 | 5.85 |
表7 球团的主要冶金性能（%）
| 项目 | 低温还原粉化指数 | 还原度指数 | 还原膨胀指数 | |||
| RDI+6.3/% | RDI+3.15/% | RDI-0.5/% | ||||
| A精矿配比 | 40% | 64.74 | 81.94 | 13.25 | - | - |
| 50% | 78.69 | 86.64 | 9.98 | - | - | |
| 60% | 86.04 | 93.42 | 4.93 | 74.26 | 14.05 | |
| 100% | 79.05 | 89.51 | 6.10 | 75.52 | 15.22 | |
| 基准期 | 89.56 | 92.28 | 6.02 | 74.09 | 13.56 | |
表8 球团配加A精矿前后的生产指标比较
| 时期 | 配料比/% | 球团矿产质量 | ||||||
| D精矿 | C精矿 | A精矿 | 粘结剂 | 转鼓/% | 产量/t·月-1 | 合格率/% | 一级品率/% | |
| 基准期（6-7月） | 72.89 | 25.52 | 0 | 1.61 | 92.70 | 97302.5(总194605) | 97.50 | 80.05 |
| 试验期（8-9月） | 76.40 | 8.08 | 14.05 | 1.47 | 93.05 | 99085（总198170） | 97.99 | 80.97 |
| 差值 | (0.14) | 0.35 | 1782.5 | 0.49 | 0.92 | |||
| 变化趋势 | 减少 | 增加 | 增加 | 增加 | 增加 | |||
参考文献
1、吴胜利，米坤，林鸿，铁矿石烧结基础特性的概念。2000年炼铁年会文集。2000.161-164
2、Wu Shengli,Eiki Kasai,Yasuo Omori.Effect of The Constitution of Granules on Coalescing Phenomenon and Strength after Sintering.Proceedings of the 6th International Iron and Steel Congress.Nagoya:ISIJ,1990.15-20
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4、薛嘉庆。最优化原理与方法。北京：冶金工业出版社，1983.147-135
