張明遠(yuǎn) 梁仁桃 武鑫龍 王高峰 文彩明

(重慶科技學(xué)院冶金與材料工程學(xué)院， 重慶 401331)

隨著煉鐵技術(shù)的逐步完善與發(fā)展，高爐冶煉逐漸向大容量、高效率、自動化、低排放量的方向發(fā)展，逐步形成了以燒結(jié)礦、天然塊礦、球團(tuán)礦的爐料結(jié)構(gòu)[1]。目前，供應(yīng)國內(nèi)高爐冶煉的天然塊礦主要來自巴西、澳大利亞等國。在現(xiàn)代高爐冶煉過程中，天然塊礦必不可少。但是，與燒結(jié)礦和球團(tuán)礦相比，塊礦的冶金性能較差。如果大幅度提高塊礦的比例，就會出現(xiàn)爐料還原性下降、低溫還原粉化指數(shù)上升及熔滴性能變差等現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)還會阻礙高爐順行，使冶煉指標(biāo)惡化[2]。威鋼在提高進(jìn)口廉價(jià)塊礦的用量方面進(jìn)行了積極探索，利用進(jìn)口的紐曼塊礦和吉布森塊礦資源，通過適當(dāng)調(diào)整配比以改善爐料結(jié)構(gòu)。在此，我們針對這兩種進(jìn)口塊礦進(jìn)行冶金性能實(shí)驗(yàn)研究。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

實(shí)驗(yàn)材料主要包括紐曼塊礦、吉布森塊礦、天然氣、礦石原料、天平、木炭以及瓶裝N2、CO2氣體等。實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要包括煤氣發(fā)生爐、三段式天平、方孔試驗(yàn)篩、還原管、還原爐、馬弗爐、稱量裝置、轉(zhuǎn)鼓裝置、熔滴爐、升溫控制系統(tǒng)、坩堝、攝像頭、顯示屏、木炭、空氣壓縮機(jī)、烘干機(jī)、干燥皿。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 低溫還原粉化率的測定

實(shí)驗(yàn)在靜態(tài)還原爐中進(jìn)行。將鐵礦石樣品放入到還原管中，樣品的粒徑大小為10.0～12.5 mm，樣品總質(zhì)量為(500±1)g。 在N2的保護(hù)下，將樣品加熱到指定溫度，然后將氣體引入到管道中，氣體流速為15 Lmin。還原氣由20%的CO、20%的CO2和60%的N2組成(皆為體積分?jǐn)?shù))，負(fù)荷為14 Ncm2。在恒定溫度下，樣品被還原60 min，然后切斷電源，并通入N2予以保護(hù)。在樣品被冷卻到室溫后，稱量其質(zhì)量。將還原后的樣品放入轉(zhuǎn)鼓中，以30 rmin的速度滾動10 min。通過低溫還原粉化指數(shù)RDI+6.3、RDI+3.15、RDI-0.5來評價(jià)還原后不同鐵礦石的還原粉化特性。

1.2.2 熱爆裂指數(shù)的測定

實(shí)驗(yàn)在馬弗爐中進(jìn)行，鐵礦石樣品由塊礦組成，樣品的粒徑大小為20.0～25.0 mm,樣品總質(zhì)量為(500±1)g。調(diào)節(jié)好馬弗爐電流、電壓，設(shè)定好加熱溫度，將空鋼碗放入到爐中預(yù)熱。當(dāng)溫度達(dá)到700 ℃時(shí)穩(wěn)定保持20 min，將預(yù)熱的鋼碗取出并向碗內(nèi)加入(500±1)g樣品，用稍小的鋼碗反扣在上面；然后，利用鐵鏟等輔助工具將準(zhǔn)備好的試樣放入馬弗爐中加熱，30 min后取出試樣冷卻至室溫，進(jìn)行篩分。稱量冷卻后的試樣質(zhì)量m0，并用6.30、3.15和0.50 mm的孔篩進(jìn)行篩分，篩后的試樣質(zhì)量分別為m1、m2、m3。通過熱爆裂指數(shù)DI-6.3、DI-3.15、DI-0.5來評價(jià)還原后鐵礦石的熱爆裂特性。

1.2.3 鐵礦石還原度的測定

實(shí)驗(yàn)是在靜態(tài)還原爐中進(jìn)行，鐵礦石樣品由塊礦組成。將鐵礦石樣品放入還原管中，樣品的粒徑大小為10.0～12.5 mm，樣品總質(zhì)量為(500±1)g。在N2的保護(hù)下，將樣品加熱至指定溫度，然后將氣體引入到管道中，氣體流速為15 Lmin。還原氣由20%的CO、20%的CO2和60%的N2組成，負(fù)荷為14 Ncm2。還原3 h后，切斷電源，停止還原氣的引入，改通保護(hù)氣N2予以保護(hù)。取出還原管放在空氣中直至冷卻，稱量其反應(yīng)后的鐵礦石試樣質(zhì)量，記錄數(shù)據(jù)。

1.2.4 鐵礦石熔滴性能的測定

實(shí)驗(yàn)在熔滴爐中進(jìn)行，樣品的粒徑大小為6.3～10.0 mm，樣品總質(zhì)量為(500±1)g，用10.00～15.00 mm的孔篩進(jìn)行篩取焦炭。在石墨坩堝中裝入厚度為10 mm的焦炭，再裝入厚度為80 mm的混合鐵礦石，并在上面鋪裝一層10 mm厚的焦炭。每裝完一層，需用尺子準(zhǔn)確測量其厚度，檢查料面是否平整，最后加入石墨蓋。實(shí)驗(yàn)采取三段升溫的方式[3]，在N2的保護(hù)下，將樣品加熱到指定的900 ℃，然后將氣體引入到管道中，氣體流速為15 Lmin。還原氣由30%的N2和70%的CO組成，繼續(xù)升溫。通過安裝在熔滴爐中的攝像頭進(jìn)行觀察，當(dāng)觀察到爐內(nèi)有鐵水滴落時(shí)，記錄此時(shí)的爐料溫度并及時(shí)切斷電源，對熔滴爐進(jìn)行降溫，結(jié)束實(shí)驗(yàn)。最后，從熔滴爐自動控制系統(tǒng)中調(diào)出數(shù)據(jù)，計(jì)算鐵礦石軟化溫度區(qū)間。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 鐵礦石低溫還原粉化程度

鐵礦石在高爐與煤氣反應(yīng)發(fā)生晶格變化，隨著爐料的下降受到阻力作用而發(fā)生碎裂。進(jìn)口塊礦的低溫還原粉化率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示，其中RDI+6.3是天然塊礦的低溫還原粉化率常用指標(biāo)。

表1 低溫還原粉化率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表1可以看出，紐曼塊礦和吉布森塊礦的低溫還原粉化性能指標(biāo)RDI+3.15均大于80%，低溫還原粉化性能較好，滿足高爐冶煉的要求。紐曼塊礦的低溫還原粉化性能指標(biāo)RDI+3.15為82.95%，較之吉布森塊礦相對較好。通常，鐵礦石粉化率越高，產(chǎn)生的粉末越少，高爐料柱的透氣性越佳且高爐順行更穩(wěn)定。準(zhǔn)確分析川威進(jìn)口鐵礦石低溫還原粉化指數(shù)，有利于掌握生產(chǎn)中高爐爐內(nèi)煤氣流的合理分布以及高爐爐料順行情況，從而制定提高產(chǎn)量、降低成本的合理措施。

2.2 鐵礦石熱爆裂程度

鐵礦石熱爆裂指數(shù)越低，產(chǎn)生的粉末越少，高爐料柱的透氣性越好和高爐順行穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為《鐵礦石 熱裂指數(shù)的測定方法》(GBT 10322.6 — 2004)，兩種進(jìn)口鐵礦石的熱爆裂指數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。其中，紐曼塊礦和吉布森塊礦的熱爆裂指數(shù)DI-6.3平均值分別為6.98%、16.35%。

表2 兩種塊礦熱爆裂指數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表2可知，紐曼塊礦的爆裂性能優(yōu)于吉布森塊礦。紐曼塊礦產(chǎn)生的粒徑小于6.3 mm的顆粒約為6.98%，產(chǎn)生的細(xì)小粉狀物較少，不會因塊礦熱爆裂產(chǎn)生較多粉狀顆粒物而引起煤氣流通道堵塞、爐墻結(jié)厚等爐況不良的現(xiàn)象，而吉布森塊礦引起此類情況的概率略高。對于這個(gè)情況，應(yīng)在高爐配料時(shí)予以重視，合理控制爐料配比。

2.3 鐵礦石的還原程度

鐵礦石還原度越高，出鐵量也越高，爐渣流動性越能得以更好地改善。兩種進(jìn)口鐵礦石的還原實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。

表3 實(shí)驗(yàn)所用塊礦還原結(jié)果

注：mt為還原到t時(shí)間的試樣質(zhì)量。

通常認(rèn)為，塊礦的還原度一般較低，不利于高爐降低焦比和提高煤氣利用率。但從表3可以看出，這兩種塊礦還原度差別不大。其中，紐曼塊礦的還原度最高(IR)，IR達(dá)到了71.7%，而吉布森塊礦還原度稍低，IR也達(dá)到了65.9%。這說明紐曼塊礦的中溫還原強(qiáng)度較好，不會對高爐上部的透氣性帶來明顯的負(fù)面影響，符合高爐冶煉要求。由于樣品質(zhì)量較小，計(jì)算誤差較大，故以實(shí)驗(yàn)用還原管質(zhì)量的變化來表征塊礦的還原情況。從圖1所示還原曲線可以看出，兩種塊礦的還原速率相近，還原趨勢平緩，有利于高爐爐況的穩(wěn)定。

2.4 鐵礦石的軟熔性能

模擬鐵礦石在進(jìn)入高爐爐身中下部1 200 — 1 500 ℃溫度區(qū)間時(shí)的變化，當(dāng)?shù)温渫瓿珊?，通過計(jì)算測出鐵礦石的軟化區(qū)間。若鐵礦石軟化溫度區(qū)間越小、軟熔帶越薄，則高爐的透氣性能就越好、順行越穩(wěn)定。表4所示為兩種塊礦的軟熔性能測定數(shù)據(jù)。

從表4可以看出，兩種塊礦具有相對低的軟化開始溫度和相對寬的軟化溫度區(qū)間,這與傳統(tǒng)認(rèn)識一致[4-5]。但兩者的開始軟化溫度相差較大。其中，紐曼塊礦的軟化溫度區(qū)間差值(ΔT)小于200 ℃，吉布森塊礦的軟化溫度區(qū)間差值大于200 ℃。吉布森塊礦軟化區(qū)間大、軟熔帶厚，其滴落溫度(Tm)為1 488 ℃，對高爐的透氣性和順行會產(chǎn)生不利影響。對于此現(xiàn)象，應(yīng)在進(jìn)行爐料結(jié)構(gòu)優(yōu)化予以重視，合理控制。

3 結(jié) 論

通過對威鋼進(jìn)口的兩種塊礦進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，得到以下結(jié)論：

(1) 紐曼塊礦和吉布森塊礦的低溫還原粉化指數(shù)都大于80%，表明其低溫還原粉化性能好，滿足入爐原料要求。

(2) 吉布森塊礦熱爆裂指數(shù)為16.35%，紐曼塊礦的熱爆裂指數(shù)為6.98%。吉布森塊礦熱爆裂指數(shù)高，粉末較多。在冶煉過程中，粉末會增加高爐爐塵的排出量，影響順行，因此需合理控制高爐礦料配比。

(3) 吉布森塊礦的還原度為65.9%，紐曼塊礦的還原度為71.7%，吉布森塊礦的還原性能稍差。

(4) 紐曼塊礦的軟化溫度區(qū)間差值為173 ℃，滴落溫度為1 350 ℃；吉布森塊礦的軟化溫度區(qū)間差值為232℃，滴落溫度為1 488 ℃。就礦石熔滴性能而言，吉布森塊礦不能滿足高爐冶煉的要求。