关于炉料结构几个问题的探讨

关于高炉炉料结构几个问题的探讨高炉炉料结构是指高炉炼铁生产使用的含铁炉料构成中烧结矿、球团矿和天然矿的配比组合。随着精料技术的发展，烧结矿和球团矿逐步淘汰了品位低、SiO2含量高、冶金性能差的天然块矿。但长期实践表明，即便高炉使用单一的矿或球团矿生产，并不能获得最佳的指标和效益。对烧结矿、球团矿以及天然富块矿的冶金性能等的测试研究后，了解到它们的各自的优缺点，从而人们就探索如何发挥和利用它们的优点组合成一定的断料结构模式，来使高炉生产获得好的指标和效益。一、目前国内外高炉炉料结构类型高碱度烧结矿具有优良的冶金性能，约占炼铁炉料结构的70%。高碱度烧结矿的优点：⑴有良好的还原性。铁矿石还原性每提高10%，炼铁焦比下降8%～9%；⑵较好的冷强度和低的还原粉化率；⑶较高的荷重软化温度；⑷好的高温还原性和熔滴性⑸使用高碱度烧结矿，在一定程度上可以避免了高炉结瘤。球团矿特点：⑴球团矿粒度小而均匀，有利于高炉料柱透气性的改善和气流的均匀分布。⑵球团矿冷太强度好，运输、存贮、装卸过程产生的粉末少；⑶球团矿含铁品位高和堆密度大，有利于提高高炉料柱的有效重量，增加产量和降低焦比；⑷球团矿还原性好，有利于改善煤气化学能的利用；⑸高炉生产实践表明，用球团矿替代天然块矿，可大幅度提高产量、降低焦比，同时改善煤气的利用效率。⑹FeO含量低，矿物主要是Fe2O3，还原性好；⑺自然堆角小，在高炉内布料易滚向炉子中心；⑻含硫很低；⑼具有还原膨胀的缺点，在有K2O、Na2O等催化的作用下会出现异常膨胀；⑽酸性氧化球团矿的软熔性能较差。目前国内外高炉炉料结构大致分为以下几种类型：⑴以单一自熔性烧结矿为原料；⑵以自熔性烧结矿为主，配少量球团矿或块矿；⑶以高碱度烧结矿为主，配天然块矿；⑷以高碱度烧结矿为主，配酸性球团矿；⑸以高碱度烧结矿为主，配酸性炉料；⑹高、低碱度烧结矿搭配使用；⑺以球团矿为主，配高碱度烧结矿或超高碱度烧结矿；⑻以单一球团矿为原料；⑼自熔性烧结矿配自熔性球团矿或低碱度烧结矿等多种炉料结构。二、焦炭质量对高炉冶炼的影响焦炭在高炉内的骨架作用是其它炉料所不能取代的。焦炭强度M40、M10直接影响焦炭的骨架作用，对高炉冶炼的影响是无可置疑的。M40增加1%，利用系数增加0.04，降低焦比5.6kg/t；M10降低0.2%，增加产量0.05降低焦比7kg/t。从2004年以来武钢焦炭M40提高了1.4%，M10下降了0.3%。这两项合计可增加产量10%，降低焦比15kg/t以上。焦炭热态强度对高炉冶炼的影响更使十分重要的。以往研究证明：焦炭从料线到风口平均粒度减少20%～40%。在块状带，粒度无明显变化；从软熔带位置开始，焦炭粒度变化很大，这是剧烈溶碳反应的结果。高炉炉料的主要阻力在软熔带以及以下的区域。热强度讲直接影响下部区域的透气性，对高炉顺行起着十分重要的作用。三、高炉喷煤对煤的性能要求高炉喷吹用煤应能满足高炉冶炼工艺要求并对提高喷吹量和置换比有利，以代替更多的焦炭。高炉喷煤对煤的性能要求为：(1)煤的灰分越低越好，一般要求小于15％。(2)硫的质量分数越低越好，一般要求小于1.0％。(3)胶质层越薄越好，Y值应小于10mm，以免在喷吹过程中结焦堵塞喷枪和风口。(4)煤的可磨性要好，HGI值应大于50。(5)燃烧性和反应性要好。燃烧性和反应性好的煤允许大量喷吹，并允许适当放粗煤粉粒度，降低制粉能耗。(6)发热值越高越好。喷入高炉的煤粉是以其放出的热量利形成的还原剂(CO、H2)来代替焦炭。煤的发热值越高置换的焦炭越多。四、关于碱金属几个问题的探讨高炉碱金属主要来源于矿石和焦炭，降低矿石软化温度，使软熔带上移引起球团异常膨胀而严重粉化和多数烧结矿中温还原粉化；加剧焦炭的气化反应,降低焦炭强度；促使炉墙结厚甚至结瘤破坏砖衬。高炉碱金属主要有K、Na。由于Zn在高炉中的行为与K、Na相似，因此我们可以将Zn也划入碱金属范围。1K、Na在高炉中的循环和富集碱金属矿物主要以硅铝酸盐和硅酸盐形态存在。前者如长石类K2O·Al2O3·6SiO2、霞石类K2O·Al2O3·2SiO2和白云母KAl2(AlSi3O10)(OH)2等，后者如钾钙硅石2K2O·CaO·3SiO2和钠闪石Na2Fe2+Fe3+(Si4O11)OH等。这些碱金属矿物熔点很低，在800~1100℃之间熔化。在高温区，一部分进入炉渣，一部分被C还原成金属K、Na。由于碱金属K、Na沸点只有799℃和882℃，还原后立即随煤气上升，在不同的温度条件下与其他物质反应转化为氰化物、氟化物、硅酸盐和碳酸盐，但以碳酸盐为主。2K+2CO2=K2CO3+COK2CO3在900℃以上熔化。但随炉料下降到大于1050℃，K、Na重新被还原。因而高炉上部的中低温区K、Na以金属盒碳酸盐形式进行循环和富集。K、Na的氰化物在1400℃以上的高温区生成。3C+N2+K2O·Al2O3·2SiO2=2KCN(g)+Al2O3+2SiO2+CO气态氰化物上升到800℃区域液化，到600℃转变为固体粉末。它们再随炉料下降被还原生成氰化物。钾钠的氰化物在600~1600范围内进行循环和富集。2K、Na在高炉中的危害⑴破坏炉料强度K、Na降低炉料的强度，特别是对焦炭的高温强度影响较大①焦炭吸收K,Na后，形成塞入式化合物KC6、KC8,、KC12、KC24等，一方面使焦炭变得疏松;另一方面使焦炭反应性增大，导致碳熔损反应增大。结果造成焦炭高温强度急剧下降。②K,Na及其低沸点化合物沉积于炉料表面和孔隙，特别是进入Fe2O3晶格内，将使球团矿异常膨胀，高碱度烧结矿粉化。⑵使软熔带位置升高，厚度增加，初渣形成早，对造渣不利①FexO·SiO2·K2O可形成熔点为700℃左右的玻璃渣相；②低熔点渣相糊住海绵铁表面，使渗碳、滴落困难，使软熔带的下沿温度提高；⑶K、Na促进碳素沉积反应2CO=CO2+C的进行(催化作用)并使得高炉上部的还原速度加快(K、Na催化还原FeO)；⑷使炉衬破裂，炉墙结厚甚至结瘤①K,Na蒸汽渗入砖缝，氧化沉积，伴随碳素沉积引起膨胀；②与砖衬形成低熔点物质FexO·SiO2·K2O，引起渣化；③当炉况不顺、发生悬料时，煤气横向扩散，结果低熔点物质FexO·SiO2·K2O粘附焦末、矿末后，生成瘤根，久之造成结厚甚至结瘤。⑸使整个料柱的透气性降低，高炉顺行急剧恶化；①使炉料强度变坏，上部透气性降低；②使初渣形成早，软熔带位置高且厚，煤气阻损大大增加；③含K、Na炉渣的表面张力小，易泡沫化产生“液泛”，使中、下部透气性降低；④焦炭高温强度下降后，高炉下部透气性变差。3高炉内锌的还原及危害Zn常以ZnS状态存在，以硫酸盐或硅酸盐形式存在的锌矿物，入炉后很快分解成ZnO，在≥1000℃区域还原成Zn并立即气化进入煤气，上升过程中有一部分随煤气逸出炉外，但易在管道中凝集，大部分又被氧化成ZnO并被炉料吸收再度下降还原，形成循环。⑴Zn蒸汽沉积在炉子上部砖衬缝隙中或墙面上，当其氧化后体积膨胀会损坏炉衬或造成结瘤。⑵对冷却壁冷却方式的高炉，使炉内黏结物频繁脱落，风口破损严重。⑶对冷却板结构的高炉，使黏结物粘附牢固，频繁悬料。⑷锌蒸汽顺着冷却设备周围缝隙下到风口区，在强冷却区又冷凝成液体，大量进入到风口组合砖中，使风口组合砖体积膨胀或损坏，造成风口二套大量上翘。⑸沉积金属锌造成炉体砖衬脆裂、破裂，并导致炉缸、炉底炭砖脆化，缩短高炉寿命。⑹随煤气逸出的ZnO，能在上升管和下降近凝集，产生堵塞。4、降低碱金属对高炉危害的措施⑴限制炉料带入的碱量:碱负荷3～5kg/t铁高炉碱金属的来源分析中，矿粉、高炉块矿以及焦炭与煤粉带入的碱金属普遍受到重视。而对于碱金属以高炉瓦斯灰为载体在高炉于烧结矿之间的循环重视的往往不够。碱金属（K、Na、Zn）一部分在高炉内循环，一部分进入炉渣外，剩下部分进入高炉煤气。在高炉煤气净化过程中，大部分碱金属进入瓦斯灰。而瓦斯灰作为资源，一直作为烧结矿的辅助原料进行使用。碱金属在烧结过程中，会挥发进入烧结烟气。由于含碱金属的粉尘粒度较细，在烧结烟气除尘过程中，这部分粉尘主要在烧结机电除尘器的三、四电场捕集。因此，要减少碱负荷可以采用以下措施：①减少炉料带入的碱负荷；②废弃瓦斯灰作为烧结原料。目前可行的方法是转底炉脱锌工艺。这样既可以切断碱金属在烧结和高炉之间的循环，降低高炉碱负荷，又可以生产金属化球团，还可以回收Zn，起到一举多得的效果。③将烧结机电除尘器三、四电场的除尘灰废弃，这样也可以降低高炉碱负荷，但会增加除尘系统的投资。⑵增大炉渣排出的碱量①降低炉渣碱度。在一定的炉温下，随炉渣碱度降低，排碱率相应提高。自由碱度±0.1，影响渣中碱金属氧化物0.30%。②降低炉渣碱度或炉渣碱度不变，生铁含硅量降低，排碱能力提高。[Si]±0.1%，影响渣中碱金属氧化物0.045%。③提高渣中MgO含量，可以降低K2O、Na2O活度，渣中MgO提高，排碱率提高。渣中MgO±1%，影响渣中碱金属氧化物0.21%。④提高(MnO/Mn)比,可提高渣中碱金属氧化物。5转底炉转底炉脱锌工艺，是充分运用转底炉处理钢铁冶金尘泥再生利用的先进技术，采用转底炉还原铁和锌，生产的金属化球团直接供高炉或转炉冶炼，脱锌率高，可大大减少锌元素对高炉生产的影响，降低高炉的维修费用。转底炉处理高炉污泥、烧结及球团粉尘的生产能力，每月回收的锌粉均在400吨以上。经过转底炉脱锌处理将污泥、粉尘中的铅、钾、钠等金属脱离，又为高炉稳定顺行及铁水质量的提升创造了条件。经过脱锌工艺加工所生产的金属含量达50%的金属化球团，再进入到高炉生产中，可为高炉降低可观的能耗。钢铁生产过程中粉尘的产生量一般是钢产量的10%左右，迫于钢铁资源紧张、污染物排放治理的压力，国内钢铁企业大都采用返回烧结的方法来利用这些粉尘，但粉尘中的Zn、K、Na等元素对烧结机产能、烧结矿质量及高炉顺行和长寿产生严重影响。因此，部分Zn、K、Na含量高的粉尘不得不废弃，这样不仅会对环境造成严重的污染，而且造成大量宝贵资源的浪费。“转底炉直接还原生产技术”能够成功解决钢铁冶金过程中冶金粉尘的高效综合利用问题。为了钢铁工业的可持续发展，采用转底炉处理钢铁厂尘泥是近年来转底炉直接还原技术应用的一个重要发展方向。工业实践证明，转底炉处理钢铁尘泥，可使尘泥中的有害元素锌、铅回收率达到90%以上，与其他技术比较，转底炉工艺有以下技术优点：⑴工艺简单，对钢铁厂产生的含锌尘泥及各种含铁原料适应性强；⑵燃料利用率高，无碳氢化合物排放问题；⑶采用内配碳自还原，只需外部升温和传热，反应温度比传统工艺高300-600℃，反应速度快，球团在炉膛内停留时间短；⑷整个生产过程采用自动控制，自动化程度高；⑸采用先进的余能回收技术，最大限度的利用能源；⑹全部回收除尘灰富含的有用元素，环境保护效果明显。五、Al2O3对高炉操作的影响随着我国钢铁产业的迅速发展，对炼铁原料的需求日益扩大，进口矿粉已占相当数量。目前国内进口的矿粉主要是澳矿与印矿，这两种矿粉中Al2O3含量普遍偏高。高炉炉渣中Al2O3含量平均在18.2%左右，最高时可达到22%。炉渣Al2O3含量高时炉渣的流动性和稳定性都将变差，易引起炉墙粘结与炉缸堆积，破坏高炉冶炼的正常进程，给高炉操作带来一系列的问题。如不制定科学的操作方针与方法，将引起炉况不顺，影响产量与质量。因此，Al2O3含量高的炉渣严重制约了高炉的正常生产。1Al2O3含量对炉渣性能的影响Al2O3属于中性，但在高炉冶炼中可认为是酸性物质，其熔点是2050℃，在高炉冶炼中与SiO2混合后仍产生高熔点（1545℃）的物质，使渣铁流动性差，分离困难。当加入碱性物质如CaO或MgO后，尽管CaO的熔点是2570℃，MgO熔点是2800℃，但与SiO2和Al2O3结合后生成低熔点（低于1400℃）的物质，在高炉内熔化，形成流动性良好的炉渣，使渣铁分离，保证高炉正常生产。图1（A、B）为不同碱度、不同MgO含量条件下渣中Al2O3含量对炉渣粘度的影响,炉渣中Al2O3含量对粘度η影响的关系曲