沙钢高炉常用炉料冶金性能的分析研究.pdf

第 3 6卷第 2期 4 4 2 0 1 4年 3月 上海金属 S HANGHAI MET AL S Vo 1 ． 3 6，No ． 2 Ma r c h，2 0 1 4 沙钢高炉 常用炉料冶金性能的分析研究 徐军杜屏王永红张明星 江苏省 沙钢 钢铁研究 院， 江苏张家港 2 1 5 6 2 5 【 摘要】 通过对沙钢高炉几种常用的炉料进行低温还原粉化、 还原性以及荷重软化熔融 滴落性能试验 ， 分析 了不 同炉料的冶金性能。结果表 明 高碱度烧结矿低温还原粉化性能较差 ， 还原性较好 ， 软化开始温度较高， 熔融区间较宽； 球 团矿低温还原粉化性能较好， 还原性较差； 块 矿低温还原粉化性能处在烧结矿和球团矿之 间， 还原性能波动较大， 软化开始温度较低。通过 对沙钢不同炉料冶金性能的分析 ， 为优化 高炉炉料结构 ， 提高高炉精料水平 ， 促进 高炉节能降耗 提供 了理论依 据 。 【 关键词】 高炉炉料冶金性能熔滴性沙钢 STUDY oN M ETALLURGI CAL PRoPERTI ES oF BLAS T FURNACE BURDENS I N S HAS TEEL X u J u n Du P i n g Wa n g Y o n g h o n g Z h a n g Mi n g x i n g I n s t i t u t e o f R e s e a r c h o f I r o n a n d S t e e l ， S h a s t e e l ， Z h a n g j i a g a n g J i a n g s u 2 1 5 6 2 5 ， C h i n a 【 A b s t r a c t 】 M e t a l l u r g i c a l p r o p e r ti e s o f d if f e r e n t b l a s t f u r n a c e b u r d e n m a t e r i a l s w e r e m e a s u r e d i n t e r ms o f R D I 1 o w t e m p e r a t u r e r e d u c t i o n d e g r a d a t i o n i n d e x ，R I r e d u c i b i l i t y i n d e x ， a s w e l l a s r e f r a c t o r i n e s s u n de r l o a d a n d dr o p l e t b u r d e n o f o r e s n o r ma l l y us e d f o r b l a s t f u r n a c e s i n S h a s t e e l c o mp a n y ． T h e r e s ul t s s h o we d t h a t t h e hi g h b a s i c i t y s i nt e r h a d t he l o we s t RDI v a l u e a n d h i g h e s t Tl o ％ s o f t e n i n g s t a r t t e mp e r a t u r e ，b e s t r e d u c i b i l i t y a n d w i d e s t A T d m e l t i n g z o n e ，a n d t h e i n d e x o f RDI 、 R1 wa s o n t h e c o n t r a r y f o r pe l l e t ，a l s o t he l u mp h a d a l o we s t Tl o ％ a n d u ns t a b l e r e d uc i b i l i t y．Th e a n a l y s i s o n t h e d i f f e r e n t me t a l l u r g i c a l p r o p e r t i e s o f o r e s u s e d i n b l a s t f u r na c e s o f S h a s t e e l p r o v i de d t h e t h e o r e t i c a l ba s i s for o p t i mi z a t i o n o f b u r de n s t r u c t u r e a n d t h e i mp r o v e me n t o f b e n e fic i a t e d o r e q u a l i t y， a i mi n g a t e n e r g y s a v i n g a n d c o s t d o wn i n b l a s t f u rna c e o p e r a t i o n． 【 K e y Wo r d s 】 B l a s t F u r n a c e B u r d e n ，M e t a ll u r g i c a l P r o p e r t y ，I n d e x o f M e l t i n g a n d Dr o p pi n g，S h a s t e e l 原料是高炉冶炼 的基础 ， 高炉冶炼指标 的好 坏与所用的原料质量密不可分， 实践证 明，使高 炉获得良好综合经济效益的合理炉料结构必须满 足以下要求 炉料具有 良好的冶金性能， 能够 在炉内形成合理稳定 的软熔带 ， 从而有利于高炉 强化冶炼； 高炉在无熔剂人炉或少熔剂入炉的情 况下 ， 造出适宜碱度和适宜成分的高炉渣 ； 炉料具 有较高的综合入炉品位， 促进富氧大喷煤的实行， 实现生产低成本。 高炉所用铁矿石冶金性能相差很大， 结合沙 钢高炉炼铁实际生产的需求， 本文系统研究了沙 钢高炉常用的烧结矿、 球团矿和块矿的冶金性能。 不仅为沙钢现有高炉炼铁原料冶金性能的改进提 供依据， 而且为优化高炉炉料结构和提高高炉精 料水平提供理论基础和保证。 1 试验原料及方法 作 者简介 徐军 ， 男 ， 硕士 ， 主要从事高炉炉料方 面研究 ， E m a i l x u j u n 5 1 2 6 ． c o i n 第2期 徐军等 沙钢高炉常用炉料冶金性能的分析研究 4 5 1 ． 1 试验原料 波动较大 ， 而 S i O 波动较小 。5种烧结矿的 试验所用几种原料为沙钢高炉常用炉料， 包 值都大于 1 ． 6 ， 都属于高碱度烧结矿。自产球团 括 5种高碱度 自产烧结矿 S 1 ． s 5 ， 6种酸性球 团 矿 P 1的 W Mg O 高于其他球 团矿 ， 为 2 ． 6 ％。球 矿 P 1为 自产球 团矿 、 P 2 ． P 6为国外进 口球团矿 团矿 P 2的 T 为 6 4 ． 3 1 ， 比其他球 团矿要低 ， 和 5种块矿 L 1 ． L 4为 国外进 口块矿和 L 5为 国内 而 A 1 O 为 1 ． 3 0 ％ ， 高于其他球团矿。6种球 块矿 。烧结矿 、 球团矿、 块矿具体化学成分见表 团矿的 值都小于 l ， 即属于酸性球 团矿。块 矿 1所示 。 中， 块矿 u 和 L 2的 W F e O 较 低 ， 最 低 达 到 由表 1 可知 ， 烧结矿 s 5的 为5 7 ． 6 8 ％ ，0 ． 5 0 ％ ， 块矿 最高 ， 为 7 ． 3 0 ％。块 矿 L 3和 L 5 高于其他烧结矿 ， 但所有烧结矿 低 的 W S i O 较高， L ．5 的 W S iO 在所有铁矿石中 于球团矿和块矿。烧结矿 W M g O 高于其他铁矿 最高， 达到 1 4 ． 9 7 ％。球团矿 P 5的 7 1F 在所 石 ， 最高达到2 ． 2 9 ％， F e O 在5 ． 7 3 ％ ～1 0 ． 8 1 ％， 有矿石中最高， 高达 6 6 ． 0 7 ％。 表 1 各炉料的化学成分 质量分数 T a b l e 1 C h e mi c a l c o mp o s i t i o n o f b l a s t f u r n a c e b u r d e n ma s s f r a c t i o n ％ 试样 F 1 ． 2试验 方 法及制 度 高炉炼铁原料的冶金性能主要包括低温还原 粉化性能 5 0 0 o C 、 中温还原性能 9 0 0 、 矿石 荷重软化熔融滴落性能。 低温还原粉化性能 的试验采用 G B ／ T 1 3 2 4 2 ． 9 1 “ 铁矿石低温粉化试验静 态还原后使用冷转鼓 的方法” 。将 质量 为 5 0 0 g 、 试样 粒度 为 1 0 ． 0～ 1 2 ． 5 m m的矿石置于反应罐中， 在 5 0 0 时通人 C O、 C O 、 N 组成的还原气体等温还原 6 0 m i n ， 经 冷却后用转鼓 13 1 3 0 m ill2 0 0 m m 转 1 0 m i n ， 取出试样用 6 ． 3 0 、 3 ． 5 0 、 0 ． 5 0 m m的方孑 L 筛进行 筛分。用还原粉化指数 R D I 表示铁矿石的粉 化程度， 分别记为 R D I 、 R D I n 、 R D I - 0 ．5，试验 结果以 R D I n 、 R D I 5 结果为评价指标 ， R D I 只做参考指标。 铁矿 石 中温 还 原性 能采 用 G B ／ T 1 3 2 4 1 - 9 1 “ 铁矿石的还原性测定方法 ” 。将质量为 5 0 0 g 、 试样粒度为 1 0 ． 0～1 2 ． 5 m m 的矿石置于反应罐 中， 在 9 0 0 o C时通入 C O和 N 组成 的还原气体进 行等温还原， 还原时间 1 8 0 m i n ， 以三价铁状态为 标准， 以还原 1 8 0 m i n 后矿石的失氧量计算矿石 的还原度 R I 。 铁矿石高温荷重软化及熔融滴落性能试验条 件如下 试样粒度 1 0 ． 0 ～ 1 2 ． 5 m m， 将试样和焦炭 组成料柱 上焦炭 4 0 g ， 试样高度 7 0 m m， 焦炭 4 0 g ， 焦炭粒度 1 0 ． 0～1 2 ． 5 mm ， 置于内径为 7 5 m m 简 罟 昌 铝 卯 m ∞ m m m c ； 加 强 ∞ 鳃 ∞ 3 _ 二 L _ 二 _ 二 m m m - 二 黯 ∞ ∞ 醯 H 卯 矾 粥 “ 如叩 ∞ 卯 “ 3 ∞ n u 上海金属 第 3 6卷 的石墨坩埚 内， 放入加 热炉 中在一定荷重条件下 进行加热。程序控制升温速度 ， 常温升至 9 0 0℃ ， 通入 1 0 L ／ m i n N ， 温度达到9 0 0℃后 ， 通入 l O I ／ ra i n还原气体 C O ／ N 3 0 ／ 7 0 ， 以试样渣铁熔融 滴落 2 0 g 后实验结束。以位移传感器测定料面 下降毫米数据， 以压差变送器测定通过料柱的压 差。分别 以炉料收缩率达到 1 0 ％和 4 0 ％所对应 的温度作为软化开始温度 T 。 和软化终了温度 ； 炉料压差陡升 时的温度 为矿石熔融 开始温度， 以炉料渣铁滴落 2 0 g时的温度作为矿 石熔融滴落温度 T d ； 炉料软化温度区间 △T A 一T ， 矿石熔融滴落温度区间 △ 一 T 。 2 试验结果及讨论 2 ． 1 低 温还 原粉 化性 能 铁矿石炉料进入高炉炉身上部温度在 5 0 0～ 6 0 0℃低温区时， 由于热 冲击和矿石 中 F e ， O 还 原过程 F e O 一 F e O 一 F e O 发 生 晶形 转变 等 因素 ， 赤铁 矿 向磁铁矿 转变 过程 中大方 晶系的 1 1 ％ ， 产生极大内应力 ， 导致铁矿石在机 械作用 力作用下 出现脆 裂粉化 现象 ， 大量粉 末直接 影 响炉 内气流分布 ， 使块状带 透气性变坏 ， 影响炉 料顺行 J 。低温还原粉化性能实验是模 拟高炉 上部 条件 进行 的 ， 各 矿石 的低 温还原 粉化 性能 指标见表 2所示 。 影响烧结矿低温还原粉化率 的相关 因素有 赤铁矿的形态 、 A I O 、 T i O 等杂质固溶带 、 粘结相 的强度、 烧结矿的气孔率等。粘结相的强度既由 粘结相的种类 决定 ， 又受粘结相量的影 响。粘结 相强度大小宏观上表现为烧结矿冷态强度大小与 矿物组成均匀等 J 。由表 2可知 ， 烧结矿 R D I 一 指标 波 动 较 小 ， R D I n， 波 动 较 大 ， 烧 结 矿 s 5 R D I 。 最 高， 为 7 5 ． 5 7 ％， 比烧 结 矿 S 4的 R D I n 高9 ． 6 4 ％。烧结矿 S 4的 T F 与烧结 矿 s 5相差较小 ， 但其 F e O 低 于烧结矿 S 5约 3 ． 6 4 ％ ， 即烧结矿 s 4中 F e ， O 比烧结矿 S 5少 ， 在 对烧结 矿 进 行低 温还 原 时 ， 烧 结 矿 S 2中较 多 F e O 。 与还原气体接触被还原， 烧结矿粉化现象 菱形赤铁矿转变为立方体的磁铁矿时体积增大 更加严重， R D I n 减小， R D I 增大。 表 2 各炉料的低温还原粉化性能指标 Ta bl e 2 RDI o f b l a s t f u r na c e b u r d e n 不同球团矿 的低温还原粉化性能波动较大 ， R D I 十 3 l 5 大小顺序为 P 1 P 4P 2P 31 7 51 7 6 。 块矿 中块矿 L 4的 R D I n 最高 ， R D I 最小 ， 其 低温还原粉化性能指标最好 ， 块矿 L J3的 R D I 最低， R D I 最高。 不同种类铁矿石其低温还原粉化性能指标相 差较大， 以上 3类炉料低温还原粉化性能指标大 致的规律为 R D I n。 大小顺序为球团矿 块矿 烧结矿 ， 烧结矿低温还原性能指标最低 。 2 ． 2中温还原性能 铁矿石中温还原性是模拟炉料 自高炉上部进 入高温区的条件， 用还原气体从铁矿石中排除与 铁结合氧的难易程度的一种度量。含铁炉料 的中 温还原性的高低将影响高炉 冶炼 的进程， 从而影 响高炉的产量、 质量及消耗， 高还原性的炉料是高 炉冶炼的理想精料 J 。不同炉料 的还原度指数 见表3 所示。可知不同烧结矿的还原性指标相差 较大， 烧结矿的还原性决定于其物理性质及其矿 物组成与结构等。烧结矿的物理性质包括粒度、 气孑 L 率、 气孔大小等； 烧结矿的矿物组成 按还原 性大小顺序 为 F e 2 O 3 、 C F 2 、 C F 、 F e 3 O 4 、 C 2 F 、 玻璃 质、 c F 一 s 、 F s 等； 烧结矿的矿物成分与结构主 要指 S i O ， 、 F e O 、 碱度及晶粒大小等 。从表3中 第 2期 徐军等 沙钢高炉常用炉料冶金性能的分析研究 4 7 表 3 各炉料的还原性指标 T a b l e 3 R e d u c i b i l i t y o f b l a s t f u r n a c e b u r d e n 注 R I - 还 原 厦指 数 。 可知 ， 各炉料 中烧结矿还原性 指标较好 ， 烧结 矿 S 4还原性指标最高 ， R I 为 8 5 ． 1 3 ％ ， 烧结矿 s 5的 R I 值最低 ， 为 7 7 ． 4 8 ％。 球团矿 中， 自产球 团矿 P l还原性指数 R I 要 高于进 口球团 ， 球团矿 P 6还原性指数 R I 最低 ， 还 原性指数 R I 的大小顺序为依次为 P 1 P 2P 3 P 5P 4 P 6 。烧结矿的还原性优 于球 团矿 ， 主 要 由于不 同炉料在结构上存在较大差异 ， 球 团矿 较烧结矿结构致密 ， 还原性气体 由外 向内扩散 的 阻力相对较大 ， 试样 内部的还原难度增加 ， 导致还 原性指标 R I 降低。 块 矿 中， 块 矿 L l 的 还 原 性 指 数 R I为 9 0 ． 3 0 ％， 块矿 L 4为 5 2 ． 5 3 ％ ， 两者相差 3 7 ． 7 7 ％ ， 还原性指数 R I 相差较大 ， 这可能与块矿化学成 分 、 结构疏松程度和矿石 内部空隙率发达 程度有 关。块矿中 还原度性较低 ， 配人量过大 ， 对降 低焦比、 强化冶炼不利 ’ m J 。 2 ． 3 高温荷 重软 化及 熔 融滴 落性 能 荷重软化熔融滴落性能试验能够模拟高炉条 件下的荷重 、 还原 、 软化 、 熔融、 滴落过程。铁矿石 荷重软化性能对高炉中下部的透气性和间接还原 的发展有直接的影响。以往 的研究表 明， 一般高 炉软熔带的压损约占高炉总压损的 6 0 ％ 以上 ， 而 软熔带的压损又 主要集 中在熔融滴落部分 ， 铁矿 石熔融滴落性能对高炉顺行和增产节焦有重要影 响， 因此荷重软化熔融滴落性能也是衡量含铁炉 料的重要性 能 ] 。不 同铁矿石 的高温荷重 软 化熔融滴落性能指标见表 4所示。 表 4 各炉料的荷重软化及熔滴性能 T a b l e 4 P r o p e r t i e s o f r e f r a c t o r i n e s s u n d e r l o a d a n d d r o p l e t f o r b l a s t f u r n a c e b u r d e n 注 7 T l0 ％一 炉料软化开始温度； r 4 o ％ 一 炉料软化终了温度； △ 一 炉料软化区间； - 炉料熔融开始的温度； - 熔融滴落的温度； A T s d 一 炉料熔融 滴落区间； A P 一 炉料最大压差值； 口 一 炉料熔融层厚度。 铁矿石荷重软化熔融滴落性能测定结果以软 化开始温度高， 区间窄为优， 这有利于软熔带高度 降低， 厚度变薄， 从而改善料柱透气性， 加大块状 带， 增加间接还原度， 提高煤气利用率。铁矿石的 软化熔融滴落性能主要取决于渣相熔点和数量、 浮士体的熔点、 矿石还原度、 试样气孑 L 率以及空隙 4 8 上海金属 第 3 6卷 大小等 l 。 由表 4 可知， 烧结矿中， 烧结矿 s 5软化开始 温度最高， 软化区间窄， 但熔融层厚度较厚； 烧结 矿 S 2熔融开始温度和熔融滴落温度较高 ； 烧结矿 S 4具有较大 的最大压 差值 和较宽 的熔 融 区问。 球 团矿 中， 自产球团矿 P 1的软化开始温度 、 熔融 开始温度和熔融滴落温度最低 ； 球 团矿 P 3软化区 问相对较宽 ， 其它球 团矿软化区间较 窄且 波动较 小； 球团矿 P 4的熔融区间较宽和熔融层厚度较厚； 球团矿 P 5 的最大压差值最大， 达到2 3 ． 0 8 k P a 。块 矿中， 块矿u 具有较大的最大压差值和较厚的熔 融层厚度 ； 块矿 L 2软化开始温度较低 ， 软化 区间 和熔融区间都较宽 ； 块矿 L 5只有软化开始温度和 熔融滴落温度， 且熔融滴落温度在所有铁矿石中 最低 。 综合看来 ， 烧结矿的软化开始温度 、 熔融开始 温度和熔融滴落温度都较高； 球团矿的软化区间较 窄， 熔融层厚度较厚， 最大压差值波动较大， 球团矿 P 5的最 大压差在所有 矿石 中最大 ，高达 2 3 ． 0 8 k P a ； 块矿软化开始温度较低和熔融区间较 窄， 块 矿 L 2的软化开始温度为 9 4 8 c ， 在所有铁矿石 中 最低。对于高炉生产操作来说， 具有较高的软化 温度 、 较窄的软化温度区间和熔融 区间、 较高的熔 融滴落温度是比较理想的炉料。高碱度烧结矿具 有较高的软化温度和熔融滴落温度 ， 对 高炉操作 非常有利 ， 不会造成炉渣过早形成 、 渣位过高 ； 块 矿和球 团矿的熔融滴落温度都偏低 ， 对高炉的冶 炼有不利的一面。通过对沙钢高炉常用炉料冶金 性能分析 ， 由于球 团矿 P 5的最大压差值较大 ， 会 造成高炉料柱的透气性变差 ； 块矿 T 2的软化开始 温度过低， 且软化区间和熔融区间都较宽， 对高炉 冶炼不利 ； 在沙钢高炉配矿 中 ， 结合高 炉生产实 际， 减少了球团矿 P 5 和块矿 I 2配入比例， 使高炉 软熔带位置降低， 增加了高炉中部的问接还原区， 焦比降低； 另一方面也降低了软熔带的厚度， 使高 炉中下部的透气性增加， 有利于高炉顺行。 3 结论 通过对沙钢高碱度烧结矿、 球团矿及块矿的 冶金性能分析可得出 1 高碱度烧结矿由于孔隙率较高， 低温还 原粉化性能较差， 但有较好的还原性和较高的软 化熔融开始温度。 2 酸性球团矿具有较好 的低温还原粉化性 能 ， 但还原性能较差 ， 软化 区间较窄 ， 熔融层 厚度 较厚。 3 块矿具有较好的低温还原粉化性能 ， 但 不 同种类块矿的还原性能相差较大 ， 软化开始温 度和熔融滴落温度偏低。 4 高碱度烧结矿 、 球 团矿和块 矿 由于矿物 组成和显微结构差异， 是造成其冶金性能存在差 别的主要原因。在沙钢高炉配矿 中， 根据其各 自 冶金性能， 形成合理的炉料结构， 提高高炉精料水 平 ， 使高炉获得 良好综合经济效益。 参考文献 [1 ]胡宾生， 杜鹤桂．高炉合理炉料结构的研究 [ J ] ．炼铁， 1 9 9 1 5 4 0 44 ． [ 2]许满兴 ， 张宗旺 ，冯根生 ．国外 几种酸 性炉料 的质量 及分 析[ J ] ． 烧结球团， 1 9 9 8 ， 2 3 2 6 - 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