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改善烧结矿质量优化高炉炉料结构
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摘要：分析了攀钢高炉炉料结构特点，针对攀钢高炉入炉料中烧结矿强度差、低温还原粉化严重的现状，提出了将攀精矿用于生产球团，白马矿用于生产烧结矿的建议，并进行了相应试验。试验结果表…
摘要：分析了攀钢高炉炉料结构特点，针对攀钢高炉入炉料中烧结矿强度差、低温还原粉化严重的现状，提出了将攀精矿用于生产球团，白马矿用于生产烧结矿的建议，并进行了相应试验。试验结果表明：该措施可降低烧结矿中Ti02含量，改善烧结矿质量。
关键词：高炉；炉料结构；钒钛烧结矿；冶金性能
0 引言
随着人们对高炉炉料结构与冶炼关系认识的不断深入，寻求合理的炉料结构作为高炉增产节焦的一种有效手段已逐渐被认同，据资料报道，高炉炉料结构合理与否对其产量、焦比的影响分别为10％和5％以上。高炉炉料结构优化，通常应根据高炉所在地区的资源条件和技术、经济环境等因素来综合考虑，攀钢炉料结构优化的目的，就是如何合理地利用本地钒钛矿资源，提高原料质量，降低原料成本，以获得较好的技术经济指标。在攀钢优化炉料结构研究过程中，烧结矿质量的改善一直是炉料优化的重点。试验研究结果表明，尽管Ti02含量在一定范围内对烧结矿转鼓强度没有明显影响，但当其含量降低到一定程度后便可改善烧结矿的矿物组成，从而改善烧结矿质量。试验主要研究在攀钢高炉现有的冶炼条件下，降低烧结矿Ti02含量，提高烧结矿质量，为攀钢2000m3高炉高效冶炼创造条件。
1 攀钢高炉现行炉料结构特点
攀钢高炉炉料主要化学成分及配比见表1。烧结配加的钒钛矿为攀精矿，其TiO2含量约为13％，球团矿配加的钒钛精矿TiO2约为11％。从表1可看出，攀钢目前的炉料结构主要是烧结矿，其配比为65％～70％，其次为球团矿，约为25％～30％。
表1 攀钢高炉炉料组成及主要化学成分 ％
|
烧结矿
|
球团矿
|
块矿
|
|||||
|
TFe
|
TiO2
|
配比
|
TFe
|
TiO2
|
配比
|
TFe
|
配比
|
|
48.5-49.0
|
7.0-7.2
|
65-70
|
56.0
|
7.2
|
25-30
|
49.0
|
5
|
攀钢高炉由于冶炼高钛型钒钛矿的特殊性，在满足炉渣碱度的同时，必须将炉渣Ti02含量控制在一定范围内，其主要特点是含钛球团矿配比及种类、块矿的配加比例都会对烧结的原料结构产生较大的影响。
在炉渣Ti02、碱度R和入炉品位一定的条件下有如下关系：
(1)块矿配比不变时，含钛球团矿配比提高或球团矿Ti02含量增加则烧结原料中的钒钛精矿配比下降，普通矿配比增加。
(2)球团矿配比不变时，块矿配比提高，则烧结原料中的钒钛精矿配比增加。
(3)提高入炉品位对各种入炉原料配比产生影响。入炉品位提高，则烧结原料结构、高炉原料结构均需进行调整，如降低块矿配比、降低钒钛矿配比、使用低Ti02、高TFe含量钒钛矿等。
上述分析说明，可在平衡炉渣Ti02含量的基础上转移Ti02配加方式，即以球团矿方式加入，减少烧结矿中Ti02含量，提高球团矿Ti02含量。
2 攀钢高炉炉料现状
攀钢近年来虽已成功应用了较为成熟的精料技术，但随着高炉装备水平的提高、炼铁技术的进步以及市场条件的改变，在不断变化的原料条件下，提高炉料综合质量，降低冶炼成本，仍然是需不断研究的课题。
2.1 烧结矿
攀钢烧结矿与国内其他主要钢铁厂的普通烧结矿相比，其铁品位约低10个百分点，低温还原粉率约高40个百分点(即RDI-3.15大于60％)，转鼓强度约低8～10个百分点。钒钛烧结矿低温粉化率极高的主要原因是：钒钛矿在烧结矿过程中形成以钛赤铁矿一钛铁矿为主的复杂固溶体，其物相膨胀性差异很大，应力分布不均，尤其是骸晶状菱形钛赤铁矿，在低温还原时，极易由立方晶系转变为等轴晶系，引起晶体构造破坏而体积膨胀，并与其它矿物之间产生极大应力。
实践表明，高炉强化冶炼对烧结矿质量要求更高，因此攀钢烧结矿质量还有待进一步改善，其改善方向就是降低烧结矿TiO2含量，提高烧结矿中铁酸盐物相数量，减少钛赤铁矿数量，抑制或减少钙钛矿生成。
为了满足造渣制度的需要，平衡炉渣中的Ti02，在入炉球团矿配比高达30％的同时，还配加了一定比例Si02含量高达18％左右的块矿，致使烧结矿碱度达到2.35～2.40。
2.2 球团矿种类
攀钢将来可使用的钒钛球团矿种类有3种：混合球团(普通矿+钒钛矿，Ti02 7％)、白马球团矿(Ti02 9.5％)、攀枝花球团矿(Ti02 12.5％，由攀精矿制成)，这三种球团矿TiO2含量差异较大，使用不同种类的球团，存在着与之相搭配的烧结矿的原料结构。因此球团矿的种类将决定烧结的原料结构。
3 研究思路
从上述分析来看，攀枝花球团矿的Ti02含量最高，根据炉渣Ti02含量平衡原则，将Ti02含量较低的白马矿配入烧结，所生产出的烧结矿Ti02含量最低，有利于改善烧结矿质量。
高炉配加不同比例攀枝花球团矿，白马精矿用于烧结时烧结原料结构的变化见图1。
从图1可看出，在维持入炉品位及渣中Ti02、炉渣碱度基本不变的前提下，随着高炉配加攀枝花球团矿比例的提高，烧结原料中普通矿(进口矿+混匀粉+中加粉)用量上升，钒钛精矿比例下降，烧结矿中Ti02含量降低。当攀枝花球团矿的入炉比例为25％时，烧结原料中钒钛精矿比例降至41.8％，普通矿上升至38.3％(由于要维持入炉烧结矿的品位，普通矿配比的增加部分主要为进口矿)，烧结矿Ti02下降至5.14％。当烧结原料中的钒钛精矿全为白马精矿，同时高炉配加攀枝花球团矿比例达到30％、炉渣Ti02控制“一定”时，烧结矿的TiO2可降至4.18％，烧结原料中普通矿配比将达到44％，超过钒钛矿配比8个百分点。
因此，针对新3#高炉强化冶炼对炉料(烧结矿)强度的要求，在稳定高炉高钛渣冶炼的前提下，将白马矿用于烧结、攀精矿用于球团，增加烧结中普通矿配比，降低烧结矿的Ti02含量是可行的。
4 试验方案及试验结果
4.1 烧结试验方案
根据上述分析，确定试验方案见表2。
表2 烧结杯烧结试验方案(烧结料配比)％
|
方案
|
攀精矿
|
白马矿
|
进口矿
|
混匀粉
|
中加粉
|
石灰石
|
焦粉
|
|
基准
|
54.0
|
|
18.0
|
5.0
|
4.0
|
3.6
|
4.4
|
|
I
|
|
45.4
|
18.0
|
5.0
|
11.7
|
4.4
|
4.7
|
|
II
|
|
36.4
|
27.6
|
5.0
|
11.0
|
5.5
|
4.7
|
方案I是在高炉配加攀枝花球团矿25％时，烧结工序采用白马精矿全部代替攀精矿时的烧结原料结构，此时烧结矿的TiO2约为5.3％。此试验方案主要考察Ti02下降后对烧结矿强度的影响。
方案II是在高炉配加攀枝花球团矿30％时，炉渣Ti02含量较低时，用白马精矿全部代替攀精矿时烧结的原料结构，此时烧结矿的Ti02约为4.5％，主要考察烧结矿Ti02下降至极限时对其强度的影响。
4.2 试验结果
试验结果及烧结矿的化学成分见图2、表3。
表3 烧结矿主要化学成分 ％
|
方案
|
TFe
|
SiO2
|
CaO
|
Al2O3
|
MgO
|
V2O5
|
TiO2
|
R
|
|
基准
|
50.00
|
4.97
|
10.37
|
3.30
|
2.04
|
0.407
|
7.48
|
2.09
|
|
I
|
51.45
|
4.96
|
10.86
|
2.56
|
1.45
|
0.423
|
5.30
|
2.19
|
|
II
|
51.80
|
4.94
|
11.32
|
2.51
|
1.42
|
0.383
|
4.71
|
2.29
|
从图2和表3可知，当高炉入炉球团矿为攀枝花球团矿时，在烧结工艺参数相同的情况下，将白马矿替代攀精矿烧结，则烧结矿的Ti02含量降低、成品率提高、转鼓强度增加，烧结矿平均粒径增大。与基准相比，当攀枝花球团矿入炉比例分别为25％、30％时，相应的烧结矿转鼓强度分别提高1.47、4.53个百分点，烧结成品率分别提高3.36和4.98个百分点，烧结矿平均粒径分别增加1.33㎜和1.83㎜。由此可见，随着烧结物料结构的变化，以及烧结矿Ti02含量的降低，有利于烧结矿强度的改善。
4.3 烧结矿矿物组成及显微结构
上述配料方案对应的烧结矿矿物组成及体积含量列于表4。
从表4可知，在本研究设定的炉料结构条件下，烧结工序配用白马精矿后，烧结矿中铁酸钙含量明显增加，钛赤铁矿数量减少，有利于烧结矿强度和低温还原粉化性能的改善。
表4 烧结矿物相组成及体积含量 ％
|
方案
|
钛赤铁矿(Fe·Ti)2O3
|
铁酸钙
mCaO·nFe2O3
|
钛磁铁矿
Fe3O4
|
钙钛矿
CaO·TiO2
|
硅酸盐
CaO·SiO2
|
|
基准
|
38-41
|
22-25
|
18-21
|
2-4
|
14-18
|
|
I
|
35-37
|
28-31
|
14-17
|
1-3
|
15-16
|
|
II
|
30-35
|
31-34
|
10-13
|
1
|
14-17
|
从烧结矿的显微结构看：
方案Ⅱ烧结矿中的钛赤铁矿多呈不完整四边形、它形粒状。钛赤铁矿晶粒与铁酸盐和再分解它形粒状的钛磁铁矿晶粒形成共晶结构，缝隙填充硅酸盐玻璃质，铁酸盐成片出现。铁酸盐晶形主要是长条状、长板状、针状、短板状和它形晶，铁酸盐晶形以长条和长板状为主，覆盖面积大，见图3。
方案I烧结矿中的铁酸盐晶面上磁铁矿再分解的现象比方案II烧结矿样严重，导致它形粒状、蠕虫状磁铁矿晶形长大，覆盖铁酸盐。铁酸盐晶形主要是长条状、长板状、短板状和它形晶，烧结矿样铁酸盐晶形以长条和它形晶为主，见图4。
基准方案烧结矿中铁酸盐晶形主要是短板状和它形晶，铁酸盐晶面上磁铁矿再分解的现象比较严重，并且磁铁矿晶形长的比较大，见图5。
总之，随着烧结原料结构的变化、烧结矿碱度的提高以及烧结矿Ti02含量的下降，铁酸盐生成的条件得到改善，数量增加，而且其晶形也发生了较大的改变，铁酸盐晶形逐渐由对烧结矿强度改善不大的短板状和它形晶向长板状、长条状和细条状方向发展。从表4可知，方案I、II与基准相比，铁酸盐含量增加约8～10个百分点。同时，随着烧结矿Ti02含量降低，烧结矿中的钙钛矿和钛磁铁矿含量下降，这对烧结矿强度的改善也起到了积极作用。
4.4 烧结矿及综合炉料的冶金性能
各方案烧结矿的冶金性能见表5，综合炉料熔滴性能见表6。
表5 各试验方案烧结矿低温还原粉化性能 ％
|
|
+6.3㎜
|
6.3-3.15㎜
|
3.15-0.5㎜
|
-0.5㎜
|
RDI-3.15
|
RI
|
|
基准
|
12.29
|
13.09
|
43.87
|
30.75
|
74.62
|
81.70
|
|
方案I
|
15.62
|
20.75
|
36.83
|
26.80
|
63.63
|
81.43
|
|
方案II
|
18.84
|
25.35
|
30.85
|
24.96
|
55.81
|
81.98
|
表6 综合炉料融滴性能
|
|
软化开始温度/℃
|
软化终了温度/℃
|
软化区间/℃
|
压差陡升温度/℃
|
开始滴落温度/℃
|
熔滴区间/℃
|
滴落带厚度/㎜
|
|
基准
|
1080
|
1153
|
73
|
1189
|
1337
|
148
|
36
|
|
方案I
|
1109
|
1192
|
81
|
1220
|
1370
|
150
|
34
|
|
方案II
|
1100
|
1179
|
79
|
1200
|
1352
|
152
|
25
|
注：表5、表6中的还原气体成分均为：70％N2+30％CO
从表5可知，试验各方案中烧结矿的低温还原粉化率下降，说明降低烧结矿TiO2含量对于改善烧结矿质量是很有利的，而随着烧结矿中的铁酸盐相数量的增多，烧结矿强度也得到提高。从表6可知，随着球团矿配比增加，各方案综合炉料熔滴性能与基准相比，软化开始温度和终了温度升高，软化区间略有增加，熔滴区间变窄，滴落带厚度减薄，这对强化冶炼是有利的，也说明了球团矿比例增加后的炉料结构的综合冶金性得到改善。
5 结论
(1)试验研究表明，在炉渣Ti02含量变化不大的情况下，改变烧结原料结构，降低烧结矿Ti02含量，可提高烧结矿强度。在高炉配加攀枝花球团矿比例为25％～30％，烧结配加的钒钛矿为全白马精矿时，烧结矿TiO2含量可降至5％以下。与基准相比，烧结矿转鼓强度可提高约2～5个百分点，烧结成品率提高约5个百分点。
(2)烧结矿Ti02含量降低后，其低温还原粉化率下降，并随着球团矿配比的增加，综合炉料熔滴性能改善，有利于高炉的强化冶炼。
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