程西亞1，李 斌1，龐焯剛2 ，王蓀璇3，徐崇德1
（1． 陜西龍門鋼鐵有限責任公司，陜西 韓城 715400；2． 西安建筑科技大學 冶金工程學院，陜西 西安 710055；3． 陜西省食品藥品監督檢驗研究院，陜西 西安710016）
摘要：基于龍鋼現有條件及實驗數據，開展了豎爐生產鎂質球團的工業試驗，重點分析了豎爐使用輕燒鎂粉后球團礦質量及冶金性能的變化規律。 實踐表明，配加輕燒鎂粉后，隨MgO含量的提高，生球落下強度和抗壓強度均呈增大趨勢，成品球團抗壓強度1500 ～2000N合格率逐漸升高，還原度指標和 RDI+3.15提升，高爐料的軟化區間降低 13 ℃，軟熔區間降低24 ℃。 通過球團礦提鎂，爐渣鎂鋁比提高了0.04，鐵水硫降低了0.004％ ，爐渣流動性得到改善，脫硫效率提高，節約煉鐵成本3964.988 萬元／ a。 龍鋼公司豎爐焙燒鎂質球團技術的開發可為同類型球團生產企業提供重要借鑒。
關鍵詞：豎爐；球團；MgO；抗壓強度；還原性；RDI+3.15 ；膨脹性；軟熔性
0 引言
陜西龍門鋼鐵有限責任公司（以下簡稱龍鋼公司）現有2 座球團豎爐，年產球團 180萬t，基本滿足高爐用料需求。 為了穩定高爐渣中鎂含量，選擇在燒結生產中大量配加鎂質熔劑或使用高鎂鐵礦粉兩種途徑提高燒結礦鎂帶入量，但由此引發了燒結礦強度降低、返礦率增大等一系列問題，導致鐵前成本居高不下。 大量研究發現［1-8］，為降低燒結礦鎂含量，提升燒結礦產量和質量，將一部分氧化鎂轉加至球團礦，可以在球團礦中形成鎂橄欖石和偏硅酸鎂等高熔點物質，有效改善球團礦的冶金性能，但也會降低球團礦強度，增大球團返礦率，提高焙燒制度控制要求，加大生產操作難度。 目前，我國鎂質球團主要以鏈篦機–回轉窯為焙燒設備，相關工藝制度趨于成熟。 然而，國內尚存在大量豎爐，在國內現有爐料結構體系中，如何實現豎爐生產高品質鎂質球團具有重要的現實意義和應用價值。
近年來，龍鋼針對鎂質球團生產進行了大量研究。 試驗開展初期，向球團礦原料中配加白云石粉 （18.50％ MgO）或高鎂灰（29.34％ MgO），一定程度上提高了球團的鎂含量，但由于白云石粉、高鎂灰的鎂含量低，所需配加量較大，并且粒度較粗，導致生球強度指標下滑，爐況惡化，無法高效生產。 進入2020年后，龍鋼公司以高鎂含量的輕燒鎂粉為鎂質添加劑，進行了嘗試性研究，明確了高鎂含量的輕燒鎂粉為鎂質球團的合理添加劑，能夠保證球團具有較好的抗壓強度，且對球團礦品位影響較低。 為進一步系統分析豎爐使用輕燒鎂粉對提鎂后球團礦質量及冶金性能的變化規律，龍鋼在實驗室研究基礎上，基于現有原料條件，開展了豎爐生產鎂質球團的工業試驗，力求達到高爐爐料綜合品位提高的目標，以期為豎爐焙燒球團企業生產鎂質球團提供借鑒。
1 鎂質球團工業生產試驗
1.1 原料分析
鎂質球團工業試驗生產期間配加的含鐵精礦由35％ 精礦A、20％ 精礦B、16％ 精礦 C、29％ 精礦 D組成，配加 0.3％ ～ 0.6％ 的輕燒鎂粉和1.8％ 的膨潤土。 所用膨潤土主要指標為：膠質價6.3mL／g，蒙脫石質量分數 83.9％ ，膨脹容19.33mL／g，吸水率217％ 。 表1為各種原料的化學成分及粒度組成。
1.2 生產階段
試驗基準期內不配加輕燒鎂粉，球團鎂含量為0.69％ 。 試驗期分為3個階段：第一階段配加0.3％ 的輕燒鎂粉，球團鎂含量控制在1.15％ 左右；第二 階段配加0.40％ 的輕燒鎂粉，球團鎂含量控制在1.20％ 左右；第三階段配加0.6％ 的輕燒鎂粉，球團鎂含量控制在1.40％ 左右。
1.3 豎爐操作
豎爐操作參數指標如表2所示。
由表2可以看出，與基準期相比，煙罩溫度、烘干床溫度、燃燒室溫度均有所提高，其中，烘干床溫度提高30 ～70 ℃，燃燒室溫度提高10 ～40 ℃，煤氣流量提高約900m3 ／h。 這主要是由于鎂質球團礦焙燒對能量的要求更大，所以豎爐各部位的檢測溫度值均不同程度升高，且鎂含量越高，溫度變化越大。 豎爐主要的熱量來源為煤氣燃燒，與基準期相比，鎂質球團焙燒過程煤氣流量有所提高。 生產現場觀察發現，鎂質球團焙燒時，豎爐烘干床上部存在爆裂聲，粉塵和返礦均增加，成品率略有降低。同時，在廢氣總量增加的情況下，燃燒室壓力有所提高，這說明爐內透氣性變差，需要控制生球質量，提高生球爆裂溫度，改善豎爐焙燒透氣性。
2 試驗結果與分析
2.1 球團鎂含量對生球質量的影響
表 3為鎂含量對生球落下強度和抗壓強度的影響。配加輕燒鎂粉后，生球落下強度逐漸增大，但均在 4 ～5 次·個 －1 。與基準期相比，水分略增大，約 8.2％ ～8.3％。隨著氧化鎂含量提高，球團落下強度和抗壓強度均呈增大趨勢，這主要是因為配加的輕燒鎂粉粒度較小，生球內部比較致密加水分后輕燒鎂粉中的MgO 易形成，膠適狀當增的 Mg（OH）2 ，粘結力增強，提高了生球的落下強度。
2.2 球團鎂含量對成品球質量的影響
2.2.1 抗壓強度
圖1為基準期和試驗期成品球抗壓強度的變化。 可以看到，隨著試驗期球團鎂含量的升高，抗壓強度1500 ～ 2000N合格率逐漸升高，成品球的平均抗壓強度明顯增加。 第三階段球團的平均抗壓強度達到3230 N，比基準期提高了178 N；抗壓強度 1500 N、180N和 2000N合格率也分別提高 6.2％ 、4.1％ 、6.5％。
2.2.2 還原性能
MgO含量對球團還原度的影響如圖2所示。可以看出，隨著球團中鎂含量的增加，成品球團礦的還原度指標逐漸提升，冶金性能改善。 當氧化鎂含量低于 1.0％ 時，還原度處于50％ 左右。 隨著氧化鎂含量進一步增大，球團還原度快速增加，當氧化鎂含量達到 1.4％ 時，還原度達到60％ 左右，之后趨于穩定。 球團還原性能增強的原因是 ＭｇＯ 與鐵氧化物結合生成易還原的鐵酸鎂，并且 Mg2+還可以取代 Fe2+ ，抑制難還原的鐵橄欖石相的形成。
2.2.3 低溫還原粉化性能
圖3展示了MgO含量對球團低溫還原粉化性的影響。 可以看出，球團的RDI+3.15 隨MgO含量的增加逐漸增大，其原因可能是MgO在焙燒時彌散分布于鐵相中，抑制了Fe2O3 的還原，同時 Mg2+發揮著穩定赤鐵礦晶型的作用，降低了球團礦在還原過程中由于晶型轉變而產生的內應力［9，10］ 。 此外，MgO含量的增加阻礙了 CaO與 Fe2O3的反應，導致液相生成量減少，促進了Fe2O3 結晶，球團的低溫還原粉化性得到提高。
2.2.4 膨脹指數
MgO含量對球團膨脹指數的影響如圖4所示。
由圖4可以看出，隨著球團礦中MgO含量由0.69％ 提升至1.67％ ，成品球團礦膨脹指數維持在8％ ～12％ ，擬合曲線顯示球團膨脹指數稍有下降， 分析可能是MgO與鐵氧化物形成穩定的FeO ·MgO，降低了球團的膨脹率。
2.2.5 軟熔性能
表4是成品球軟熔性能試驗結果。 可見 MgO含量從 0.95％ 升高至1.57％ ，成品球團礦T10、T40 、 Ts 變化不大，Td呈升高趨勢，升高幅度達35 ℃，達 到1355 ℃，低于燒結礦 Td （1450 ℃）。
使用鎂質球團前后進行模擬爐料結構的軟熔性能試驗，結果見表5。 可知，T10 、T40 、Ts 及Td 變化不大，熔化區間基本持平，但軟化區間降低 13℃，軟熔區間降低 24 ℃。 試驗證明使用鎂質球團后，爐料軟熔性能有向好趨勢，試應到高爐內，軟熔帶變窄，有利于降低煤氣上升阻力，改善料柱透氣性。
2.3 配加鎂質球團礦對高爐冶煉的影響
通過球團礦提鎂，爐渣鎂鋁比提高了 0.04，鐵 水硫含量降低了0.004％ ，爐渣流動性得到改善，脫硫效率提高，如表6所示。
3 經濟效益評估
通過合理選擇鎂質熔劑、調整熱工參數、強化過程管控，龍鋼配加輕燒鎂粉生產鎂質球團礦的工業實踐獲得了成功。 第三階段球團礦中鎂含量控制在1.4％ 左右，與基準期相比，單位原料成本上升0.66 元／ t，生產成本上升 101．803 萬元／a，球團礦提鎂后降低了燒結過程鎂質熔劑、煤粉、石灰石等的使用量，燒結原燃料成本降低1.47 元／ t，燒結礦生產成本降低 764.116萬元／ a。
同時，因使用鎂質球團礦，高爐焦比降低 3.23kg ／ t，以目前焦炭價格 2045 元／ t計算， 高爐冶煉成本下降 3302．675 萬元／a。 綜合各工序生產成本，龍鋼配用鎂質球團工業生產節約煉鐵成本共計3964.988 萬元／a。
4結論
（1）豎窯生產鎂質球團過程中，選用輕燒鎂粉作為鎂質添加劑，烘干床溫度提高 30 ～ 70℃，燃燒室溫度提高10～40 ℃，煤氣流量提高約900 m3 ／h。 通過嚴格管控，可以生產滿足高爐需求的優質球團。
（2）隨著氧化鎂含量提高，球團落下強度和抗壓強度均呈增大趨勢。 成品球團礦的還原度指標逐漸提升， 冶金性能改善， 同時平均抗壓強度和RDI+3.15明顯提高，膨脹指數相對穩定，維持在 8％ ～12％ 。
（3）MgO含量從 0.95％ 升高至1.57％ ，成品球團礦T10、T40、Ts變化不大，Td呈升高趨勢，升高幅度達35 ℃，最高為1355 ℃。 熔化區間基本持平， 軟化區間降低13℃，軟熔區間降低 24℃。
（4）龍鋼配加輕燒鎂粉生產球團礦，第三階段球團的鎂含量控制在1.4％ 左右，降低了燒結過程鎂質熔劑、煤粉、石灰石等的使用量，降低高爐焦比3.23kg ／t，綜合各工序生產成本，龍鋼配用鎂質球團工業生產節約煉鐵成本 3964．988 萬元／ a。
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