陳海軍

（石橫特鋼新疆昆玉鋼鐵有限公司）

摘  要： 針對近年來石橫特鋼新疆昆玉鋼鐵高爐在使用高M(jìn)gO爐料配比存在的問題及高爐生產(chǎn)狀況，開展了高爐高（MgO）渣性能研究、高M(jìn)gO爐料結(jié)構(gòu)優(yōu)化探討。認(rèn)為高爐下一步的爐料結(jié)構(gòu)，應(yīng)借助歐亞經(jīng)濟(jì)帶區(qū)位優(yōu)勢，大比例進(jìn)口價(jià)格低廉的高鎂鐵精礦，合理調(diào)配高M(jìn)gO精礦在燒結(jié)與球團(tuán)中的比例關(guān)系，優(yōu)化爐料結(jié)構(gòu)，滿足高爐穩(wěn)定順行，最大限度使用高M(jìn)gO鐵精礦，發(fā)揮爐料結(jié)構(gòu)功效最大化，實(shí)現(xiàn)高M(jìn)gO爐料最佳經(jīng)濟(jì)冶煉，提升企業(yè)競爭力。

關(guān)鍵詞：  高爐；高(MgO) ；高M(jìn)gO爐料 ；爐料結(jié)構(gòu)優(yōu)化；成本最優(yōu)

近年來，由于鐵礦石等原材料價(jià)格頻繁波動(dòng)，鋼鐵市場跌宕起伏，鋼鐵企業(yè)面臨“微利”時(shí)代的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，對此，國內(nèi)眾多鋼鐵企業(yè)實(shí)施低成本戰(zhàn)略^[1]。強(qiáng)練內(nèi)功，降本增效，低耗生產(chǎn)已成為鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)過程重點(diǎn)攻關(guān)和研究的課題。

隨著新疆絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶能源資源產(chǎn)業(yè)鏈一體化合作逐步深化，也給“一帶一路”周邊及沿線各鋼鐵企業(yè)帶來了新的發(fā)展機(jī)遇，石橫特鋼新疆昆玉鋼鐵抓住有利時(shí)機(jī)，充分發(fā)揮歐亞經(jīng)濟(jì)帶區(qū)位優(yōu)勢，先后與俄羅斯、哈薩克斯坦等國家的礦石供應(yīng)商建立了良好的貿(mào)易關(guān)系，在穩(wěn)定進(jìn)口鐵礦粉供應(yīng)的同時(shí)，逐漸加大價(jià)格較低廉的高鎂磁鐵精礦進(jìn)口比例，實(shí)現(xiàn)高鎂爐料低成本冶煉，在產(chǎn)能與質(zhì)量穩(wěn)定的情況下，提高進(jìn)口高鎂精礦入爐比例，對提升企業(yè)鐵水成本競爭力起著關(guān)鍵作用。為此，開展高（MgO）爐料結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究及探討對企業(yè)及行業(yè)的發(fā)展意義重大。

1  高（MgO）渣系性能研究

在高爐冶煉進(jìn)程中，為滿足高爐操作長期穩(wěn)定順行，必須十分重視含鐵爐料在軟熔帶的透氣阻力，高爐內(nèi)軟熔帶的透氣性很大程度取決于渣相的熔點(diǎn)高低和渣相黏度大小，了解和研究高(MgO)渣系性能就顯得尤為重要。

1.1爐渣熔化溫度變化

在Al₂O₃=15%時(shí)的CaO-SiO₂-MgO-Al₂O₃四元渣系等溫度相圖^［2］96（圖1）中添加兩條等MgO線（10%、17%）可以看出，爐渣的熔化溫度隨著渣堿度和渣中MgO含量的升高而升高，由圖中可以看出，爐渣MgO含量為10%時(shí)，爐渣熔化溫度隨著堿度的變化也有較大變化，當(dāng)渣堿度為1.1左右時(shí)，所對應(yīng)的（黑色粗實(shí)線橢圓A區(qū)域）為昆玉鋼鐵高爐近年來爐渣熔化溫度變化區(qū)間，此熔化溫度區(qū)間為1410℃～1440℃。隨著渣中MgO含量升高至17%時(shí)，其的熔化溫度也隨之升高20℃左右，此時(shí)的爐渣即使堿度在0.95～1.15較大范圍變化，其熔化溫度（黑色細(xì)實(shí)線橢圓B區(qū)域）仍靠近1450℃等溫線上，說明該爐渣的熔化溫度具有較好的穩(wěn)定性，另外需要注意的是當(dāng)爐渣MgO含量高于17%（B區(qū)域向右移動(dòng)）發(fā)生變化時(shí)，熔化溫度會(huì)隨堿度的升高敏感性增強(qiáng)，降低爐渣堿度，可以緩解熔化溫度的敏感性。

由此研究發(fā)現(xiàn)：冶煉MgO含量為17%的爐渣，并適當(dāng)降低高爐爐渣堿度在一定范圍內(nèi)（0.95～1.05），爐渣不僅具有較高的熔化溫度和良好的穩(wěn)定性，有利于高爐軟熔帶的穩(wěn)定及煤氣利用的提高，而且能降低高鎂爐渣因鎂含量變化引起的溫度敏感性，同時(shí)可以減少高爐冶煉過程CaO的添加量，降低生鐵成本及能耗。

1.2爐渣黏度變化

高爐正常冶煉適宜的爐渣黏度應(yīng)控制在0.4Pa·s以下^［3］，提高爐渣MgO含量是調(diào)整爐渣黏度為0.3～0.4Pa·s的有效措施之一^［4］，在高爐正常生產(chǎn)中，排出爐外的爐渣溫度一般為1500℃左右，由CaO-SiO₂-MgO-Al₂O₃四元渣系等黏度相圖^［2］99（圖2）所示，在1500℃時(shí)，爐渣MgO含量由10%增加至17%，即使?fàn)t渣二元堿度在0.90～1.10較大范圍波動(dòng)，爐渣黏度也能穩(wěn)定在0.3～0.4Pa·s。（圖2黑色細(xì)實(shí)線橢圓C區(qū)域），完全能達(dá)到理想爐渣黏度狀態(tài)。尤其MgO含量為17%的爐渣，當(dāng)爐況波動(dòng)造成爐渣溫度降至1400℃左右時(shí)，其黏度也能保持在0.6Pa·s以內(nèi)（圖2黑色細(xì)實(shí)線橢圓D區(qū)域），爐渣仍具有良好的流動(dòng)性，不會(huì)因爐渣溫度急劇降低引起黏度變化，導(dǎo)致爐況不順現(xiàn)象。

1.3爐渣脫硫排堿性能的變化

提高爐渣脫硫排堿能力，可以有效降低［S］及堿金屬等有害元素在高爐內(nèi)的循環(huán)富集，保證生鐵質(zhì)量和高爐穩(wěn)定順行。近年來，石橫特鋼新疆昆玉鋼鐵高爐入爐有害元素，主要是堿金屬（Na₂O+K₂O）及鋅（Zn）負(fù)荷偏高，造成爐內(nèi)循環(huán)富集并加劇了燒結(jié)礦的還原粉化及球團(tuán)礦的異常膨脹，導(dǎo)致料柱透氣性下降，給高爐的冶煉操作帶來不利影響。提高(MgO)含量并適當(dāng)降低爐渣堿度，可以降低渣中K₂O、Na₂O活度，改善爐渣脫硫動(dòng)力學(xué)條件，提高爐渣脫硫排堿能力，由歐洲某鋼鐵公司正常生產(chǎn)時(shí)的高爐爐渣成分^［4］20中可以看出：高M(jìn)gO低堿度爐渣具有較強(qiáng)的脫硫排堿能力（見表1）。

1.4爐渣成分控制范圍

通過以上理論研究發(fā)現(xiàn)，MgO含量為17%的爐渣，不僅具有較高的熔化溫度和良好的穩(wěn)定性，能夠改善爐內(nèi)軟熔帶縱向和圓周方向上的溫度分布，有利于煤氣利用及爐況穩(wěn)定，并且爐渣具有良好的流動(dòng)性和脫硫排堿能力。目前，石橫特鋼新疆昆玉鋼鐵高爐渣中MgO含量為11.5%左右，在提高高M(jìn)gO爐料入爐比例，滿足爐渣（MgO）=17%的同時(shí)適當(dāng)降低爐渣堿度，堿度的調(diào)整以鐵水中［S］控制在一類鐵為依據(jù)，將爐渣R₂維持在1.0±0.05范圍內(nèi)較為適宜。

2高M(jìn)gO爐料性能及結(jié)構(gòu)優(yōu)化探討

合理爐料結(jié)構(gòu)是高爐穩(wěn)定順行的基礎(chǔ)，不僅要求含鐵爐料有良好的冶金性能和爐料搭配性能，滿足高爐冶煉需求，更要求含鐵爐料有穩(wěn)定的資源供應(yīng)，以確保爐料結(jié)構(gòu)的相對穩(wěn)定，另外，還要追求較低的生鐵成本和促進(jìn)企業(yè)效益最大化^［5］。目前，在石橫特鋼昆玉鋼鐵進(jìn)口高M(jìn)gO磁鐵精礦資源供給充足條件下，選擇高（MgO）爐料冶煉，最大限度使用價(jià)格低廉的高M(jìn)gO磁鐵精礦，做到既降低配礦成本又能滿足高爐冶煉需求的高（MgO）爐料結(jié)構(gòu)優(yōu)化的探討分析，為實(shí)現(xiàn)高爐的最佳經(jīng)濟(jì)冶煉很有必要。

2.1提高M(jìn)gO對燒結(jié)礦性能的影響

多年來的理論研究和生產(chǎn)實(shí)踐表明，高堿度燒結(jié)礦具有良好的還原性和高溫軟熔性能。由于高堿度燒結(jié)礦是以強(qiáng)度好，還原性好的鐵酸鈣為主要黏結(jié)相，當(dāng)高堿度燒結(jié)礦中MgO含量過高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致燒結(jié)礦強(qiáng)度變差，其主要原因是MgO在燒結(jié)過程中易與Fe₃O₄反應(yīng)生成鎂磁鐵礦，阻礙Fe₃O₄氧化成Fe₂O₃，也就阻礙了鐵酸鈣的生成，造成燒結(jié)礦強(qiáng)度和還原性變差。據(jù)實(shí)驗(yàn)測定和高爐實(shí)踐，燒結(jié)礦中MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加1%，燒結(jié)礦的冷強(qiáng)度就下降3%，還原性降低5%。不僅如此，由于含MgO的礦物多是難熔礦物，它們的形成造成燃耗升高，液相量和流動(dòng)性變差，導(dǎo)致冷強(qiáng)度變差，燒結(jié)機(jī)產(chǎn)量下降^[1]。表2為國內(nèi)幾種高M(jìn)gO燒結(jié)礦的化學(xué)成分及冶金性能指標(biāo)。

有研究表明：高M(jìn)gO高堿度（MgO為2.4%，自由堿度2.0）燒結(jié)礦在還原軟熔過程中，MgO易與SiO₂、Al₂O₃、浮氏體結(jié)合，形成鈣鎂橄欖石、鎂黃長石、鎂鐵黃長石等熔體的初渣，導(dǎo)致未熔渣堿度升高，使CaO與SiO₂結(jié)合形成2CaO ·SiO₂硅酸二鈣為主相的高熔點(diǎn)難熔渣粉，在燒結(jié)礦表面不斷析出，造成未熔渣與熔化渣之間嚴(yán)重的成分偏析^［6］，從而惡化燒結(jié)礦的高溫軟熔性能。

因此高M(jìn)gO高堿度燒結(jié)礦在高爐內(nèi)會(huì)嚴(yán)重影響軟熔帶的位置和形狀，導(dǎo)致軟熔帶的不穩(wěn)定，使煤氣流分布不勻，極易形成管道氣流及崩、滑料現(xiàn)象，造成高爐順行受阻。近年來石橫特鋼昆玉鋼鐵兩座高爐爐況表現(xiàn)說明，使用高M(jìn)gO高堿度燒結(jié)礦配加酸性球團(tuán)的爐料，高爐操控難度較大，風(fēng)壓、風(fēng)量易呆滯，爐渣脫S排堿能力減弱，高爐崩、滑料現(xiàn)象較多，高爐難以維持長周期的穩(wěn)定順行。表3為近年來石橫特鋼新疆昆玉鋼鐵高爐主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)及高爐生產(chǎn)狀況。

所以就高M(jìn)gO高堿度燒結(jié)礦的還原性和高溫軟熔性能對高爐的影響而言，應(yīng)降低燒結(jié)礦中高M(jìn)gO鐵精礦粉使用比例，降低燒結(jié)礦中MgO含量為宜。

2.2提高M(jìn)gO對球團(tuán)礦性能的影響

酸性球團(tuán)礦由于其軟化溫度低、軟熔區(qū)間寬和還原膨脹率高等性能缺陷，不利于高爐強(qiáng)化冶煉及爐況順行。高爐生產(chǎn)中，一般要求合格球團(tuán)礦的膨脹率小于20%。用高M(jìn)gO磁鐵精礦生產(chǎn)高M(jìn)gO酸性球團(tuán)礦可起到減少還原膨脹的作用，從顯微結(jié)構(gòu)看，是由于Mg²⁺離子能自由置換磁鐵礦晶格中的Fe²⁺離子，并均勻分布在浮氏體內(nèi)，并能減慢還原離子的遷移速度，起到抑制球團(tuán)礦膨脹的作用；同時(shí)MgO進(jìn)入液相能夠提高液相熔點(diǎn)。有研究證實(shí)，高熔點(diǎn)液相具有較好的結(jié)合強(qiáng)度，有助于削弱還原過程因內(nèi)應(yīng)力增大而產(chǎn)生的還原膨脹現(xiàn)象^［7］。

高M(jìn)gO酸性磁鐵礦球團(tuán)在高溫氧化氣氛中焙燒時(shí)可與鐵氧化物生成穩(wěn)定的鐵酸鎂（MgO·Fe₂O₃）、鎂磁鐵礦[（Mg·Fe）O·Fe₂O₃］等含鎂物質(zhì)，阻礙難還原的鐵橄欖石和鈣鎂橄欖石的形成，促進(jìn)了礦粉顆粒之間的粘結(jié)，在還原時(shí)不會(huì)發(fā)生Fe₂O₃轉(zhuǎn)變成Fe₃O₄反應(yīng)，而生成FeO和MgO固溶體，從而提高了球團(tuán)礦的軟化溫度和高溫還原強(qiáng)度。在高爐內(nèi)高M(jìn)gO酸性球團(tuán)礦在高溫還原過程中生成的含MgO（3.14%～3.8%）的鎂浮氏體和含MgO（7.2%～12.3%）的鐵鎂橄欖石等硅酸鹽渣都具有較高的熔化溫度（＞1390℃），因而其軟熔性能和高溫還原性能均良好^［8］11；球團(tuán)礦中MgO含量可以改善球團(tuán)礦在高爐內(nèi)的高溫行為，對高爐順行有很重要的作用，目前很多球團(tuán)生產(chǎn)廠家都在球團(tuán)中加入含MgO物質(zhì)，以提高球團(tuán)的高溫冶煉性能^[9]。使球團(tuán)礦在高爐內(nèi)不會(huì)過早的形成初渣，降低爐內(nèi)軟熔帶位置高度，有利于提高間接還原反應(yīng)，降低高爐燃料消耗。

依據(jù)石橫特鋼昆玉鋼鐵現(xiàn)有生產(chǎn)裝備及進(jìn)口鐵精礦資源條件下（見表4），通過其化學(xué)成分的調(diào)劑和焙燒工藝制度的控制，可以生產(chǎn)軟熔性能和高溫還原性能優(yōu)良的高品位（＞63%）、高鎂（＞3.5%）優(yōu)質(zhì)球團(tuán)，最大限度使用高M(jìn)gO磁鐵精礦，降低配礦成本的同時(shí)為高爐降低燃料比創(chuàng)造條件。

2.3爐料結(jié)構(gòu)的調(diào)整優(yōu)化

綜上可見，以高堿度低MgO燒結(jié)礦配加高M(jìn)gO酸性球團(tuán)礦的爐料，既發(fā)揮了高堿度燒結(jié)礦優(yōu)良的冶金性能，又發(fā)揮了高M(jìn)gO球團(tuán)礦高品位、低渣量的優(yōu)勢，最大限度地配加高M(jìn)gO鐵精礦，在滿足高爐造渣及爐況順行需求的同時(shí)，降低配礦成本。

相比高M(jìn)gO高堿度燒結(jié)礦配加低MgO酸性球團(tuán)礦的爐料而言，高堿度低MgO燒結(jié)礦配加高M(jìn)gO酸性球團(tuán)礦的爐料可整體改善綜合爐料性能的協(xié)同優(yōu)化作用，具有良好的機(jī)械強(qiáng)度、還原性及高溫軟熔性能，使高爐軟熔帶位置下移，軟熔區(qū)間變窄，改善料柱透氣性，有利于煤氣利用的提高及爐況順行的穩(wěn)定。

下一步石橫特鋼新疆昆玉鋼鐵高爐的爐料結(jié)構(gòu)，應(yīng)分步驟的調(diào)整，逐步實(shí)現(xiàn)以高堿度低MgO燒結(jié)礦配加高M(jìn)gO酸性球團(tuán)礦的綜合爐料，在滿足高爐穩(wěn)定順行及對爐渣MgO需求的基礎(chǔ)上，根據(jù)原燃料的變化，科學(xué)合理調(diào)配爐料結(jié)構(gòu)，發(fā)揮其爐料結(jié)構(gòu)功效最大化，實(shí)現(xiàn)生鐵成本最優(yōu)。

3 爐料初步調(diào)整后的高爐運(yùn)行效果

2021年上半年，爐料結(jié)構(gòu)經(jīng)過初步調(diào)整優(yōu)化，增加高M(jìn)gO鐵精礦在球團(tuán)中的添加比例并適當(dāng)降低了燒結(jié)礦中的MgO含量，使球團(tuán)中MgO含量提高至2.4%，高爐配加高M(jìn)gO球團(tuán)并逐漸增加入爐比例，高爐表現(xiàn)壓差有所降低，料柱透氣性有所提高，兩座高爐順行明顯改善，塌、滑料次數(shù)減少，高爐消耗逐步下降，主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)有了較大提升（見表5）

4 結(jié)語

（1）合理的爐料結(jié)構(gòu)，應(yīng)根據(jù)企業(yè)自身生產(chǎn)裝備水平、地理資源特點(diǎn)等多個(gè)環(huán)節(jié)，合理、經(jīng)濟(jì)的使用鐵礦資源進(jìn)行優(yōu)化調(diào)配，滿足高爐冶煉性能需求的綜合爐料，有利于為高爐穩(wěn)定順行和實(shí)現(xiàn)良好經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)創(chuàng)造條件。

（2）石橫特鋼昆玉鋼鐵高爐下一步的爐料調(diào)整應(yīng)以適宜的高（MgO）低堿度爐渣作為爐料結(jié)構(gòu)的配料目標(biāo)，綜合考慮高M(jìn)gO爐料的冶金性能及對高爐有害元素、脫硫排堿等因素的影響，今后隨著爐料結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化和改進(jìn)，逐步提高高爐爐渣中MgO至17%左右，控制爐渣二元堿度在1.0±0.05范圍內(nèi)是比較合理的。

（3）低成本煉鐵是在經(jīng)濟(jì)爐料的基礎(chǔ)上，通過爐料結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究，發(fā)揮爐料結(jié)構(gòu)功效最大化的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)高爐穩(wěn)定順行及高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、低耗、長壽的煉鐵目的。

（4）一個(gè)滿足高爐冶煉性能要求且性價(jià)比優(yōu)的爐料結(jié)構(gòu)配料方案，不僅有利于高爐穩(wěn)定順行，而且能指導(dǎo)采購，為企業(yè)創(chuàng)效發(fā)揮更大的降本空間，提升企業(yè)競爭力。

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