MgO對煉鐵生產(chǎn)的影響

張國華

（臨沂鋼鐵投資集團(tuán)有限公司）

摘  要:在傳統(tǒng)的煉鐵工藝中，為滿足高爐生產(chǎn)過程中渣系平衡及不同渣系MgO含量的要求，在燒結(jié)配料中配加輕燒白云石或在高爐配料中配加白云石、蛇紋石、鎳礦青石等，以滿足爐渣物理和化學(xué)性能，確保高爐生產(chǎn)的長期穩(wěn)定順行，取得良好的技術(shù)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)效益。在面對鋼鐵行業(yè)嚴(yán)峻的競爭形勢下，進(jìn)一步降低鐵水成本成為了新形勢下各鋼鐵企業(yè)的首要任務(wù)。同時因技術(shù)水平參差不一或不具備原料、燒結(jié)、煉鐵的全盤工藝平衡統(tǒng)籌能力在應(yīng)對較大礦物成分波動時，煉鐵生產(chǎn)很難保持平穩(wěn)操作。基于此，筆者經(jīng)過長時間的思索，從燒結(jié)和煉鐵兩個方面案例分析闡述了MgO對冶煉生產(chǎn)的影響。

關(guān)鍵詞:鎂鋁比；表觀成本；低溫還原粉化；還原度；隱形降本

1  關(guān)于高、中、低氧化鎂冶煉的理論和生產(chǎn)總結(jié)

對于生產(chǎn)過程中MgO成分在燒結(jié)礦和高爐爐渣中成分的高低，一直存在很大的爭議，究其原因還是和Al₂O₃有關(guān)，當(dāng)燒結(jié)礦中的Al₂O₃含量過高，燒結(jié)礦的氣孔度增加，促進(jìn)Fe₂O₃的還原，使Fe₂O₃的還原速率加快，加劇了Fe₂O₃還原的膨脹裂紋擴(kuò)展和應(yīng)力集中，使燒結(jié)礦的低溫還原粉化性能變差，隨著Al₂O₃含量的升高，高爐爐渣粘度加大，渣鐵分離及放渣困難。

1.1有利方面

（1）一是MgO易與Fe₃O₄結(jié)合生成鎂磁鐵礦(MgO·Fe₃O₄)，從而阻礙Fe₃O₄氧化為Fe₂O₃，降低鐵酸鈣(CaO·Fe₂O₃)相的生成量，影響成品燒結(jié)礦的強(qiáng)度和還原性。同時由于MgO的存在，減少了硅酸二鈣與難還原鈣鐵橄欖石、鐵橄欖石生成機(jī)會，利于燒結(jié)生產(chǎn)過程。（2）提高爐渣熱焓爐渣熱焓是指單位質(zhì)量或摩爾的爐渣在升高一定溫度時所吸收的熱量，熱焓值的大小可反映出一定成分爐渣的儲熱能力。爐渣熱焓值越高，表明其擁有的物理溫度越高，留給應(yīng)對溫度損失的空間也越大，從而維持爐渣黏度的在合理波動范圍。隨著MgO含量的增加，爐渣熱焓呈線性增大。在1550℃范圍內(nèi)MgO比熱容也相對較高，因此爐渣熱焓隨著MgO含量的增大而增大，在生產(chǎn)過程中MgO含量的提高不僅能降低爐渣黏度，還可以提高爐渣的熱焓值，增加高爐下部爐缸的蓄熱能力，有利于維持爐渣的熱穩(wěn)定性和爐缸熱狀態(tài)。隨著爐渣具備吸收大量燃燒釋放出的熱能，剩余煤氣中的熱量在上升過程中經(jīng)塊狀帶的熱量傳遞后，從爐頂被氣流帶走的熱量也大大降低，從而達(dá)到降低噸鐵燃料比的目的。（3）合適的渣中（MgO）質(zhì)量分?jǐn)?shù)合適的爐渣（MgO）質(zhì)量分?jǐn)?shù)，可降低爐渣的熔化溫度和黏度，改善渣的流動性、穩(wěn)定性，能加速反應(yīng)產(chǎn)物CaS的擴(kuò)散，使脫硫反應(yīng)加快進(jìn)行。隨著渣中MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，爐渣黏度下降，流動性改善，穩(wěn)定性提高，利于爐渣脫硫。尤其是爐渣中Al₂O₃質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高，爐渣的黏度和熔化性溫度均提高，爐渣的流動性變差，脫硫能力降低，鐵水硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)將明顯升高時，提高渣中MgO含量對改善爐渣流動性和脫硫能力更為明顯。（4）爐渣MgO含量對礦渣微粉質(zhì)量的影響增加爐渣中MgO含量可以進(jìn)一步提高礦渣微粉活性質(zhì)量系數(shù)及指數(shù)，并利于提高爐渣流動性、穩(wěn)定性，便于優(yōu)化爐渣結(jié)構(gòu)確保高鋁爐渣的渣系平衡。同時還可改善微粉質(zhì)量，降低提高礦渣高活性度的添加劑、提高微粉的產(chǎn)量，使其完全滿足S95級水泥添加的需要，降低礦渣微粉的輔助添加劑及生產(chǎn)成本，提高企業(yè)的綜合效益。這也是鋼鐵企業(yè)為了提高自己的最大利潤點延長鋼鐵產(chǎn)業(yè)鏈，確保全局綜合利潤必須關(guān)注的一個環(huán)節(jié)。凡事有得有失，但原則是局部利益必須服從于全局利益，正所謂不謀全局者不足謀一域，犧牲局部利益確保全局利益也是各企業(yè)常用的手段。

1.2  不利方面

MgO加入阻礙了鐵酸鈣的生成，如果MgO加入過多，在燒結(jié)過程中形成以鎂硅鈣石等多種以玻璃質(zhì)為基體的低熔點物相，各種物相結(jié)晶膨脹系數(shù)差異加大，致使燒結(jié)礦冷卻時產(chǎn)生應(yīng)力集中而粉化。MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高后，燒結(jié)礦礦物組成中的CaO·MgO·SiO₂和硅酸鹽玻璃質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯增加，硅酸鹽玻璃質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加對燒結(jié)礦強(qiáng)度有相當(dāng)不利的影響。

2.  燒結(jié)方面

經(jīng)過北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院和唐山國豐鋼鐵有限公司技術(shù)部，王喆、張建良、左海濱、王潤博、黃克存、班友合等人的聯(lián)合研究，并通過燒結(jié)杯試驗，研究了在MgO/Al₂O₃比對燒結(jié)礦礦物組成和冶金性能的影響。結(jié)果表明：當(dāng)MgO/Al₂O₃比在1.06~1.22范圍內(nèi)時，燒結(jié)礦的礦物組成較好，且具有纖維狀復(fù)合鐵酸鈣與磁鐵礦交織熔蝕的微觀結(jié)構(gòu)。在此條件下，燒結(jié)礦的轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度得到提高，此時燒結(jié)礦具有較高的強(qiáng)度，還原性能和低溫還原粉化性能也得到改善。并有助于改善燒結(jié)礦質(zhì)量，優(yōu)化燒結(jié)工藝，實現(xiàn)燒結(jié)降本增效。在生產(chǎn)過程中保持燒結(jié)礦較高M(jìn)gO含量的廠家也不在少數(shù)，長樂系鋼鐵企業(yè)燒結(jié)礦中的MgO一般做的都比較高，但是他們每家企業(yè)燒結(jié)礦中鎂鋁比的控制范圍都是按照國豐鋼鐵有限公司技術(shù)部通過燒結(jié)杯試驗，驗證之后的生產(chǎn)工藝進(jìn)行生產(chǎn)的，如下表1~表3是長樂系三家企業(yè)的燒結(jié)礦成分?jǐn)?shù)據(jù)。

3   煉鐵方面

對于煉鐵方面爐渣MgO含量的高低，目前大致以下有三種觀點：

3.1 低MgO操作工藝

這方面的代表以韓國浦項高爐為首，國內(nèi)也有很多企業(yè)主張低MgO操作。在謝紹瑋、王小平兩位同志寫的《低MgO煉鐵技術(shù)實踐》一文中對這種觀點進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，同時還有不少廠家也有類似的觀點認(rèn)為MgO是負(fù)價元素，只要能夠確保爐渣的流動性多加無益。也許是因為個人經(jīng)歷不同，筆者對這種觀點不完全認(rèn)同，因為謝紹瑋、王小平兩位同志寫的《低MgO煉鐵技術(shù)實踐》一文中關(guān)于低MgO煉鐵的前提條件引起了筆者的關(guān)注。比如對于Al₂O₃含量的界限值最大為15%，也就是說當(dāng)Al₂O₃含量在15%以下時二元堿度在1.0~1.25的范圍內(nèi)，并不需要8%以上的MgO含量，4%～6%的MgO含量的爐渣結(jié)構(gòu)同樣處于低熔化溫度和低黏度的鎂黃長石溫度區(qū)，在正常條件下沒有必要提高燒結(jié)礦和爐渣的MgO含量，提高爐渣的MgO含量對改善爐渣的性能幾乎沒有積極作用。同時由于爐渣中MgO含量降低，致使?fàn)t渣三元堿度降低，有利于高爐排堿。同時根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗，隨燒結(jié)礦MgO含量降低，高爐入爐品位升高：MgO每降低1%，入爐品位升高0.435%；高爐冶煉礦比降低：MgO每降低1%，高爐冶煉礦比降低12kg/t；由于入爐品位升高，礦比降低，相應(yīng)高爐冶煉的利用系數(shù)提高，而焦比降低，從而降低生產(chǎn)成本，當(dāng)燒結(jié)礦MgO每增加1%，噸鐵生產(chǎn)成本也會相應(yīng)的提高。正是基于上述理論論述及計算，謝紹瑋、王小平兩位同志提出了低MgO煉鐵的觀點。

3.2 低品質(zhì)礦冶煉工藝

該工藝以日鋼為代表，根據(jù)日鋼工程師呂定建公開的日鋼冶煉數(shù)據(jù)來看，爐渣中的Al₂O₃從2006年到2010年平均在17.14%，2011年更是達(dá)到了19.51%，噸渣鋁負(fù)荷更是高達(dá)102kg。針對這種原料條件為確保高爐爐渣的流動性和脫硫能力，日鋼冶煉工藝的爐渣鎂鋁比也從起初的0.65提高到0.80，隨著燒結(jié)礦中MgO含量的提高燒結(jié)礦礦物組成中的CaO·MgO·SiO₂和硅酸鹽玻璃質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯增加，致使燒結(jié)礦冷卻時產(chǎn)生應(yīng)力集中而粉化，最終導(dǎo)致日鋼燒結(jié)礦的轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度始終在70.6-73.0之間，低于大多數(shù)廠家的＞78的指標(biāo)。這也符合為確保高爐冶煉要求及終極成本的目標(biāo)，被迫選擇犧牲燒結(jié)礦的部分指標(biāo)，而不是把提高燒結(jié)礦中MgO含量視為生產(chǎn)禁區(qū)，這里邊涉及到綜合生產(chǎn)成本的平衡問題，只要有利于降低整體成本，即便犧牲局部部分成本也是合適的，因為局部成本必須服務(wù)于全局成本。從表1-3中可以看出，上述幾家的燒結(jié)礦生產(chǎn)理念完全是按照國豐鋼鐵燒結(jié)礦科研理念組織生產(chǎn)的，根據(jù)筆者當(dāng)時的親身經(jīng)歷中新特鋼的高爐技術(shù)指標(biāo)還是很優(yōu)秀的，1280立方高爐在富氧量9000m³/h、高爐鼓風(fēng)機(jī)型號AV63-14(風(fēng)量3300-3350m³/min）、不加廢鋼的條件下，產(chǎn)量4911噸，噸鐵燃料比493kg，利用系數(shù)3.84，爐渣R21.2-1.25、爐渣鎂鋁比0.66、煤氣利用率51.5%。包頭亞新隆順特鋼和唐山新東海特鋼在亞新集團(tuán)高級總工姜永龍先生的帶領(lǐng)指導(dǎo)下，高爐技術(shù)指標(biāo)更是出類拔萃，走在了國內(nèi)民營鋼鐵企業(yè)的前列。包頭亞新隆順特鋼高爐有效容積1296立方，富氧量12200m³/h、高爐鼓風(fēng)機(jī)型號AV71-15(風(fēng)量3450-3550m³/min）、不加廢鋼的條件下，產(chǎn)量5350噸，噸鐵燃料比512kg，利用系數(shù)4.12，爐渣R21.2-1.25、爐渣鎂鋁比0.67、煤氣利用率50.5%。唐山新東海特鋼高爐有效容積和包頭亞新隆順特鋼相同，其高爐各項技術(shù)指標(biāo)也不相上下，此處筆者就不再重復(fù)。通過上述三家企業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)可以明確的看出，適當(dāng)提高燒結(jié)礦中MgO含量，并將其控制在合理范圍內(nèi)，噸礦成本雖然略有上升，但是噸鐵綜合成本肯定下降，否則幾家企業(yè)也不會提高燒結(jié)礦中的MgO含量。對于燒結(jié)和高爐的關(guān)系，筆者曾在2019年10月3日發(fā)表的《燒結(jié)干好！高爐干倒！》一文中進(jìn)行過闡述，說的直接一些，整個生產(chǎn)管理就是一盤棋，筆者認(rèn)為作為負(fù)責(zé)全盤生產(chǎn)管理者，只有“跳出三界外，不在五行中”，站在五行之外的棋盤上才能方知各區(qū)域各因素的棋子對整體棋盤的影響力。同樣對于燒結(jié)和高爐的關(guān)系也是這樣，就像偉人的觀點，為了確保整體的利益（成本），即便犧牲局部利益（成本）也是值得的。凡事有利也有弊，對于提高燒結(jié)礦中MgO含量一事亦是如此，作為把控全局生產(chǎn)管理者，也要平衡整體綜合成本的利與弊，在利大于弊的情況下也可以犧牲局部利益，來換取全盤更大的利益，也是世人常說的“拋磚引玉”。

3.3 低品質(zhì)紅土鎳礦冶煉工藝

此工藝以青山集團(tuán)、盛陽集團(tuán)為代表，這兩家集團(tuán)公司是以生產(chǎn)不銹鋼為主的冶煉企業(yè)，無論是普碳鋼（特種鋼）、不銹鋼，都會用到鐵水，無非是入爐礦石和鐵水的成分不同、副產(chǎn)品爐渣的成分不同而已。說到入爐礦的成分區(qū)別，普碳鋼（特種鋼）和不銹鋼無論是鐵水的成分還是入爐礦石的成分差別及金屬種類的區(qū)別不是一般的大，大到了生產(chǎn)工藝路線都發(fā)生了改變。這也是前些年很多不銹原料（高、中、低）鎳鐵企業(yè)，生產(chǎn)一直不順的原因，從現(xiàn)在的工作經(jīng)驗來分析之前生產(chǎn)不順的原因大致可以分為兩大方面的因素，一是對（高、中、低）鎳鐵各種礦粉的特性不了解，在沒有進(jìn)行理論論證及燒結(jié)杯試驗的情況下就貿(mào)然采用普通煉鋼鐵（鑄造鐵）的生產(chǎn)工藝進(jìn)行組織生產(chǎn)；二是對普通煉鋼鐵（鑄造鐵）和（高、中、低）鎳鐵的區(qū)別及冶煉側(cè)重點沒有進(jìn)行認(rèn)真的研究，一直采用生產(chǎn)普通煉鋼鐵（鑄造鐵）的工藝思想主導(dǎo)（高、中、低）鎳鐵的生產(chǎn)，結(jié)果導(dǎo)致了生產(chǎn)的惡化。鎳鐵礦粉中MgO含量高低對燒結(jié)礦的質(zhì)量、轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度、燒結(jié)礦MgO/Al₂O₃范圍以及高爐操作過程中的作用和隱形成本的影響。

通過上述表4和表5不難看出，以青山集團(tuán)和盛陽集團(tuán)為首的鎳鐵生產(chǎn)企業(yè)所使用的礦粉成分和其他特鋼企業(yè)使用的礦粉差別很大，其燒結(jié)礦的成分、品位、轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度、粒度更是讓很多長期從事煉鋼鐵的同行感到驚訝。青山集團(tuán)高爐利用系數(shù)為3.48、燃料比584kg/t、焦炭負(fù)荷3.2-3.25、煤比100-110kg、富氧率3.0%，盛陽集團(tuán)高爐利用系數(shù)為3.55、燃料比579kg、焦炭負(fù)荷3.3-3.4、煤比100-105kg、富氧率3.2%，北港新材料高爐利用系數(shù)為3.5、燃料比634kg、焦炭負(fù)荷2.6-2.7、煤比100-117kg、富氧量5000m³/h，筆者曾看到北港新材料有限公司發(fā)表的《鎳鐵高爐集成冶煉技術(shù)進(jìn)步》的PPT資料，報告人孫工所闡述的觀點筆者在2018年發(fā)表的《鎳礦石在作用及鎳鐵合金與煉鋼鐵在操作方面的區(qū)別》那篇文章里邊已經(jīng)進(jìn)行過詳細(xì)的說明。目前隨著鎳礦生產(chǎn)設(shè)備的持續(xù)升級，對之前的工藝也進(jìn)行了調(diào)整，2018年7月16日筆者發(fā)表的《大、中型高生產(chǎn)低鎳鐵的可行性》研究正是基于對鎳礦生產(chǎn)設(shè)備持續(xù)改進(jìn)升級，鎳礦生產(chǎn)工藝調(diào)整后其燒結(jié)礦質(zhì)量發(fā)生了質(zhì)的提升，從而使其具備了中、大型高爐生產(chǎn)的可行性，也正是基于鎳礦生產(chǎn)工藝調(diào)整后燒結(jié)礦質(zhì)量的提升，2019年11月中冶東方工程技術(shù)有限公司編制了遼寧朝陽鎳鉻合金產(chǎn)業(yè)有限公司3座800m³高爐項目的可研報告，目前此項目正在建設(shè)過程中。通過上述幾家企業(yè)的燒結(jié)礦成分，大家不難看出鎳鐵合金燒結(jié)礦中的MgO成分遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通煉鋼鐵（鑄造鐵）燒結(jié)礦中MgO成分的含量。究其原因還是鎳礦粉中Al₂O₃含量太高幾乎是煉鋼鐵（鑄造鐵）礦粉的2-3倍，燒結(jié)礦中的Al₂O₃含量過高，將導(dǎo)致燒結(jié)礦的還原粉化性能惡化，隨著燒結(jié)礦中Al₂O₃含量升高，燒結(jié)礦的氣孔度增加，促進(jìn)Fe₂O₃的還原，使Fe₂O₃的還原速率加快，加劇了Fe₂O₃還原的膨脹裂紋擴(kuò)展和應(yīng)力集中，使燒結(jié)礦的低溫還原粉化性能變差。為改善燒結(jié)礦低溫還原粉化性能，被迫提高燒結(jié)礦中MgO含量，控制適宜的MgO含量值，確保燒結(jié)礦的轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度。當(dāng)?shù)V粉中Al₂O₃含量超高，同時又因礦粉比較單一無法調(diào)配，生產(chǎn)自熔性燒結(jié)礦時燒結(jié)礦中MgO含量一般嚴(yán)禁＞3.8%。隨著MgO和Al₂O₃含量升高，加之都是高熔點物質(zhì)，在燒結(jié)中煤比一定的條件下，就會使燒結(jié)過程生成的粘結(jié)相數(shù)量減少，從而使燒結(jié)礦的強(qiáng)度降低。針對燒結(jié)礦的這一特點，在生產(chǎn)過程中基本都是通過提高燒結(jié)礦的FeO含量和焦粉配比以及點火溫度進(jìn)行解決，這也是紅土鎳礦燒結(jié)礦高M(jìn)gO高FeO的原因，在平衡生產(chǎn)的過程中也實屬無奈之舉。通過上述不同品種的生鐵案例，對于各種燒結(jié)礦中MgO含量的高低，筆者的觀點是不能一概而論，而是根據(jù)礦粉習(xí)性的不同采用不同的工藝參數(shù)，只有因礦制宜符合高爐爐況順行、噸鐵綜合消耗最低的燒結(jié)礦生產(chǎn)工藝，才是各冶煉品種最佳的生產(chǎn)工藝，更是各企業(yè)最終追求的終極目標(biāo)。為此也沒有必要長期爭執(zhí)MgO含量的高低對燒結(jié)礦的負(fù)面影響，有些東西很多時候也是迫不得已，就像筆者之前所講“燒結(jié)干好！高爐干倒！”燒結(jié)礦最終是為高爐的穩(wěn)定順行服務(wù)的，燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度指標(biāo)再好，不能確保高爐爐況的穩(wěn)定順行，筆者相信這樣的燒結(jié)礦也不是每位煉鐵工作者心目中的優(yōu)質(zhì)燒結(jié)礦。

4  結(jié)論

為確保燒結(jié)礦的綜合品位、轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度及冶金性能，燒結(jié)礦中MgO/Al₂O₃的范圍區(qū)間控制在1.06-1.22，此區(qū)間對燒結(jié)、高爐、礦渣微粉最為有利；燒結(jié)礦中MgO含量的提高，降低部分燒結(jié)礦品位，隨著高爐料速、煤氣利用率及爐內(nèi)熱交換率的提高，燒結(jié)方面的輕微損失在煉鐵方面可以彌補(bǔ)；為提高燒結(jié)礦中MgO含量增加的白云石粉在成本核算中屬于表觀成本，在煉鐵生產(chǎn)通盤工藝成本中應(yīng)重新考慮隱形成本和表觀成本的實際差距；根據(jù)礦粉品種及冶煉鐵種的不同，燒結(jié)礦中MgO含量及MgO/Al₂O₃的區(qū)間控制范圍要采取因礦制宜的方式進(jìn)行組織生產(chǎn)，不可一概而論否則只會得不償失。

參考文獻(xiàn)：

[1]  《低MgO煉鐵技術(shù)實踐》  謝紹偉   王小平

[2]  《MgO／Al₂O₃比對燒結(jié)礦礦物組成及冶金性能》  王喆、張建良、左海濱等

[3]  《提高爐渣活度在微粉生產(chǎn)技術(shù)中的應(yīng)用》  呂凌云