MgO對煉鐵生產的影響

張國華

（臨沂鋼鐵投資集團有限公司）

摘  要:在傳統的煉鐵工藝中，為滿足高爐生產過程中渣系平衡及不同渣系MgO含量的要求，在燒結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性能，確保高爐生產的長期穩定順行，取得良好的技術指標和經濟效益。在面對鋼鐵行業嚴峻的競爭形勢下，進一步降低鐵水成本成為了新形勢下各鋼鐵企業的首要任務。同時因技術水平參差不一或不具備原料、燒結、煉鐵的全盤工藝平衡統籌能力在應對較大礦物成分波動時，煉鐵生產很難保持平穩操作?；诖耍P者經過長時間的思索，從燒結和煉鐵兩個方面案例分析闡述了MgO對冶煉生產的影響。

關鍵詞:鎂鋁比；表觀成本；低溫還原粉化；還原度；隱形降本

1  關于高、中、低氧化鎂冶煉的理論和生產總結

對于生產過程中MgO成分在燒結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，當燒結礦中的Al₂O₃含量過高，燒結礦的氣孔度增加，促進Fe₂O₃的還原，使Fe₂O₃的還原速率加快，加劇了Fe₂O₃還原的膨脹裂紋擴展和應力集中，使燒結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，影響成品燒結礦的強度和還原性。同時由于MgO的存在，減少了硅酸二鈣與難還原鈣鐵橄欖石、鐵橄欖石生成機會，利于燒結生產過程。（2）提高爐渣熱焓爐渣熱焓是指單位質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定性和爐缸熱狀態。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，從而達到降低噸鐵燃料比的目的。（3）合適的渣中（MgO）質量分數合適的爐渣（MgO）質量分數，可降低爐渣的熔化溫度和黏度，改善渣的流動性、穩定性，能加速反應產物CaS的擴散，使脫硫反應加快進行。隨著渣中MgO質量分數的增加，爐渣黏度下降，流動性改善，穩定性提高，利于爐渣脫硫。尤其是爐渣中Al₂O₃質量分數升高，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，鐵水硫質量分數將明顯升高時，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含量對礦渣微粉質量的影響增加爐渣中MgO含量可以進一步提高礦渣微粉活性質量系數及指數，并利于提高爐渣流動性、穩定性，便于優化爐渣結構確保高鋁爐渣的渣系平衡。同時還可改善微粉質量，降低提高礦渣高活性度的添加劑、提高微粉的產量，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成本，提高企業的綜合效益。這也是鋼鐵企業為了提高自己的最大利潤點延長鋼鐵產業鏈，確保全局綜合利潤必須關注的一個環節。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，在燒結過程中形成以鎂硅鈣石等多種以玻璃質為基體的低熔點物相，各種物相結晶膨脹系數差異加大，致使燒結礦冷卻時產生應力集中而粉化。MgO質量分數提高后，燒結礦礦物組成中的CaO·MgO·SiO₂和硅酸鹽玻璃質質量分數明顯增加，硅酸鹽玻璃質質量分數的增加對燒結礦強度有相當不利的影響。

2.  燒結方面

經過北京科技大學冶金與生態工程學院和唐山國豐鋼鐵有限公司技術部，王喆、張建良、左海濱、王潤博、黃克存、班友合等人的聯合研究，并通過燒結杯試驗，研究了在MgO/Al₂O₃比對燒結礦礦物組成和冶金性能的影響。結果表明：當MgO/Al₂O₃比在1.06~1.22范圍內時，燒結礦的礦物組成較好，且具有纖維狀復合鐵酸鈣與磁鐵礦交織熔蝕的微觀結構。在此條件下，燒結礦的轉鼓強度得到提高，此時燒結礦具有較高的強度，還原性能和低溫還原粉化性能也得到改善。并有助于改善燒結礦質量，優化燒結工藝，實現燒結降本增效。在生產過程中保持燒結礦較高MgO含量的廠家也不在少數，長樂系鋼鐵企業燒結礦中的MgO一般做的都比較高，但是他們每家企業燒結礦中鎂鋁比的控制范圍都是按照國豐鋼鐵有限公司技術部通過燒結杯試驗，驗證之后的生產工藝進行生產的，如下表1~表3是長樂系三家企業的燒結礦成分數據。

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，國內也有很多企業主張低MgO操作。在謝紹瑋、王小平兩位同志寫的《低MgO煉鐵技術實踐》一文中對這種觀點進行了詳細的介紹，同時還有不少廠家也有類似的觀點認為MgO是負價元素，只要能夠確保爐渣的流動性多加無益。也許是因為個人經歷不同，筆者對這種觀點不完全認同，因為謝紹瑋、王小平兩位同志寫的《低MgO煉鐵技術實踐》一文中關于低MgO煉鐵的前提條件引起了筆者的關注。比如對于Al₂O₃含量的界限值最大為15%，也就是說當Al₂O₃含量在15%以下時二元堿度在1.0~1.25的范圍內，并不需要8%以上的MgO含量，4%～6%的MgO含量的爐渣結構同樣處于低熔化溫度和低黏度的鎂黃長石溫度區，在正常條件下沒有必要提高燒結礦和爐渣的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，致使爐渣三元堿度降低，有利于高爐排堿。同時根據生產經驗，隨燒結礦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，相應高爐冶煉的利用系數提高，而焦比降低，從而降低生產成本，當燒結礦MgO每增加1%，噸鐵生產成本也會相應的提高。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 低品質礦冶煉工藝

該工藝以日鋼為代表，根據日鋼工程師呂定建公開的日鋼冶煉數據來看，爐渣中的Al₂O₃從2006年到2010年平均在17.14%，2011年更是達到了19.51%，噸渣鋁負荷更是高達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，隨著燒結礦中MgO含量的提高燒結礦礦物組成中的CaO·MgO·SiO₂和硅酸鹽玻璃質質量分數明顯增加，致使燒結礦冷卻時產生應力集中而粉化，最終導致日鋼燒結礦的轉鼓強度始終在70.6-73.0之間，低于大多數廠家的＞78的指標。這也符合為確保高爐冶煉要求及終極成本的目標，被迫選擇犧牲燒結礦的部分指標，而不是把提高燒結礦中MgO含量視為生產禁區，這里邊涉及到綜合生產成本的平衡問題，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于全局成本。從表1-3中可以看出，上述幾家的燒結礦生產理念完全是按照國豐鋼鐵燒結礦科研理念組織生產的，根據筆者當時的親身經歷中新特鋼的高爐技術指標還是很優秀的，1280立方高爐在富氧量9000m³/h、高爐鼓風機型號AV63-14(風量3300-3350m³/min）、不加廢鋼的條件下，產量4911噸，噸鐵燃料比493kg，利用系數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高級總工姜永龍先生的帶領指導下，高爐技術指標更是出類拔萃，走在了國內民營鋼鐵企業的前列。包頭亞新隆順特鋼高爐有效容積1296立方，富氧量12200m³/h、高爐鼓風機型號AV71-15(風量3450-3550m³/min）、不加廢鋼的條件下，產量5350噸，噸鐵燃料比512kg，利用系數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，其高爐各項技術指標也不相上下，此處筆者就不再重復。通過上述三家企業的生產技術指標可以明確的看出，適當提高燒結礦中MgO含量，并將其控制在合理范圍內，噸礦成本雖然略有上升，但是噸鐵綜合成本肯定下降，否則幾家企業也不會提高燒結礦中的MgO含量。對于燒結和高爐的關系，筆者曾在2019年10月3日發表的《燒結干好！高爐干倒！》一文中進行過闡述，說的直接一些，整個生產管理就是一盤棋，筆者認為作為負責全盤生產管理者，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域各因素的棋子對整體棋盤的影響力。同樣對于燒結和高爐的關系也是這樣，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，對于提高燒結礦中MgO含量一事亦是如此，作為把控全局生產管理者，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 低品質紅土鎳礦冶煉工藝

此工藝以青山集團、盛陽集團為代表，這兩家集團公司是以生產不銹鋼為主的冶煉企業，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、副產品爐渣的成分不同而已。說到入爐礦的成分區別，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別不是一般的大，大到了生產工藝路線都發生了改變。這也是前些年很多不銹原料（高、中、低）鎳鐵企業，生產一直不順的原因，從現在的工作經驗來分析之前生產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，在沒有進行理論論證及燒結杯試驗的情況下就貿然采用普通煉鋼鐵（鑄造鐵）的生產工藝進行組織生產；二是對普通煉鋼鐵（鑄造鐵）和（高、中、低）鎳鐵的區別及冶煉側重點沒有進行認真的研究，一直采用生產普通煉鋼鐵（鑄造鐵）的工藝思想主導（高、中、低）鎳鐵的生產，結果導致了生產的惡化。鎳鐵礦粉中MgO含量高低對燒結礦的質量、轉鼓強度、燒結礦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，以青山集團和盛陽集團為首的鎳鐵生產企業所使用的礦粉成分和其他特鋼企業使用的礦粉差別很大，其燒結礦的成分、品位、轉鼓強度、粒度更是讓很多長期從事煉鋼鐵的同行感到驚訝。青山集團高爐利用系數為3.48、燃料比584kg/t、焦炭負荷3.2-3.25、煤比100-110kg、富氧率3.0%，盛陽集團高爐利用系數為3.55、燃料比579kg、焦炭負荷3.3-3.4、煤比100-105kg、富氧率3.2%，北港新材料高爐利用系數為3.5、燃料比634kg、焦炭負荷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表的《鎳鐵高爐集成冶煉技術進步》的PPT資料，報告人孫工所闡述的觀點筆者在2018年發表的《鎳礦石在作用及鎳鐵合金與煉鋼鐵在操作方面的區別》那篇文章里邊已經進行過詳細的說明。目前隨著鎳礦生產設備的持續升級，對之前的工藝也進行了調整，2018年7月16日筆者發表的《大、中型高生產低鎳鐵的可行性》研究正是基于對鎳礦生產設備持續改進升級，鎳礦生產工藝調整后其燒結礦質量發生了質的提升，從而使其具備了中、大型高爐生產的可行性，也正是基于鎳礦生產工藝調整后燒結礦質量的提升，2019年11月中冶東方工程技術有限公司編制了遼寧朝陽鎳鉻合金產業有限公司3座800m³高爐項目的可研報告，目前此項目正在建設過程中。通過上述幾家企業的燒結礦成分，大家不難看出鎳鐵合金燒結礦中的MgO成分遠遠高于普通煉鋼鐵（鑄造鐵）燒結礦中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，燒結礦中的Al₂O₃含量過高，將導致燒結礦的還原粉化性能惡化，隨著燒結礦中Al₂O₃含量升高，燒結礦的氣孔度增加，促進Fe₂O₃的還原，使Fe₂O₃的還原速率加快，加劇了Fe₂O₃還原的膨脹裂紋擴展和應力集中，使燒結礦的低溫還原粉化性能變差。為改善燒結礦低溫還原粉化性能，被迫提高燒結礦中MgO含量，控制適宜的MgO含量值，確保燒結礦的轉鼓強度。當礦粉中Al₂O₃含量超高，同時又因礦粉比較單一無法調配，生產自熔性燒結礦時燒結礦中MgO含量一般嚴禁＞3.8%。隨著MgO和Al₂O₃含量升高，加之都是高熔點物質，在燒結中煤比一定的條件下，就會使燒結過程生成的粘結相數量減少，從而使燒結礦的強度降低。針對燒結礦的這一特點，在生產過程中基本都是通過提高燒結礦的FeO含量和焦粉配比以及點火溫度進行解決，這也是紅土鎳礦燒結礦高MgO高FeO的原因，在平衡生產的過程中也實屬無奈之舉。通過上述不同品種的生鐵案例，對于各種燒結礦中MgO含量的高低，筆者的觀點是不能一概而論，而是根據礦粉習性的不同采用不同的工藝參數，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礦生產工藝，才是各冶煉品種最佳的生產工藝，更是各企業最終追求的終極目標。為此也沒有必要長期爭執MgO含量的高低對燒結礦的負面影響，有些東西很多時候也是迫不得已，就像筆者之前所講“燒結干好！高爐干倒！”燒結礦最終是為高爐的穩定順行服務的，燒結礦轉鼓強度指標再好，不能確保高爐爐況的穩定順行，筆者相信這樣的燒結礦也不是每位煉鐵工作者心目中的優質燒結礦。

4  結論

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

參考文獻：

[1]  《低MgO煉鐵技術實踐》  謝紹偉   王小平

[2]  《MgO／Al₂O₃比對燒結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技術中的應用》  呂凌云