沈峰滿  姜鑫  高強健  鄭海燕

（東北大學）

摘  要：對高爐爐渣全成分（Al₂O₃=8%~25%）的適宜鎂鋁比進行了理論分析，以構建協同優化—功效最大化的適宜鎂鋁比理論體系。基于熱力學和相圖分析，定量給出了適宜鎂鋁比三段式精細化控制方針：①當爐渣Al₂O₃<14%時，爐渣的鎂鋁比不受限，可根據原燃料條件和生產成本等條件添加MgO；②當爐渣Al₂O₃=15%~17%時，爐渣適宜的鎂鋁比為0.40~0.50，但需注意爐渣對溫度的敏感性：③當爐渣Al₂O₃>18%時，爐渣適宜的鎂鋁比為0.45~0.55。

關鍵詞：高爐；爐渣；鎂鋁比；黏度；MgO

隨著優質鐵礦資源逐漸枯竭，我國高爐煉鐵生產不得不轉向使用高Al₂O₃鐵礦石，使得有些高爐爐渣適宜鎂鋁比（MgO/Al₂O₃）的問題日漸凸顯。很多學者就添加MgO解決高Al₂O₃鐵礦石高爐冶煉問題開展了大量的研究^[1-7]，尤其是煉鐵界資深專家對MgO具有改善爐渣黏度功效的歷史演變過程及鎂鋁比問題進行了非常有益的探討。但是，對于爐渣適宜鎂鋁比理論依據的研究，尤其是針對全成分高爐渣系（Al₂O₃=8%~25%）適宜的鎂鋁比應如何管理？一直處于空白狀態。提高爐溫可以解決高Al₂O₃鐵礦石高爐冶煉問題，但是由此產生高能耗和高成本的代價是不言而喻的。因此，針對高Al₂O₃鐵礦石高爐冶煉，開展了適宜鎂鋁比理論與實踐的研究，應用相圖理論分析，并結合實驗室試驗研究和現場實踐，探討適宜鎂鋁比等學術問題，以構建協同優化—功效最大化的適宜鎂鋁比理論體系，并定量給出了適宜鎂鋁比三段式精細化控制方針。

1. 高Al₂O₃爐渣操作的問題及對策

1.1 高Al₂O₃爐渣操作引發的問題

2000年以來我國進口鐵礦石數量及對其依存度的變化如圖1所示。由圖1可見，進口鐵礦石從2000年的0.7億t快速增加至2017年的10.75億t，短短的17年，進口鐵礦石數量增加了15倍之多。進口鐵礦石的依存度也由2000年的不足50%快速增長至2017年88%。

進口鐵礦石與國產鐵礦石的主要差異在于礦石中Al₂O₃不同。從表1可見，進口鐵礦石的Al₂O₃含量遠高于國產礦石，尤其是占進口鐵礦石總量約65%的澳大利亞鐵礦石Al₂O₃含量是國產礦石的4~5倍以上。大量使用高Al₂O₃進口鐵礦石，必然使高爐爐渣Al₂O₃含量上升，給高爐冶煉帶來以下兩個問題：

（1）爐渣黏度上升。由圖2可知，高爐冶煉適宜的爐渣黏度應控制在0.4Pa·s以下^[8]。當爐渣堿度R為1.1左右時，對應的爐渣Al₂O₃應為9%～13%（A區域）。但是，如果維持爐渣堿度相對不變，則隨爐渣Al₂O₃含量上升（B區域），爐渣黏度將超過0.4Pa·s或更高，使得高爐冶煉操作變得困難。因此，在維持爐溫和爐渣二元堿度不變的前提條件下，高Al₂O₃爐渣使得爐渣黏度上升是導致高爐操作變得困難的根本原因之一。（2）爐渣脫硫能力的相對下降。如果維持爐渣堿度不變，隨著爐渣Al₂O₃含量的升高，爐渣CaO含量相對下降，導致爐渣脫硫能力下降；另外，爐渣黏度上升致使爐渣脫硫動力學條件變差，也是高Al₂O₃爐渣脫硫能力下降的原因之一。無論是從熱力學角度，還是從動力學角度，高Al₂O₃對爐渣脫硫能力均產生負面影響。實際上，上述兩個問題歸一，即高Al₂O₃爐渣冶煉問題主要在于爐渣黏度的變化。

1.2高Al₂O₃爐渣冶煉的對策

由于高Al₂O₃爐渣冶煉問題源于爐渣黏度的升高，那么作為對策應設法在確保適宜的爐渣熔點前提下降低爐渣黏度。在一定范圍內，通過提高爐渣堿度可以改善爐渣黏度^[9]，但卻顯著地提高了爐渣熔點；反之，通過適當降低爐渣堿度可以降低爐渣熔點，但又將使爐渣脫硫能力更加惡化^[10]。因此，當前較流行的調整爐渣冶金性能的做法是添加MgO。鑒于MgO屬于堿性物質，在二元堿度不變的前提下，每添加1%MgO，CaO相應減少約0.4%。一般說來，MgO的脫硫能力是CaO的0.7倍^[11]。因此，從熱力學角度分析，添加MgO基本可以維持爐渣脫硫能力不變。若適當提高堿度，必然會提高爐渣的脫硫能力。同時，由于添加MgO可改善爐渣流動性，有助于改善爐渣脫硫動力學條件。因此，添加MgO是目前針對高Al₂O₃爐渣冶煉的有效舉措之一。

1.3添加MgO功效—調整爐渣黏度

從圖3可見，隨著MgO的添加，爐渣的黏度呈下降趨勢。對于堿度R為1.1左右的高爐渣，因此，添加一定量的MgO是調整爐渣黏度為0.3～0.4Pa·s的有效措施之一。為確保高Al₂O₃爐渣具有適宜的黏度，有必要添加MgO。但隨之而來產生如下問題：（1）爐渣適宜MgO含量，即適宜鎂鋁比是多少？理論依據是什么？（2）實現適宜鎂鋁比的MgO添加方式是什么？現行MgO添加方式多采用燒結礦帶人的方式，但該方式是否是最合理的MgO添加方式？（3）燒結-球團-高爐各環節均涉及MgO，應如何協同優化MgO添加方式，才能使得MgO功效最大化？針對上述問題，有必要構建協同優化-功效最大化的適宜鎂鋁比理論體系。這包括：——適宜鎂鋁比的理論依據；——制備低MgO燒結礦及MgO優質球團礦的理論依據。

2. 適宜鎂鋁比的理論依據

探討適宜鎂鋁比，應從爐渣流動性（黏度）和熔化溫度兩方面著手考慮。

2.1爐渣黏度

圖4給出了實驗室條件下測定的堿度R為1.1、1.2和Al₂O₃分別為12%、15%、18%爐渣在1500℃下的黏度隨鎂鋁比的變化規律。從圖可見，當爐渣Al₂O₃低于15%時，隨著鎂鋁比的下降，爐渣黏度雖有所上升，但上升幅度不明顯；可是，當爐渣Al₂O₃達到18%時，對于較低堿度（R=1.1）的爐渣，隨著鎂鋁比的下降，爐渣黏度呈較快的上升趨勢，當鎂鋁比為0.25時爐渣黏度將達到0.48Pa·s。因此，根據實驗室試驗結果可以判定：對于高Al₂O₃爐渣，鎂鴿比下限不應低于0.25。

2.2爐渣熔化溫度

從圖5可見，若爐渣Al₂O₃超過16%時（此時MgO/ Al₂O₃=0.80），爐渣的熔點將高達1500℃（圖中的虛線）。在高爐實際生產過程中，排出爐外的爐渣溫度一般為1500~1550℃，若爐渣熔點為1500℃甚至超過1500℃，則爐缸中的爐渣有可能出現不能完全熔化的現象。實際上，為了安全生產，爐渣熔點應控制不超過1400℃^[12]。因此，根據爐渣熔化溫度分析，可得出爐渣的鎂鋁比上限不應高于0.80。

2.3鎂鋁比控制范圍

綜合爐渣黏度和熔化溫度這兩方面制約條件，可以得到高Al₂O₃爐渣的鎂鋁比控制范圍為0.25~0.80。

3. 適宜鎂鋁比的精細化控制

對于高Al₂O₃爐渣的鎂鋁比控制范圍應為0.25 ~0.80，但這個范圍較寬，有必要進行細化。另外，為了全面考察鎂鋁比的作用機制，對于低Al₂O₃含量爐渣的適宜鎂鋁比也應進行考究。

3.1爐渣Al₂O₃<14%

應該說，爐渣Al₂O₃<14%是我國在大量使用進口鐵礦石之前的生產狀況。從圖6可見，在MgO=10%～20%范圍內，爐渣的熔化溫度均在1400℃以下，表明此時MgO的添加量不受限制，可依據資源條件和生產成本添加MgO。從表2可見，雖然該高爐爐渣MgO含量高達17.5%，但由于爐渣Al₂O₃含量僅為13%，爐渣的熔點僅為1390℃左右（圖6橢圓區域），因此，該高爐仍能正常生產，就是因為爐渣Al₂O₃含量低的緣故。因此，當爐渣Al₂O₃<14%時，爐渣的鎂鋁比不受限。

3.2爐渣Al₂O₃=15%~17%

在圖3上繪制出R=1.0~1.2、Al₂O₃=12.5%~20.0%、MgO =5.0%~15%的區域，再把相對應的鎂鋁比等值線選加在圖中（如圖7虛線所示）。由圖7可見，當Al₂O₃=15%~17%時，鎂鋁比為0.3~1.0條件下，均能滿足爐渣黏度小于0.4Pa·s的冶煉要求。但是，從節約成本、減少渣量（等價于降低燃料消耗）的角度考量，應盡可能地降低鎂鋁比。

由圖7亦可見：對于Al₂O₃=15%~17%爐渣，滿足爐渣黏度為0.3~0.4Pa·s（圖中灰色區域）的鎂鋁比為0.35~0.8。為了在確保高爐正常冶煉前提下最大限度地降低生產成本與工序能耗，適宜的鎂鋁比應為0.4~0.5（圖中深灰色區域）。因此，可以確定：對于Al₂O₃=15%~17%爐渣的適宜鎂鋁比為0.4~0.5（圖7中深灰色區域）。例如，某鋼鐵公司高爐的實際生產數據，爐渣Al₂O₃約為16%，鎂鋁比為0.6（A點），若將鎂鋁比降至0.4~0.5，同時適當提高爐渣堿度（B點），不僅可以確保爐渣黏度為適宜的黏度范圍（0.3~0.4Pa·s），同時可以減少高爐冶煉過程MgO的添加量，降低生產成本和能源消耗。應特別指出的是：在爐渣成分Al₂O₃=15%～17%冶煉時，應注意該成分爐渣的溫度敏感性。圖8給出了不同Al₂O₃含量爐渣黏度隨溫度的變化規律。圖中各標號對應的爐渣成分見表3。從圖可見，無論爐渣Al₂O₃含量多宴，隨溫度的下降黏度均呈上升趨勢。但是從圖中還可以得出如下規律：（1）相同溫度條件下，在表3中給出各種爐渣中6號爐渣的黏度較小，這是因為爐渣Al₂O₃只有13.4%，相對而言，在各種爐渣中1、2、8號爐渣的黏度較高，約是6號爐渣的1倍以上，這一規律印證了在爐渣堿度一定的條件下，隨Al₂O₃含量的增加爐渣黏度呈上升趨勢的結果（參照圖2）。

（2）對于Al₂O₃=15%~17%（3、4、7、9、10號爐渣），當爐渣溫度較高時，黏度尚可，但是當爐渣溫度降至1425℃左右時，爐渣黏度急劇上升，也就是說Al₂O₃=15%~17%的爐渣在1425℃左右時對溫度的敏感性極強。因此在冶煉該組成的爐渣時，應充分注意爐溫的變化，要確保爐溫充沛，以防止因爐溫偏低導致爐渣黏度急劇上升而致使爐況不順的現象。

3.3爐渣Al₂O₃>18%

在圖7上繪制出18%和20%等Al₂O₃線（如圖9所示）。采用與分析Al₂O₃=15%~17%爐渣時同樣的方法可知，使Al₂O₃含量為18%～20%爐渣黏度處于0.3~0.4Pa·s的鎂鋁比為0.45~0.55。因此，對于超高Al₂O₃含量（>18%）爐渣的適宜鎂鋁比為0.45~0.55。

印度盛產高Al₂O₃，鐵礦石，高爐冶煉時爐渣Al₂O₃高達18%以上，爐渣鎂鋁比為0.5左右（圖9中的黑色圓點）。從圖可見：印度的冶煉狀況與本理論給出的鎂鋁比范圍相接近，該生產數據從側面印證了本理論的合理性。

另外，從爐渣熔點的角度出發，可以佐證不同Al₂O₃爐渣對應的適宜鎂鋁比的合理性。圖10給出了不同Al₂O₃含量爐渣鎂鋁比對爐渣熔化溫度的影響。由圖可見，對于Al₂O₃=10%的爐渣，鎂鋁比高達2.0時仍可保持爐渣熔點低于1425℃，即在此條件下，鎂鋁比不受限，可根據原燃料條件和生產成本添加MgO。而對于Al₂O₃=20%的爐渣，為了使爐渣熔點低于1425℃，應控制爐渣鎂鋁比不超過0.55?？梢?，基于爐渣熔點得到的適宜鎂鋁比的結論與基于黏度分析得到的結論高度吻合，即：黏度和熔點分析雙雙給出了同樣的制定適宜鎂鋁比的科學理論依據。

4. 結論

對高爐爐渣全成分（Al₂O₃=8%~25%）的適宜鎂鋁比進行了理論分析，構建了協同優化-功效最大化的適宜鎂鋁比理論體系。基于熱力學和相圖分析，定量給出了適宜鎂鋁比三段式精細化控制方針：（1）當爐渣Al₂O₃<14%時，爐渣的鎂鋁比不受限，可根據原燃料條件和生產成本添加MgO。（2）當爐渣Al₂O₃=15%~17%時，爐渣適宜的鎂鋁比為0.40~0.50，但需注意爐渣對溫度的敏感性。（3）當爐渣Al₂O₃>18%時，爐渣適宜的鎂鋁比為0.45~0.55。應當指出的是，鎂鋁比要適宜，高于適宜值使得冶煉成本增加，低于適宜值則易導致爐況不穩。

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