面向高爐冶煉的燒結(jié)與煉焦技術(shù)

畢學(xué)工

(武漢科技大學(xué),鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

面向高爐冶煉的燒結(jié)與煉焦技術(shù)

畢學(xué)工

(武漢科技大學(xué),鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

提出了應(yīng)對(duì)資源劣化、充分考慮價(jià)格和成本因素開發(fā)研究高效鐵礦石造塊技術(shù)和高效煉焦技術(shù)的必要性,簡單介紹了國外面向高爐冶煉的燒結(jié)技術(shù)與煉焦技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀。

高爐冶煉 燒結(jié) 煉焦 資源

0 前言

精料是高爐高效運(yùn)行的基礎(chǔ),是現(xiàn)代高爐技術(shù)生存和可持續(xù)發(fā)展的前提。當(dāng)前的精料技術(shù),不能再像過去一段時(shí)間那樣建立在低價(jià)優(yōu)質(zhì)原料的基礎(chǔ)上,而應(yīng)該充分考慮價(jià)格和資源供應(yīng)的限制。要大力研究開發(fā)大配比低價(jià)鐵礦石的高效造塊技術(shù),從長遠(yuǎn)觀點(diǎn)看,還要研究開發(fā)大配比弱粘結(jié)煤的高效煉焦技術(shù)。而高效燒結(jié)技術(shù)和高效煉焦技術(shù)的發(fā)展,首先得搞清燒結(jié)礦質(zhì)量和焦炭質(zhì)量與高爐冶煉指標(biāo)之間究竟是什么關(guān)系。下面筆者就日本和歐洲在面向高爐冶煉的燒結(jié)和煉焦技術(shù)方面的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀作一介紹,以資國內(nèi)煉鐵同行參考。

1 焦炭反應(yīng)性高、燒結(jié)礦還原性高是高爐冶煉的需要

隨著噴煤量不斷增加,焦炭作為還原劑和發(fā)熱劑的重要性越來越小,而骨架作用的重要性越來越大,所以要求焦炭不僅冷強(qiáng)度高,而且熱強(qiáng)度也高是完全正確的。由于焦炭的熱強(qiáng)度指標(biāo) (CSR)和反應(yīng)性指標(biāo) (CR I)是同一個(gè)實(shí)驗(yàn)的兩種不同結(jié)果,二者之間存在明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系,所以目前一般認(rèn)為焦炭反應(yīng)性越低越好。但從高爐理論角度分析,焦炭反應(yīng)性低不利于降低焦比和增產(chǎn)。圖 1為提高反應(yīng)效率改善高爐過程技術(shù)的操作線圖解。

圖1 提高反應(yīng)效率改善高爐過程技術(shù)的操作線圖解

由圖 1可以看出,W點(diǎn)的爐身效率等于 100%。目前高爐操作水平一般超過 90%。為了進(jìn)一步提高高爐的效率,有兩種途徑可供選擇:①保持目前的熱保存帶溫度不變,使操作線向W點(diǎn)移動(dòng) (A→B);②通過降低熱保存區(qū)的溫度,使W點(diǎn)向ηCO較高的一側(cè)移動(dòng),增大還原驅(qū)動(dòng)力,達(dá)到加速礦石還原、擴(kuò)大降焦?jié)摿Φ哪康?(B→C)。

傳統(tǒng)采取的措施,如改善燒結(jié)礦的還原性,礦石層的高溫性能(焦丁和礦石混裝等),通過控制布料改善煤氣流分布等,都屬于途徑①。而途徑②的措施,目前僅有使用高反應(yīng)性焦炭和大量使用礦煤團(tuán)塊。

日本新日鐵公司第三研究室 (煉鐵研究室)開發(fā)了如圖 2所示的實(shí)驗(yàn)裝置,命名為絕熱高爐內(nèi)部反應(yīng)模擬器,簡稱 B IS[1]。反應(yīng)器是一根內(nèi)徑103 mm的不銹鋼管,長 5.4 m。電爐由 4個(gè)加熱爐和 10個(gè)絕熱爐組成,加熱爐的任務(wù)是將煤氣預(yù)熱到高爐軟熔帶上部的溫度 (1200℃)。B IS還具有煤氣成分在線檢測(cè)和連續(xù)調(diào)節(jié)荷重的功能。

圖2 絕熱高爐內(nèi)部反應(yīng)模擬器 (B IS)示意圖

在B IS上進(jìn)行了使用高反應(yīng)性焦炭提高高爐反應(yīng)效率的研究。使用高反應(yīng)性焦炭的目的是通過降低焦炭的開始反應(yīng)溫度控制熱保存區(qū)溫度以及礦石的還原平衡點(diǎn),通過增大高溫下的還原勢(shì)加速礦石的還原。燒結(jié)礦是生產(chǎn)燒結(jié)礦,J IS還原度 =66%,總氣孔率 32%,粒度范圍 10 mm～15 mm?？紤]到高爐內(nèi)堿金屬的循環(huán)富集,焦炭預(yù)加了 2%的堿,準(zhǔn)備了幾種不同 J IS反應(yīng)性的焦炭試樣。因受到反應(yīng)管內(nèi)徑的限制,以 10 mm～15 mm部分模擬粗顆粒焦炭,3 mm～5 mm部分模擬焦丁。

試驗(yàn)結(jié)果顯示,使用高反應(yīng)性焦炭不僅有效地降低了熱保存區(qū)的溫度,而且提高了燒結(jié)礦的還原度。這是因?yàn)?FeO+CO=Fe+CO2與 C+CO2=2CO是一對(duì)耦合反應(yīng),礦石的還原性不可避免地受到焦炭反應(yīng)性的影響,如圖 3所示 (圖中細(xì)實(shí)線代表高反應(yīng)性焦炭(J IS反應(yīng)性 =93%),長虛線代表普通焦炭 (J IS反應(yīng)性 =59%))。

圖3 焦炭反應(yīng)性對(duì)溫度和燒結(jié)礦還原行為的影響

由圖 3可知,使用高反應(yīng)性焦炭以后,熱保存區(qū)溫度明顯降低,而且當(dāng)溫度超過熱保存區(qū)溫度 (此處取 1000℃)以后,燒結(jié)礦的還原度隨焦炭反應(yīng)性的增大而顯著提高。也就是說,燒結(jié)礦在高爐內(nèi)的高溫還原性不僅取決于燒結(jié)礦自身的性能,而且還與焦炭的反應(yīng)性有密切關(guān)系。

在B IS上還進(jìn)行了在燒結(jié)礦和焦炭層中混入不同粒度、不同配比高反應(yīng)性焦炭 (J IS反應(yīng)性 =93%)的試驗(yàn)。結(jié)果表明,將高反應(yīng)性焦炭混在燒結(jié)礦層里面比將其混在焦炭層里面,對(duì)改善燒結(jié)礦還原指數(shù)的效果更好;高反應(yīng)性焦炭的配比越高,效果越好;焦炭粒度越小,效果越好,配加 25%的高反應(yīng)性小粒度焦炭,達(dá)到的高爐內(nèi)部還原指數(shù)與配加50%的大顆粒高反應(yīng)性焦炭基本相同。

通過理論計(jì)算,使用高反應(yīng)性焦炭可以使燃料比減少 25%～35%,燒結(jié)礦還原性越高,燃料比降低的幅度越大。

通過對(duì)降低熱保存區(qū)溫度改善燒結(jié)礦還原效率機(jī)理的研究,得到如下結(jié)論:

1)高反應(yīng)性焦炭在比普通焦炭在較低的溫度下即開始與 CO2反應(yīng),結(jié)果使得 FeO-Fe還原達(dá)到平衡時(shí)的ηCO增大;

2)低溫下能夠發(fā)生 FeO到 Fe還原反應(yīng)的氣孔很小,這些氣孔對(duì)改進(jìn)還原速度有貢獻(xiàn);

3)使用高反應(yīng)性焦炭降低了浮氏體結(jié)構(gòu)鐵酸鈣 (CW)還原為鐵的反應(yīng)開始溫度,從而迅速減少CW量,避免其轉(zhuǎn)化為液相而堵塞氣孔,從而對(duì)改善燒結(jié)礦的高溫性能做出貢獻(xiàn)。

基于以上基礎(chǔ)研究結(jié)果,新日鐵公司的高爐一直在生產(chǎn)中試用高反應(yīng)性焦炭。

3 改善燒結(jié)礦高溫性能的研究

燒結(jié)礦的質(zhì)量檢測(cè)指標(biāo)有許多種,但對(duì)哪些指標(biāo)對(duì)高爐冶煉影響最大的問題,煉鐵界尚未達(dá)成共識(shí)。比利時(shí) Sidmar公司通過對(duì)進(jìn)廠礦石全程跟蹤和進(jìn)行 SPC(統(tǒng)計(jì)過程分析技術(shù))分析,發(fā)現(xiàn)燒結(jié)礦的各種檢測(cè)指標(biāo) (如 ISO轉(zhuǎn)鼓,低溫還原粉化指標(biāo)(LTB,-0.5 mm%),<5 mm返礦量,FeO含量,900℃中溫還原性等)中,除 LTB以外,都找不到與高爐操作指標(biāo)之間有什么明顯的關(guān)系[2]。日本 JFE公司的研究也發(fā)現(xiàn),燒結(jié)礦的 RD I指標(biāo)與高爐的煤氣利用率有密切關(guān)系[3]。Sidmar公司將礦石分為以下四類:

1)不容易同化的礦石,燒結(jié)時(shí)可保持較多的核礦石,為燒結(jié)礦提供良好的機(jī)械強(qiáng)度;

2)與熔劑同化能力強(qiáng)的礦石,為燒結(jié)礦提供良好的熱強(qiáng)度;

3)赤鐵礦和褐鐵礦類礦石,為燒結(jié)礦提供良好的還原性;

4)熔點(diǎn)特別高的礦石,它會(huì)使燒結(jié)礦在高爐內(nèi)的行為不規(guī)律。

通過生產(chǎn)實(shí)際,確定了這四種礦石在燒結(jié)混合料中的合理配比:第四類的配比不得高于 13%,第三類的配比不得低于 15%,第一類配比與第二類配比的比值不得低于 0.3。這樣生產(chǎn)的燒結(jié)礦,其低溫還原粉化率才能夠符合高爐冶煉的要求 (LTB的控制標(biāo)準(zhǔn)是 18%)。

為了改善燒結(jié)礦的低溫還原粉化性能,我國普遍采用了噴灑氯化鈣的技術(shù)。通過近年來對(duì)燒結(jié)礦低溫還原粉化率的測(cè)試,我們發(fā)現(xiàn)雖然噴灑前各車間的燒結(jié)礦 RD I有比較大的差別,但噴灑以后卻非常接近 (如圖 4和圖 5所示)。

圖4 各車間燒結(jié)礦低溫還原粉化性能的對(duì)比(噴灑 CaCl2后)

圖5 噴灑 CaCl2對(duì)燒結(jié)礦低溫還原粉化性能的影響

這意味著,在研究燒結(jié)礦 RD I指標(biāo)與高爐冶煉關(guān)系的時(shí)候,應(yīng)該采用噴灑后的檢測(cè)值,而不是噴灑前的檢測(cè)值;而且由于噴灑氯化鈣以后不同燒結(jié)礦的 RD I變得比較接近,因此 RD I對(duì)高爐冶煉的影響將不會(huì)像比利時(shí)和日本高爐那樣明顯。

日本新日鐵公司利用B IS實(shí)驗(yàn)裝置深入探討了燒結(jié)礦高溫還原性與高爐冶煉指標(biāo)之間的關(guān)系,引進(jìn)了 R1000(1000℃時(shí)的還原度)和 R1200(1200℃時(shí)的還原度)兩個(gè)新指標(biāo)。

停止配加蛇紋石以后,燒結(jié)礦的 R1000值有所升高,而且滴落溫度提高了 15℃(如圖 6所示)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室研究結(jié)果,在燒結(jié)生產(chǎn)中減少了蛇紋石的配比,這種低 SiO2、低 MgO新型燒結(jié)礦在室蘭廠2號(hào)高爐上做了冶煉試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)雖然渣量有所增加,但因?yàn)闊Y(jié)礦的高溫還原性較好,高爐下部透氣性指數(shù) K值減小,煤比從 140 kg/t增加到 170 kg/t。之后,八幡廠也生產(chǎn)了低 SiO2、低 MgO燒結(jié)礦并在其 4號(hào)高爐上使用。為了不增加渣量,沒有從爐頂加塊狀熔劑,而是通過成分控制使高爐渣的粘度和熔點(diǎn)滿足生產(chǎn)需要。結(jié)果,高爐利用系數(shù)達(dá)到2.37 t/d.m3,焦炭負(fù)荷增加到 4.87,煤比提高到161 kg/t。

圖6 減少蛇紋石對(duì)燒結(jié)礦高溫還原行為的改善

2001年在八幡廠 3號(hào)燒結(jié)機(jī)和 4號(hào)高爐上又進(jìn)行了一系列減少燒結(jié)礦中 Al2O3含量的試驗(yàn)。因?yàn)闇p少Al2O3可多生成液相,所以減少了燒結(jié)礦中的 S iO2量;同時(shí)為了降低燒結(jié)礦的 FeO含量,適當(dāng)減少了燒結(jié)配碳。采用這些措施的目的是在保證燒結(jié)礦強(qiáng)度的同時(shí)明顯改善還原性。在絕熱高爐內(nèi)部反應(yīng)模擬器 (B IS)上進(jìn)行的測(cè)試證明,這種燒結(jié)礦的 S值減小,高爐的爐身效率改善。目前,在新日鐵所有高爐上都使用了新的低 Al2O3燒結(jié)礦。雖然使用了廉價(jià)的燒結(jié)性能不好的鐵礦石,但生產(chǎn)出的燒結(jié)礦質(zhì)量很高,對(duì)高爐的高生產(chǎn)率和低還原劑消耗做出了貢獻(xiàn)。

新日鐵公司為迎接未來的挑戰(zhàn),正著力研究開發(fā)優(yōu)良高溫還原性的燒結(jié)礦,措施之一是增加微氣孔的含量。現(xiàn)在對(duì)微氣孔形成機(jī)理和如何促進(jìn)微氣孔形成等問題仍然不太清楚,需進(jìn)一步進(jìn)行研究。

4 結(jié)束語

現(xiàn)在鋼鐵廠表征燒結(jié)礦性能的指標(biāo)有很多,但說不清楚哪種指標(biāo)最重要,重要到什么程度。對(duì)于焦炭的性能指標(biāo)也存在同樣情況,目前一般追求熱強(qiáng)度高而反應(yīng)性低,但這并沒有體現(xiàn)高爐對(duì)焦炭性能的本質(zhì)要求。這種狀況直接到影響到燒結(jié)和煉焦技術(shù)的進(jìn)步,最終對(duì)高爐生產(chǎn)帶來不利影響。

因此,有必要借鑒國外的經(jīng)驗(yàn),開展面向高爐的鐵礦石燒結(jié)技術(shù)和煉焦技術(shù) 的研究,在不斷惡化的資源形勢(shì)下,用更多的劣質(zhì)礦和劣質(zhì)煤生產(chǎn)出滿足高爐工藝要求的燒結(jié)礦和焦炭。

[1] 內(nèi)藤誠章,岡本晃,山口一良,等.高溫?zé)岜４鎺囟戎朴摔瑜敫郀t內(nèi)反応効率向上技術(shù) [J].新日鉄技報(bào),第 384號(hào)(2006),95-99.

[2] L.Bonte等著.西德馬高爐的高質(zhì)量低成本鐵水爐料結(jié)構(gòu)[J].世界鋼鐵,1999(3):34-38.徐萬仁譯自:1999 Ironmaking Conference Proceedings,pp.13-19.

[3] Takeshi Sato,Michitaka Sato,Kanji Takeda,et al.Desirable Blast Furnace Operation conditions and Burden Quality for Reduction of Exhaust CO2[J].The 4th International Conference of Science and Technology of Ironmaking,November 26-30,2006,Osaka,Japan,343-346.

[4] Kenichi HIGUCHI,Yasushi TAKAMOTO,Takashi OR IMOTO,et al.Quality Improvement of Sintered Ore in Relation to Blast Furnace Operation[J].N IPPON STEEL TECHN I CAL REPORT No.94 July 2006.36-41.

SINTERING AND COKING TECHNOLOGIES ORIENTED TO BLAST FURNACE SM ELTING

Bi Xuegong

(KeyLaboratory for FerrousMetallurgy and ResourcesUtilization ofMinistry of Education,WuhanUniversity of Science and Technology)

The necessity of studying and developing highly effective technologies of iron ore agglomeration and coking was proposed,copingwith deteriorated resources and fully considering the price and cost factors,and the present situation of sintering technology and coking technology oriented to blast furnace smelting in abroad was briefly discussed.

Blast furnace s melting Sintering Coking Resources

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聯(lián)系人:畢學(xué)工,教授,博士生導(dǎo)師,中國金屬學(xué)會(huì)煉鐵學(xué)術(shù)委員會(huì)理事,湖北.武漢 (430081),武漢科技大學(xué);

2010—1—3