劉征建,黃建強(qiáng),張建良,牛樂(lè)樂(lè),王耀祖
(1.北京科技大學(xué) 冶金與生態(tài)工程學(xué)院,北京 100083;2.北京科技大學(xué) 人工智能研究院,北京 100083)
建國(guó)之初,我國(guó)高爐入爐爐料主要為低堿度燒結(jié)礦和含鐵品位低的塊礦,此時(shí)高爐有效容積利用系數(shù)在0.7 t/(m3·d)以下,焦比達(dá)到1 200 kg/t以上[1]。20世紀(jì)50年代中后期,我國(guó)向蘇聯(lián)學(xué)習(xí),轉(zhuǎn)向了高堿度燒結(jié)礦的生產(chǎn)。使用自熔性燒結(jié)礦有效降低了焦比并提高生產(chǎn)率,我國(guó)高爐在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)采用100%自熔性燒結(jié)礦為原料。到了70年代,日本研究發(fā)現(xiàn)爐料結(jié)構(gòu)對(duì)軟熔帶的影響,開(kāi)始研究合理爐料結(jié)構(gòu)的相關(guān)問(wèn)題[2-4]。隨之開(kāi)始生產(chǎn)球團(tuán)礦,高爐采用“高堿度燒結(jié)礦+球團(tuán)礦+天然塊礦”搭配的爐料結(jié)構(gòu)[5],高爐指標(biāo)情況也因此有了明顯的改善。爐料結(jié)構(gòu)是否合理將直接影響高爐產(chǎn)量以及焦比,優(yōu)化爐料結(jié)構(gòu)一直都是一個(gè)重要技術(shù)問(wèn)題。
對(duì)比燒結(jié)礦,球團(tuán)礦有以下優(yōu)勢(shì):首先,球團(tuán)礦粒度小且均勻,有利于改善高爐料柱透氣性,返礦率低;其次,球團(tuán)礦的SiO2含量可達(dá)超低至2%,而燒結(jié)礦的SiO2含量基本在4.5%以上,燒結(jié)中FeO含量高(>7%),球團(tuán)FeO含量低(<1%),因此大比例球團(tuán)冶煉有利于間接還原;球團(tuán)礦強(qiáng)度高,在運(yùn)輸、裝卸和貯存時(shí)產(chǎn)生粉末少。在冶煉實(shí)踐中,高比例球團(tuán)冶煉有利于改善爐料結(jié)構(gòu),提高入爐含鐵品位,有利于提高煤氣利用率,降低焦比和燃料比,使得高爐增產(chǎn)降耗,有利于綜合利用國(guó)內(nèi)貧礦資源等。除此之外,從生產(chǎn)和環(huán)境狀況來(lái)看,一方面球團(tuán)工序能耗約為燒結(jié)工序的一半,甚至低至三分之一左右[6]。另一方面球團(tuán)礦煙氣量更低,球團(tuán)礦的噸礦煙氣量一般為1 300 m3/t(標(biāo)況下,下同),而燒結(jié)礦為1 800 m3/t。從CO2排放量來(lái)看,球團(tuán)工序的噸礦CO2排放量?jī)H占燒結(jié)工序的20%~46%[7],且燒結(jié)工序除排放SO2、NOx之外還有高排放量的二噁英、CO和氟化物。因此相對(duì)于燒結(jié),球團(tuán)生產(chǎn)更有利于鐵前工序的清潔生產(chǎn)。綜上所述,提高球團(tuán)礦入爐比例是一種重要的爐料結(jié)構(gòu)優(yōu)化方式。
本文針對(duì)提高球團(tuán)礦入爐比冶煉,介紹了歐盟、北美以及國(guó)內(nèi)一些企業(yè)高比例球團(tuán)冶煉實(shí)踐的爐料結(jié)構(gòu)和指標(biāo)情況,研究了國(guó)內(nèi)外企業(yè)大球比冶煉的操作制度,最后總結(jié)分析了現(xiàn)階段球團(tuán)入爐高比例冶煉的不足和未來(lái)的發(fā)展方向。
爐料質(zhì)量是高爐煉鐵燃料比的決定因素,要降低高爐煉鐵的燃料比,必須提高球團(tuán)礦的品質(zhì)。高品質(zhì)球團(tuán)礦應(yīng)包括以下幾個(gè)方面的內(nèi)涵:
(1)粒度小且均勻。當(dāng)球團(tuán)礦粒度小而勻時(shí)有利于高爐料柱透氣性的改善和氣流的均勻分布,降低煉鐵燃料消耗,且能減少焙燒階段干燥時(shí)間以及能耗。
(2)含鐵品位高、SiO2含量低。低品位、高SiO2球團(tuán)礦不僅使得高爐的渣量大,且入爐后難還原,使得高爐透氣性變差,導(dǎo)致高爐生產(chǎn)指標(biāo)惡化。
(3)良好的冶金性能。一般來(lái)說(shuō)球團(tuán)礦的900℃還原性應(yīng)不小于65%,還原膨脹指數(shù)不大于20%,開(kāi)始熔融溫度不小于1 300℃,開(kāi)始滴落溫度不大于1 470℃等[8]。
國(guó)內(nèi)外一些企業(yè)的球團(tuán)礦質(zhì)量如表1所示。我國(guó)企業(yè)生產(chǎn)的球團(tuán)品位相比國(guó)外先進(jìn)企業(yè)略低,抗壓強(qiáng)度普遍更高;另一方面我國(guó)鐵礦石資源普遍硅含量較高,品位較低,是我國(guó)球團(tuán)礦生產(chǎn)面臨的最主要問(wèn)題,也是高品質(zhì)球團(tuán)冶煉的質(zhì)量控制重點(diǎn)。
表1 某些企業(yè)的球團(tuán)礦質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比Tab.1 Comparison of pellet quality standards in some enterprises
從國(guó)際先進(jìn)煉鐵水平來(lái)看,歐盟技術(shù)屬于國(guó)際最前端,致力于爐料結(jié)構(gòu)的合理優(yōu)化。瑞典SSAB廠的高爐幾乎采用100%球團(tuán)礦,高爐利用系數(shù)可達(dá)3.5 t/(m3·d),綜合燃料比為457 kg/t,渣量?jī)H為146 kg[9]。歐盟的高爐入爐球團(tuán)礦比例高,一是環(huán)保生態(tài)原因,鐵前燒結(jié)工序受到嚴(yán)格限制[10];二是資源適合生產(chǎn)球團(tuán)礦;三是為了進(jìn)一步改善高爐煉鐵指標(biāo)。表2是歐美一些企業(yè)高爐的爐料結(jié)構(gòu)及指標(biāo)情況。顯然,高比例球團(tuán)冶煉能夠提高入爐含鐵品位,降低燃料比和渣比。
表2 歐美高爐爐料結(jié)構(gòu)及指標(biāo)情況Tab.2 Burden structures and indexes of blast furnaces in Europe and America
同樣北美的資源也適合生產(chǎn)球團(tuán)礦,高爐入爐球團(tuán)比例較高。如美國(guó)目前平均爐料組成為:“92%球團(tuán)+7%燒結(jié)礦+1%塊礦”,在產(chǎn)19座高爐中,有14座使用100%球團(tuán),其中60%是自熔性球團(tuán)礦,40%是酸性球團(tuán)礦,詳見(jiàn)表3。球團(tuán)入爐比例愈高,有效容積利用系數(shù)愈高。在美國(guó)煉鐵發(fā)展歷史上,高爐數(shù)量不斷減少,但是高爐生鐵產(chǎn)量卻是不斷增加的,高比例球團(tuán)冶煉便是其關(guān)鍵因素之一。
表3 美國(guó)高爐爐料結(jié)構(gòu)Tab.3 Burden structures of blast furnaces in United States
近年來(lái),國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)日益重視,并針對(duì)鋼鐵企業(yè)的環(huán)保整頓出臺(tái)了一系列政策措施?;趯?duì)環(huán)保、成本及冶煉順行的綜合考慮,提高球團(tuán)礦配比成為高爐煉鐵的新趨勢(shì),亦是爐料結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要方向[11-13]。國(guó)內(nèi)高爐爐料結(jié)構(gòu)及指標(biāo)情況詳見(jiàn)表4,我國(guó)企業(yè)爐料結(jié)構(gòu)基本還是以燒結(jié)礦為主,球團(tuán)礦入爐比例相比于歐美國(guó)家較低,利用系數(shù)明顯較低,渣比較高。21世紀(jì)以來(lái),我國(guó)球團(tuán)礦入爐比例整體來(lái)看是增加的,2001~2018年中國(guó)球團(tuán)礦產(chǎn)量及入爐比例如圖1所示[14]??梢?jiàn),提高高爐煉鐵球團(tuán)礦入爐比例會(huì)是當(dāng)前爐料結(jié)構(gòu)發(fā)展的趨勢(shì)。
圖1 2001~2018年中國(guó)球團(tuán)占爐料比例情況Fig.1 Pellet to charge ratios in China from 2001 to 2018
表4 國(guó)內(nèi)高爐爐料結(jié)構(gòu)及指標(biāo)情況Tab.4 Burden structures and indexes of domestic blast furnaces
國(guó)內(nèi)首鋼京唐、唐鋼不銹鋼、寶鋼湛江等諸多鋼鐵企業(yè)針對(duì)高比例球團(tuán)冶煉展開(kāi)工業(yè)化試驗(yàn)。2018年,首鋼京唐5 500 m3高爐進(jìn)行了兩次配用堿性球的大球比試驗(yàn),入爐球比高達(dá)50%。實(shí)驗(yàn)中,隨著球團(tuán)比例升高,爐內(nèi)煤氣、壓差等出現(xiàn)了波動(dòng),通過(guò)調(diào)整高爐內(nèi)煤氣分布、優(yōu)化上料料序、改善原燃料質(zhì)量等措施,逐步實(shí)現(xiàn)爐況穩(wěn)定,驗(yàn)證了大球比冶煉的可行性。
京唐公司于2019年5月,1#及3#高爐開(kāi)始大球比冶煉,球比由30%左右逐步提升至50%,6月底球比提至55%(酸堿球1:1),7月份高爐維持55%以上球比進(jìn)行冶煉,8月份3#高爐球比提高至59.1%,高爐平穩(wěn)運(yùn)行5天。在此次試驗(yàn)過(guò)程中,當(dāng)球比增加到55%時(shí),入爐品位為61.3%,渣比225 kg/t;繼續(xù)增加到59%時(shí),入爐品位61.7%,渣比215 kg/t。
唐鋼不銹鋼廠1號(hào)高爐450 m3,于2017年9月開(kāi)始進(jìn)行大球比冶煉的工業(yè)試驗(yàn),試驗(yàn)前爐料結(jié)構(gòu)為“78%燒結(jié)礦+20%普通酸性球團(tuán)礦+2%塊礦”。首先采用鎂質(zhì)酸性球團(tuán)礦置換普通酸性球團(tuán)礦,爐料結(jié)構(gòu)為“78%燒結(jié)礦+37%鎂質(zhì)酸性球團(tuán)礦+2%塊礦”;之后開(kāi)始配加鎂質(zhì)熔劑球團(tuán)礦逐步替換鎂質(zhì)酸性球團(tuán)礦,最高比例時(shí)爐料結(jié)構(gòu)為“20%燒結(jié)礦+80%鎂質(zhì)熔劑球團(tuán)礦”,并穩(wěn)定運(yùn)行了17天。此次工業(yè)試驗(yàn)通過(guò)一系列操作的調(diào)整,順利實(shí)現(xiàn)了60%以上高比例球團(tuán)礦冶煉,但由于配加鈦礦、控制冶煉強(qiáng)度等護(hù)爐措施的影響,技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)未能明顯提高,基本保持在試驗(yàn)前的水平,燃料比仍維持在550 kg/t左右。
湛江5 050 m3高爐在2017年9月同樣進(jìn)行過(guò)較高比例球團(tuán)礦的冶煉生產(chǎn),球團(tuán)礦比例接近20%。期間生產(chǎn)指標(biāo)相對(duì)于低球團(tuán)比來(lái)說(shuō),入爐品位提高了3%,焦比上升了10 kg/t,煤比減少了10 kg/t,鐵水成本增加了8元/t,利用系數(shù)、日產(chǎn)量以及風(fēng)量都基本持平[15]。
國(guó)內(nèi)高爐冶煉球團(tuán)占比少,一般在10%~30%之間,個(gè)別高爐達(dá)到了50%以上。高比例球團(tuán)冶煉在我國(guó)已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用,但總體來(lái)看,高爐操作指標(biāo)沒(méi)有取得相應(yīng)的提高,隨著入爐球團(tuán)礦比例的增加,對(duì)高爐的冶煉操作同樣有著不利影響[16]。
(1)抑制高爐內(nèi)煤氣流的發(fā)展。球團(tuán)礦易滾動(dòng),自然堆角小,會(huì)向中心和邊緣發(fā)生滾動(dòng),導(dǎo)致高爐中心以及邊緣煤氣流減弱。
(2)軟熔帶位置形狀發(fā)生改變,透氣性變差。高爐爐料中球團(tuán)礦占比提高,導(dǎo)致?tīng)t料軟化開(kāi)始溫度降低,軟熔帶位置上移,同時(shí)軟化區(qū)間擴(kuò)大,軟熔帶變寬。
(3)爐體熱負(fù)荷頻繁波動(dòng)。當(dāng)入爐球團(tuán)礦比例增加時(shí),球團(tuán)發(fā)生滾動(dòng),導(dǎo)致塊狀帶孔隙率下降,軟熔帶位置上移,煤氣流發(fā)展受到抑制,由此增加爐體熱負(fù)荷波動(dòng)頻率。
(4)高爐壓差呈上升趨勢(shì)。隨著入爐球團(tuán)礦比例的提高,高爐整體礦石的平均粒度減小,導(dǎo)致塊狀帶的爐料粒度差別值dp/Dp(即礦石平均粒徑/焦炭平均粒徑)減少,爐料軟化,體積收縮,塊狀帶孔隙度ε不斷下降,煤氣流阻力也急劇升高[17]。
綜上所述,為了確保高爐的穩(wěn)定順行,爐料結(jié)構(gòu)是重要基礎(chǔ),操作制度也是關(guān)鍵一點(diǎn),只有將兩者良好的結(jié)合在一起,才能實(shí)現(xiàn)高爐高產(chǎn)、低耗以及長(zhǎng)壽的目標(biāo)。
裝料制度是高爐操作中重要制度,對(duì)煤氣流的分布起著決定性影響,冶煉過(guò)程中通常以調(diào)整布料矩陣、料線來(lái)達(dá)到煤氣流的合理分布[18]。由于球團(tuán)礦具有軟化溫度低、軟熔區(qū)間大、料柱透氣性差等特點(diǎn),隨著入爐配比達(dá)到50%左右,很容易造成煤氣流的不合理分布,進(jìn)而導(dǎo)致高爐爐況不順[19]。
太鋼5#高爐在生產(chǎn)實(shí)踐中,充分考慮球團(tuán)礦比例增加后對(duì)煤氣流的影響,保證中心煤氣流的充沛,控制適當(dāng)?shù)倪吘壝簹饬鳎?0]。太鋼的料面形狀為平臺(tái)漏斗,通過(guò)球團(tuán)礦和燒結(jié)礦的混裝以及向礦石中混入小塊焦炭的方式來(lái)弱化球團(tuán)礦的滾動(dòng),控制爐喉料面形狀;通過(guò)增加中心焦比例的方式發(fā)展中心煤氣流;通過(guò)調(diào)節(jié)布料溜槽角度和增加邊緣礦焦負(fù)荷的方式來(lái)控制邊緣煤氣流,同時(shí)相應(yīng)的調(diào)整槽下排料順序,使球團(tuán)礦盡可能的布在爐內(nèi)料面平臺(tái)上,減少料面漏斗處或接近爐內(nèi)中心位置的球團(tuán)礦量,并確保每批料中球團(tuán)礦用量穩(wěn)定,這樣就能夠保證球團(tuán)礦在爐頂各落料點(diǎn)料量的穩(wěn)定。
唐鋼不銹鋼廠1#高爐在球團(tuán)配比超過(guò)30%后,增加礦焦布料檔位,外抬焦布料角度,增加邊緣礦焦負(fù)荷等裝料制度的調(diào)整,適當(dāng)抑制邊緣氣流;在球團(tuán)配比>70%后,球團(tuán)礦向中心的滾動(dòng)使中心氣流明顯受到抑制,通過(guò)增加中心焦比例和在礦石環(huán)帶內(nèi)側(cè)形成“焦壩”阻擋球團(tuán)礦向中心滾動(dòng)來(lái)發(fā)展中心氣流。同時(shí)對(duì)排料順序進(jìn)行了調(diào)整,確保燒結(jié)礦布在爐喉礦石環(huán)帶的兩端,而球團(tuán)礦、塊礦等布在礦石環(huán)帶的中間。
綜合分析太鋼、唐鋼不銹鋼以及俄羅斯馬格尼托哥爾斯克鋼鐵廠[21-22]的生產(chǎn)實(shí)踐,考慮到高爐爐料結(jié)構(gòu)中球團(tuán)礦比例提升后爐喉料面的變化以及對(duì)煤氣流的影響,探索裝料制度的調(diào)劑方向是選擇適宜的料線,適當(dāng)增加邊緣礦焦負(fù)荷,調(diào)整布料角度控制邊緣氣流,適當(dāng)增加中心焦比例開(kāi)放中心氣流。同時(shí)通過(guò)在礦中混入焦丁的方式減弱球團(tuán)礦的滾動(dòng),選擇合理的排料順序和切出量,減少邊緣和中心區(qū)域的球團(tuán)礦量,增加平臺(tái)球團(tuán)礦量,使料面更加平坦[23-24]。
送風(fēng)制度對(duì)高爐內(nèi)煤氣流的分布也有著重要作用,決定了煤氣流在爐缸內(nèi)的初始分布,冶煉操作中通常調(diào)整送風(fēng)參數(shù)來(lái)控制合理的送風(fēng)制度。球團(tuán)礦在高爐內(nèi)部易發(fā)生滾動(dòng),隨著球團(tuán)礦比例增大后有著更嚴(yán)重的滾動(dòng)傾向[25]。
太鋼5#高爐生產(chǎn)實(shí)踐表明,高比例球團(tuán)冶煉時(shí)會(huì)出現(xiàn)球團(tuán)礦易滾向高爐中心,增加了中心的礦焦比;隨球團(tuán)礦比例增加,料面形狀難以穩(wěn)定,從而使整體煤氣流的穩(wěn)定性降低。因此,通過(guò)維持合理的送風(fēng)制度,適當(dāng)增加風(fēng)量,使風(fēng)速達(dá)到270~280 m/s,鼓風(fēng)動(dòng)能達(dá)到165~175 kJ/s,保持中心煤氣流暢通、穩(wěn)定,有利于高比例球團(tuán)礦生產(chǎn)時(shí)煤氣流的穩(wěn)定和爐缸的活躍。
唐鋼不銹鋼廠1#高爐生產(chǎn)實(shí)踐表明,當(dāng)球團(tuán)礦比例超過(guò)30%后,邊緣氣流漸發(fā)展,中心氣流略顯不足,雖采取了抑制邊緣發(fā)展中心的布料調(diào)整,但效果不理想;采取加長(zhǎng)風(fēng)口長(zhǎng)度的措施,取得了較好效果;當(dāng)球團(tuán)配比提高到50%以上后,爐況穩(wěn)定性變差,渣皮穩(wěn)定性降低,于是在進(jìn)一步加長(zhǎng)風(fēng)口長(zhǎng)度的同時(shí),逐步縮小了風(fēng)口送風(fēng)面積,經(jīng)上下部配合調(diào)整,邊緣氣流得到有效控制,爐況明顯改善。
綜合分析太鋼、唐鋼不銹鋼廠以及日本神戶鋼鐵3#高爐高球團(tuán)冶煉實(shí)踐[26],高爐采取高比例球團(tuán)冶煉后,會(huì)造成邊緣氣流發(fā)展,中心氣流不足,爐缸活躍性變差。送風(fēng)制度的調(diào)劑方向?yàn)檫m當(dāng)縮小風(fēng)口和加長(zhǎng)風(fēng)口以維持適宜的風(fēng)速和鼓風(fēng)動(dòng)能[27]。
唐鋼不銹鋼廠1#高爐生產(chǎn)實(shí)踐表明,高爐爐料結(jié)構(gòu)采用鎂質(zhì)球團(tuán)礦,能夠有效降低爐渣中Al2O3,同時(shí)提高渣中MgO,爐渣穩(wěn)定性和脫硫能力均得到提高,這樣就有條件在保證[S]滿足要求的情況下適當(dāng)降低二元堿度R2,維持適宜的四元堿度R4。這種造渣制度更利于活躍爐缸狀態(tài)及鐵水質(zhì)量,為改善高爐順行和提高球團(tuán)礦比例創(chuàng)造了有利條件。
河鋼樂(lè)亭對(duì)高爐爐料結(jié)構(gòu)進(jìn)行了測(cè)算,如采用傳統(tǒng)的R2控制[S]的造渣制度,燒結(jié)礦堿度需控制2.25以上,會(huì)造成燒結(jié)礦質(zhì)量的下降。如采用R3控制[S]的造渣制度,既可以保證燒結(jié)礦質(zhì)量,又可以使?fàn)t渣具備足夠的脫硫能力。
安鋼集團(tuán)永通鑄管公司450 m3高爐冶煉生產(chǎn)實(shí)踐得出,高爐爐渣二元堿度按1.18~1.20控制,w(MgO)保持在8%~11%,w(MgO)/w(Al2O3)≥0.70。保持出鐵后期鐵水溫度在1 500℃以上,保證渣鐵熱量充沛,流動(dòng)性良好??刂迫霠t原燃料成分,減少堿金屬Zn、Na、K等對(duì)煉鐵生產(chǎn)的不利影響,要求球團(tuán)礦中w(Na2O+K2O)<0.1%、w(ZnO)<0.05%[28]。
除了操作制度的改善外,還可以適當(dāng)優(yōu)化爐型。高爐爐料中球團(tuán)礦占比提高后,導(dǎo)致?tīng)t料軟化開(kāi)始溫度降低,使得軟熔帶位置上移以及寬度變大。為了改善料柱的透氣性,適當(dāng)增加爐腰高度或者擴(kuò)大爐腰直徑,以適應(yīng)軟熔帶位置和形狀的改變。此外,設(shè)計(jì)爐型時(shí),為了適應(yīng)大比例球團(tuán)礦的熱膨脹,將爐身改造成兩段式結(jié)構(gòu),增加爐身上部容積。高爐的爐體冷卻結(jié)構(gòu)建議采用厚壁爐襯或者新型爐體冷卻結(jié)構(gòu),以抵抗高熱負(fù)荷對(duì)爐體的磨損沖擊[29]。
高比例球團(tuán)冶煉已成為未來(lái)煉鐵發(fā)展趨勢(shì),但是有些問(wèn)題還亟需解決:首先,我國(guó)生產(chǎn)的球團(tuán)礦存在含鐵品位較低,SiO2較高,抗壓強(qiáng)度低,還原膨脹率高,軟融性能相對(duì)較差等問(wèn)題,與國(guó)際先進(jìn)水平仍有較大差距,球團(tuán)礦的制備過(guò)程基礎(chǔ)理論及操作技術(shù)需進(jìn)一步研究。其次,國(guó)內(nèi)高球團(tuán)礦冶煉操作經(jīng)驗(yàn)尚缺,還需要進(jìn)一步探索高爐高球比冶煉操作制度,克服高球比帶來(lái)的不利影響。
綜合考慮高比例球團(tuán)冶煉的特點(diǎn),可以從球團(tuán)礦質(zhì)量入手,提高其冶金性能。例如提高礦石品位或者使用富礦磨粉增加球團(tuán)礦的含鐵品位。其次,總結(jié)國(guó)內(nèi)外高比例球團(tuán)冶煉成功經(jīng)驗(yàn),探索適合的高比例球團(tuán)冶煉基本制度的調(diào)劑方向,為將來(lái)逐步實(shí)現(xiàn)高比例球團(tuán)冶煉提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。最后,未來(lái)可以嘗試優(yōu)化爐型設(shè)計(jì),為高爐高比例球團(tuán)冶煉打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。