高爐冶煉釩鈦礦爐料結(jié)構(gòu)模型分析及生產(chǎn)實踐

林文康，饒家庭，李志霖

(1.攀鋼集團(tuán)西昌鋼釩有限公司，四川 西昌 615000; 2.攀鋼集團(tuán)研究院有限公司，四川 攀枝花 617000)

鋼鐵生產(chǎn)中的燒結(jié)工藝和球團(tuán)工藝統(tǒng)稱鐵礦石造塊工藝，即將鐵礦粉制備成供高爐煉鐵用爐料的過程。近幾年，我國鏈篦機-回轉(zhuǎn)窯法生產(chǎn)酸性氧化球團(tuán)礦的工序能耗已下降到30 kg 標(biāo)煤/t·球以下，而燒結(jié)礦生產(chǎn)工序能耗在50 kg標(biāo)煤/t左右，酸性氧化球團(tuán)礦生產(chǎn)在能源消耗方面比燒結(jié)礦有很大的優(yōu)勢[1]。酸性球團(tuán)礦的高溫冶金性能隨MgO含量增加得到改善，當(dāng)MgO/SiO2比值達(dá)到0.5時，其冶金性能指標(biāo)達(dá)到優(yōu)良程度[2]。攀西地區(qū)的釩鈦磁鐵精礦(后文簡稱“釩鈦礦”)生產(chǎn)的酸性釩鈦球團(tuán)礦中，MgO含量在3.0%左右，MgO/SiO2比值>0.6。研究表明，酸性釩鈦球團(tuán)礦具有良好的冶金性能，球團(tuán)還原膨脹率<10%，在高爐冶煉過程中形成的滴落帶厚度較窄，對冶煉過程有利；而當(dāng)釩鈦礦用于制備高堿度燒結(jié)礦時，在燒結(jié)過程中生成了較多的鈣鈦礦物相，導(dǎo)致燒結(jié)液相量不足，而且粘結(jié)相形狀及結(jié)構(gòu)不合理，導(dǎo)致釩鈦燒結(jié)礦的脆性大、強度差[3-4]。

據(jù)文獻(xiàn)資料，以“80%燒結(jié)礦+15%球團(tuán)礦+5%富塊礦”的爐料結(jié)構(gòu)，替代100%燒結(jié)礦直接入爐，“80%燒結(jié)礦”為熔劑性高堿度(R=1.8)燒結(jié)礦，其主要粘結(jié)相為鐵酸鈣，強度高，滿足大型高爐的要求[5]。隨著釩鈦礦造塊技術(shù)和高爐冶煉釩鈦礦技術(shù)的進(jìn)步，攀鋼高爐冶煉釩鈦礦的爐料結(jié)構(gòu)由“低堿度釩鈦燒結(jié)礦+酸性塊礦”轉(zhuǎn)變?yōu)椤案邏A度釩鈦燒結(jié)礦+酸性釩鈦球團(tuán)礦+酸性塊礦”[5-7]。在我國綠色低碳制造政策的導(dǎo)向下，攀鋼高爐爐料結(jié)構(gòu)會進(jìn)一步增大釩鈦酸性球團(tuán)礦比例，降低釩鈦燒結(jié)礦比例。由于受爐渣合適堿度R2和(TiO2)水平的限制，隨著高爐爐料中釩鈦球團(tuán)礦配比的提高，燒結(jié)原料中釩鈦礦的配加比例下降，而其它普通鐵礦粉的配比和燒結(jié)礦堿度可適當(dāng)提高。

為此，本文擬通過構(gòu)建高爐冶煉釩鈦礦爐料分析模型，系統(tǒng)研究隨高爐爐料中釩鈦球團(tuán)礦配比的提高，燒結(jié)各物料配比、釩鈦燒結(jié)礦成份和成本變化情況，為合理選擇釩鈦礦的入爐方式，改善釩鈦礦燒結(jié)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，降低煉鐵生產(chǎn)成本提供理論指導(dǎo)。

1 模型中原料編碼及常量參數(shù)

攀鋼高爐入爐的爐料主要有釩鈦燒結(jié)礦、釩鈦球團(tuán)礦、塊礦等，原料編碼見表1，常量參數(shù)見表2。

表1 原料編碼 單位：kg/t

表2 常量參數(shù)

從表1、表2來看，爐料中釩鈦燒結(jié)礦和釩鈦球團(tuán)礦的釩鈦礦原料為同一種釩鈦礦，如果在塊礦配比、入爐品位、爐渣堿度和(TiO2)不變的情況下，高爐冶煉燃料比(焦比+煤比)按常量(設(shè)定值)輸入，即整個爐料結(jié)構(gòu)僅有釩鈦燒結(jié)礦與釩鈦球團(tuán)礦為變量；隨高爐爐料中釩鈦球團(tuán)礦配比變化，冶煉1噸生鐵所需的各原料量隨之發(fā)生變化(即表1中X1～X8)，進(jìn)而釩鈦燒結(jié)礦成份和成本發(fā)生變化。

在上述表中的參數(shù)按常量輸入后，高爐冶煉爐料分析中的變量僅為釩鈦燒結(jié)礦的單耗和釩鈦球團(tuán)礦單耗，實質(zhì)是分析冶煉1噸生鐵所需原料中釩鈦球團(tuán)礦的單耗變化后，對應(yīng)的釩鈦燒結(jié)原料配比、燒結(jié)礦成份及加工成本、生鐵成本的變化規(guī)律。

2 構(gòu)建爐料結(jié)構(gòu)分析模型

2.1 釩鈦球團(tuán)礦

SumPet=X1

釩鈦球團(tuán)礦的TFe、petSiO2、petTiO2和petCost成本：

單位是元/噸。

2.2 釩鈦燒結(jié)礦

冶煉1噸生鐵所需的燒結(jié)原燃料X2～X7總量(kg/t)的燒殘值，即為入爐釩鈦燒結(jié)礦量SumSin,kg/t

釩鈦燒結(jié)礦的TFe、petTiO2和petCost成本：

2.3 約束方程

(1)理論礦耗計算方程

確定爐料結(jié)構(gòu)對應(yīng)的釩鈦燒結(jié)礦、釩鈦球團(tuán)礦、塊礦比例，根據(jù)指定入爐品位求出對應(yīng)的理論礦耗，即冶煉1噸生鐵需要的礦石總量，例如入爐品位為51%，全工序鐵損為4%時理論礦耗為：

不同釩鈦球團(tuán)礦配比條件下經(jīng)濟(jì)性評估，主要是根據(jù)冶煉的常量參數(shù)和釩鈦球團(tuán)礦配比，調(diào)整燒結(jié)原料X2～X7單耗，為此建立相應(yīng)的平衡方程來求解。

表3 爐料結(jié)構(gòu)變化情況

(2)TiO2計算方程

入爐TiO2負(fù)荷C為常量，即冶煉1噸生鐵所需的原燃料帶入的TiO2總量(通常只考慮釩鈦礦帶入TiO2)。釩鈦礦冶煉入爐品位51.0%，按經(jīng)驗公式計算出爐渣總量約為575kg/t。按照物質(zhì)守恒，Σ(原料帶入TiO2總量)=Σ(爐渣中的(TiO2)含量E+鐵水[Ti]含量B折算為TiO2)建立方程，計算出燒結(jié)原料中釩鈦礦單耗X2。

(3)釩鈦燒結(jié)礦量計算方程

入爐釩鈦燒結(jié)礦量=理論礦耗·釩鈦燒結(jié)礦配比/100=燒結(jié)物料燒殘值=SinSum

(4)釩鈦燒結(jié)礦TFe計算方程

按X2～X7各原料單耗和Fe成份可計算出釩鈦燒結(jié)礦TFe；根據(jù)表2中的常量，亦可計算釩鈦燒結(jié)礦中的Sin_TFe，由此建立釩鈦燒結(jié)礦TFe平衡方程。

(1)

(5)高爐物料CaO、SiO2計算方程

根據(jù)高爐冶煉的特點，爐渣堿度為常量，入爐原料的CaO、SiO2平衡方程：

(2)

(6)燒結(jié)物料熔劑計算方程

燒結(jié)混合料的生石灰配比為常量(按8%計)，通過調(diào)整石灰石配比調(diào)整燒結(jié)礦堿度。

0.08(X2+X3+X4+X6+X7)-0.92X5=0

(3)

(7)燒結(jié)物料碳計算方程

燒結(jié)混合料的含碳量初始值為常量0.035，焦粉的含碳量為0.85。隨著燒結(jié)礦堿度提高，石灰石配比每增加1%，燃料增加0.15 kg。計算公式如下：

0.035(X2+X3+X4+X5+X6)

-0.815X7=0

(4)

(5)

整理上述方程，共有X1～X8個變量，在相同入爐品位條件下，根據(jù)理論礦耗和釩鈦球團(tuán)礦配比可計算出冶煉1噸鐵所需的釩鈦球團(tuán)礦量，再根據(jù)釩鈦球團(tuán)礦的原料配比常量(釩鈦礦：膨潤土=98.5:1.5)可計算出X1和X8的值，根據(jù)入爐TiO2負(fù)荷C常量和X1值可計算出X2，從而去掉了3個約束條件，剩余X3～X7共5個變量，共有5個約束方程，由此可求出不同釩鈦球團(tuán)配比條件下滿足約束方程的唯一的解。

3 模型分析運用實例

3.1 運用模型分析高爐冶煉釩鈦礦的爐料結(jié)構(gòu)

釩鈦燒結(jié)礦和釩鈦球團(tuán)礦都使用鐵品位56%釩鈦礦，按照釩鈦礦冶煉的經(jīng)驗值，在模型中輸入常數(shù)入爐品位為51.5%，焦比消耗440 kg/t，爐渣堿度和入爐TiO2負(fù)荷C，在上述常數(shù)不變的條件下，高爐釩鈦球團(tuán)礦配比由20%增至60%，釩鈦球團(tuán)礦配比間隔5%，分析模型界面見圖1，模型自動計算出高爐冶煉鐵品位56%釩鈦礦不同爐料結(jié)構(gòu)對應(yīng)的釩鈦燒結(jié)礦占比、釩鈦燒結(jié)礦成份和成本，以及生鐵物耗成本，計算結(jié)果見表4。

圖1 高爐冶煉釩鈦礦爐料結(jié)構(gòu)分析模型界面

表4 應(yīng)用模型分析高爐冶煉釩鈦礦爐料結(jié)構(gòu)的結(jié)果

從表4中分析結(jié)果可以看出，釩鈦礦TFe為56%時，隨著釩鈦球團(tuán)礦配比從20%提高至60%，帶入高爐的酸性物料增多，為保證爐渣堿度R2和入爐TiO2負(fù)荷C不變，釩鈦燒結(jié)礦TFe品位從50.19%降低到45.77%、二元堿度從1.72倍上升至2.97倍、CaO+SiO2總量從14.19%上升至24.68%，釩鈦燒結(jié)礦成本從596.29元/噸升高到736.28元/噸。從燒結(jié)杯試驗和生產(chǎn)實踐經(jīng)驗來看，釩鈦礦比例下降，普通礦比例上升，釩鈦燒結(jié)礦堿度和硅鈣(CaO+SiO2)總量的提高，均有利于提高釩鈦燒結(jié)礦產(chǎn)量和強度，改善冶金性能[8-9]。

3.2 工業(yè)試驗結(jié)果

基于以上爐料結(jié)構(gòu)模型分析結(jié)果，攀鋼開展了高爐冶煉提高釩鈦球團(tuán)配比的工業(yè)試驗，試驗前后保證高爐爐渣堿度R2和(TiO2)不變，高爐爐料中釩鈦球團(tuán)礦配比從24%上升到34%，釩鈦燒結(jié)礦配比從66%降低到56%，塊礦配比10%不變，調(diào)整燒結(jié)物料配比滿足高爐爐渣成份需要。試驗前后燒結(jié)和高爐工序關(guān)鍵技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如表7、8所示：

表7 試驗前后燒結(jié)工序關(guān)鍵技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

表8 試驗期間高爐工序關(guān)鍵技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

從表7、8可以看出，隨著入爐料中釩鈦球團(tuán)配比由24%提高到34%，釩鈦燒結(jié)礦TFe小幅下降0.1個百分點，堿度提高0.23，燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓指數(shù)、成品率和燒結(jié)機利用系數(shù)分別提高0.19和1.52個百分點，0.03 t/(m2·h)；高爐工序的綜合入爐品位提高1.5個百分點，高爐利用系數(shù)提高0.140 t/(m3·d)，鐵損降低1.7個百分點，燃料比降低22 kg/t。

4 結(jié)論

(1)通過模型分析，提高高爐冶煉爐料中釩鈦球團(tuán)礦的配比，實質(zhì)是降低釩鈦燒結(jié)礦中釩鈦礦的單耗，對燒結(jié)原料配比、釩鈦燒結(jié)礦成份和成本，以及生鐵冶煉物耗成本產(chǎn)生影響。在模型設(shè)定條件后，可一次性求解出釩鈦球團(tuán)配比從20%提高至60%條件下的燒結(jié)原料配比及釩鈦燒結(jié)礦成份等參數(shù)。

(2)運用模型分析高爐冶煉鐵品位56%釩鈦礦的爐料結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明，保持入爐品位51.5%、TiO2負(fù)荷及爐渣堿度不變的情況下，隨著高爐釩鈦球團(tuán)礦配比從20%增加到60%，燒結(jié)原料中釩鈦礦配比大幅降低，釩鈦燒結(jié)礦的二元堿度和硅鈣(CaO+SiO2)總量提高，有利于改善釩鈦燒結(jié)礦的產(chǎn)質(zhì)量指標(biāo)。

(3)基于爐料結(jié)構(gòu)模型分析，開展了提高高爐入爐料中釩鈦球團(tuán)配比的工業(yè)試驗，結(jié)果表明，當(dāng)球團(tuán)配比由24%提高至34%，因燒結(jié)物料配比和釩鈦燒結(jié)礦成份發(fā)生改變，釩鈦燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓指數(shù)、成品率和燒結(jié)機利用系數(shù)都得以提高；高爐綜合爐料冶金性能的得到改善，綜合入爐品位提高1.5個百分點，高爐工序技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)大幅改善。