潘飞 范凯利
（江苏镔鑫钢铁集团）
摘 要：随着钢铁工业的不断发展，降本增效已成为钢铁企业发展的主流。烧结作为高炉原料供应的重要工序，其能耗和成本对钢铁生产的综合能耗和生产成本具有重要影响。本文综述了烧结优化配矿技术的研究进展，包括配矿方案的设计、铁矿粉性能的评价以及优化配矿方法的应用。通过合理的配矿方案，可以改善烧结矿质量，降低能源消耗，保证高炉稳定顺行，提高钢铁企业的竞争力。
关键词：烧结；配矿优化；铁矿粉；高炉；稳定顺行；降本增效
一、引言
钢铁工业作为国民经济的重要支柱，其降本增效对于提高整体经济效益具有重要意义。降本增效的前提是高炉的稳定顺行，烧结作为高炉原料供应的重要工序，其能耗和成本占钢铁生产总能耗和成本的较大比例，同时烧结矿质量的好坏对高炉的稳定顺行具有重要影响。因此，优化烧结配矿技术，降低烧结能耗，提高烧结矿质量，已成为钢铁企业关注的焦点。高炉的降本增效，稳定顺行是钢铁企业不断追求的目标。
二、配矿方案的设计
配矿方案的设计是烧结优化配矿技术的核心，烧结配矿技术是在全面掌握铁矿粉的常温特性和高温特性的基础上，应用互补性原理和方法进行合理的配矿设计。合理的配矿方案应根据铁矿粉的化学成分、物理性能以及烧结特性进行综合考虑。不同铁矿粉具有不同的烧结特性，如同化性、液相流动性、黏结相强度和铁酸钙生成特性等，这些特性对烧结矿的成矿和质量指标具有重要影响。在高炉生产中，入炉原料主要为烧结矿、球团矿及块矿，其中烧结矿的占比普遍在70%以上。因此，烧结矿质量的好坏对高炉的生产及顺行起着决定性的作用，提高烧结矿质量对降低生产成本、保障高炉顺行具有重要的现实意义。
1、铁矿粉性能评价
由于铁矿粉物理化学特性及冶金性能的不同，使其在烧结特性方面存在较大的差异，烧结配矿技术就是在全面掌握铁矿粉的常温特性和高温特性的基础上，应用互补性原理和方法进行合理配矿设计。而铁矿粉的烧结性能，不仅体现在同化性、液相流动性、粘结相强度、还原性和复合铁酸钙产生能力等方面，还要综合考虑其常温性能：包括化学成分、物理特性（粒度组成等）。化学成分：铁矿粉的化学成分是影响烧结矿质量的基础因素。通常要求铁矿粉具有较高的铁品位和适宜的化学成分比例，以保证烧结矿的冶金性能。物理性能：铁矿粉的粒度、密度、强度等物理性能对烧结过程具有重要影响。粒度分布合理的铁矿粉有利于改善烧结料的透气性和混合料的成球性，从而提高烧结矿的产量和质量。烧结特性：铁矿粉的同化性、液相流动性、黏结相强度和铁酸钙生成特性等烧结特性是影响烧结矿成矿和质量的关键因素。通过测定这些特性，可以指导配矿方案的设计，优化烧结工艺参数。烧结矿的质量由化学成分、物理性能和冶金性能组成，它们三者之间的关系为：
化学成分是基础，物理性能是保证，冶金性能是关键。
2、方案优化
原料选择：根据铁矿粉的化学成分、物理性能和烧结特性，选择适宜的原料进行配矿。通常要求原料具有较高的性价比和稳定的供应渠道。配比设计：通过试验和计算，确定不同铁矿粉的配比。合理的配比可以充分利用各种铁矿粉的互补特性，提高烧结矿的质量和产量。工艺参数优化：根据配矿方案，优化烧结工艺参数，如碱度、燃料配比、混合料水分等，以进一步提高烧结矿的性能。从本质上讲，现在配矿方法属于试探性配矿，故盲目性较大。优化配矿的内涵是对铁矿石资源进行合理和优化利用；提高烧结生产的稳定性；降低烧结生产成本；提高烧结矿产量和质量；具有较好的冶金性能，能够满足高炉生产需要。利用铁矿性能互补原则，实现矿种合理搭配使用。满足烧结矿化学成分要求，满足烧结矿的转鼓强度，成品率和粒度要求，满足烧结矿冶金性能的要求。优化配矿的目的是使烧结矿的常温特性和高温特性均能满足高炉的需要。使高炉能够稳定顺行，进而实现铁前降本增效的目的。常温特性主要有化学成分、粒度组成、矿相形貌、制粒性能；高温特性主要有同化性、液相流动性、黏结相强度、连晶强度、熔化特性、吸液性、铁酸钙生成能力。
3、烧结矿的宏观结构
疏松多孔的薄壁结构：在配碳量低，液相量少且粘度低的情况下出现。这种烧结矿强度低，还原性好。中孔厚壁结构：出现于配碳量适当，液相量充分的情况下，这种烧结矿强度好，还原性好。大孔厚壁结构：常出现于配碳量较高的情况下，烧结矿的强度较好，还原性较差。大孔薄壁结构：若配碳量太高，就会出现大孔薄壁结构，烧结矿的强度和还原性均差。决定烧结矿宏观结构的主要因素是生产工艺参数的控制以及配碳量的高低。镔钢集团烧结矿低温还原粉化指数长期偏低，低的时候在54左右，高的时候在64，还原度在80左右，给高炉的炉况顺行造成了一定的影响。为实现优化配矿，确保高炉稳定顺行，在烧结杯实验中，以原有配矿方案为基线进行了调整，旨在提高烧结矿的冶金性能，通过综合分析考量，设计了2个配矿方案， 降低了巴西精粉的配比，增加褐铁矿比例，且保证烧结矿的品味在57以上。
烧结杯实验转鼓指数均＞65.50%根据YB-421-77 烧结杯转鼓≥65.50%时，转换为实际烧结矿转鼓指标≥78%。方案1为基准配矿方案，方案2、3为在基准方案基础上调整后的配矿方案。实验方案中，烧结用杂料添加镍矿，考虑到入炉有害元素情况，方案2、3的镍矿比例较方案1有所下调，方案2和方案1烧结矿的硅相同，为4.6左右，方案3的硅为5.0，烧结矿品味依次下降，铝含量依次上升。S、P含量基本正常，方案3有利于提高烧结矿的产量，且强度较好，烧结矿成品率高，内返率低，粒级分布更加合理。方案2和方案3从烧结杯实验来看烧结固体燃耗会有所增加。从冶金性能数据分析方案2的冶金性能指数相对较好。
三、烧结矿化学成分的影响
1、碱度对其性质的影响
随着碱度和燃料用量不同，烧结矿的矿物组成相应发生变化。当碱度高时磁铁矿和赤铁矿量减少，铁酸钙增加。这是由于CaO增加和氧化铁结合的结果。随着碱度的提高，烧结矿还原性能和烧结矿强度不断提高，低温还原粉化率有降低的趋势。由于这个原因，烧结矿碱度变化时，不仅会造成高炉渣成分的波动，而且也会造成炉内烧结矿软熔位置变化而引起炉况不顺的情况。同时，因为烧结矿碱度的提高，烧结矿含铁量会随之下降，必须按照高炉的要求，结合烧结工序的具体情况，选择适当的碱度进行控制。
2、Al2O3含量对烧结矿性质的影响
Al2O3是高熔点化合物，高Al2O3含量需要更高的烧结温度和更长的烧结时间来维持所需的烧结矿强度。一般来说，会对烧结矿质量（特别是转鼓指数和还原性）和生产率带来不良影响。此外，Al2O3含量的增加还会使烧结矿低温还原粉化率（-3.15）明显升高。 当烧结料中含Al2O3较高时，可生成含Al2O3硅酸盐，促进铁酸钙的生成，减少硅酸钙的生成，同时会导致液相的粘度增大。Al2O3能加宽针状铁酸钙存在的温度范围，针状铁酸钙最大生成量对应的Al2O3/SiO2值为0.3～0.35。
3、MgO对烧结矿性质的影响
烧结矿中MgO的作用是满足高炉造渣的要求，能改善高炉炉渣的流动性。同时还有助于改善烧结矿质量，降低其低温还原粉化率。但烧结矿强度随之降低。如果因较高的MgO含量对烧结矿质量造成较大影响时，要从保证烧结矿转鼓强度和改善炉渣角度统筹考虑，可以考虑MgO的优化配置，即降低烧结矿MgO含量，提高球团矿中的MgO含量生产镁质球团，以满足高炉造渣要求。1）从改善炉渣流动性方面来讲，MgO含量应与炉渣中Al2O3含量匹配，一般来说，烧结矿的MgO/Al2O3应大于1.05。2）从烧结矿冷强度来看，适量的氧化镁（如MgO含量为1.8%到2.1%时）可以使赤铁矿被交织熔蚀结构更均匀、更紧密地固结，有助于烧结矿的组织结构均匀化和铁酸钙的发育长大，从而提高烧结矿的强度。然而，当氧化镁含量过高（2.6%以上时），磁铁矿、玻璃相明显增多，赤铁矿、铁酸钙有所减少，导致烧结矿强度下降，MgO含量增加，烧结液相开始生成温度明显上升，液相流动相降低，烧结矿冷强度降低。3）从改善烧结矿低温还原粉化率方面来看，MgO含量在1.4~2.3之间都有效果，在2.0-2.2达到最好。MgO易与Fe3O4结合生成镁磁铁矿（MgO·Fe3O4），阻碍Fe3O4氧化为Fe2O3，从而降低铁酸钙（CaO·Fe2O3）液相的生成量，影响烧结矿的还原性。此外，MgO·Fe2O3的还原性较CaO·Fe2O3差，因此高MgO烧结矿的还原性也较差。4）从熔滴性能来看：烧结矿MgO含量高会提高液相生成温度，不利于烧结过程中液相的生成，从而影响烧结矿的熔滴性能。高MgO烧结矿的高温软熔性能也较差，熔融区间增大，压差提高，滴落量变少。综上所述， MgO含量应以炉渣中的Al2O3含量决定。
4、SiO2含量对烧结矿质量的影响
SiO2 的增加,烧结矿的转鼓强度呈上升趋势,SiO2 = 4. 5 %～5. 0 % ,转鼓强度上升幅度较大, SiO2 = 5. 0 %～5. 5 % ,上升幅度较小。SiO2高时，烧结矿的还原性能较差，降低烧结矿SiO2含量，不仅可以减少高炉渣量和熔剂用量，降低高炉燃料消耗，同时还可以改善烧结矿的高温性能，有利于稳定炉况和实现低Si冶炼。一般烧结矿SiO2含量宜控制在4.7-5.5%。
5、FeO含量对烧结矿性能的影响
烧结矿中FeO含量的高低，主要与所用铁料、烧结过程中的氧化气氛强弱及温度水平高低有关，反映出了烧结过程中的温度水平和氧位的高低。与配碳量和燃料粒度有关系。配碳量增加，会使烧结矿中FeO含量升高；燃料粒度粗，燃料在烧结料中的分散度小，化学反应不均匀，会造成相同配比下，烧结矿FeO含量波动大。工艺条件不变时，FeO含量有一个适宜值。可以根据需要进行微调整，偏重于改善还原度和软熔性能，应适当低一点，偏重于改善粒度组成和低温还原粉化时，可以稍高一点。烧结矿硅低时FeO可以适当控制高点，烧结矿硅高时FeO可以适当控制低些。
四、烧结矿冶金性能影响
烧结矿的冶金性能包括900℃还原性（RI）、500℃低温还原粉化性能（RDI）、荷重软化性能（TBS、TBE、ΔTB）和熔融滴落性能（Ts、Td、ΔT、ΔPm、S值）。这四项性能中900还原性是基本性能，它不仅直接影响煤气利用率和燃料比，同时由于还原程度的不同，还影响其还原粉化性能（RDI）和软熔性能。500℃低温还原性能是反映烧结矿在高炉上部还原强度的，它是高炉上部透气性的限制性环节。在高炉冶炼进程中，高炉上部的阻力损失约占总阻力损失的15%。烧结矿的荷重还原软化性能是反映其在高炉炉身下部和炉腰部分软化带透气性的，这部分的透气阻力约占高炉总阻力损失的25% 。熔融滴落性能是烧结矿冶金性能最重要的部分，因为它约占高炉总阻力损失的60%，是高炉下部透气性的限制性环节，要保持高炉长期顺行稳定，必须十分重视含铁原料在熔融带的透气阻力。1）烧结矿还原性对高炉冶炼主要操作指标的影响烧结矿还原性取决于其矿物组成和气孔结构。还原性不好的烧结矿进入高炉后，首先会影响高炉上部块状带的煤气利用率，造成高炉内上部间接还原降低，直接还原增加，影响高炉的燃料比和产量，经验数据显示，入炉矿的直接还原变动10%影响高炉燃料比和产量各10%。多数高碱度烧结矿的900℃还原性应≥85%，烧结矿的氧化镁和亚铁含量高均会明显降低烧结矿的还原性。2）烧结矿低温还原粉化性对高炉主要操作指标的影响烧结矿在低温下还原产生粉化的原因主要是骸晶状赤铁矿（又称再生赤铁矿）在低温还原过程中发生晶格转变产生的极大内应力，导致烧结矿碎裂。除此之外，矿种、配碳、二氧化钛和三氧化二铝含量过高等因素也会导致烧结矿产生低温还原粉化，这是影响高炉上部块状带透气性的限制性环节。已有的生产实践数据证明，烧结矿的RDI（-3.15）每增加10%，影响高炉产量3%以上，燃料比升高1.5%。碱度是影响RDI的一个重要因素。随着烧结矿碱度的提高，烧结矿的强度有所提高，RDI（-3.15）值降低。原因如下：①烧结矿碱度的提高，烧结矿中强度高的铁酸钙增多，强度低的玻璃质降低。②高碱度烧结矿中，大量的磁铁矿受铁酸一钙熔蚀并与其交织在一起，呈网状结构。③高碱度烧结矿熔融充分，气孔分布均匀，这也有利于提高烧结矿常温强度。还原性的优劣是烧结矿质量的一项基本指标，高料层、高强度、高还原性、低碳、低FeO的三高两低原则始终是烧结生产追求的目标。对高碱度(R=1.9~2.3)烧结矿而言，常规要求RI>85%,高要求RI应>90%，若RI<80%证明烧结矿的质量出了问题，或是配碳高了、FeO高了，或是配矿的原因导致气孔结构出了问题，应提出改进的措施。3）熔滴性能的影响熔滴性能是烧结矿冶金性能中重要的指标，因为熔滴带的阻力损失约占高炉总阻力损失的60%，它是高炉下部顺行的限制性环节。优良的冶金性能是烧结矿质量的关键，当烧结矿的开始软化温度低于950℃、软化温度区间>300℃时，高炉必然会产生严重的悬料。因此为了保持高炉顺行稳定，烧结矿应具有良好的荷重还原软化性能，据实验分析：开始软化温度由1200℃提高50度，高炉的透气性△P下降8%，产量提高16%。高碱度烧结矿由于含FeO低和还原性优良，开始熔融温度就高，同时由于其渣相熔点高，滴落温度也高，但是开始软化温度Ts提高的幅度大于Td（滴落温度） 所以熔滴区间窄(Td-Ts=△T),即熔滴带的厚度变薄，从而使得透气阻力损失(△Pm)降低，有利于高炉下部的顺行和强化。烧结矿的软化性能主要与其碱度、FeO、SiO2含量和还原性相关。在正常情况下，高碱度烧结矿的熔滴性能总是优于低碱度烧结矿，这就是高炉炉料结构为什么始终要坚持高碱度烧结矿的道理。日本学者斧胜也做过深入的研究，提出含铁炉料开始熔融温度（Ts）也即压差开始陡升温度（ΔPs）取决于FeO低熔点渣的熔点。含FeO高的炉料，会较早地造成压差开始陡升。而渣相中的FeO取决于炉料被还原的程度。造成含FeO高和还原性差的炉料开始熔融温度低。含铁品位高是烧结矿质量的核心，高碱度是烧结矿质量的基础，烧结矿生产追求高料层、高碱度、高还原性和低碳、低亚铁的三高两低目标。高MgO、高Al2O3、高FeO和大粒度的高温型烧结不是烧结生产的方向，低碳厚料层的低温烧结才是烧结生产的方向，优良的烧结矿质量有利于实现高炉冶炼低燃料比炼铁，并且是高炉稳定顺行的前提，是铁前降本增效的关键。
五、结语
（1）烧结优化配矿要充分考虑各种矿粉的烧结特性，保证烧结矿具有较好的冶金性能，能够满足高炉的稳定顺行，以高炉的顺行为前提来指导烧结优化配矿结构。（2）由于地质条件、成矿过程的不同，除了化学成分、粒度组成等常温特性之外，各种铁矿粉在其烧结高温特性方面亦存在明显差异，通过深入研究以提取和凝练符合烧结工艺特点的铁矿粉高温特性，它们均是烧结优化配矿、工艺流程优化的重要技术判据。依据各种原料性能互补原理进行优化配矿，必能获得质量较好的烧结矿。（3）烧结优化配矿技术是提高烧结矿质量、降低能源消耗的有效途径。通过合理的配矿方案设计和优化配矿方法的应用，可以充分利用各种铁矿粉的互补特性，提高烧结矿的产量和质量。未来，随着钢铁工业的不断发展，烧结优化配矿技术将继续发挥重要作用，为钢铁企业的降本增效提供有力支持。10%精粉+50%赤铁矿+40%褐铁矿的配矿结构既不降低烧结矿的品味，又可以降低烧结成本，而且不影响高炉的炉况顺行。
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