胡明意 喻安红
(安钢集团永通球墨铸铁管有限责任公司)
摘要 分析了安钢集团永通铸管公司炼铁高炉高比例球团矿入炉后的不利状况；通过实践研究高比例球团矿入炉适宜的高炉冶炼制度、优化高炉操作，竖炉生产高MgO球团矿，改善烧结矿冶金性能等措施，实现35～48%球团矿(R2=0.25)入炉炉况改善、煤气利用合理，炼铁技术经济指标提高明显。
关键词 高炉操作 高比例 高MgO球团矿
0 前言
近年来随着国内球团矿产量大幅增加，不仅中小型高炉炼铁普遍使用球团矿，大型高炉也加大了球团矿的入炉比例。国内高炉炼铁入炉酸性氧化球团矿比例一般为20%左右，再增加则容易出现高炉炉况难行，只有少数炼铁企业达到30%以上入炉比例。而从世界先进的高炉炼铁炉料结构看，增加球团矿用量是国内外炼铁高炉炉料结构发展趋势。国内外的理论研究和生产实践表明：球团矿作为良好的高炉炉料，具有品位高、强度好、易还原、粒度均匀等优点，酸性球团矿与高碱度烧结矿搭配的炉料结构较为理想[1]，利于冶炼时炉内形成合理的软熔带，煤气利用好，炉况改善，适宜冶炼低硅生铁；进而实现高炉增产节能、提高经济效益。
1 概况
永通铸管公司炼铁车间现有两座450 m3高炉。由于淘汰原有4×100 m3炼铁高炉进行装备升级时没有新建烧结机，烧结机扩容改造后抽风面积仍较小，烧结矿产量低造成入炉炼铁比例长期偏低。一般情况下烧结矿入炉比例为60%～65%，球团矿入炉比例为35%～40%，两座高炉勉强维持运行。当出现炼铁产量提高或烧结矿产量偏低等情况，入炉球团矿比例被迫超过45%时，高炉就会出现严重憋风、崩料、塌料现象，炉况很差，甚至形成管道行程,造成高炉炉凉。虽然采取各种措施，高比例球团矿高炉操作仍未取得实质性突破，烧结矿不足严重制约着两座高炉的生产能力发挥。永通铸管公司炼铁生产陷入迵境，必须采取措施来改变这一不利状况。
2 高比例球团矿入炉初期炉况及分析
2.1 高比例球团矿入炉致使炉况难行
1)两座高炉都出现明显的憋风现象，悬料、崩塌料多，频繁出现管道行程等状况。 在大幅度提高球团矿入炉比例的最初阶段，两座高炉都出现明显的憋风现象，悬料、崩塌料增多，频繁出现管道行程，甚至造成高炉大凉，被迫降低球团矿比例至35%以下，降低冶炼强度，炉况才能逐渐转顺。
2)炉内煤气流的稳定性很差。 球团矿的堆比重较大，同样批重下矿石的体积较小，滚动性较好，定位性差，容易导致矿石分布不均匀；球团矿在布料流槽中的摩擦系数小，布料达不到预期效果，易造成边缘和中心气流同时阻塞，煤气流的稳定性降低；且球团矿存在软熔温度低和还原膨胀等特点，导致炉内压差升高，高炉炉内透气性很差，在高比例生产时该特性尤为突出。
2.2 普通竖炉酸性球团矿质量差、粉末多影响炉况顺行
1)球团矿品位低、SiO2 含量高，抗压强度低。球团矿低品位、高SiO2 含量导致的炼铁高渣比，影响高炉的产量和焦比；而球团矿抗压强度低易产生炉内粉末恶化炉内料柱透气性，对高炉生产造成不利影响。
2)普通酸性竖炉球团矿冶金性能差。表现在普通竖炉酸性球团矿的软熔温度偏低，致使炉内软融带厚度增加，影响高炉透气性；低温还原膨胀性能会导致高炉块状带透气性变差。以往高炉炼铁实验数据表明，高炉煤气在炉内软熔带的阻力损失约占整个料柱的20%～30%，酸性高MgO球团矿炉料具有高品位和冶金性能改善双重作用，能够大大降低高炉内软熔带的位置和厚度，改善了熔融带的透气性[2]，实现高炉顺行和提高煤气利用率。
2.3 烧结矿产量低、还原粉化率高严重影响高炉操作稳定性
1)烧结机产能严重不足。 烧结矿产量低造成入炉炼铁比例长期偏低，高比例球团矿入炉后经常出现：烧结矿紧张→提高球团矿比例→高炉炉况失常→降低球团矿比例→烧结矿又紧张的恶性循环，造成高炉操作很不稳定，很难保持炉况长时间顺行，上部经常结瘤，更谈不上指标的优化。适当提高烧结矿产量以满足炼铁增产需要是必须解决的问题。
2)烧结矿低温还原粉化率高。烧结矿强度差、粉末多，MgO含量偏低、低温还原粉化率高，对高炉炉况顺行稳定造成不利影响，冶金性能指标需要进一步改善。
3 高比例球团矿入炉后铁前系统改进措施
针对以上不利状况，要在高球团矿入炉比例炉料结构条件下获得良好的炼铁技术经济指标，一方面要努力优化高炉操作，改进高炉冶炼制度；另一方面要提高球团矿抗压强度，努力改善球团矿冶金性能，降低还原膨胀性；还要提高烧结矿的产质量，改善低温还原粉化率等冶金性能指标。
3.1 改进冶炼制度、优化高炉操作
1)制定适宜的装料制度。球团矿滚动性好，自然堆角小，仅24 °～27 °，而烧结矿自然堆角为31 °～35 °。提高球团比例后，矿石的布料轨迹发生变化，落抵料面后，容易向边缘和中心滚动，造成边缘和中心煤气流同时阻塞，引起高炉难行。我们探索新的布料模式，寻求指标优化的布料矩阵，装料制度上适当缩小外环矿石的α角，增大内环矿石的α角，根据需要调整各环上的布矿圈数，必要时采用中心加焦，保持中心气流开放，边缘气流稳定，消除煤气流“两头堵”的现象。
2)适当配加焦丁和块矿。配加焦丁和块矿既是低成本冶炼的需要，也是抑制球团滚动性的有效措施，利于保持炉料的合理分布。同时焦丁的配加也改善矿石层的透气性，减小矿石层的堆比重，增大矿石层的体积，利于矿石层的均匀分布，对改善块状带透气性、抑制管道行程、提高煤气利用率非常有利。
3)缩小风口面积。在高炉送风量不变的情况下,缩小几个风口的面积,各风口速度均会增加,缩小面积的风口风量会明显减少,风量的减少会导致回旋区产生的煤气量明显减少,使得边缘煤气流减弱，从而可以抑止这些风口附近边缘气流的发展，同时使其它风口的边缘和中心气流都有所增加，利于改变炉内煤气流的分布，解决煤气流中心边缘“两头堵”的状况，实现炉缸中心活跃，炉内煤气流合理分布，改善煤气利用率。2011年～2014年高炉风口面积变化如图1所示。
4)增加风口长度。针对高球团矿比例的炉料结构容易导致中心堆积的特点，结合风口面积缩小后高炉容易出现的状况，分别对1号、2号高炉的部分风口进行了加长改造，由原来的360 mm加长到了420 mm。如果说缩小风口面积有利于边缘煤气流减弱，抑止这些风口附近边缘气流的发展，同时使其它风口的边缘和中心气流都有所增加。那么增加风口长度就完全有利于中心气流的发展，增加风口长度，风口燃烧区向中心移动，加大回旋区的水平距离，使炉缸中心的死料柱被吹活，炉缸中心气流分布更合理，利于提高高炉的脱硫能力，使炉内反应更充分。
5)实现高风温操作。热风带入的热量占高炉总热量的25%～30%，高风温特别有利于提高生铁的屋里温度，保持炉缸活跃，利于降低焦比，减少吨铁SiO2带入量；高风温操作同样也可降低软融带厚度，缓解球团矿还原膨胀和软熔温度偏低造成料柱透气性变差，对炉况顺行、低硅冶炼和降低能耗非常有利。通过技能培训提高职工高风温操作水平、完善热风炉空气与煤气预热工艺、改进直吹管工艺设计等措施，两座高炉的使用风温最高达到了1130 ℃。
6)实现高顶压操作。高比例球团矿入炉后，矿石堆比重增加，单位重量矿石体积较小，容易出现炉料分布不均引起管道行程；采用大矿批又会因球团矿的还原膨胀率高和软熔性能差导致料柱透气性变坏。探索出适宜的矿石批重，通过高顶压操作来抑制管道行程，是高球团比例入炉后必须坚持的高炉操作方针。实践证明,采用高压操作有利于提高冶炼强度,促进高炉顺行；可以降低炉顶煤气流速，减少了炉尘吹出量, 对降低燃料比和生产成本有利。同时还可以利用煤气压差发电,实现能源循环利用，提高煤气使用效率，降低燃料比。据相关资料显示：炉顶煤气压力每增加10 kPa，高炉入炉焦比可以降低1.7 kg/t；高压操作后，炉内煤气压力升高，体积缩小，流速下降，有利于改善煤气分布，稳定炉温，提高冶炼强度并促进炉况顺行。高压操作对硅的还原不利，强化渗碳过程，利于低硅冶炼。随着原燃料质量的提高，料柱透气性改善，特别是近年来炉顶设备装备水平提高，为高炉高顶压、高风压操作奠定了基础，1号、2号高炉的炉顶压力分别从85 kPa提高到91 kPa、130 kPa提高到135 kPa。
7)实行低[Si]铁冶炼。针对球团矿软熔温度较烧结矿低的特点，努力把生铁含[Si]控制在0.3%～0.45%之间，高温区下移，避免球团矿过早软熔，实现软融带的厚度变窄，料柱的透气性提高；炉缸的透气性改善，促进高炉稳定顺行。
8)稳定造渣制度。高炉炉渣二元碱度按1.18～1.20控制，MgO含量保持在8%～11%，MgO/Al2O3≥0.70。保持出铁后期铁水温度在1500 ℃以上，保证渣铁热量充沛，流动性良好。控制入炉原燃料成分，减少碱金属Zn、Na、K等对炼铁生产的不利影响，要求球团矿中(Na2O＋K2O)＜0.1%、ZnO＜0.05%。
3.2 竖炉生产高MgO球团矿，改善冶金性能指标
永通铸管公司3座10 m2竖炉年产酸性氧化球团矿140万t，球团矿作为高炉酸性炉料，具有品位高、粒度小而均匀、强度高、还原性好等优点，提高球团矿入炉比例后，如高炉能够保持稳定顺行，对高炉燃料比降低非常有利。但球团矿存在还原膨胀率高，软化、熔滴温度低等高温冶金性能差等问题，特别是球团矿的荷重软化温度较低对高炉生产造成不利影响。通过添加MgO等措施，可以改善球团矿的冶金性能[3]，为高炉高产、优质、降耗创造条件。
1)降低球团矿SiO2含量，提高球团生球强度和焙烧温度。通过降低进厂铁精矿中SiO2含量和优化球团配矿结构，球团矿SiO2含量控制在5.0%以下，减少球团矿在高炉内还原时产生的渣量，并提高熔点。将原来直经Φ4.2 m球团造球盘淘汰，改为直经Φ6 m的造球盘，改善成球条件，生球粒度区间由原来按Φ8 mm～Φ16 mm改为按Φ8 mm～Φ14 mm控制，提高球团生球粒度均匀性和强度，还将竖炉球团焙烧温度由原来的1050 ℃提高至1100 ℃以上，为成品球团矿强度的提高创造条件。
2)提高竖炉球团矿MgO含量。 优化配矿使竖炉球团矿中的MgO含量提高到2.5%以上，MgO/SiO2 控制在0.3以上。添加MgO两种办法：
4.2 高炉炉况顺行稳定、煤气利用改善，实现低硅冶炼和增产节能
1)炉况顺行稳定、煤气利用改善。通过强化球团矿高比例入炉操作方面的探索研究，装料、送风、造渣等各项冶炼制度改进，高炉操作优化，实现炉况顺行稳定和煤气合理利用。高炉崩料、塌料、坐料次数明显降低，大的炉况事故基本消除。2011年～2014年1号、2号炉况失常情况如图3、图4所示。
2)实现低硅冶炼。通过高风温操作、高顶压操作等措施为低炼硅冶炼创造良好条件，炼铁生产实际表明：渣铁温度升高、流动性明显改善。实行低硅冶炼以后，生铁Si平均含量已从原来的0.54%下降到0.38%，下降了0.16百分点；S含量稳定在0.023%。低硅冶炼为高炉使用全风温奠定了基础，高炉使用全风温操作后，风温比原来提高了30 ℃～40 ℃。
3)生铁产量增加。球团矿、烧结矿冶金性能改善有利于高炉冶炼时炉内形成合理的软熔带，充分满足高炉强化冶炼要求。两座高炉炼铁利用系数平均由原来的3.23 t/(m3·d)提高到3.59 t/(m3·d)，生铁产量提高约10%。
4)促进高炉节能降耗。焦丁的配加从2012年吨铁平均28 kg/t铁，提高到目前的40 kg/t铁以上，综合燃料比从年平均540 kg/t铁下降到492 kg/t铁，下降了48 kg/t铁，在炼铁指标改善的同时取得了显著的经济效益。20012年～2014年6月高炉综合燃料比折线如图5所示。
4.3 竖炉高MgO球团矿质量提高，冶金性能实现质的提升
1) 球团矿成份改善、抗压强度提高。优化配矿后球团矿品位提高、SiO2含量控制在5.0%以下，成品球团矿抗压强度＜1000 N的比例降至10%以下，＞2200 N的比例提高至80%以上。高MgO球团矿与普通酸性球团矿化学成分指标对比见表1。
2)高MgO球团矿冶金性能实现质的提升。竖炉球团矿中MgO含量提高到2.5%以上，MgO/SiO2 大于0.3，高MgO酸性球团同普通酸性球团矿相比软化、熔融温度提高，软融区间变窄，高温还原度提高，抑制球团矿在高炉内的异常膨胀和还原粉化和改善高炉料柱透气性。球团矿高温性能大大改善,炉渣中MgO含量提高，渣铁流动性改善，炉况稳定顺行。高MgO球团矿与普通酸性球团矿冶金性能指标对比见表2。
4.4 烧结矿产量提高，冶金性能改善促进了高炉操作稳定
1)烧结矿产质量提高。 烧结机扩容改造后烧结车间开发应用各种先进工艺技术，优化配矿，强化工艺参数控制，产量增加约10%。高碱度烧结矿生产应用小球团烧结法先进工艺，生产的小球团烧结矿兼具烧结矿和球团矿的特点，矿相结构是以铁酸钙为主要粘结相的交织熔蚀结构，外形为不规则的的小球集合体，优化后烧结矿ISO转鼓指数达到77%，烧结矿粒度组成明显改善，综合返矿率由原来的22.6%下降到19.5%。高炉操作稳定性大大增强。
2)烧结矿冶金性能改善。烧结矿MgO含量由1.0%提高并稳定在2.0%左右，MgO抑制Fe3O4在冷却过程中再氧化成Fe2O3，大大降低烧结矿的低温还原粉化率(12.08%)；改善了烧结矿的高温冶金性能，具有品位高(54%)，还原性好(84.5%)，FeO低(8.5%)，熔融带厚度薄(只有15.5 mm)等特点[5]，提高了冶炼时炉内的透气性和炉渣的流动性、稳定性，高炉实现了低硅冶炼和增产节能。优化前、后烧结矿化学成分对比如下见表3。
5 结语
永通铸管公司大幅提高球团矿入炉比例后，通过改善入炉球团矿和烧结矿冶金性能、改进冶炼制度、优化高炉操作等措施提高炉内透气性和炉渣的流动性、稳定性，对高炉低硅冶炼和增铁节能具有重要作用，炼铁技术经济指标提高明显。其高比例球团矿高炉炼铁实践经验、措施可供同类型或相似生产条件的炼铁生产企业借鉴。
6 参考文献
[1] 许满兴.高炉炉料结构的进步与发展[J].中国铁矿石造块适用技术[M].北京:冶金工业出版社,2000:258-270.
[2] 小野田守.MgO对球团高温特性的影响及其在高炉内的行为[J].烧结球团,1983(5):93-102.
[3] 许天龙,夏涛,丁文虎.高炉冶炼含MgO球团矿的实践[J].炼铁技术通讯,2005(3):9-10.
[4] 关雪芳,侯慧军,欧韬.提高烧结矿MgO含量的途经及高炉冶炼效果[J].烧结球团,2001.26(3):32-34.
[5] 杜志勤.科技进步推动了炼铁系统增产增效[J].炼铁技术通讯,1998(3)1-3.