优化配料与高炉炉料结构探讨.docx

合理配矿及高炉炉料结构探讨
张树江, 靳建强, 苗广友
（冀南钢铁集团，河北 武安 056000）
摘要：通过对含铁原料的性价比分析研究，分析了不同阶段、不同原料与综合炉料结构的冶金性能，同时结合炉料成本进行分析，指出在当前情况下高炉炉料结构的优化及合理搭配，为实际生产提供了理论依据。
关键词：含铁原料、球团矿、烧结矿、块矿、高炉、优化配料、合理炉料结构
文献标识码：A 中图分类号：TF535
1引言
高炉炉料结构是烧结矿、球团矿、块矿等按一定比例进行的合理搭配，合理的炉料结构不仅是精料技术的重要内容，同时也是降本增效的重要内容。由于目前钢铁市场形势严峻，铁水成本高已经成为影响钢铁企业生存的主要障碍，因此降低生铁生产成本成为钢铁行业当前的首要任务。世界各国的高炉生产实践表明，高炉的炉料结构没有惟一的固定模式，各种类型的炉料结构均可能获得良好的冶炼效果。采用合理的炉料结构可以改善高炉透气性，保证炉况顺行，提高煤比、提高产量、降低焦比、降低成本。而组成高炉合理炉料的烧结矿与球团矿化学成分是否合理、成本是否最低，则取决于含铁原料成分的合理性，尤其以进口矿粉更为典型。冀南钢铁集团成立于2014年，由河北文丰钢铁有限公司与金鼎重工有限公司组建而成。主要经营中厚板、带钢、高线、球墨铸铁等金属制品及铁矿石贸易。本文结合冀南钢铁集团高炉炼铁生产实际，对主要原料的特点进行系统分析与研究，充分掌握现有原料，为改进原料冶金性能、优化原料结构、提升炼铁工艺质量与产量提供一定的理论基础与依据。
2铁矿石品位、以及烧结性能典型性分析
2.1 主流矿产区及特点
进口铁矿石种类繁多，主流矿产区及特点等如表1所示。由表1可以看出巴西、南非产地的铁矿石品位较高，最高可达66%，巴西产地铁矿石特点为品位高、铝低、有害杂质少、烧结性能好，低品位硅高，而南非矿区铁矿石特点为块矿产出率高，块矿品位高、物理及冶金性能好，粉矿颗粒较粗，含水量较低，适合在寒冷地区使用，但南非矿钾、钠等碱金属含量高，长期使用对高炉长寿不利。澳大利亚产区的铁矿石具有较好的烧结性能，但由于常年开采，储量逐年减少，而且品质呈劣化趋势。巴西与澳大利亚的港口条件比较优越，其中澳大利亚产区港口建设发达，距离我国最近，运费低廉。
表1 主流矿产区及特点
国别
主产区
品位
特点
港口条件
主要出口国
巴西
米纳斯吉拉斯卡拉加斯地区
58%～66%
品位高、铝低、有害杂质少、烧结性能好
便利发达
中国、欧洲地区
澳大利亚
西澳皮尔巴拉地区
62%～63%
烧结性能较好，储量逐年减少，品质呈劣化趋势
港口建设发达，离亚洲近，运费低
亚洲地区
57%～58.5%
该矿主要来自哈默斯利与BHP的杨迪矿体及罗布河(Robe River)的Mesa J矿体。含铁量低，含10％左右结晶水，焙烧后铁品位可达60%，含磷低
印度
卡纳塔克邦、奥里萨邦、中央邦
50%～63.5%
矿点多、规模小，政府限制开采。矿自身有较好的烧结性能，但质量差别大，品位逐年下降
港口简陋，但有运距优势
亚洲地区
南非矿
开普省北部赛申地区、德兰士瓦西部
65%～66%
硬质赤铁矿，块矿产出率高，品位高、物理及冶金性能好。粉矿颗粒较粗，含水量较低，钾、钠等碱金属含量高。
港口建设相对落后，多为集装箱装运
欧洲，亚洲地区
2.2主流矿部分常见矿种典型值分析
进口粉矿分为三类，第一类为赤铁矿，像南非粉、巴西粉、纽曼山、哈默斯利粉、印度粉等五种矿，它们的特点是铁高硅低，除印度粉TFe不等，4%～64%品位均有，其他四种均大于62％，其中巴西精粉最高为67.82%，Si02含量在1.8%～3%；第二类为赤铁矿与褐铁矿混合类型的矿，像麦克粉与PB粉，它们的特点之一是TFe品位在61％～62％，其次是烧损较高为4.33%、5.45%；第三类矿为褐铁矿，即杨迪粉、火箭粉等，其特点是品位低为58.02％，烧损很高为10.66%。现对冀南钢铁集团常见进口铁矿石冶金性能进行统计分析，如表2所示。
表2 常见进口铁矿石典型值及冶金性能统计：
国别
品种
化学成分/%
冶金性能
Fe
SiO2
Al2O3
P
LOI
澳洲
纽曼粉
62.5
4.5
2.2
0.08
2.5
赤铁矿，烧结性能较好
澳洲
PB粉
61.5
3.6
2.3
0.08
5
部分褐铁矿，烧结性能较好
澳洲
麦克粉
61.5
3.6
2.2
0.07
5
部分褐铁矿，烧结性能较好
澳洲
火箭粉
58.5
4.2
2.2
0.05
9.5
褐铁矿，烧结性能较好
澳洲
扬迪粉
58
5
1.7
0.05
8.5
褐铁矿，含相对低的Al2O3，粒度较粗，有合理的冶炼性能，烧结性能佳，但烧损较大
澳洲
罗布河粉
57
5.7
2.7
0.02
9.5
褐铁矿，高Al2O3含量，含3％～5％的复合水，这会导致高燃料率及低生产率；烧结性能不好，但其烧结矿的冶炼性能很好
巴西
南部粉
64.5
4
1.5
0.05
1.5
赤铁矿，烧结性能较好，巴块较硬，熔点高
巴西
卡拉加斯粉
66
1.2
1
0.04
1
赤铁矿，烧结性能较差，透气性不好
巴西
CVRD粉
65
3.5
1
0.04
1.5
赤铁矿，烧结性能很好
印度
果阿粉
61.5
3.5
2.5
0.06
2.5
赤铁矿，烧结性能较好，具有良好的透气性以及高垂直速度。烧结生产率低，转鼓指数也低，但烧结矿合格率高
南非
伊斯科粉
65
4
1.5
0.07
1.5
赤铁矿，烧结性能一般
澳洲
PB块
62.8
3
1.5
0.07
4
褐铁矿，还原性好，热强度一般
澳洲
纽曼块
64
2.6
1.3
0.06
1.5
赤铁矿，还原性好，热强度较好
澳洲
扬迪块
59.5
4
1.5
0.05
8.5
褐铁矿，还原性好，热强度较差。氧化铝较低，可以降低成本而且可降低高炉渣量，目前被钢企大量使用
巴西
巴西块
66.5
2.5
1
0.05
1
赤铁矿，还原性好，热强度尚可。巴西矿粉都是高品位、低Al2O3、低SiO2矿，有良好的烧结性能与冶炼性能，但是是油性矿
南非
南非块
66
2.5
1.3
0.07
1
赤铁矿，还原性好，热强度一般
2.3非主流矿的典型值
冀南钢铁集团在稳定主流物料的同时，适当增加非主流矿，同时配加中、低品位矿，使得集团在降低入炉品位，降低生产成本方面有了显著成效。新增的非主流以及品位货源主要有菲律宾低品位与红土镍矿、马来粉、墨西哥粉、印尼粉、新西兰海砂、球团碎、钢渣粉与国产铝粉等。在降低综合成本的同时，也带来了有害物质、影响终端产品质量，也会让炼钢成本提高，同时也带来环保、能耗等问题。以高铁低镍矿为例，高铁低镍矿无疑是受追捧的非主流矿种。含铁量在50%的低镍高铁的价格相对同品位印尼粉优势显而易见。但低镍高铁的镍矿中含多种有害微量元素，炼制特种钢企业要小心。尤其含镍多在0.6～0.9%，就决定了其不能够完全取代同品位的其它铁矿石的地位，只能作为配矿来使用，通常烧结配矿比例在10%左右，只是基于降低成本考虑来配比使用。部分非主流矿典型值及冶金性能统计如表3所示。
表3部分非主流矿典型值及冶金性能统计
国别
品种
化学成分/%
冶金性能
Fe
SiO2
Al2O3
P
S
TiO2
分子水
澳大利亚
PMI
56.83
8.43
4.89
0.08
0.02
-
9.95
褐铁矿，含有结晶水，较好烧结性能，硅高且有时P超标
印尼
原矿
50.85
1.71
8.31
0.06
0.10
0.59
1.71
低品含有结晶水，但铝高且含钛砷超标
墨西哥
块矿
60.00
7.50
2.50
0.05
0.60
-
5.00
磁铁矿，硫含量超标，掉品位严重
伊朗

56.00
7
2
0.10
0.50
-
8.00
磁铁矿，可再选，含S、P高
马来西亚

57.32
7.30
0.54
0.04
0.13
0.24
9.38
S、P超标，掉品位严重
土耳其

64.90
5.89
5.05
0.01
0.10
-
7.95
量小，集装箱过来，性价比高
菲律宾
印尼海砂
58.00
6.00
4.00
0.10
0.10
7.00
8.00
粘结性差不能直接造球为降低成本，筛选后造球用
高铁低镍
51.13
-
-
0.01
-
-
32.93
含镍高，水分大，P微超标
2.4微量有害元素，常见矿种含超标元素简析
通常情况下，外矿指标基本相同。主要是TFe、Al2O3、SiO2、S、H2O。矿石中含有的S、P、 Pb 、Zn、As、K、Na等影响矿质量的元素被认定为有害杂质。主要从有害元素对冶炼过程与设备的影响方面来分析。
在高炉冶炼过程中, 铁矿石中有害元素含量越高, 其冶炼价值越低。而硅铝指标不纳入有害元素范围之内。常见的在合理范围内高SiO2低Al2O3的矿种为优质矿种。SiO2含量低，会降低烧结矿的强度，但硅超标会增加白灰配比，降低烧结矿的品位。Al2O3高，则会造成高炉炉渣粘稠与渣铁物理热降低，从而提升成本且增加高炉渣量。铁矿石中的硫会使生铁或钢材产生热脆性。一般一级矿的硫含量应小于0. 06%, 硫含量大于0. 3% 的为高硫矿, 冶炼中需增加熔剂的用量, 使渣量增加, 产量降低。常见含硫超标矿种为伊朗、墨西哥矿等。
磷会使生铁或钢材产生冷脆性, 降低钢的冲击韧性。并且磷在烧结过程中不易去除, 在冶炼中又会全部还原进入生铁。因此,冶炼中要求铁矿石的磷含量越低越好。常见磷超标矿为PMI粉等。
砷在矿石中以硫化物、氧化物与砷酸根等形式存在, 在高炉中容易被还原而进入生铁, 使钢材冷脆性增加、焊接性能降低。一般要求铁矿石的砷含量小于0.07%。常见砷超标矿种为印尼粉、南非粉等。
钛能改善钢的耐磨性与耐腐蚀性。但在高炉冶炼时，会使炉渣性质变坏，约有90%的钛进入炉渣。钛含量低时对炉渣及冶炼过程影响不大，含量高时，会使炉渣变稠，流动性差，对冶炼过程影响很大，而且易结炉瘤。钛有护炉作用，不少高炉专门买钛矿加入高炉护炉。
锌富集循环对高炉产生严重危害，其主要表现在高炉高压阀组结垢、炉喉粘接结厚、炉身结瘤，荒煤气管道结厚，还有锌膨胀造成炉底炭砖严重破坏，影响炉缸安全与高炉长寿，另外铁水含锌高会使铁水物理热严重不足，影响焦比与成本。目前采取的措施一是加强精料入炉，减少粉末入炉；二是优化高炉操作，提高高炉排碱能力；三是合理利用循环固废原料，减少锌等有害元素的富集。
钙、镁、硅、铝四种元素的氧化物是高炉炼铁炉渣的四元组成, 四元碱度决定了炉渣的性能(熔化温度、流动性、脱硫能力等)。高炉炼铁的原则是希望少渣量, 这样可以实现高产量、低能耗, 为多喷吹煤粉创造出有利条件。因此, 铁矿石中的钙、硅、镁、铝含量也要控制在合理范围内。
3 合理配矿
通过对上述含铁原料性价比的梳理，做好含铁原料专业技术指导性采购，把好质量关是提高烧结矿质量的前提条件。如果全部购买高品位、低有害成分的矿粉进行配矿，虽然达到了精料要求，但其价格偏高，必定导致烧结矿成本上升，从而导致系统铁水成本增加，经济效益下降，实际上没有通过采用精料而达到降低铁水成本的目的。采用铁前一体化优化配矿体系或优化配料数学模型对多种主流矿粉、非主流矿粉进行优化配料。针对不同钢水所需的不同的铁水成分，采取不同的配矿方案进行优化配矿，加以比对，获得最佳配矿方案，保证烧结矿、球团矿成分符合高炉要求，价格最低。
4 高炉炉料结构探讨
高炉炉料结构一是含铁炉料结构；二是燃料炉料结构。
含铁炉料结构是采用高碱度烧结矿配加酸性炉料按一定比例进入高炉冶炼，酸性炉料有酸性烧结矿、酸性球团矿、块矿等。由于天然块矿强度、还原性、热爆裂性能、软熔性能等综合冶金炉料结构性能一般较差，故不宜高配直接入炉。
如何搭配才是合理的炉料结构呢？简单说就是依据含铁原料的国内外市场价格变化、自身的装备状况及产能匹配而定的。通过烧结矿、球团矿、块矿等吨度价格比较，确定含铁炉料结构比例。就目前而言，日照港63%球团矿到厂吨度价格为8.68元/吨度；61.5%PB块矿吨度价格为8.64元/吨度，很明显使用块矿已不经济。随着含铁原料的市场变化，炉料结构调整力争与市场同步；至于自身的装备状况及产能匹配而言，有的是烧结矿产能大，有的是球团矿产能大，那必须结合自身实际，调整含铁炉料结构，力求经济最大化。就我公司而言，设计产能远远满足不了目前的实际产能，千方百计提高烧结产能，依据市场行情灵活调剂使用酸性铁料，减少使用高价的外购球团。甚至在高碱度烧结矿满足高炉需要的情况下，适时改烧低碱度酸性烧结矿用于补充酸性铁料。
燃料炉料结构是根据焦炭、喷吹煤、烟煤成分高低、价格的差异、发热值的不同，在满足高炉需求的前提下，通过优化搭配，达到降低燃料成本的目的。在目前的钢铁市场与高炉炉况顺行情况下，合理调配一级焦炭与二级焦炭比例，提高喷煤比。入炉净焦不含税价格587.98元/吨与喷吹煤395.59元/吨，两者价差192.39元/吨，经济效益可观；喷吹煤与烟煤的价差26.02元/吨，烟煤优势不在，因此减少了烟煤比例。一旦烟煤有价格优势，两者价差大时，最佳喷吹煤与烟煤比例在风温与富氧保证的前提下，40%的烟煤比例是比较经济的。
结语
优化高炉炉料结构着眼于对进口矿的选矿性价比对、经济合理采矿、通过铁前一体化优化配矿体系或优化配料数学模型，反复测算，在优化烧结、球团配料的前提下，优化炉料结构调整，力求经济配料，效益最大化。
结合实时的原燃料市场行情，寻求合理的炉料结构，紧紧抓住“对标挖潜、优化过程、管控进出、降本增效”这一主线，持续长期落实三个优化：“优化配矿、优化配煤、优化熔剂”来实施铁前原料绩效管理的工作。通过强化工艺过程管理、实施极限操作的理念，力求在现有装备条件的基础上降低铁前成本。
参考文献
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