许满兴
（北京科技大学）
摘要：本文阐述了烧结矿在高炉炼铁中的地位和作用，阐明了烧结矿质量的内涵，分析了烧结矿的化学成分、物理性能和冶金性能对高炉冶炼主要操作指标的影响，提出了烧结生产改善烧结矿质量的几点结论性意见。
关键词：烧结矿质量、主要化学成分、强度和粒度、冶金性能、高炉冶炼主要操作指标
1 烧结矿在高炉炼铁中的地位和作用
自上世纪八十年代以来，高碱度烧结矿一直是我国高炉炼铁的主要原料，近几十年来，含铁原料占高炉炼铁成本接近70%，烧结矿占高炉炼铁炉料的70%以上，占吨钢能耗指标的10%以上，是钢铁生产能耗的第二大户，也是废气物排放的大户，因此不论从炉料组成比例、生铁成本、还是废弃物排放及环境保护，烧结矿生产对高炉炼铁有着举足轻重的影响。
烧结矿的质量对高炉炼铁的产量、能耗、生铁质量和高炉寿命均起着决定性的作用。例如，烧结矿的品位变动1%，将会影响高炉燃料比1.0%~1.5%，影响产量2.0~2.5%；烧结矿的SiO2含量变动1%，影响吨铁渣比30~35kg；烧结矿的碱金属和锌超标，其化合物在高炉下部高温区还原后形成K、Na、Zn蒸汽，随煤气上升在炉身中、下部循环富集、冷凝破坏炉料的强度，影响料柱的透气性，还会造成高炉结瘤、腐蚀耐火材料和金属结构。烧结矿的低温还原粉化和熔滴性能是高炉上部和下部透气性的限制性环境，凡此种种，烧结矿的质量对高炉炼铁的作用和影响是不能忽视的，故讨论和探索烧结矿质量对改善高炉炼铁技术经济指标，实现低成本、低燃料比高效炼铁有着重大的经济价值和实际意义。
2 烧结矿质量的内涵和价值
烧结矿的质量由化学成分、物理性能和冶金性能三部分组成，它们三者间的关系是：化学成分是基础，物理性能是保证，冶金性能是关键。
2.1 烧结矿的主要化学成分及其价值
烧结矿的主要化学成分包括品位和SiO2、碱度、MgO和Al2O3、FeO，S、P、Ka2O、Zn和Cl等有害元素。
2.1.1 含铁品位对烧结矿质量的价值
含铁品位是烧结矿质量的核心，我国自解放后至今半个多世纪以来，提高烧结矿质量的一个核心问题就是不断提高烧结矿的品位、降低烧结矿的SiO2含量，由于品位的提高，渣量的降低、高炉炼铁的产量提高，燃料比降低，表1列出了首钢、包钢和酒钢的烧结矿质量与高炉主要技术经济指标的关系。
近几年有不少钢铁企业采用低品位、大渣量的做法，主观愿望想降低成本，实际适得其反，造成大排放、高燃料比和低效的结果，总结历史的经验，应继续走精料之路，才能实现低成本、低燃料比和高效炼铁的目标。
2.1.2 碱度对烧结矿质量的价值
理论研究和多年来的生产实践证明，高碱度是烧结矿质量的基础。由于烧结矿的质量取决于其矿物组成，而烧结矿的矿物组成取决于碱度。对高炉炼铁而言，烧结矿的最佳碱度范围为1.90~2.30，莱钢、太钢不同碱度烧结矿矿物组成列于表2，在生产实践中，烧结矿的强度和粒度，烧结矿的冶金性能均与其碱度直接相关。
几个企业烧结矿强度与碱度的关系列于表3，几个企业烧结矿的冶金性能与碱度的关系列于表4.
由表2~表4可见，烧结矿的质量与碱度密切相关，烧结生产必须坚持高碱度的方向。
2.1.3 SiO2含量对烧结矿质量的价值
SiO2是烧结矿质量的一个重要元素，在烧结生产中SiO2是烧结生成渣相的主要组分，也是烧结生产生产铁酸钙粘结相的重要组分。在烧结矿生产中，SiO2含量既不能太低也不能过高，最佳含量为4.6~5.3%[7]，0.1~0.3的Al2O3/SiO2是形成复合铁酸钙的重要条件，当SiO2含量低于4.6%，会因为渣相不足影响烧结矿的强度；当SiO2高于5.3%后，随硅酸盐渣相增大将影响烧结矿的强度和冶金性能。SiO2含量对鞍钢烧结矿的质量影响列表列于表5， SiO2含量对鞍钢和太钢高炉操作指标的影响列于表6。
2.1.3 Al2O3含量对烧结矿质量的价值
对烧结矿的质量而言，Al2O3含量也是影响质量的一个重要元素，首先，一定的Al2O3/SiO2是烧结生成针状复合铁酸钙的重要条件，在常态下，高碱度烧结矿的化学分子式是：5 CaO·2SiO2·9（FeAl）2O3，烧结矿没有Al2O3就不能生成SFCA，但含量不能太高，超过了2%就会影响烧结矿的冷强度和RDI指数，烧结矿的Al2O3含量一般控制在1.0~2.0%的范围内，Al2O3对杭钢烧结矿强度和RDI指数的影响列于表7。
2.1.3 MgO含量对烧结矿质量的价值
MgO含量对烧结矿质量而言是一个负能量元素，它有利于改善烧结矿的低温还原粉化性能还是建立在降低烧结矿还原性上得到的。MgO含量在烧结过程中易与Fe3O4反应生成镁磁铁矿（MgO ·Fe3O4），阻碍Fe3O4在烧结过程中氧化为Fe2O3，降低铁酸钙相的生成，造成成品烧结矿的冷强度和还原性降低。MgO 含量对首钢和梅钢烧结矿质量的影响列于表8和表9.
烧结生产之所以要配MgO是为了满足高炉炼铁炉渣流动性、脱硫和脱碱（K2O+Na2O）的需求。
2.1.3 FeO含量对烧结矿质量的价值
FeO含量也是烧结矿的一个重要内容，FeO含量的高低直接影响烧结矿的强度、粒度和冶金性能，烧结矿的FeO与配碳密切相关，烧结生产应追求高强度、低FeO的目标，目前FeO含量全国平均水平8.40~8.50%，有些企业为了追求高强度片面的提高FeO含量，这是既不科学又不合理的做法，烧结矿的强度与FeO有关，但取决于烧结矿的矿物组成，烧结矿不同矿物组成的强度列于表10，FeO含量对烧结矿质量的影响列于表11.
由表10和表11可见，含FeO高的硅酸盐矿物相的强度都比较低，烧结矿的强度并不是FeO含量越高强度越好，兼顾烧结矿的强度和冶金性能，FeO低于9%，在6.5%~8.5%是最佳范围。
2.1.7 S、P、Ka2O、ZnO和Cl等有害元素的含量是烧结矿质量不可忽视的内容，这些有害元素要进行控制，它们的危害和限量列于表12.
2.2 烧结矿强度和粒度的价值
强度和粒度是烧结矿的主要物理性能，除此之外还有堆密度和孔隙度等。强度和粒度是烧结矿的重要质量指标，因为它是高炉上部透气性的限制性环节。不同高炉容积对烧结矿的强度和粒度有不同的要求，新修订的《高炉炼铁工程设计规范》列出了不同炉容对烧结矿强度、FeO和粒度的不同要求列于表13.
2.3 烧结矿冶金性能的价值
烧结矿的冶金性能包括：900℃还原性（RI），500℃低温还原粉化（RDI），荷重还原软化性能（TBS，TBE，△TB）和熔滴性能（TS、Td、△T、 △Pm,S值），这些性能是反应烧结矿在高炉冶炼过程中性状的，烧结矿冶金性能有什么价值呢？这要从高炉过程各带的透气阻力说起，详见高炉内各带透气阻力图（示图1）。
通过高炉解剖和实测发现：高炉炉内含铁炉料存在的状态，可以分为块状带、软化带和熔融滴落三种状态。高炉上部块状带的阻力损失占高炉总压损的15%；处于炉身下部和炉腰部位的软化帶的阻力损失占总压损的25%；处于炉腹部位的熔融滴落带的阻力损失占高炉总压损的60%。因此影响高炉顺行的主要部位在高炉下部的熔滴带。正因如此，保持高炉长期稳定顺行的新理念是：高炉操作以控制高炉下部炉腹煤气量指数为主，辅之以高炉上部布料操作，形成大平台加小漏斗的煤气分布曲线。
900℃还原性的优劣不仅影响高炉上部煤气利用率，同时还影响其软熔性能，即影响高炉下部的透气性，因此它是一项基本的冶金性能，一般碱度1.9的高碱度烧结矿，其RI值应大于85%。
500℃低温还原粉化性能是烧结矿在高炉内的低温还原强度，它是高炉上部透气性的限制性环节，高炉冶炼要求RDI+3.15≥72%，如果粉化指数低于60%，就应该在入炉前对其做喷洒处理，以往喷洒CaCl，但Cl元素进高炉带来的危害太大，所以现在改喷无Cl的新型环保产品降低RDI指数是方向。
高炉冶炼要求烧结矿的开始软化温度（TBS）高于1050℃，低于900℃的酸性炉料不利于高炉中部软化带的透气性。烧结矿的软化性能往往与熔剂的矿物形态相关联。硅酸盐的熔剂会降低TBS值，而碳酸盐的熔剂有利于提高烧结矿的TBS值。
熔滴性能是烧结矿冶金性能最重要的一项性能，因为熔滴带的透气阻力占高炉总阻力损失的60%以上，因此应重视烧结矿熔滴性能的改善，烧结矿的熔滴性能与其品位、
SiO2、Al2O3、FeO、TiO2等成分的含量相关，高品位、低渣量、低Al2O3、低FeO的烧结矿其熔滴性能均比较好，反之比较差，高炉炼铁要求综合炉料的S值≤40(Kpa℃)是适宜的.
3 烧结矿质量对高炉冶炼主要操作指标的影响
3.1 烧结矿主要化学成分对高炉冶炼主要操作指标的影响
2016年我国几家企业烧结生产主要技术质量指标列于表14.
3.1.1 品位和SiO2含量对高炉冶炼主要操作指标的影响
在常态下，入炉矿品位变动1%，高炉燃料比会变动1~1.5%，产量变动2~2.5%，确认了炉料结构烧结矿的比例，即可计算出烧结矿品位变动1%对高炉燃料比和产量的影响了。入炉矿SiO2含量变动1%，影响渣铁比30~35kg/t，100kg渣量将影响燃料和产量各3.0~3.5%，有了烧结矿的入炉比例，乘以比例即是烧结矿SiO2含量变动对高炉主要操作指标的影响。
值得指出的是近年来一些企业还受着“低品质矿冶炼新技术”的影响，片面追求低成本，入炉矿品位低至53~54%，造成渣铁比接近500kg/t，吨铁燃料比高于560kg，这样的指标哪来低成本和高效益，这样的结果值得企业经营者考虑。
3.1.2 烧结矿碱度对高炉冶炼主要操作指标的影响
上文已经说明碱度是烧结矿质量的基础，生产实践证明，烧结矿的最佳碱度范围是1.9~2.3，当碱度低于1.85，每降低0.1的碱度将影响燃料比和产量各3.0~3.5%，据了解，在实践生产中降低碱度对高炉燃料比的影响远高于3.5%的比例。在近年生产中还有一些企业烧结矿碱度低于1.80甚至还有低于1.70的，应该认识到碱度对烧结矿质量和高炉主要操作指标的影响，几个企业不同烧结矿碱度的高炉主要操作指标列于表15.
3.1.1 烧结矿的MgO和Al2O3含量对高炉冶炼主要操作指标的影响
MgO和Al2O3都是高炉炉渣的重要成分，一定量的MgO含量有利于改善炉渣的流动性，并有利于脱硫和脱碱，考虑到MgO对烧结矿质量主要是负面影响，而烧结矿提高MgO含量会明显增加烧结矿成本，当然也增加了生铁成本，故近年来不少高炉提倡低MgO/Al2O3冶炼，据不完全统计，全国已有40多座高炉将MgO/Al2O3从0.6降低到0.4的水平，在常态下，烧结矿MgO含量应控制在1.6%~1.8%，不要高于2.0%；在高炉渣Al2O3不高于17%的条件下，MgO不高于9%是合理的。正常情况下，烧结矿的Al2O3含量不高于2%，近几年随着进口铁矿资源Al2O3含量不断升高，我国烧结矿和高炉渣的Al2O3含量都有升高的趋势，但为了降低成本去采购高Al2O3矿，实行高铝、高镁、大渣量、高燃料比的做法是不科学不合理的，它不仅与高炉炼铁的精料方针背道而驰，也达不到低成本高效益的目的。
一般情况下炉渣的Al2O3含量保持在13~15%的水平，高于15%后，会降低炉渣的流动性和脱硫效果，已有的实验研究发现，高炉渣的Al2O3含量不高于17%，能保持高炉的稳定和顺行。
3.1.2 烧结矿的FeO含量对高炉冶炼主要操作指标的影响
《冶金行业标准和高炉炼铁工程设计规范》规定，烧结矿的FeO含量应≤9%，适当的FeO有利于烧结矿的强度，但不是FeO含量越高烧结矿强度越好，有些企业炼铁厂厂长提出，FeO含量不得低于9.5%，甚至不得低于10.5%，从烧结矿的质量出发，FeO含量高就意味着高配碳和高温型烧结，高温烧结生产不出优质烧结矿，不利于改善高炉冶炼指标。高FeO烧结矿影响烧结矿的还原性，不利于提高产量和降低燃料比，烧结矿的FeO每提高1%，将会影响高炉产量和燃料比各1.0~1.5%。
3.1.3 S、P、Ka2O、ZnO、Cl等有害元素对高炉冶炼主要指标的影响
S和P对高炉过程的影响早已进入常态化，当前炼铁工作者应重视Ka2O、ZnO、Cl对高炉过程的危害和破坏，多年来的高炉炼铁实践，低碱度（炉渣碱度低于1.05）能有效排碱（Ka2O、+Na2O），高顶温（炉喉温度大于550℃）能有效排ZnO，这已成为成功的经验做法，但对Cl的危害和破坏往往被忽视，现在尚有几个大钢企还在对烧结矿喷洒CaCl溶液，CaCl进入高炉后，炉料中的Ka、Na将CaCl2的Ca置换出来，生成KCl和NaCl蒸汽，在高炉内循环富集，破坏炉料运动和焦炭质量，腐蚀和破坏风口[6]。因此必须对Cl元素进入高炉后的危害和破坏作用引起重视。
3.2 烧结矿强度和粒度对高炉冶炼主要操作指标的影响
不同容积的高炉对烧结矿的强度和粒度都有一定的要求，烧结矿的强度不够就会产生粉末，经验数据证明：小于5mm的粉末每增加1%，燃料比会升高0.5%，产量降低0.5~1%。
粒度是影响煤气利用率和燃料比的一个重要因素，高炉炼铁不是原料的粒度越大透气性越好，也不是粒度越小越好，总的应该是小而匀，中小高炉粒度以10~25mm为宜，大于3000m3的大高炉粒级可以25~40mm的为主。适当缩小烧结矿粒度，改善高炉上部块状带的还原性值得炼铁工作者关注。法国索里梅公司2813m3高炉，入炉烧结矿的粒度从15mm缩小到13mm，5~10mm粒级从30%增加到34%，大于25mm的粒级从23%降低到17%，该高炉渣铁比305kg，风温1250℃，由于缩小烧结矿的粒度创造了439kg/t燃料比的世界纪录[7]。
3.3 烧结矿冶金性能对高炉主要操作指标的影响
3.3.1 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[8]。还原性不好的烧结矿装入高炉后，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%［9］。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。
3.3.2 烧结矿低温还原粉化性能对高炉主要操作指标的影响
烧结矿的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[10]，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%。
3.3.3 烧结矿荷重还原软化性能对高炉冶炼主要操作指标的影响
烧结矿的荷重还原软化性能取决于其矿物组成和气孔结构强度［8］。开始软化温度的高低往往是其气孔结构强度起主导作用的结果，说明软化终了温度往往是矿物组成起主导作用。由高炉内各带透气阻力图示可知，软化带的阻力损失约占25%，关于荷重软化性能对高炉主要操作指标的影响，目前国内外仅有意大利的皮昂比诺公司在其4#高炉上做过的统计，含铁原料的开始软化温度（TBS）由1285℃提高到1335℃，高炉的透气性ΔP由5.2kpa降低到4.75kpa， 产量提高了16%，可说明烧结矿的荷重还原软化性能对高炉操作指标的影响不容忽视。
3.3.4 烧结矿的熔滴性能对高炉主要操作指标的影响
熔融滴落性能简称熔滴性能，是烧结矿最重要的冶金性能，因为熔融滴落带的阻力损失占高炉总压损的60%，这也是近年来高炉操作由过去长期以高炉上部操作为主改变为下部操作为主，形成新的高炉操作理念的原因所在。美国学者L.A.Hass等提出对高炉炉料来说，熔滴性能总特性值（S）≤40kpa℃是适宜的［11］。
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。
开始滴落温度（Td）取决于渣相熔点和金属渗碳反应。高碱度烧结矿由于含FeO低和还原性优良，形成渣熔点高，滴落温度也就高。
烧结矿在高炉内熔滴带最大压差值（ΔPm）取决于渣相量和渣相粘度的高低。一般品位低、渣铁比高、Al2O3或TiO2含量高的烧结矿ΔPm 值越高。
4 改善烧结矿质量的几点结论性意见
由以上讨论和分析，可以对烧结矿的质量得出以下几点结论性意见：
1）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）烧结矿的化学成分主要有品位、SiO2、碱度、MgO、Al2O3和FeO，还有少量的S、P、Ka2O、ZnO、Cl等有害元素。
3）含铁品位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。
4）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。
5）优良的冶金性能是烧结矿质量的关键，炼铁工作者为改善高炉操作指标应重视和关注烧结矿冶金性能的改善。
5 主要参考文献：
[1]丁书慎. 为首钢炼铁准备原料[C].//1987年炼铁精料学术会议论文集. 嘉峪关：中国金属学会：1987：25-39
[2]刘维汉. 从首钢烧结生产的发展谈谈对炼铁精料的一点认识. [C].//1987年炼铁精料学术会议论文集. 嘉峪关：中国金属学会：1987：40-50.
[3]许满兴.高炉炉料结构的进步与发展. [C].//中国铁矿石造块适用技术 .北京：冶金工业出版社：2000年：258-270.
[4]许满兴. 影响烧结矿强度的因素分析. [M].铁矿石优化配矿实用技术. 北京: 冶金工业出版社，2017. 186-196.
[5]王维兴. 高炉炼铁对炉料质量要求[C].//第十四届全国炼铁原料学术会议论文集. 兰州：中国金属学会：2015：1-4.
[6]王再义.CaCl2对高炉内碱金属富集和焦炭热性能的影响. [J].炼铁. 2009,3,：45-50.
[7]N. ZhuSu. The relationship between the improvement of burdenstructure and operation of blast furnace in French solmer《A collection of blast furnace burdenstructures》（110）
[8]
[9]周传典.影响焦比和产量的因素. [M].高炉炼铁生产技术手册. 北京，冶金工业出版社，2000，41-42.
[10]周传典.降低烧结矿低温还原粉化的措施. [M].高炉炼铁生产技术手册. 北京: 冶金工业出版社，2002，817-821.
[11]
联系客服
