（转载2020年《炼铁交流》杂志第一期）
赵金巍 陈玉成 连军峰 袁 鹏 王 星
（新疆昆玉钢铁有限公司）
摘 要 文章中介绍了昆玉钢铁近年来对入炉矿结构优化的研究。通过优化铁前、高炉综合配矿，在高炉稳定顺行的前提下，通过对高炉渣系性能进行研究，提高高镁含铁料入炉比例，实现了铁水成本最优。
关键词 高炉 渣系 性能 镁铝比 研究
高炉简介
昆玉2#、3#高炉（450m3）设一个铁口，16个风口，采用平坦化出铁场，储铁式主沟。设计利用系数3.2t/m3·d。炉顶采用紧凑式串罐无料钟炉顶装料设备。炉体采用全冷却壁薄炉衬结构，软水密闭循环冷却。其中，炉身中、上部采用铸铁冷却壁，镶磷酸浸渍粘土砖；炉腹、炉腰、炉身下部热负荷大的区域采用铸钢冷却壁，热面镶烧成微孔铝碳砖，背面穿蛇形管；炉缸则采用低铬耐热光面铸铁冷却壁。炉底砌筑采用大块碳砖加陶瓷杯砌体复合炉衬结合水冷炉底结构，炉底共砌四层碳砖，总厚度为1600mm。其中，一、二层为半石墨碳砖，三层为微孔碳砖，四层为超微孔碳砖，上设700mm陶瓷垫。炉缸外侧环砌6层超微孔碳砖，炉缸最上部环砌3层微孔碳砖，炉缸内侧陶瓷杯采用全杯结构。煤气净化系统采用重力除尘+布袋除尘的干法煤气除尘系统，煤气含尘量可降至5mg/m3以下。采用3座改进型顶燃式热风炉，预热助燃风，设计风温1200℃。风机采用BPRT技术，充分利用炉顶余压。1 前言
近年来,入炉料结构优化的开展，以烧结、球团配加高镁精粉、烧结配加高镁粗粉，高镁含铁料性价比优势凸显，尤其在主流精粉价格大幅上升时，高比例配加高镁含铁料，实现成本最经济。炼铁从理论渣系相图着手，研究高炉理论最适宜镁铝比、炉渣碱度、粘度范围，制定高炉提高高镁含铁料入炉操作方针控制。具体内容如下：2 高炉炉渣、烧结矿、球团矿成分
对比2013年-2018年高炉炉渣成分，高炉镁铝比控制呈上升趋势，烧结矿MgO含量自2016年开始提高至2.19%，2017年-2018年烧结矿MgO稳定在2.30%左右；球团矿MgO平均含量提高至1.72%。3 渣系研究
3.1 炉渣性能及其影响因素分析
温度是影响炉渣粘度的最重要因素，对于高炉炉渣随着温度降低，炉渣粘度逐渐下降，当温度低至炉渣性能转折点时，炉渣粘度会急剧升高，导致炉渣迅速丧失流动性。图1中曲线1属于性能较稳定炉渣，随着温度降低，炉渣粘度变化平滑，转折点温度较高，炉渣性能稳定。实际生产中炉渣粘度变化绝大多数遵循图1中的曲线2，即转折点温度较高，随着温度降低炉渣性能容易发生突变。炉渣主要由CaO、SiO2、MgO、Al2O3四种氧化物组成，碱度较低时，由于含有大量的硅氧复合离子，炉渣粘度较大，表现为长渣特性。随着二元碱度的提高，炉渣中O2-离子活度增大，促使硅氧复合离子解体，从而使炉渣粘度下降，流动性改善。随着碱度的进一步提高，炉渣中正硅酸钙（2CaO·SiO2）比例增加，导致炉渣的熔化性温度升高，短渣性能逐渐增强，炉渣稳定性变差。如图2所示，随碱度的升高，炉渣熔化温度呈升高趋势，在不同碱度范围内，炉渣熔化温度变化趋势不同，当R为0.95～1.15时，炉渣熔化温度随碱度提高变化趋势较大；在R为1.15～1.35区间时，熔化温度随碱度的增大而变化的幅度变小。在炉渣碱度变化时，随碱度升高，炉渣熔化温度升高。且增加幅度逐渐减小，炉渣热稳定性提高。较低的镁铝比炉渣不仅流动性差，而且在低温条件下炉渣稳定性还会大幅降低，从而会产生两方面的危害：流动性差的中间渣会填充在焦窗中不易滴下，降低软熔带的透气性，增加料柱煤气阻力损失；不稳定的中间渣在炉内温度波动时容易重新凝结，尤其是在炉腰、炉腹区域，造成炉墙结厚而产生。如图3所示，在炉渣碱度范围0.8-1.0时，随MgO逐渐提高，炉渣粘度呈现降低趋势，MgO含量为0.7%时，炉渣碱度在R0.8～1.0范围内，粘度随碱度提高由0.6Pa.S降低至0.4Pa.S；随MgO不断提高至15%，在R0.8～1.0范围内，炉渣粘度由0.4Pa.S降低至0.25Pa.S；随MgO继续提高，炉渣处于钙镁橄榄石、镁蔷薇辉石高熔点化合物范围，使炉渣熔化温度提高，粘度升高，流动性变差，炉渣冶金性能恶化，导致高炉燃料消耗升高。3.2 炉渣三元相图（Al2O3=10%，CaO-SiO2-MgO）
根据高炉渣系三元相图，在高炉冶炼温度条件下，炉渣的最好组成为黄长石（2CaO.SiO2.2MgO）初晶范围，在此区域，等温线分布稀松，该区域炉渣熔化性温度低，炉渣粘度低、流动性好；在适宜的碱度范围内，当炉渣二元碱度维持不变，含MgO等矿物钙镁橄榄石、镁蔷薇辉石等相继增加，维持合适的MgO控制范围，使炉渣处于黄长石初晶区。在碱度0.7～1.0区间，黄长石初晶区较碱度1.0～1.3宽，因此，若保持MgO含量不变，逐渐提高炉渣二元碱度，炉渣组成极易离开黄长石初晶区，而进入周围熔化温度较高的区域，致使炉渣粘度降低，熔化性温度升高；降低炉渣碱度，炉渣粘度逐步升高，熔化性温度处于1400℃等温线，高炉采取提高炉温降低炉渣粘度调整手段。炉渣（Al2O3=10%，CaO-SiO2-MgO）三元相图如下：依据昆玉高炉2#高炉7月份炉渣平均成分（不保留小数位），确定高炉7月份高炉炉渣处于三元相图位置，进行分析研究，7月份2#高炉炉渣成分如下：根据炉渣成分，在渣系三元相图中标注炼铁2#高炉炉渣组成范围区域，具体如下图：根据上图所示，以2号高炉炉渣成分数据，分别做对边平行线，图5中三条红实线相交组成三角形区域，确定炼铁2号高炉炉渣组成目前处于低熔点黄长石晶区。（1）若保持Al2O3为10%，在碱度R=1.0直线上，继续提高炉渣中MgO含量至15%，此时炉渣组成处于黄长石晶区边缘区域，据图3得知炉渣粘度在0.25Pa.S；（2）若保持炉渣碱度R=1.0不变，继续提高MgO含量至19%左右，炉渣组成出现钙镁橄榄石，炉渣熔化性温度区域1600℃，炉渣组成由低熔点黄长石转变为高熔点钙镁橄榄石，消耗热量较高；（3）在保持碱度R在0.7～1.0区间内，MgO含量控制在7%～19%，炉渣成分组成虽处于黄长石晶区，但炉渣粘度波动区间较宽，粘度从0.6-0.4-0.25-0.2-0.3Pa.S范围内波动，炉渣流动性波动较大。4 渣中Al2O3、MgO对高炉冶炼的影响
4.1 Al2O3对高炉冶炼的影响
Al2O3在一定范围内时能够改善炉渣的稳定性，有利于高炉操作，但炉渣中高Al2O3炉渣难以熔化，并且粘度增大，炉渣的流动性和稳定性都将变差，易引起炉墙粘结与炉缸堆积，破坏高炉冶炼的正常进程，产生以下负面影响：（1）高Al2O3炉渣的初渣堵塞炉料间的空隙，使料柱透气性变差，增加煤气通过时的阻力。同时，该炉渣在高炉内易在炉腹部位的炉墙结成炉瘤，引起炉料下降不顺，形成崩料、悬料，破坏冶炼进程。（2）由于高Al2O3炉渣过于粘稠，其终渣流动性差，不利于脱硫反应的扩散作用，脱硫效果变差。（3）高Al2O3炉渣终渣流动性差，容易堵塞炉缸，不宜从炉缸中流出，使炉缸壁结厚，缩小炉缸的体积，造成高炉操作上的困难。严重时还会引起风口大量烧坏。 （4）高炉炉渣中Al2O3含量在10%～15%时，有利于提高炉渣的稳定性，但当Al2O3含量继续升高时，炉渣的稳定性变差。炉温不足，其流动性急剧变差，不仅顺行不好，有时放渣出铁也会困难。因此当炉温不足时，极易引起炉缸炉温不足的渣铁堆积。4.2 MgO对高炉冶炼的影响
在适宜的炉渣碱度范围内,当炉渣二元碱度不变时,随着MgO含量的适当增加,含MgO的矿物,如钙镁橄榄石(CaO・MgO・SiO2)、镁蔷薇辉石(3CaO・MgO・2SiO2)等会增加,当渣中Al2O3含量为10%～15%，炉渣组成极易离开黄长石初晶区,而进入周围熔化温度较高的区域,致使炉渣粘度大幅度升高。但是,当炉渣中MgO含量变化时,物相点左右移动，炉渣成分仍处于黄长石晶区范围内，不会造成高炉炉渣流动性的恶化，适当提高MgO入炉比例，降低炉渣粘度，改善炉渣流动性。（1）炉渣内MgO含量每增加1%，炉渣熔化性温度降低4℃左右。（2）当渣中碱度、Al2O3含量不变时，增加MgO含量，炉渣粘度、熔化性温度总体呈降低趋势。（3）炉渣碱度不同时，MgO含量对炉渣粘度的影响不同，碱度较高时，炉渣成分处于等温线和等粘度曲线分布相对较密集的黄长石初晶区边缘，在提高MgO时应结合炉渣碱度。根据图5（Al2O3含量10%）可以看出，高炉适宜的炉渣碱度在0.7-1.25之间，炉渣成分处于黄长石晶区，MgO含量在5%-10%之间区域粘度范围宽广，若继续提高MgO含量至10%-15%，炉渣低粘度区域明显扩大，但随之炉渣熔化性温度升高，在Al2O3含量10%保持不变的前提下，提高MgO含量即提高镁铝比,炉渣短渣的转折点明显出现，需提高物理热温度达到炉渣熔化性温度，同时提高MgO含量增加高炉渣量，影响高炉燃料消耗升高。5 炼铁高炉适宜MgO、炉渣碱度控制范围
综上所述，炼铁结合三元渣系相图、炉渣碱度与粘度相图关系，炼铁高炉入炉MgO在目前11%基础上仍存在提升潜力，在提升MgO入炉比例，高炉必须确定适宜的碱度控制范围，以兼顾随MgO提高，炉渣熔化性温度、炉渣粘度的变化，实现高MgO入炉比例、低熔化性温度经济冶炼模式，具体控制参数如下：（1） 结合炼铁高炉炉渣脱硫能力，炼铁在高MgO入炉期间，炼铁炉渣碱度控制范围为0.95～1.0区间内，确保炉渣成分组成仍处于低熔化温度、低粘度的黄长石区晶区内；（2） 在碱度R=0.95～1.0区间内，高炉渣中MgO含量至15%，此时炉渣组成处于黄长石晶区边缘区域，炉渣粘度在0.25Pa.S，MgO含量若继续提高，炉渣成分组成相继出现钙镁橄榄石、镁蔷薇辉石高熔化温度化合物，炉渣粘度出现上升趋势，因此，炼铁高炉理论MgO含量最高控制在15%为宜。（3） 后续炼铁在确保烧结矿、球团矿的冶金性能的前提下，通过提高烧结矿、球团矿MgO含量，逐步提高高炉炉渣中MgO含量进行实际验证，以期达到在高炉稳定顺行的基础上，高比例消耗高镁含铁料创效的目的。6 下一步炼铁工作的目标及计划
炼铁以改善高炉渣的流动性、热容量、脱硫能力等对MgO的需求为前提，按需求分配使用MgO，使MgO的正影响最大化，负影响最小化，从而做到MgO在全炼铁流程中的功效最大化。具体如下：（1）在保证烧结矿具有良好低温还原粉化性能的基础上,烧结提高高镁精粉配比不低于32%，在保证烧结矿强度高、还原性好、高温软熔性能好、且低温还原粉化指标稳定前提下，烧结矿MgO含量控制在2.4%-2.5%。（2）球团高镁精粉稳定配加至40%，球团矿MgO含量控制2.5%-2.6%。（3）在目前炉渣Al2O3含量在11%-12%左右，高炉控制炉渣碱度至0.95-1.0之内，炉渣MgO含量最高不超15%。
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