高爐冶煉過程適宜鎂鋁比的熱力學基礎研究

本項目以開展適宜的爐渣鎂鋁比（ω(MgO)/ω(Al2O3)）為突破點，從熱力學理論層面系統(tǒng)地考察各種原料條件下包括MgO、Al2O3在內(nèi)的各組分對爐渣的熔化性溫度、黏度、脫硫能力，組分的反應能力（活度）等影響以及對燒結(jié)、球團工藝的影響，從而確定適宜的ω(MgO)/ω(Al2O3)，實現(xiàn)高爐爐料成分的優(yōu)化設計，開發(fā)科學合理的高爐煉鐵工藝，實現(xiàn)集成創(chuàng)新。 1 爐渣熱力學性質(zhì)的定量化 （1）CaO-SiO2-Al2O3-MgO渣系活度預測模型 制作不同溫度條件下CaO-SiO2-Al2O3-MgO四元渣系的等溫截面圖。依據(jù)熔渣分子離子共存理論，結(jié)合相關(guān)二元、三元相圖及涉及到的熱力學數(shù)據(jù)建立了 CaO-SiO2-Al2O3-MgO四元系熔渣活度預測模型。選定參考渣法測定相關(guān)組元活度，數(shù)據(jù)比對分析，引入校正系數(shù)L'修正預測模型，校正后的預測模型具有良好的穩(wěn)定性和精度。 （2）爐渣冶金性能（熔化性溫度、黏度、流動性）的基礎研究 實驗室條件下，探討了堿度、ω(MgO)/ω(Al2O3)對爐渣冶金性能（黏度、熔化性溫度）的影響；探討了1500℃條件下，ω(MgO)/ω(Al2O3)、Al2O3含量及堿度對爐渣流動性影響。 （3）爐渣脫硫能力的基礎研究 從組元反應性（活度）和黏度兩方面入手，考察了R、ω(MgO)/ω(Al2O3)、ω(Al2O3)等對爐渣脫硫能力的影響規(guī)律。專門設計了脫硫?qū)嶒炗秒p層石墨坩堝，可更好地模擬高爐脫硫的實際情況。 2 化學成分對燒結(jié)、球團工藝的作用機制 （1）考察MgO在鐵礦石燒結(jié)過程中的礦化機理 考察分析了MgO對燒結(jié)礦顯微強度的影響和含MgO熔劑在鐵礦石中的擴散速度，確定適宜的含MgO熔劑的添加量。 （2）考察MgO、Al2O3對燒結(jié)礦、球團冶金性能的影響 試驗考察MgO、Al2O3對燒結(jié)礦的低溫還原粉化、還原性、還原膨脹、軟熔滴落等冶金性能影響，研究其對鐵礦石冶金性能的作用機理。 3 制定科學合理的高爐冶煉制度 基于大量實驗室試驗結(jié)果，在某鋼鐵廠#A、#B高爐進行了現(xiàn)場試驗。研究主要包括兩個部分：1）考察降低高爐用含鎂熔劑對實際生產(chǎn)的影響；2）考察降低燒結(jié)礦MgO含量對實際生產(chǎn)的影響。生產(chǎn)實踐表明，該煉鐵廠采用低MgO燒結(jié)—高爐煉鐵技術(shù)，取得了良好的煉鐵技術(shù)經(jīng)濟指標。

對于高爐爐渣Al2O3含量升高帶來的爐渣冶金性能下降問題，通常采用添加MgO的方法加以改善。目前國內(nèi)普遍存在爐渣鎂鋁比（MgO/Al2O3）越高越好的認識誤區(qū)，導致我國爐渣的鎂鋁比偏高，增大了渣量和能耗及鎂資源消耗，同時也可能會影響燒結(jié)礦質(zhì)量。而國外高爐渣鎂鋁比普遍較低，孰是孰非，有必要進行深入探討和研究，從機理上論證高爐渣的適宜鎂鋁比。本研究將從基礎熱力學角度出發(fā)，針對高爐爐渣，利用等溫截面圖考察不同成分條件下的礦物組成、MgO、Al2O3等成分在爐渣中的活度、存在狀態(tài)，結(jié)合EPMA、X-ray衍射、掃描電鏡、礦相分析等測試技術(shù)，研究MgO、Al2O3在爐渣形成過程中以及在燒結(jié)和煉鐵生產(chǎn)流程諸環(huán)節(jié)中的行為，解明MgO、Al2O3等組分對爐渣冶金性能影響的作用機理，充分發(fā)揮MgO的正能量作用，提出適宜的鎂鋁比，為制定科學合理的高爐煉鐵工藝以及MgO添加工藝提供理論依據(jù)，實現(xiàn)集成創(chuàng)新。

根據(jù)錳鐵高爐爐體解剖的結(jié)果，加入的爐料在高爐內(nèi)可分為塊狀帶，軟熔帶、滴落帶和再還原區(qū)。塊狀帶位于爐身處，爐料未達熔點時，錳礦、焦炭和熔劑分層相間存在；錳礦中的錳、鐵高價氧化物在塊狀帶受熱分解和被爐氣中的CO還原成MnO與FeO；還原反應產(chǎn)生大量的熱，使爐頂溫度升高；爐料中的水分（附著水和結(jié)晶水）、有機物等隨爐氣外排。軟熔帶位于爐腰與爐腹，包括爐料靠爐壁的軟區(qū)和中部的熔區(qū)；MnO與FeO同錳礦中的脈石和熔劑開始形成初渣，而分為軟熔帶和焦炭層；軟熔帶的存在增大了爐氣的阻力，因此要求錳原料的熔點要高而軟化區(qū)間要窄。滴落帶位于軟熔帶中心；初渣液滴穿過下方的焦炭層時，MnO與FeO被焦炭直接還原。MnO在高爐中的還原過程按巴甫洛夫的觀點，在高爐風口以上的爐腹是第一還原區(qū)，風口帶為錳、鐵氧化區(qū)，爐缸為再還原區(qū)。MnO的還原是在熔融狀態(tài)被碳還原，與爐缸溫度、爐渣堿度和流動性、焦炭粒度有密切關(guān)系。MnO還原為Mn需要熱量是4946 kJ/kg（Mn），F(xiàn)eO還原為Fe所需的熱量是2699 kJ/kg（Fe），所以高爐冶煉錳鐵的焦比要比冶煉生鐵高。

MnO主要是在熔渣中被碳還原。添加CaO提高爐渣堿度，可以提高渣中MnO的活度和爐缸溫度，使錳的收得率增加。添加MgO可以提高爐渣堿度，改進爐渣流動性而降低爐渣中MnO含量。

高爐冶煉過程是在爐料和爐氣的反向運動中進行傳熱、傳質(zhì)和機械運動。爐料均勻而有節(jié)奏地下降，反應產(chǎn)生的煤氣合理分布上升從爐頂泄出是高爐順行的首要要求。焦炭在風口燃燒，焦炭被爐料中的氧氧化，在爐料下降過程中小塊料填充于大塊料之間，爐料逐漸熔化使體積縮小，定期從爐缸排放爐渣與合金等都會在爐內(nèi)形成自由空間。爐料由于自重克服爐料與爐壁、爐料間的摩擦力和煤氣上升的浮力而下降。錳鐵高爐爐缸溫度比生鐵高爐高，爐料軟熔帶相對上移，氣體通道切面相對變小，氣流速度變大，阻力損失增加，對高爐的順行影響甚大。煤氣流的合理分布對高爐冶煉錳鐵十分重要。

高爐冶煉是把鐵礦石還原成生鐵的連續(xù)生產(chǎn)過程。鐵礦石、焦炭和熔劑等固體原料按規(guī)定配料比由爐頂裝料裝置分批送入高爐，并使爐喉料面保持一定的高度。焦炭和礦石在爐內(nèi)形成交替分層結(jié)構(gòu)。礦石料在下降過程中逐步被還原、熔化成鐵和渣，聚集在爐缸中，定期從鐵口、渣口放出。

鼓風機送出的冷空氣在熱風爐加熱到 800～1350以后，經(jīng)風口連續(xù)而穩(wěn)定地進入爐缸，熱風使風口前的焦炭燃燒，產(chǎn)生2000以上的熾熱還原性煤氣。上升的高溫煤氣流加熱鐵礦石和熔劑，使成為液態(tài)；并使鐵礦石完成一系列物理化學變化，煤氣流則逐漸冷卻。下降料柱與上升煤氣流之間進行劇烈的傳熱、傳質(zhì)和傳動量的過程。

下降爐料中的毛細水分當受熱到100～200即蒸發(fā)，褐鐵礦和某些脈石中的結(jié)晶水要到500～800才分解蒸發(fā)。主要的熔劑石灰石和白云石，以及其他碳酸鹽和硫酸鹽，也在爐中受熱分解。石灰石中[kg2]CaCO[kg2]和白云石中MgCO的分解溫度分別為900～1000和740～900。鐵礦石在高爐中于 400或稍低溫度下開始還原。部分氧化鐵是在下部高溫區(qū)先熔于爐渣，然后再從渣中還原出鐵。

焦炭在高爐中不熔化,只是到風口前才燃燒氣化,少部分焦炭在還原氧化物時氣化成CO。而礦石在部分還原并升溫到1000～1100時就開始軟化；到1350～1400時完全熔化；超過1400就滴落。焦炭和礦石在下降過程中，一直保持交替分層的結(jié)構(gòu)。由于高爐中的逆流熱交換,形成了溫度分布不同的幾個區(qū)域。

①區(qū)是礦石與焦炭分層的干區(qū)，稱塊狀帶，沒有液體；

②區(qū)為由軟熔層和焦炭夾層組成的軟熔帶，礦石開始軟化到完全熔化；

③區(qū)是液態(tài)渣、鐵的滴落帶，帶內(nèi)只有焦炭仍是固體；

④風口前有一個袋形的焦炭回旋區(qū)，在這里，焦炭強烈地回旋和燃燒，是爐內(nèi)熱量和氣體還原劑的主要產(chǎn)生地。

液態(tài)渣鐵積聚于爐缸底部,由于比重不同,渣液浮于鐵液之上,定時從爐缸放出鐵水出爐溫度一般為1400～1550，渣溫比鐵溫一般高30～70。

煤氣流沿高爐斷面合理均勻地分布上升，能改善煤氣與爐料之間的傳熱和傳質(zhì)過程，順利地完成加熱、還原鐵礦石和熔化渣、鐵等過程，達到高產(chǎn)、低耗、優(yōu)質(zhì)的要求。

高爐中鐵的還原 高爐中主要被還原的是鐵的氧化物:FeO(赤鐵礦),FeO（磁鐵礦）和FeO（浮氏體，從0.04到0.125）等。每得到1000公斤金屬鐵，通過還原被除去的氧量為：赤鐵礦429公斤,磁鐵礦382公斤,浮氏體（按FeO計算）286公斤。

主要還原劑 焦炭中的碳和鼓風中的氧燃燒生成的CO氣體，以及鼓風和燃料在爐內(nèi)反應生成的H是高爐中的主要還原劑。約從400開始,氧化鐵逐步從高價鐵還原成低價鐵，一直到金屬鐵。

間接還原 氧化鐵由[kg2]CO[kg2]還原生成[kg2]CO[kg2]或由[kg2]H[kg2]還原生成HO的過程。還原順序為:[kg2]FeO─→FeO─→FeO─→Fe（低于570時，F(xiàn)eO不穩(wěn)定,還原順序為：FeO─→FeO─→Fe）。從圖2[Fe-O-C體系氣相平衡組成] 2100433B

高爐冶煉錳鐵的焦比高，負荷輕；煤氣量大，在爐身極易發(fā)展邊沿氣流；爐料吹損大；爐頂溫度高。初渣中MnO含量高，流動性好，對爐身中、下部耐火磚侵蝕快。由于上述特點和冶煉規(guī)律，錳鐵高爐的內(nèi)型與生鐵高爐相比是擴大爐喉；加大爐腹直徑使高爐有效高度和爐腰直徑比降低；實踐證明，無爐襯高爐（圖3）能適應冶煉錳鐵的要求，可以得到較好的技術(shù)經(jīng)濟效益。所謂無爐襯高爐是指除承受高溫爐渣和鐵液的爐缸與爐底部分用磚砌外，爐腹、爐身的外殼用水噴淋或汽化冷卻。不砌耐火材料。錳鐵高爐的其他設備基本與煉鐵高爐相同，僅在一些參數(shù)和設備匹配上作適當修改。