高爐冶煉過(guò)程適宜鎂鋁比的熱力學(xué)基礎(chǔ)研究中文摘要

對(duì)于高爐爐渣Al2O3含量升高帶來(lái)的爐渣冶金性能下降問(wèn)題，通常采用添加MgO的方法加以改善。目前國(guó)內(nèi)普遍存在爐渣鎂鋁比（MgO/Al2O3）越高越好的認(rèn)識(shí)誤區(qū)，導(dǎo)致我國(guó)爐渣的鎂鋁比偏高，增大了渣量和能耗及鎂資源消耗，同時(shí)也可能會(huì)影響燒結(jié)礦質(zhì)量。而國(guó)外高爐渣鎂鋁比普遍較低，孰是孰非，有必要進(jìn)行深入探討和研究，從機(jī)理上論證高爐渣的適宜鎂鋁比。本研究將從基礎(chǔ)熱力學(xué)角度出發(fā)，針對(duì)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(cè)試技術(shù)，研究MgO、Al2O3在爐渣形成過(guò)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(duì)爐渣冶金性能影響的作用機(jī)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(xué)合理的高爐煉鐵工藝以及MgO添加工藝提供理論依據(jù)，實(shí)現(xiàn)集成創(chuàng)新。

本項(xiàng)目以開(kāi)展適宜的爐渣鎂鋁比（ω(MgO)/ω(Al2O3)）為突破點(diǎn)，從熱力學(xué)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(duì)爐渣的熔化性溫度、黏度、脫硫能力，組分的反應(yīng)能力（活度）等影響以及對(duì)燒結(jié)、球團(tuán)工藝的影響，從而確定適宜的ω(MgO)/ω(Al2O3)，實(shí)現(xiàn)高爐爐料成分的優(yōu)化設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)科學(xué)合理的高爐煉鐵工藝，實(shí)現(xiàn)集成創(chuàng)新。 1 爐渣熱力學(xué)性質(zhì)的定量化 （1）CaO-SiO2-Al2O3-MgO渣系活度預(yù)測(cè)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(xué)數(shù)據(jù)建立了 CaO-SiO2-Al2O3-MgO四元系熔渣活度預(yù)測(cè)模型。選定參考渣法測(cè)定相關(guān)組元活度，數(shù)據(jù)比對(duì)分析，引入校正系數(shù)L'修正預(yù)測(cè)模型，校正后的預(yù)測(cè)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(dòng)性）的基礎(chǔ)研究 實(shí)驗(yàn)室條件下，探討了堿度、ω(MgO)/ω(Al2O3)對(duì)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(duì)爐渣流動(dòng)性影響。 （3）爐渣脫硫能力的基礎(chǔ)研究 從組元反應(yīng)性（活度）和黏度兩方面入手，考察了R、ω(MgO)/ω(Al2O3)、ω(Al2O3)等對(duì)爐渣脫硫能力的影響規(guī)律。專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了脫硫?qū)嶒?yàn)用雙層石墨坩堝，可更好地模擬高爐脫硫的實(shí)際情況。 2 化學(xué)成分對(duì)燒結(jié)、球團(tuán)工藝的作用機(jī)制 （1）考察MgO在鐵礦石燒結(jié)過(guò)程中的礦化機(jī)理 考察分析了MgO對(duì)燒結(jié)礦顯微強(qiáng)度的影響和含MgO熔劑在鐵礦石中的擴(kuò)散速度，確定適宜的含MgO熔劑的添加量。 （2）考察MgO、Al2O3對(duì)燒結(jié)礦、球團(tuán)冶金性能的影響 試驗(yàn)考察MgO、Al2O3對(duì)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(duì)鐵礦石冶金性能的作用機(jī)理。 3 制定科學(xué)合理的高爐冶煉制度 基于大量實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果，在某鋼鐵廠#A、#B高爐進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。研究主要包括兩個(gè)部分：1）考察降低高爐用含鎂熔劑對(duì)實(shí)際生產(chǎn)的影響；2）考察降低燒結(jié)礦MgO含量對(duì)實(shí)際生產(chǎn)的影響。生產(chǎn)實(shí)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(jì)指標(biāo)。

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(dá)熔點(diǎn)時(shí)，錳礦、焦炭和熔劑分層相間存在；錳礦中的錳、鐵高價(jià)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(yīng)產(chǎn)生大量的熱，使?fàn)t頂溫度升高；爐料中的水分（附著水和結(jié)晶水）、有機(jī)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(kāi)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(diǎn)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(guò)下方的焦炭層時(shí)，MnO與FeO被焦炭直接還原。MnO在高爐中的還原過(guò)程按巴甫洛夫的觀點(diǎn)，在高爐風(fēng)口以上的爐腹是第一還原區(qū)，風(fēng)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(dòng)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(jìn)爐渣流動(dòng)性而降低爐渣中MnO含量。

高爐冶煉過(guò)程是在爐料和爐氣的反向運(yùn)動(dòng)中進(jìn)行傳熱、傳質(zhì)和機(jī)械運(yùn)動(dòng)。爐料均勻而有節(jié)奏地下降，反應(yīng)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(fēng)口燃燒，焦炭被爐料中的氧氧化，在爐料下降過(guò)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(huì)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(duì)上移，氣體通道切面相對(duì)變小，氣流速度變大，阻力損失增加，對(duì)高爐的順行影響甚大。煤氣流的合理分布對(duì)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(guò)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?fàn)t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(guò)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(fēng)機(jī)送出的冷空氣在熱風(fēng)爐加熱到 800～1350以后，經(jīng)風(fēng)口連續(xù)而穩(wěn)定地進(jìn)入爐缸，熱風(fēng)使風(fēng)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(xué)變化，煤氣流則逐漸冷卻。下降料柱與上升煤氣流之間進(jìn)行劇烈的傳熱、傳質(zhì)和傳動(dòng)量的過(guò)程。

下降爐料中的毛細(xì)水分當(dāng)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(kāi)始還原。部分氧化鐵是在下部高溫區(qū)先熔于爐渣，然后再?gòu)脑羞€原出鐵。

焦炭在高爐中不熔化,只是到風(fēng)口前才燃燒氣化,少部分焦炭在還原氧化物時(shí)氣化成CO。而礦石在部分還原并升溫到1000～1100時(shí)就開(kāi)始軟化；到1350～1400時(shí)完全熔化；超過(guò)1400就滴落。焦炭和礦石在下降過(guò)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(gè)區(qū)域。

①區(qū)是礦石與焦炭分層的干區(qū)，稱(chēng)塊狀帶，沒(méi)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(kāi)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(fēng)口前有一個(gè)袋形的焦炭回旋區(qū)，在這里，焦炭強(qiáng)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(shí)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(guò)程，順利地完成加熱、還原鐵礦石和熔化渣、鐵等過(guò)程，達(dá)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(guò)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(jì)算）286公斤。

主要還原劑 焦炭中的碳和鼓風(fēng)中的氧燃燒生成的CO氣體，以及鼓風(fēng)和燃料在爐內(nèi)反應(yīng)生成的H是高爐中的主要還原劑。約從400開(kāi)始,氧化鐵逐步從高價(jià)鐵還原成低價(jià)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(guò)程。還原順序?yàn)?[kg2]FeO─→FeO─→FeO─→Fe（低于570時(shí)，F(xiàn)eO不穩(wěn)定,還原順序?yàn)椋篎eO─→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(fù)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(dòng)性好，對(duì)爐身中、下部耐火磚侵蝕快。由于上述特點(diǎn)和冶煉規(guī)律，錳鐵高爐的內(nèi)型與生鐵高爐相比是擴(kuò)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(shí)踐證明，無(wú)爐襯高爐（圖3）能適應(yīng)冶煉錳鐵的要求，可以得到較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。所謂無(wú)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(shè)備基本與煉鐵高爐相同，僅在一些參數(shù)和設(shè)備匹配上作適當(dāng)修改。