陳海軍

（石橫特鋼新疆昆玉鋼鐵有限公司）

摘  要： 針對近年來石橫特鋼新疆昆玉鋼鐵高爐在使用高MgO爐料配比存在的問題及高爐生產狀況，開展了高爐高（MgO）渣性能研究、高MgO爐料結構優化探討。認為高爐下一步的爐料結構，應借助歐亞經濟帶區位優勢，大比例進口價格低廉的高鎂鐵精礦，合理調配高MgO精礦在燒結與球團中的比例關系，優化爐料結構，滿足高爐穩定順行，最大限度使用高MgO鐵精礦，發揮爐料結構功效最大化，實現高MgO爐料最佳經濟冶煉，提升企業競爭力。

關鍵詞：  高爐；高(MgO) ；高MgO爐料 ；爐料結構優化；成本最優

近年來，由于鐵礦石等原材料價格頻繁波動，鋼鐵市場跌宕起伏，鋼鐵企業面臨“微利”時代的嚴峻挑戰，對此，國內眾多鋼鐵企業實施低成本戰略^[1]。強練內功，降本增效，低耗生產已成為鋼鐵企業生產過程重點攻關和研究的課題。

隨著新疆絲綢之路經濟帶能源資源產業鏈一體化合作逐步深化，也給“一帶一路”周邊及沿線各鋼鐵企業帶來了新的發展機遇，石橫特鋼新疆昆玉鋼鐵抓住有利時機，充分發揮歐亞經濟帶區位優勢，先后與俄羅斯、哈薩克斯坦等國家的礦石供應商建立了良好的貿易關系，在穩定進口鐵礦粉供應的同時，逐漸加大價格較低廉的高鎂磁鐵精礦進口比例，實現高鎂爐料低成本冶煉，在產能與質量穩定的情況下，提高進口高鎂精礦入爐比例，對提升企業鐵水成本競爭力起著關鍵作用。為此，開展高（MgO）爐料結構優化研究及探討對企業及行業的發展意義重大。

1  高（MgO）渣系性能研究

在高爐冶煉進程中，為滿足高爐操作長期穩定順行，必須十分重視含鐵爐料在軟熔帶的透氣阻力，高爐內軟熔帶的透氣性很大程度取決于渣相的熔點高低和渣相黏度大小，了解和研究高(MgO)渣系性能就顯得尤為重要。

1.1爐渣熔化溫度變化

在Al₂O₃=15%時的CaO-SiO₂-MgO-Al₂O₃四元渣系等溫度相圖^［2］96（圖1）中添加兩條等MgO線（10%、17%）可以看出，爐渣的熔化溫度隨著渣堿度和渣中MgO含量的升高而升高，由圖中可以看出，爐渣MgO含量為10%時，爐渣熔化溫度隨著堿度的變化也有較大變化，當渣堿度為1.1左右時，所對應的（黑色粗實線橢圓A區域）為昆玉鋼鐵高爐近年來爐渣熔化溫度變化區間，此熔化溫度區間為1410℃～1440℃。隨著渣中MgO含量升高至17%時，其的熔化溫度也隨之升高20℃左右，此時的爐渣即使堿度在0.95～1.15較大范圍變化，其熔化溫度（黑色細實線橢圓B區域）仍靠近1450℃等溫線上，說明該爐渣的熔化溫度具有較好的穩定性，另外需要注意的是當爐渣MgO含量高于17%（B區域向右移動）發生變化時，熔化溫度會隨堿度的升高敏感性增強，降低爐渣堿度，可以緩解熔化溫度的敏感性。

由此研究發現：冶煉MgO含量為17%的爐渣，并適當降低高爐爐渣堿度在一定范圍內（0.95～1.05），爐渣不僅具有較高的熔化溫度和良好的穩定性，有利于高爐軟熔帶的穩定及煤氣利用的提高，而且能降低高鎂爐渣因鎂含量變化引起的溫度敏感性，同時可以減少高爐冶煉過程CaO的添加量，降低生鐵成本及能耗。

1.2爐渣黏度變化

高爐正常冶煉適宜的爐渣黏度應控制在0.4Pa·s以下^［3］，提高爐渣MgO含量是調整爐渣黏度為0.3～0.4Pa·s的有效措施之一^［4］，在高爐正常生產中，排出爐外的爐渣溫度一般為1500℃左右，由CaO-SiO₂-MgO-Al₂O₃四元渣系等黏度相圖^［2］99（圖2）所示，在1500℃時，爐渣MgO含量由10%增加至17%，即使爐渣二元堿度在0.90～1.10較大范圍波動，爐渣黏度也能穩定在0.3～0.4Pa·s。（圖2黑色細實線橢圓C區域），完全能達到理想爐渣黏度狀態。尤其MgO含量為17%的爐渣，當爐況波動造成爐渣溫度降至1400℃左右時，其黏度也能保持在0.6Pa·s以內（圖2黑色細實線橢圓D區域），爐渣仍具有良好的流動性，不會因爐渣溫度急劇降低引起黏度變化，導致爐況不順現象。

1.3爐渣脫硫排堿性能的變化

提高爐渣脫硫排堿能力，可以有效降低［S］及堿金屬等有害元素在高爐內的循環富集，保證生鐵質量和高爐穩定順行。近年來，石橫特鋼新疆昆玉鋼鐵高爐入爐有害元素，主要是堿金屬（Na₂O+K₂O）及鋅（Zn）負荷偏高，造成爐內循環富集并加劇了燒結礦的還原粉化及球團礦的異常膨脹，導致料柱透氣性下降，給高爐的冶煉操作帶來不利影響。提高(MgO)含量并適當降低爐渣堿度，可以降低渣中K₂O、Na₂O活度，改善爐渣脫硫動力學條件，提高爐渣脫硫排堿能力，由歐洲某鋼鐵公司正常生產時的高爐爐渣成分^［4］20中可以看出：高MgO低堿度爐渣具有較強的脫硫排堿能力（見表1）。

1.4爐渣成分控制范圍

通過以上理論研究發現，MgO含量為17%的爐渣，不僅具有較高的熔化溫度和良好的穩定性，能夠改善爐內軟熔帶縱向和圓周方向上的溫度分布，有利于煤氣利用及爐況穩定，并且爐渣具有良好的流動性和脫硫排堿能力。目前，石橫特鋼新疆昆玉鋼鐵高爐渣中MgO含量為11.5%左右，在提高高MgO爐料入爐比例，滿足爐渣（MgO）=17%的同時適當降低爐渣堿度，堿度的調整以鐵水中［S］控制在一類鐵為依據，將爐渣R₂維持在1.0±0.05范圍內較為適宜。

2高MgO爐料性能及結構優化探討

合理爐料結構是高爐穩定順行的基礎，不僅要求含鐵爐料有良好的冶金性能和爐料搭配性能，滿足高爐冶煉需求，更要求含鐵爐料有穩定的資源供應，以確保爐料結構的相對穩定，另外，還要追求較低的生鐵成本和促進企業效益最大化^［5］。目前，在石橫特鋼昆玉鋼鐵進口高MgO磁鐵精礦資源供給充足條件下，選擇高（MgO）爐料冶煉，最大限度使用價格低廉的高MgO磁鐵精礦，做到既降低配礦成本又能滿足高爐冶煉需求的高（MgO）爐料結構優化的探討分析，為實現高爐的最佳經濟冶煉很有必要。

2.1提高MgO對燒結礦性能的影響

多年來的理論研究和生產實踐表明，高堿度燒結礦具有良好的還原性和高溫軟熔性能。由于高堿度燒結礦是以強度好，還原性好的鐵酸鈣為主要黏結相，當高堿度燒結礦中MgO含量過高時，會導致燒結礦強度變差，其主要原因是MgO在燒結過程中易與Fe₃O₄反應生成鎂磁鐵礦，阻礙Fe₃O₄氧化成Fe₂O₃，也就阻礙了鐵酸鈣的生成，造成燒結礦強度和還原性變差。據實驗測定和高爐實踐，燒結礦中MgO質量分數增加1%，燒結礦的冷強度就下降3%，還原性降低5%。不僅如此，由于含MgO的礦物多是難熔礦物，它們的形成造成燃耗升高，液相量和流動性變差，導致冷強度變差，燒結機產量下降^[1]。表2為國內幾種高MgO燒結礦的化學成分及冶金性能指標。

有研究表明：高MgO高堿度（MgO為2.4%，自由堿度2.0）燒結礦在還原軟熔過程中，MgO易與SiO₂、Al₂O₃、浮氏體結合，形成鈣鎂橄欖石、鎂黃長石、鎂鐵黃長石等熔體的初渣，導致未熔渣堿度升高，使CaO與SiO₂結合形成2CaO ·SiO₂硅酸二鈣為主相的高熔點難熔渣粉，在燒結礦表面不斷析出，造成未熔渣與熔化渣之間嚴重的成分偏析^［6］，從而惡化燒結礦的高溫軟熔性能。

因此高MgO高堿度燒結礦在高爐內會嚴重影響軟熔帶的位置和形狀，導致軟熔帶的不穩定，使煤氣流分布不勻，極易形成管道氣流及崩、滑料現象，造成高爐順行受阻。近年來石橫特鋼昆玉鋼鐵兩座高爐爐況表現說明，使用高MgO高堿度燒結礦配加酸性球團的爐料，高爐操控難度較大，風壓、風量易呆滯，爐渣脫S排堿能力減弱，高爐崩、滑料現象較多，高爐難以維持長周期的穩定順行。表3為近年來石橫特鋼新疆昆玉鋼鐵高爐主要經濟技術指標及高爐生產狀況。

所以就高MgO高堿度燒結礦的還原性和高溫軟熔性能對高爐的影響而言，應降低燒結礦中高MgO鐵精礦粉使用比例，降低燒結礦中MgO含量為宜。

2.2提高MgO對球團礦性能的影響

酸性球團礦由于其軟化溫度低、軟熔區間寬和還原膨脹率高等性能缺陷，不利于高爐強化冶煉及爐況順行。高爐生產中，一般要求合格球團礦的膨脹率小于20%。用高MgO磁鐵精礦生產高MgO酸性球團礦可起到減少還原膨脹的作用，從顯微結構看，是由于Mg²⁺離子能自由置換磁鐵礦晶格中的Fe²⁺離子，并均勻分布在浮氏體內，并能減慢還原離子的遷移速度，起到抑制球團礦膨脹的作用；同時MgO進入液相能夠提高液相熔點。有研究證實，高熔點液相具有較好的結合強度，有助于削弱還原過程因內應力增大而產生的還原膨脹現象^［7］。

高MgO酸性磁鐵礦球團在高溫氧化氣氛中焙燒時可與鐵氧化物生成穩定的鐵酸鎂（MgO·Fe₂O₃）、鎂磁鐵礦[（Mg·Fe）O·Fe₂O₃］等含鎂物質，阻礙難還原的鐵橄欖石和鈣鎂橄欖石的形成，促進了礦粉顆粒之間的粘結，在還原時不會發生Fe₂O₃轉變成Fe₃O₄反應，而生成FeO和MgO固溶體，從而提高了球團礦的軟化溫度和高溫還原強度。在高爐內高MgO酸性球團礦在高溫還原過程中生成的含MgO（3.14%～3.8%）的鎂浮氏體和含MgO（7.2%～12.3%）的鐵鎂橄欖石等硅酸鹽渣都具有較高的熔化溫度（＞1390℃），因而其軟熔性能和高溫還原性能均良好^［8］11；球團礦中MgO含量可以改善球團礦在高爐內的高溫行為，對高爐順行有很重要的作用，目前很多球團生產廠家都在球團中加入含MgO物質，以提高球團的高溫冶煉性能^[9]。使球團礦在高爐內不會過早的形成初渣，降低爐內軟熔帶位置高度，有利于提高間接還原反應，降低高爐燃料消耗。

依據石橫特鋼昆玉鋼鐵現有生產裝備及進口鐵精礦資源條件下（見表4），通過其化學成分的調劑和焙燒工藝制度的控制，可以生產軟熔性能和高溫還原性能優良的高品位（＞63%）、高鎂（＞3.5%）優質球團，最大限度使用高MgO磁鐵精礦，降低配礦成本的同時為高爐降低燃料比創造條件。

2.3爐料結構的調整優化

綜上可見，以高堿度低MgO燒結礦配加高MgO酸性球團礦的爐料，既發揮了高堿度燒結礦優良的冶金性能，又發揮了高MgO球團礦高品位、低渣量的優勢，最大限度地配加高MgO鐵精礦，在滿足高爐造渣及爐況順行需求的同時，降低配礦成本。

相比高MgO高堿度燒結礦配加低MgO酸性球團礦的爐料而言，高堿度低MgO燒結礦配加高MgO酸性球團礦的爐料可整體改善綜合爐料性能的協同優化作用，具有良好的機械強度、還原性及高溫軟熔性能，使高爐軟熔帶位置下移，軟熔區間變窄，改善料柱透氣性，有利于煤氣利用的提高及爐況順行的穩定。

下一步石橫特鋼新疆昆玉鋼鐵高爐的爐料結構，應分步驟的調整，逐步實現以高堿度低MgO燒結礦配加高MgO酸性球團礦的綜合爐料，在滿足高爐穩定順行及對爐渣MgO需求的基礎上，根據原燃料的變化，科學合理調配爐料結構，發揮其爐料結構功效最大化，實現生鐵成本最優。

3 爐料初步調整后的高爐運行效果

2021年上半年，爐料結構經過初步調整優化，增加高MgO鐵精礦在球團中的添加比例并適當降低了燒結礦中的MgO含量，使球團中MgO含量提高至2.4%，高爐配加高MgO球團并逐漸增加入爐比例，高爐表現壓差有所降低，料柱透氣性有所提高，兩座高爐順行明顯改善，塌、滑料次數減少，高爐消耗逐步下降，主要經濟技術指標有了較大提升（見表5）

4 結語

（1）合理的爐料結構，應根據企業自身生產裝備水平、地理資源特點等多個環節，合理、經濟的使用鐵礦資源進行優化調配，滿足高爐冶煉性能需求的綜合爐料，有利于為高爐穩定順行和實現良好經濟技術指標創造條件。

（2）石橫特鋼昆玉鋼鐵高爐下一步的爐料調整應以適宜的高（MgO）低堿度爐渣作為爐料結構的配料目標，綜合考慮高MgO爐料的冶金性能及對高爐有害元素、脫硫排堿等因素的影響，今后隨著爐料結構不斷優化和改進，逐步提高高爐爐渣中MgO至17%左右，控制爐渣二元堿度在1.0±0.05范圍內是比較合理的。

（3）低成本煉鐵是在經濟爐料的基礎上，通過爐料結構優化研究，發揮爐料結構功效最大化的基礎上，實現高爐穩定順行及高產、優質、低耗、長壽的煉鐵目的。

（4）一個滿足高爐冶煉性能要求且性價比優的爐料結構配料方案，不僅有利于高爐穩定順行，而且能指導采購，為企業創效發揮更大的降本空間，提升企業競爭力。

5參考文獻

[1] 楊天鈞，張建良，劉征建，等.化解產能脫困發展技術創新實現煉鐵工業的轉型升級[J].煉鐵，2016，35（3）：1-10.

[2］王筱留.高爐生產知識問答［M］.2.北京：冶金工業出版社，2008：96-99

[3] 日本金屬學會.鐵鋼制煉[M].東京：日本金屬學會，1979:149.

[4] 沈峰滿，姜鑫，高強健，等.高爐爐渣適宜鎂鋁比的理論基礎［J］.煉鐵，2019,38（2）:17-21.

[5] 龍防，沈峰滿，郭憲臻，等.高爐合理爐料結構探析［J］.煉鐵，2020,39（3）:35-38.

[6] 鄔虎林，付國偉，白曉光.包鋼4150m³高爐降低（MgO）研究［J］.煉鐵，2016,35（5）:28-30.

[7] 姜濤，何國強，李光輝，等，脈石成分對鐵礦球團還原膨脹性能的影響[J].鋼鐵，2007（5）:7-11.

[8] 王悅祥.燒結礦與球團礦生產［M］.北京：冶金工業出版社，2008：53.

[9] 高強健，沈峰滿，鄭海燕，等.MgO對鐵礦球團還原冶金性能的影響[J].東北大學學報（自然科學版），2014，（12）:1742-1745.