高炉炉料结构的选择

高炉炉料结构的选择王维兴中钢金属学会1.炼铁炉料结构要满足高炉炼铁的需求高炉炼铁操作的方针：高效、优质、低耗、长寿、环保。高效是要高产、低成本、设备作业率高、劳动生产率高；优质是产品合格率高，能满足客户需求，能按计划组织生产；低耗是原燃料消耗低（低燃料比、低矿、溶剂消耗低）、低电耗、各能源介质消耗低、备品备件消耗低等；长寿是高炉寿命大于15年，热风炉寿命大于25年；环保是能满足国家对钢铁工业（包括各工序）的各项环保要求。2.为什么铁矿石要造块我国铁矿石含铁品位低（2018年重点企业品位26.32%）、杂（品种多：褐铁矿、镜铁矿、菱铁矿、钒钛磁铁矿、含稀土铁矿等）、难选（要细磨、精选）。2018年我国铁矿石经过选矿后的铁精粉品位在62.63%，尾矿品位含铁10.66%，使我国铁矿石成本高，与国外竞争力差。高炉炼铁需要高品位矿石，铁矿石直接加入高炉，炼铁效率低、燃料比高；通过造块（烧结或球团）铁矿石的比表面积最大，接触煤气多，实现间接还原多，促燃料比降低。所以，高炉炼铁是以精料为基础。《钢铁产业发展政策》规定：“企业应积极采用精料入炉、富氧喷吹、大型高炉......先进工艺技术和装备。〃精料是基础。提高入炉铁矿石含铁品位和熟料率是精料的主要内容，精料是改善高炉操作指标的重要保证。近年来，随着国外矿使用的增多，以及国内选矿技术的提高，入炉矿石含铁品位不断提高。但是高品位的优质含铁原料越来越少，提高品位不仅增加成本，而且难度越来越大，2013年入炉含铁原料品位见表3。结合资源状况和高炉生产的实际情况，炼铁规范修编适当调整了入炉品位的要求。表3 2013年度1000m3以上高炉入炉品位炉容级别（m34000300020001000*TFe58.79%58.00%57.45%56.15%注：*表示已扣除使用的特殊矿石。如果个别国内铁矿石选矿后仍达不到规定品位，应经过专题论证，企业的经济效益合适，方可降低入炉品位。3优化炼铁炉料结构的原则：世界各国、各企业没有一个标准的炼铁炉料结构；都要根据各企业的具体情况（资源条件，矿石质量、铁矿石价格、市场供应、造块成本、炼铁成本、环保要求、生产技术等）制定适宜的炉料结构；同时还要根据外界情况的变化，进行及时调整。如欧美国家，本国铁矿石粒度细，价格低，适宜生产球团矿；瑞典1300m3高炉炼铁入炉铁品位67%,100%球团矿冶炼，吨铁矿耗1300kg,渣铁比低于160kg，燃料比450kg。炼铁成本比我国低50元/吨左右。一些钢铁企业无无球团设备,进口生产球团矿的精矿粉贵他们的炉料结构中球团比就低,如宝钢、梅山等企业；

包钢、鞍钢、太钢、杭钢、济钢等企业有自产球团矿，他们的炉料结构中球团矿比例就高。表1北美部分高炉指标企业容积系数自熔球团比酸性球团烧结矿块矿含铁废料焦比小焦比煤比喷天然气富氧量m3/min加拿大伊利湖厂24182.40145000119376330100314钢铁公司阿什兰厂19562.312861860废钢6259341907137212安米怕恩斯港厂C24612.6121168380017336340100284安米印第安娜港厂419182.8475105901100390250101253安米印第安娜港厂741632.212733223043530931085458费尔菲尔德厂23132.5013520废钢4412338437474234美国钢铁公司加里厂615062.112441840废钢1181413294711947216美国钢铁公司蒙瓦利厂116202.311502800011637813068192评论：美国高炉炉料用球团矿比例高（个别用高碱度烧结矿），系数均在2.1以上，使用废钢，喷吹天然气，焦比普遍低于400kg/1,值得我们学习。日本和韩国需要进口矿石，要优先考虑价格；多年来，日本高炉球团比低，详见表2；但他们燃料比低，高炉利用系数不高。表2日本高炉指标指标单位200820092010201120122013矿石比Kg/t160616161615161216151618其中：烧结比Kg/t115211941180118811721152球团比Kg/t135105121119126134铁矿石比Kg/t319317314305317332熟料比%80.180.480.681.180.478.5利用系数t/m3d2.011.731.951.901.901.94焦比Kg/t370397317353342343煤比Kg/t125107134151163169燃料比Kg/t495504505504505512多年来日本炼铁使用球团矿比例在12%左右，主要是要调整炉渣碱度（要使用高碱度烧结矿）他们的燃料比在500kg/t左右，系数不高，追求生产成本低、环保好。值得我们学习。要根据各企业具体生产条件下（有无球团设备、采购炉料价格、管理水平等），实现高炉炼铁操作的优化方针。实现低成本炼铁：优化配矿、优化高炉操作、设备维护完好、生产效率高。实现高产低耗就要高炉入炉矿含铁品位高（希望入炉铁品位＞58%）,高质量烧结矿要实现高碱度（1.8~2.2倍）；但炼铁炉渣碱度要求在1.0~1.1倍，炉料就要配低碱度的球团矿（或块矿）。高炉生产稳定顺行，实现低燃料比，要求原燃料质量要好（冶金性能好、低MgO和AI2O3、低渣量、焦炭质量好、含有害杂质少等）。实现资源合理利用，充分利用本地矿产资源，合理回收利用企业内含铁尘泥等。努力提高高炉球团矿配比，是我国炼铁技术发展的大方向：4.1提高炼铁炉料球团矿配比，促进炼铁入炉矿含铁品位的提高。据统计，2017年重点钢铁企业球团矿含铁品位为63.60%，烧结矿含铁品位为55.79%；球团矿含铁品位比烧结矿高7.81%。高炉多用球团矿可有效地提高入炉矿含铁品位。炼铁提高铁矿品位，促进降低燃料比、增加产量。炼铁学理论是，入炉矿含铁品位提高1%，高炉燃料比下降1.5%，生铁产量增长2.5%。如果炼铁100%使用球团矿，要比使用烧结矿，燃料比下降11.52%，生铁产量增长19.2%。这个效益是十分可观的。提高炼铁炉料球团矿配比，促进炼铁系统节能减排。据统计，2018年重点钢铁企业球团工序能耗为25.36kgce/t,烧结工序能耗为48.60kgce/t;球团工序能耗比烧结低23.24kgce/t。如果用一顿球团矿代替一顿烧结矿炼铁，就会使炼铁系统降低23.24kgce/t的能耗。提高炼铁炉料球团矿配比，会降低污染物排放，降低对烧结烟气治理费用。烧结生产会产生大量的S02、NOX二噁英、粉尘等有害物质。2012年国家公布了对烧结烟气综合治理的标准（GB28662-2012《钢铁烧结、球团工业大气污染物排放标准》）,指标基本上与国家先进水平接轨了。这会加大钢铁企业对环保治理的成本（约50元/吨烧），企业要付出较大的代价。如用球团代替烧结，既可以减少或没有污染物排放，大大减少了污染物治理费用。表3 炼铁系统吨产品废气污染物排放因子情况 单位:kg/t产品污染物烧结工序球团工序炼铁工序颗粒物0.07〜0.850.014~0.150.0054~0.20二氧化硫0.22〜0.970.011~0.210.009~0.34氮氧化物0.31〜1.030.15~0.550.0008〜0.17二噁英0.15〜16F ().0004〜0.0082CO8.78〜370.01~0.41表3说明，烧结工序比球团污染物排放高。要减少污染物排放，就需要减少烧结的生产。目前，一些地区政府已提出要降低本地区的污染物排放总量（国家已提出要求对一些地区污染物总量控制），希望钢铁企业停止烧结生产（欧美已这么去做了）；我国也将面临这个问题。中国铁矿资源是贫、杂、难选。为提高我国铁矿使用效率，必须要进行细磨、加强选矿。这样，我国的铁矿粉是细粒度的居多，有一半铁精粉是适合于去生产球团矿。但是，历史原因（上世纪50年代，我国全面学习苏联，大量建设烧结机），使我国炼铁的炉料结构一直是以烧结矿为主。这种局面一直没有得到根本的改善。现在，我们应尽快转变观念，加强对球团生产的基础理论研究，促进球团生产的发展，促进钢铁工业的节能减排。太钢的精矿粉-320网目在90%，是适应生产球团矿，但他们选择生产烧结矿，是技术路线的错误。目前，我国球团质量与国际先进水平相比，存在较多差距：球团含铁品位低（约低5%）含SiO2高，配加皂土多，抗压强度低（生球质量不好），工序能耗高等。国外已淘汰了竖炉生产球团工艺，大量使用带式焙烧机工艺生产球团矿（适应使用各种类型铁矿、球团质量优越、能耗低），但燃料用天然气的设备居多。球团矿生产成本比烧结矿贵

元/吨据统计，使用进口铁精粉生产球团矿，比使用国产矿要贵（国产铁精矿采购成本570.73元/吨，进口铁精矿采购成本592.72元/吨，进口矿比国产矿贵21.99元元/吨太钢686.61517.57169.04本钢548.62526.6521.83唐钢655.83605.5350.30柳钢834.79834.790马钢705.40628.7272.68沙钢724.22635.7488.48南京725.59675.2650.33鞍钢752.36614.98137.38宝武集团831.73744.0187.722017年使用国产铁精粉生产球团矿、烧结矿的生产成本（元/吨，）如下：球团矿烧结矿球团矿生产成本比烧结矿贵单位各企业之间数据相差较大，是生产具体情况不同；企业之间的铁矿含铁品位、矿种配比、生产技术，操作技术、设备状况等差异大；使用国产矿与进口矿有较大差别，要做具体分析，才能得出科学的判断。我国高炉炼铁炉料结构，%2017年高炉烧结比球团比块矿比入炉品位渣比宝钢4号4747m357251860.04257宝钢湛江1号5050m37851759.30277.7鞍钢2号3200m370.6327.521.8558.64338本钢1号4350m371.4928.50057.29本钢6号2600m372.1427.86057.88兴澄1号1280m350.1246.324.058.77397酒钢1号450m369.5927.163.1155.61太钢3号1800m370.1829.82059.78300略阳1号415m364.2635.270.5856.293622016年烧结球团块矿入炉铁品位渣比湛江1号5050m379.16.914.059.33306鞍钢320073.2323.872.9058.56332宝钢八一67.5129.862.6356.78336

北营新2号320081.9118.0057.89350西林126055.040.203.8058.54387酒钢7号2500m369.5626.793.6553.62450.5太钢5号4350m366.2632.161.5859.64304武钢8号4117m366.7422.3710.8957.56351.7首迁3号4073m361.8029.859.1258.79315宝钢1号72.1314,6713.1959.41296宝钢3号65.4621.6312.9059.52280.5宝钢4号67.4318.8513.7159.56284.4武钢8号65.9424.589.4757.56351.7马钢A71.6917.2911.0258.08318.5沙钢580072.0213.9014.0558.82296太钢5号6931059.64304太钢6号69.330.7059.36306首迁400061.429.88.858.79315京唐1号65.2629.235.3159.99285.2京唐2号66.1428.655.2159.96288鲅鱼圈1号74.4119.735.8658.57357本钢435068.5225.845.6458.18304包钢7号73.2715.2311.4858.89329安阳77.4110.3512.2358.18329唐山320075.708.2516.5058.63336兴澄320074.5312.3013.1858.63302韶钢320080.23.416.457.81288酒钢320062.0837.91053.62450.5酒钢榆林320080.4615.202.955.05405.6莱钢320083.4410.126.44燃料比渣比韩国浦项435076.14.719.2493291韩国浦项560076.44.919.7492291韩国光阳460079.84.715.5506.6韩国光阳550079.66.513.9495烧结球团块矿入炉铁品位渣t比kg/瑞典钢铁公司0.5099.5036kg/t1462015年加拿大多法斯科100194德国不莱梅482015年加拿大多法斯科100194德国不莱梅4852205比利时希德玛871330259我国已大力发展球团矿生产，首钢京唐和包钢均建设了大型球团生产设备。2018年，我国重点企业生产球团矿1.18亿吨，比上年增加6.27%。目前，重点企业高炉炼铁炉料结构中球团矿配比在13%左右，合理值应为20%左右，2017年一些企业高炉球团矿配比已达到30%以上，全国有100多座高炉球团矿配比在20%以上。说明我国高炉炼铁使用球团矿的比例有较大潜力。京唐公司，武钢，鞍钢等企业“十三五"炼铁发展规划中计划将炉料结构中球团矿配比提高到50%左右。中国钢铁工业协会和中国金属学会共同编制的2011~2020年《中国钢铁工业科学与技术发展指南》中，球团技术发展目标：A开发新型链篦机-回转窑、带式焙烧机（＞300万吨/年）等新装备、新技术；B新建球团设备能力应大于200万吨/年，应实现多品种（高炉用、直接还原用、溶剂性）优质（高品位、高强度、低膨胀、高还原性）球团矿的生产，快速提升精料技术水平，实现更合理的高炉炉料结构；在细精矿来源越来越多的情况下，进一步提高球团矿在高炉炉料结构中的比例（全国平均达到30%以上，有条件的应达到50%）。日本学者成田贵一的研究提出：高炉综合炉料的最大压差值与高碱度烧结矿与配入酸性球团矿的比例相关，当酸性球团矿配入比例达到25%~50%时，APm处于最低值，说明优化高炉操作指标，发展球团生产尚有一个很大的空间。我国在大力推广短流程电炉生产工艺（节能环保好），电炉生产使用直接还原铁的需求量很大。生产直接还原铁是需要大量金属化球团。电炉使用直接还原铁炼钢，比用废钢好，即能耗又环保；直接还原铁含有害杂质少，对冶炼高级钢种很有利。但我国直接还原铁产量很少。2015年我国用于直接还原铁的球团矿有5.28万吨，2016年为4.84万吨。因此，我国要大力发展金属化球团的生产。2017年世界钢产量为16.74亿吨，世界电炉钢比在28%左右，美国在60%，马来西亚、印度尼西亚的电炉钢比例均为100%韩国为39%，日本为2.5%。2017年全世界生产直接还原铁产量7277万吨，远远满足不了电炉生产的需求。目前，日本、韩国和台湾中钢高炉使用球团矿配比在5%~10%，而且呈下降趋势。主要是世界球团矿价格比烧结矿贵，严重影响高炉使用球团矿的积极性。生产球团矿的技术装备质量要求:生产球团矿需要的铁矿粉的物理化学性质应符合下列要求：）铁精矿中TFe含量宜大于66.5%,波动允许偏差为土0.5%；SiO2含量应小于4.5%，波动允许偏差为土0.2%。）铁精矿的水分含量应小于10％。）铁精矿的比表面积根据矿石性质和造球工艺的不同，圆盘造球工艺宜为1800~2000cm2/g，圆筒造球工艺应为2000~2200cm2/g。4）铁矿粉的准备和加工应符合下列规定：（1）。当采用多种铁矿粉生产球团矿时，应设铁矿粉的混匀设施。但铁精矿的种类不宜超过三种。当采用两种及以上铁精矿时，宜设预配料工艺。（2）。铁矿粉入厂后应有5~7天的储量。如采用进口铁矿粉则储量应有35天以上，并应设专用料场。（3）。当铁精矿含水量高于造球水分时应设干燥系统；干燥后铁精矿的水分应低于生球水分的5%〜10%；当后续设有高压辊磨机时，铁精矿干燥后的水分宜为8%。（4） 。铁精矿干燥宜采用圆筒干燥机，并应采用顺流式配置方式。进入干燥收尘系统的烟气温度应高于露点温度。（5） 。干燥机能力的配备可根据原料条件不同采用全干或半干两种方式，同时应设有旁路系统。未经干燥的铁精矿贮运设施应设有防粘和防堵设施。（6） .当铁精矿的细度不能满足造球要求时应设再磨工艺。再磨工艺的类型应根据铁矿粉原始粒度的粗细和性能来选择。对大、中型球团工程，宜采用湿球磨工艺、高压辊磨工艺或这两种工艺的组合；对小型球团厂可采用润磨或其他磨矿工艺。再磨工艺中应设筛除铁块和杂物的处理设施。（7） .采用湿磨工艺时，再磨矿细度宜达到比表面积1500~1800cm2/g。（8） .高压辊磨机的规格、型号应由制造商经过试验后确定。生产球团矿需要的粘结剂和添加剂要求选用膨润土作粘结剂时，应对其造球性能的优劣进行比较，应选用造球性能好的膨润土，且应经模拟工业性试验证实。应优先采用纳基膨润土，其次是活化钙基膨润土。在满足生球质量的前提下，应减少膨润土用量。在使用国产膨润土作粘结剂时，其用量宜小于或等于干基混合料量的1.2％。有机粘结剂和复合粘结剂的使用应根据其来源、价格和性能、效果等因素综合评价后确定。粘结剂的进厂方式和贮存应符合下列条件：）外部运输距离短时，宜采用密封罐车进厂，然后用气力输送的方式送入配料仓储存，储存时间宜为2~3天。）运输距离较远时，宜采用袋装方式入厂，并应设膨润土储存间，储存量宜满足15天的用量。生产熔剂性球团矿和含镁球团矿时，宜配加石灰石、白云石等添加剂，其中-325目的含量宜等于或大于90%。该物料的细磨设施不宜设在球团厂内，但应在配料室设有一定容量的贮仓。并应采用密封罐车进厂，然后用气力输送的方式送入贮仓，储存时间应满足生产的需要。生产球团矿所需燃料的要求带式焙烧和链箅机-回转窑焙烧采用天然气、焦炉煤气或具有较高热值的煤气时，燃气的热值应不低于16MJ/m3，到达焙烧区的压力应不低于5000Pa。用于回转窑焙烧和精矿干燥的烟煤及生球内配用煤的质量应符合表4的要求：表4用于回转窑焙烧和精矿干燥的烟煤及生球内配用煤的质量要求煤种发热值挥发分灰分灰熔点含硫量细度结圈指数Rp沉积指数Dp烟煤$29MJ/kg>20%<14%>1400°CW0.5%R90：10%~15%W150W300无烟煤高低低—低-325目:$90%——3.3燃料贮运和加工应符合下列规定:采用气体燃料时，应设燃气输送管网系统、燃气站和燃烧系统等设施。采用燃油作燃料时，应设燃油贮存和燃烧系统等设施。供油系统应满足燃油完全燃烧所要求的粘度和净度，并应保持稳定的油量和油压。所有喷嘴应安装残油吹刷装置。采用煤作燃料时，应设煤的贮运、破碎和磨煤系统等设施。运输距离较长时，堆存时间以1个月的用量为宜；运输距离较短时，堆存量以7~10天的用量为宜。磨粉宜采用中速磨。球团矿的质量要求成品球团矿的质量满足高炉炼铁和直接还原铁生产用的要求。新建的大、中型球团工程生产的球团矿质量应符合表5的要求。表5成品球团矿的质量要求项 目高炉用球团矿直接还原用球团矿化学成分TFe(%)$65土0.3$65土0.3RW0.3或$0.8$0.8S.P(%)以低为宜SW0.03PW0.03粒度组成8〜18mm(%)三90三95-5mm(%)W3.0W3.0物理性能转鼓强度(+6.3mm) (%)三95三95耐磨指数:(-0.5mm)(%)W4.5W4.5抗压强度（N/个球）三2500三3000冶金性能还原度(RI)(%)三65三65还原膨胀指数（％）W15.0W15.0还原后抗压强度（N/个球）三450三4504.1用作商品的球团矿宜设筛分系统筛除小于5mm的粉料。筛后成品含粉率宜小于1%。对带式焙烧工艺，应设有筛分设施，且其设置不宜远离焙烧厂房。除筛除小于5mm的粉料外，还应从成品中筛出8~16mm的成品，并应从中分出一部分用作铺边铺底料。对链箅机-回转窑球团矿生产工艺，当其冷却后的产品含粉率能满足炼铁生产时，可不设成品筛分。筛分设备应采用振动筛，筛分前后均应设计量装置。4.4.返回造球系统的筛下粉料应经再磨达到合格的粒度。在钢铁厂内球团矿的筛下粉料宜作为烧结厂的原料。大、中型铁矿球团工程，成品球团矿的输出宜设自动取样装置。铁矿球团生产应设有成品堆场及贮运设施。但应满足球团厂定修期内对球团矿的需求。成品堆放、贮运的能力应根据内、外部的实际条件确定。案例1：莱钢I880m3（实际2280m3）有28个风口。为了能吹透炉缸中心，实现炉缸活跃，通过多次调整，其风口布局是21X0120mm,7X130mm,使用风量4100m3/min,送风的风口面积0.3302m2，风速240~260m/s，鼓风动能