优化MgO在高炉含铁炉料烧结矿和球团矿分配比的方法

摘要

本发明涉及高炉炼铁技术领域，提供了一种优化MgO在高炉含铁炉料烧结矿和球团矿分配比的方法，基于不同MgO分配比的含铁炉料在冶炼升温过程中的液相生成能力，得到球团矿初渣液相生成指数IP和烧结矿初渣液相生成指数IS，进而得到MgO分布指数I(％·℃)；取I值最小时对应的分配比作为优化的MgO在球团矿和烧结矿中的分配比。本发明计算简便，在一定条件下，能快速有效的对MgO在不同含铁炉料中的分配比进行优化，使其满足冶炼和炉渣性能要求，并最大程度提高高炉透气性，对高炉炼铁过程MgO的合理使用具有重要的指导意义。

说明书

技术领域

本发明涉及高炉炼铁技术领域，特别涉及一种优化MgO在高炉含铁炉料烧结矿和球团矿分配比的方法。

背景技术

高炉炼铁的主要含铁炉料是碱性烧结矿、酸性球团矿和块矿，这些含铁炉料在高炉炉渣形成过程中会相互影响。随着优质铁矿资源逐渐减少，大量高Al₂O₃含量的铁矿石被开采和使用，为了保证炉渣的脱硫能力以及良好的炉渣流动性和稳定性，维持高炉顺行，向高炉中加入MgO是必要的。在通常情况下，大部分MgO添加到了烧结矿中，占炉料中添加MgO总量的90％以上。

在烧结矿中适量添加MgO会改善烧结矿的低温还原粉化性能，但配加过多的MgO不但造成烧结温度升高，燃耗增加，而且降低烧结矿的生产率和冷态强度，恶化软化熔滴性能，破坏高炉顺行，从而使高炉燃料比增加，生产效率降低。维持烧结矿中适宜的MgO含量，意味着将MgO作为单独的助熔剂添加到高炉中或添加到球团中。单独添加含MgO的助熔剂对高炉块状区的透气性不利，且高炉造渣过程不稳定，影响高炉顺行。因此MgO向球团矿中转移成为一种趋势。但如何确定MgO在烧结矿和球团矿中的合理分配目前并没有行之有效的方法。通过实验进行合理分配比的研究，往往实验量巨大，不但消耗大量财力、人力，而且试验往往不能覆盖最优分配比情况，造成巨大浪费。因此，开发一种科学有效的优化烧结矿和球团矿中MgO分配比的方法显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的就是克服现有技术的不足，提供了一种优化MgO在高炉含铁炉料烧结矿和球团矿分配比的方法，能够得到优化的分配比，对调节高炉操作具有重要指导意义。

本发明的技术方案如下：

一种优化MgO在高炉含铁炉料烧结矿和球团矿分配比的方法，包括：

S1：在保证混合渣的碱度、镁铝比均相同的前提下，得到不同MgO分配比下烧结矿和球团矿的初渣成分；初渣包括烧结矿初渣和球团矿初渣，即烧结矿或球团矿在还原升温过程中最初形成的液相；

S2：根据高炉间接还原发展程度，确定初渣中FeO含量，确定不同MgO分配比的初渣的软熔开始温度T_S和滴落温度T_r，以及温度T时对应的液相率L，其中T_S≤T≤T_r；

S3：确定初渣液相生成系数I_P和I_S，并计算MgO分配指数I；其中I_P为球团矿初渣液相生成指数，I_S为烧结矿初渣液相生成指数；

S4：取I值最小时对应的分配比作为优化的MgO在球团矿和烧结矿中的分配比。

进一步的，步骤S3中，球团矿初渣液相生成指数I_P的计算公式为：

其中：T_s1为球团矿初渣软熔开始温度，即球团矿初渣开始有液相生成的温度；T_r1为球团矿初渣滴落温度，即球团矿初渣开始滴落的温度；是球团矿初渣在温度T_i下对应的液相率；T_i为球团矿初渣软熔开始温度与滴落温度间的任意温度值；ΔT＝T_i+1-T_i，取整数。

进一步的，步骤S3中，烧结矿初渣液相生成指数I_S的计算公式为：

其中：T_s2为烧结矿初渣软熔开始温度：即烧结矿初渣开始有液相生成的温度；T_r2为烧结矿初渣滴落温度：即烧结矿初渣开始滴落的温度；为烧结矿初渣在一定温度T_i下对应的液相率；T_i为烧结矿初渣软熔开始温度与滴落温度间的任意温度值。ΔT＝T_i+1-T_i，取整数。

进一步的，步骤S3中，MgO分配指数I的计算公式为：

其中：a表示冶炼1吨生铁所用球团矿形成的初渣质量，a＝冶炼1吨生铁用球团矿质量×球团矿脉石含量/(1-球团矿初渣中FeO含量)；b表示冶炼1吨生铁所用烧结矿形成的初渣质量，b＝冶炼1吨生铁用烧结矿质量×烧结矿脉石含量/(1-烧结矿初渣中FeO含量)。

进一步的，在步骤S1之前，还包括：

S0：计算冶炼1吨生铁入炉原燃料中总的Al₂O₃的量，根据满足炉渣性能要求的炉渣中MgO和Al₂O₃的比值，计算需要的MgO总量，MgO总量减去原燃料带入的MgO量，得到需要额外加入的MgO熔剂的量；所述额外加入的MgO熔剂的量由烧结矿和球团矿共同提供。

进一步的，步骤S0中，MgO的总量按以下方法确定：

二元碱度在0.8～1.0之间，Al₂O₃含量在7％～10％时，MgO含量在11％～14％；

二元碱度在1.0～1.2之间，Al₂O₃含量小于13％时，MgO％/Al₂O₃％取0.4～0.5；Al₂O₃含量14％～17％时，MgO％/Al₂O₃％取0.50～0.60；Al₂O₃含量大于18％时，MgO％/Al₂O₃％取0.55-0.65；

二元碱度在1.2～1.4之间，Al₂O₃含量大于13％时，MgO含量在4％～7％之间。

进一步的，步骤S2中，初渣中FeO含量由煤气利用率表征，计算方式为：FeO含量＝10％+(50％-煤气利用率)×(1.8～2.0)。矿石的间接还原(FeO+CO(H₂)＝Fe+CO₂(H₂O))发展程度决定了矿石在软熔时初渣的FeO含量；间接还原发展，更多的FeO在熔化前被还原，因此初渣中的FeO含量低；高炉煤气中的CO₂含量直接来源于间接还原，因此间接还原发展程度与高炉煤气中的煤气利用率(CO₂/(CO+CO₂))具有严格的对应关系，该关系可通过高炉物料平衡计算得到，因此可获得煤气利用率与初渣中FeO含量的关系；上述公式通过高炉解剖时对实际初渣成分的检测结果进行验证，获得满意的结果。

进一步的，步骤S2中，初渣的软熔开始温度T_S和滴落温度T_r，以及温度T时对应的液相率L，均通过试验或模拟的方法得到。

进一步的，初渣的软熔开始温度T_S和滴落温度T_r，以及温度T时对应的液相率L，均通过Factsage软件进行模拟而得到。FactSage软件可以计算多种约束条件下多元多相平衡条件，输入需要计算体系的化学组成及体系温度，可以获得该温度下体系内各物相的数量以及存在状态。

本发明的有益效果为：通过计算不同MgO分配比时烧结矿和球团矿初渣在不同温度下的液相率，创造性的提出了MgO分布指数I(％·℃)的概念，将液相率计算结果带入MgO分布指数表达式，通过比较，可以方便快速的获得MgO在烧结矿和球团矿中的优化分配比，使不同炉料间交互作用最小，软熔带透气性最好，促进高炉稳定顺行，并节约大量的实验费用。该方法以MgO分布指数的形式直观的体现不同MgO分配比时炉料在软熔带透气性的变化，适用于任何炉渣碱度和镁铝比条件，并考虑高炉不同煤气利用率的情况，对调节高炉操作具有重要指导意义。

附图说明

图1所示为本发明实施例中炉渣在不同温度下的液相率关系曲线图；

其中：(a)-(d)分别为N1-N4的“液相率-温度”曲线。

图2所示为球团矿渣中MgO分布系数I与MgO分配比的关系示意图。

图3所示为实施例中炉渣熔化过程示意图。

图4所示为炉渣在不同温度下的熔化状态示意图。

图5所示为炉渣XRD图，其中：(a)单一球团矿；(b)单一烧结矿；(c)N1-N4。

具体实施方式

下文将结合具体附图详细描述本发明具体实施例。应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。在下述实施例的附图中，各附图所出现的相同标号代表相同的特征或者部件，可应用于不同实施例中。

高炉透气性是保证高炉正常冶炼及获得好的冶炼指标的前提条件。高炉内软熔带透气性最差，因此软熔带的透气性决定了高炉的透气性，而软熔带的透气性与软熔过程液相即初渣生成数量的多少直接相关，初渣数量多，堵塞气孔通道，造成软熔带孔隙率下降，压差升高。因此可以用升温过程中初渣生成量的多少来评价软熔带的透气性。由于初渣从生成到滴落存在一个温度区间，在该温度区间初渣的数量不断变化，因此将初渣生成数量在该温度区间进行积分，该积分值即I可以反应整个从软熔到滴落过程液相数量的影响，可用来评价软熔带透气性。

本发明实施例一种优化MgO在高炉含铁炉料烧结矿和球团矿分配比的方法，包括：

(1)计算冶炼1吨生铁入炉原燃料中总的Al₂O₃的量，根据满足炉渣性能要求的炉渣中MgO和Al₂O₃的比值，计算需要的MgO总量，减去原燃料带入的MgO量，得到需要额外加入的MgO熔剂的量，需要的MgO总量由以下三种情况来计算：①二元碱度在0.8～1.0之间，Al₂O₃含量在7％～10％，MgO含量要在11％～14％；②二元碱度在1.0～1.2之间，Al₂O₃含量小于13％，MgO％/Al₂O₃％取0.4～0.5；Al₂O₃含量14％～17％，MgO％/Al₂O₃％取0.50～0.60；Al₂O₃含量大于18％，MgO％/Al₂O₃％取0.55-0.65；③二元碱度在1.2～1.4之间，Al₂O₃含量大于13％，MgO含量要在4％～7％之间。

(2)改变MgO在烧结矿和球团矿中的分配比(MgO分配比变化间距越小，计算量越大，得到的结果越精确)，同时保证混合渣(烧结矿初渣和球团矿初渣的混合物)的碱度、镁铝比均相同，计算得到不同MgO分配比下烧结矿和球团矿的脉石相(脉石相为烧结矿和球团矿中除铁氧化物外，其他进入渣相的氧化物，主要指Al₂O₃,SiO₂,MgO,CaO等)组成，作为初渣的脉石成分(脉石相的百分含量)，根据高炉间接还原发展程度，设定初渣中FeO含量，初渣中FeO含量由煤气利用率表征，其计算方式为：FeO含量＝10％+(50％-煤气利用率)×(1.8～2.0)；

(3)将得到的不同MgO分配比下的初渣成分输入Factsage软件进行模拟计算，获得其软熔开始温度T_S(炉料开始有液相生成的温度)和滴落温度T_r(炉料开始滴落的温度)以及二者间任意温度对应的液相率L；

(4)根据球团矿初渣和烧结矿初渣从软熔开始温度到滴落温度对应的液相率，确定不同MgO分配比下球团矿初渣和烧结矿初渣液相生成指数I_P和I_S，并计算MgO分配指数I(％·℃)，取I值最小时对应的分配比作为优化的MgO在球团矿和烧结矿中的分配比；

其相应的计算公式如下：

公式(1)表示球团矿初渣液相生成能力；I_P为软熔开始温度到滴落温度范围内液相率沿温度的积分；T_s1是球团矿初渣软熔开始温度：即球团矿初渣开始有液相生成的温度；T_r1是球团矿初渣滴落温度：即球团矿初渣开始滴落的温度；是球团矿初渣在一定温度下对应的液相率；T_i是球团矿初渣软熔开始温度与滴落温度间的任意温度值；ΔT＝T_i+1-T_i，取整数；

公式(2)表示烧结矿初渣液相生成能力；I_S为软熔开始温度到滴落温度范围内液相率沿温度的积分；T_s2是烧结矿初渣软熔开始温度：即烧结矿初渣开始有液相生成的温度；T_r2是烧结矿初渣滴落温度：即烧结矿初渣开始滴落的温度；是烧结矿初渣在一定温度下对应的液相率；T_i是烧结矿初渣软熔开始温度与滴落温度间的任意温度值。ΔT＝T_i+1-T_i，取整数；

公式(3)表示炉料的MgO分布指数I为球团矿初渣与烧结矿初渣液相生成指数加权和；a表示冶炼1吨生铁所用球团矿形成的初渣质量，a＝冶炼1吨生铁用球团矿质量×球团矿脉石含量/(1-球团矿初渣中FeO含量)；b表示冶炼1吨生铁所用烧结矿形成的初渣质量，b＝冶炼1吨生铁用烧结矿质量×烧结矿脉石含量/(1-烧结矿初渣中FeO含量)。

实施例

在一定的终渣碱度及镁铝比要求下，根据某厂实际应用的烧结矿和球团矿成分及炉料结构，调节MgO在烧结矿和球团矿中的分配比，获得4组炉料初渣组成，分别用N1、N2、N3和N4表示，其中烧结矿和球团矿初渣混合后的初渣碱度为1.3，Al₂O₃含量为7.43％，所需MgO含量为10.32％，计算得到FeO含量15％，烧结矿和球团矿初渣成分及混合后初渣成分见表1，各组初渣成分保证混合后混合渣成分不变。每组渣样包括一个球团矿初渣和一个烧结矿初渣，P代表球团矿初渣，S代表烧结矿初渣。在4组初渣中，对应MgO在球团矿中分配率分别为25.4％、47.6％、61.7％、和100％，相应在烧结矿中分配率分别为74.6％、52.4％、38.3％和0。

表1预熔渣成分(质量％)

针对N1、N2、N3和N4四组初渣组成，依次进行如下步骤：

(1)首先将设定的初渣成分输入Factsage软件模拟获得其软化温度T_S和滴落温度T_r以及二者间任意温度对应的液相率L，如图1所示；

(2)将球团矿初渣软化温度T_s1和滴落温度T_r1以及二者间任意温度对应的液相率L_P，代入下式中计算I_P

(3)将烧结矿初渣软化温度T_s2和滴落温度T_r2以及二者间任意温度对应的液相率L_S，代入下式中计算I_S

(4)将I_P和I_S代入下式中求I值

本实施方案中取(T_i+1-T_i)的值为50℃。各炉渣在1450℃均已滴落，为计算简便，T_r1和T_r2均取1450℃。

经计算得到N1、N2、N3和N4这四组炉料的MgO分布指数I见图2，分别为136.05％·℃、129.61％·℃、111.91％·℃、185.09％·℃。N3组的MgO分布指数I值最小。因此，对应N3组炉料中MgO分配比最佳，即MgO在球团矿中分配61.7％，在烧结矿中分配38.3％。

实验验证

(1)预还原混合配料的制备：用CaO、SiO₂、Al₂O₃、MgO、FeO按表1成分制备4组预熔渣。将这些氧化物充分混合并在1450℃氮气气氛下预熔5小时，预熔渣在室温下冷却。每组预熔渣包括一个球团矿初渣(P)和一个烧结矿初渣(S)。

(2)实验方法：将P置于S上，放置在卧式电阻炉恒温区加热，加热速度为5℃/min，同时通以5L/min的高纯氮气，实验温度范围为25℃～1450℃。用高温摄影机记录炉渣的熔融状态。实验完成后，对样品进行XRD分析。

(3)实验结果

验证1：四组初渣熔化过程见图3。N1实验的熔化过程分为五个部分，即固相区、球团矿初渣软熔区、球团矿初渣完全软熔但烧结矿初渣未软熔区、烧结矿初渣软熔区和全部软熔区。N2和N3实验的熔化过程分为四个部分，即固相区、球团矿初渣软熔区、烧结矿初渣软熔区和全部软熔区。N4实验中，由于烧结矿初渣在球团矿初渣之前被熔化，观察到未软熔球团矿初渣逐渐浸入软熔烧结矿初渣中，因此在N4试验中观察到三个部分：固相区、烧结矿初渣软熔区和全部软熔区。

各实验组中每个软熔状态所在的温度区域用直方图表示，见图4。区域1表示固相区，区域2表示球团矿初渣软熔区，区域3表示球团矿初渣完全软熔但烧结矿初渣未软熔区，区域4表示烧结矿初渣软熔区，区域5表示全部软熔区。在N3实验中，由于球团矿初渣开始软熔温度的增加，软熔区的温度范围最小。具有较高液相率的区域5的温度范围是最小的，不同初渣交互作用被抑制。证明N3实验MgO分配比最合适，与MgO分布指数I值的计算结果相一致，即当MgO在球团矿中分配61.7％，在烧结矿中分配38.3％。时，相互作用最弱，软熔带液态初渣减少，MgO分配比最合适。

验证2：单一球团矿初渣、单一烧结矿初渣以及N1、N2、N3和N4实验后炉渣的XRD图见附图5。单一球团矿初渣存在三个相，即Mg₂SiO₄、CaMgSi₂O₆和Fe₂(SiO₄)相。单一烧结矿初渣中存在六个相，即Ca₂Al₂SiO₇、Ca₂(SiO₄)、CaFe(Si₂O₈)、Fe₂(SiO₄)、Ca₃Mg(SiO₄)₂和Ca₂SiO₄相。在N1、N2、N3和N4实验中，随温度的升高，球团矿初渣和烧结矿初渣中各相会相互反应，达到固液平衡。N1、N2和N4的初渣实验后最终存在Ca₂Al₂SiO₇、CaFe(Si₂O₆)、Ca₃Mg(SiO₄)₂和Ca₂Mg(Si₂O₇)四个相。在N3的初渣中，Ca₃Mg(SiO₄)₂相消失，但仍含有Ca₂SiO₄相，这表明在N3实验中球团矿初渣与烧结矿初渣之间的反应没有完全进行，较低的液相率会影响物质的传递，抑制了炉料之间的交互作用。这与MgO分布指数I值的计算结果相一致，即当MgO在球团矿中分配61.7％，在烧结矿中分配38.3％时，相互作用最弱，软熔带液态初渣减少，MgO分配比最合适。

本文虽然已经给出了本发明的几个实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明精神的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。