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32013年度1000m3以上高炉入炉品位炉容级别（m3）4000300020001000*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/t,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。3.1 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。3.2 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。3.3 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（1.82.2倍）；但炼铁 炉渣碱度要求在 1.01.1 倍，炉料就要配低碱度的球团矿（或 块矿）。3.4 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）。3.5 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。4. 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。4.2.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。43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。4.4.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SQ、NCX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（GB28662-201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0.070.850.0140.15:0.00540.20二氧化硫0.220.970.0110.210.0090.34氮氧化物P 0.311.030.150.55：0.00080.17二噁英0.1516F).00040.0082CO8.78370.010.41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。4.5 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。5. 球团矿生产成本比烧结矿贵据统计，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 / 吨），影响了高炉使用球团矿的积极性。 太钢、本钢、沙钢、唐钢、鞍钢等企业的球团矿价格比烧结矿高，如 下面表述：2017 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： 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831.73744.0187.72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宝钢八一67.5129.862.6356.7833618.0057.8935040.203.8058.5438726.793.6553.62450.532.161.5859.6430422.3710.8957.56351.729.859.1258.79315北营新 2 号 3200 81.91 西林 1260 55.0 酒钢 7 号 2500m3 69.56 太钢 5号 4350m3 66.26 武钢 8号 4117m3 66.74 首迁 3 号 4073m3 61.80烧结球团块矿 入炉铁品位渣t比kg/宝钢 1 号72.1314,67 13.1959.41296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 550079.6 6.5 13.9495瑞典钢铁公司0.50 99.50 36kg/t146加拿大多法斯科1001942015年德国不莱梅485220573.726.3203芬兰罗塔鲁基比利时希德玛 87 13 30 2596. 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 20112020 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%寸， Pm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 :1. 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：1 ）铁精矿中TFe含量宜大于66.5%,波动允许偏差为士 0.5%;SiO2 含量应小于 4.5，波动允许偏差为 0.2%。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 18002000cm2/g ，圆筒造球工艺应为220002200cm2/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 57 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 15001800cm2/g 。（8）.高压辊磨机的规格、型号应由制造商经过试验后确定。2. 生产球团矿需要的粘结剂和添加剂要求2.1 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。2.2 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。2.3 粘结剂的进厂方式和贮存应符合下列条件：1 ）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 23 天。2 ）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。2.4 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。3. 生产球团矿所需燃料的要求3.1 带式焙烧和链算机-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5000P&3.2 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/kg20%140(fC 0.5%R90: 10%r15% 15090%3.3 燃料贮运和加工应符合下列规定:1) 米用气体燃料时，应设燃气输送管网系统、燃气站 和燃烧系统等设施。2) 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。3) 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 710天的用量为宜。磨粉宜采用中 速磨。4. 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TFe (%) 65 土 0.3 65 土 0.3化学成R 0.8分S.P (%)以低为宜SW 0.03P 90 95-5mm (%) 3.0 95 95耐磨指数:(-0.5mm)( %) 4.5 2500 3000冶金性能还原度(RI) (%) 65 65还原膨胀指数（%） 15.0 450 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%。4.2 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816mm的成品，并应从中分出一部分用作铺边铺底料。对链 算机-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。4.3 筛分设备应采用振动筛，筛分前后均应设计量装置。44 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。4.5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。4.6 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1880m3（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 21 x ?120mm,7 130m m使用风量 4100m3/mi n,送风的风口面积0.3302m2,风速 240260m/s,鼓风动能 900011000kg.m/s。进 行大矿批上料，其矿批重55t -65t，降低了燃料消耗。出铁间 隔时间V 20分钟。该高炉2018年生产指标是先进的，只是入炉铁品位和热 风温度偏低了，具体内容如下：利用系数 2.73t/m 3.d ，焦比 324.55kg/t ， 小焦比 58.09kg/t, 煤 比 155.12kg/t, 燃料 比 537.75kg/t, 入炉矿铁品位 56.25%（烧结矿铁品位 53.72%，球 团矿铁品位 62.67%）；炉料结构：烧结矿 70.19%，球团矿 11.51%，块矿比为18.30%,熟料比81.8%。焦炭的N40为87.93%, M10为 6.52%。炉料结构：烧结 70.19%，球团 11,51%，块矿 18.30%。 热风温度1179C,生铁含硅0.45%。煤气中等CO含量19.34%。炉渣成分：碱度 1.19倍，ALO含量15.35%, MgC含量6.51% （是低氧化镁操作） 。案例2：山东泰山钢铁公司有2座1780m3高炉。该高炉的操作如下： 矿装料制度：9876矿批重 :44t1#高炉 O94387326 （角度 42.5 40.5 38 35）98762#高炉 04432（角度 43.5 41.5 39.5 37.5 矿批重：44t 料线 : 矿 1700mm 焦 1400mm焦装料制度 C393827264113（角度： 1#高炉 42 40 37.5 34.5 29 13,2#高炉 42 40 37.5 34.3 29 13）炉喉焦炭层厚度：0.433m/批 风口面积:1#高炉 0.2551 m2, 2#高炉 0.2525 m2风速：1#高炉235m3/ m金左右，2#高炉240m3/ m金左右风量：两高炉均在3250-3350m3/min，吨铁风量1098,1112m3/t。每天出铁次数 9-12 炉次。2018年两座高炉生产指标如下:炉号系数焦比隹丁八、-J煤比燃料比生铁Si炉渣碱度渣MgO富养风温煤气利用率%入炉品位灰铁比炉料结构%烧结球团矿耗12.33336.140.01141.97518.090.521.229.571.00121248.9257.4928.8673.5314.96164122.37335.838.29143.59517.670.511.229.591.50121448.6057.7627.7673.4815.211664