【技术文摘】“三级平衡”对铁前系统的影响

来源：市场资讯

（来源：中国炼铁网）

徐向红， 张国华

（临沂钢铁投资集团特钢有限公司）

摘 要：炼铁生产降本是系统性工程，最终结果是各工艺环节严抓共管的体现。炼铁生产降本的最关键的任务是保持炉况长期稳定顺行，但是前提条件是原、燃、辅料质量的稳定和精准的配料。为使炉料质量符合炼铁生产降本的需求，必须对原、燃、辅料及设备、熔剂及工艺制度进行优化和平衡，使其具备降低铁料、燃料质量的条件，从而在确保炉况长期稳定顺行的条件下，降低吨铁生产成本。

关键词： 铁前系统；三级平衡；提质降本

1 前 言

钢铁行业在过去的一年里经历了各种煎熬，受上游原材料价格和铁矿供应商的持续挤压，加之下游市场的疲软，需求“坍塌”之后，国内多数钢企陷入亏损的状态，且亏损的范围还在扩大。预计今年钢铁行业所面临的形势，较去年更加严峻，经营更为困难。各钢企经营者会通过各种手段降低生产成本减少亏损，以确保企业之生存。

2 烧结“三级平衡”

烧结生产过程中因铁料结构、熔剂种类和装备条件的制约与影响，相同的配矿结构在不同的企业，烧结矿各项经济技术指标，却是天差地别。某公司铁前总工在炼铁交流会上曾说过，业内企业不要照搬某公司的用料结构和生产模式，完全照搬某公司模式势必会付出高昂的代价，这也是多年前业内很多企业对标学习某公司过程中铁前各项指标相继出现波动的原因。

1）铁料平衡

铁料平衡是指除化学成分和粒级组成之外的基础特性平衡，由于不同种类的矿粉在同化温度、液相流动性、液相强度、连晶特性、铁酸钙生成能力、吸液能力、有效液相生成区间范围方面差异较大。为得到较高的烧结矿质量和较好的冶金性能及优异的经济技术指标，需要根据高炉的需求，对不同种类的矿粉进行合理的搭配。不仅具备较低的吨矿固体燃烧和生产成本，还具有稳定的化学成分、较高的物理强度和优异的冶金性能，为此需要对矿粉的种类、特性、产地进行平衡，也是系统配矿的目的之一。

2）熔剂平衡

熔剂平衡是在铁料平衡的基础上进行的配料平衡，近几年随着国内基础建设的放缓和房地产市场的萎缩，钢铁市场行情逐渐恶化，盈利水平也从之前的高额利润逐步变成微利，不少企业甚至出现了亏损。各企业为保持盈利和生存，不得配加高比例的低品位经济矿，由于低品位经济矿具有高烧损、脉石成分和有害元素较高的缘故，为保证烧结矿铝硅比，炉渣镁铝比及良好的炉渣排碱能力，需要对烧结矿成分进行调整。除此之外还可以通过熔剂的特性，对低成本混匀矿的同化温度、液相流动性进行再次平衡和互补，比如当铁料结构中褐铁矿配比较高、硅含量较高、同化温度较低、液相流动过好、液相黏度较稀时，可以通过配加高镁低钙镁质熔剂对其进行调剂。相反当铁料结构中赤铁矿或磁铁矿配比较高、硅含量较低、同化温度较高、液相流动性较差、液相黏度较厚时，可以通过配加高钙低镁钙质熔剂进行调剂。熔剂平衡的目的不仅是通过调整烧结液相流动性、液相黏度降低烧结矿大气孔薄壁结构数量占比，改善气孔大小和气孔壁厚度，提高微孔海绵状结构占比，提高物理强度及荷重软化性能指标。最为关键的是提高炉渣的流动性、滴落性，确保炉况的稳定性和较低的下部压差，为降低高炉对炉料质量的依赖程度创造条件。

3）设备平衡

生产过程中不同长宽比的机型、风箱布局、风量配置、漏风率、烧冷比，在铁料平衡和熔剂平衡一定时，设备配置参数的差异不仅影响烧结矿产量，同时对烧结矿化学成分、物理强度、冶金性能也有较大的影响。

烧结机的长宽比（即烧结机长度与有效工作宽度的比值）是影响烧结过程及烧结矿质量的关键工艺参数之一。其核心影响机制体现在对烧结过程的热工制度、透气性、物料运动状态及冷却条件的综合调控上，进而直接影响烧结矿的强度、粒度组成、化学成分均匀性及冶金性能。

烧结机风箱布局对烧结矿质量的影响也是多方面的，其核心在于通过优化风箱的分布与功能设计，改善烧结过程的透气性、温度场分布及气流运动特性，从而直接影响烧结矿的化学成分、物理性能及冶金性能。

烧结机风量配置对烧结矿质量的影响主要体现在风量与料层控制、风量与烧结终点、风量与粘结相、风量与水分控制、风量与点火强度方面。在烧结过程中，风量的大小直接影响料层的稳定性和透气性，适当的风量可以确保料层稳定，从而提高烧结矿的质量。

烧结机漏风率对烧结矿质量的影响主要体现在热效率下降、产量减少、电耗增加、成品率降低、固体燃烧增加、燃烧速度和传热速度是否同步、冶金性能等方面，较低的漏风率可以提高烧结矿的产量和质量，降低固体燃耗、吨矿电耗，从而达到降低生产成本的目的。

3 球团“三级平衡”

1）温度平衡

与烧结矿液相固结的方式不同，球团矿是固相固结，为确保球团的抗压强度和还原性能，必须避免因温度过高造成球团表层出现液相形成金属外壳，从而隔绝中间层与球核部分的氧化性气氛，为此球团矿在生产过程中必须平衡好干燥、预热、焙烧、均热、冷却每个阶段的温度区间控制范围。球团矿的温度平衡，主要是根据各阶段球团矿微观结构下的晶体结构变化进行控制。

干燥阶段球团温度一般控制在200～400℃[3]，主要目的是球团中的水分蒸发，并排除掉部分结晶水，这时球团化学反应轻微，氧化或还原较为缓慢。干燥过程中为防止因升温速度过快，内部应力较大造成生球爆裂，降低球团强度，升温速度应控制在80～100℃/min 较为有利[4]。

预热阶段温度一般控制在900-1000℃[3]，预热过程中，水分会继续挥发，碳酸盐矿物会分解，硫化物也会分解挥发，固相反应和化学反应都比较快，一些低熔点矿物已经基本形成。微观结构下大部分Fe3O4被氧化成新生的Fe2O3，晶粒处于发育长大阶段，部分晶粒还相互靠拢连结，球团已初具强度，但由于晶格发育不完善没有充分软熔互联，强度不高。

焙烧阶段温度控制一般在1200～1300℃[3]，矿物在此温度区间会加速反应，铁氧化物会进一步长大，矿物软熔，少量液相形成，新的化合物产生，在充分氧化的球团矿中Fe2O3结晶发育较好、晶粒粗大、开始出现互联晶体，球里外一致，结构强度进一步提高。

均热阶段温度较焙烧带温度控制稍低，一般控制1150～1200℃[3]，其目的是使球团内部的互联晶体进一步长大、交织融合，并尽可能发育完善，矿物组成和微观结构尽量均匀化，消除部分内应力，稳定抗压强度。

冷却阶段温度从1100℃以上冷却到120℃以内需要一定的时间[4]，同时矿物也都是在冷却过程中进行结晶，冷却速度太快，矿物结晶不完善，来不及结晶的便形成易脆的玻璃质，直接损坏球团矿质量，降低球团矿抗压强度，冷却过程中是决定质量的关键，矿物需要有充分的结晶时间。

生产过程中根据球团矿在各阶段的温度需求范围，对回转窑的各段温度进行平衡或控制，不仅可以降低球团矿的爆裂比率，还可以提高球团矿的晶体发育及良好的结晶效果，确保烧结矿较高的抗压强度和还原性能。

2）时间平衡

生产过程中由于单一铁精粉制备的球团矿比不上两种或两种以上铁精矿制备出来的球团矿质量，其原因是微观结构中单一矿物其晶粒单独颗粒较多，连接性差，难以维持较高的强度，采用不同粒度的矿物搭配能够使其晶粒排列、组合要好很多，晶粒间能够互相掺和，整体结构较好。为降低球团矿的生产成本，业内很多企业不仅采用磁铁精粉搭配赤铁精粉，为平衡矿物晶粒的连接性，又配加了由郑州秉恒新材料研发的铁基球团新型粘结剂，新型粘结剂不仅具有传统膨润土的特性，还可以提高球团的品位，起到降低球团矿成本的作用。

在优化球团配矿以后，球团矿中Fe2O3的含量升高、Fe3O4含量下降，在1250℃条件下焙烧赤铁矿是吸热过程，温度偏低，其晶粒发育生长速度缓慢。而磁铁矿焙烧是一个放热的过程，Fe3O4配加比例越高，放热越多，晶粒发育越好，强度越高，当把温度提高到1280℃焙烧时，其强度变化明显提高，生产过程中受制于能源系统平衡的限制，温度无法提高时，可以采用时间平衡的方式，通过延长焙烧时间[3]，保证晶粒的发育过程，确保球团矿抗压强度。

3）气氛平衡

球团矿必须是在氧化性气氛中焙烧[4]，才能保证Fe2O3再结晶完善，在弱还原性气氛中，Fe3O4氧化不完全，残存较多，矿物结晶也不完全。当还原性气氛较好时，Fe3O4会被还原成FeO，FeO与SiO2结合，生成铁橄榄石，导致硅酸盐液相大量形成，球团出现互相黏结，呈葡萄状大块，单颗粒的球团矿减少，整体质量变差。为此生产过程中必须平衡好焙烧气氛，较强的氧化性气氛是生产高质量球团的必要条件。

焙烧气氛的性质以气流中燃烧产物的自由氧含量决定：氧含量大于8%，为强氧化性气氛；氧含量在4%～8%之间为正常氧化气氛；氧含量在1.5%～4%之间为弱氧化气氛；氧含量在1%～1.5%之间时为中性气氛；氧含量小于1%，为还原性气氛[4]。

酸性球团和碱性球团以及不同精粉类型的球团对焙烧气氛的要求不同，为保证球团的抗压强度，可根据精粉种类和酸碱性质，进行焙烧气氛的平衡调整。

4 高炉“三级平衡”

1）渣相平衡

炉渣渣相平衡是根据高炉冶炼铁水品种的不同，对炉渣R2、R3、R4进行的调整或平衡，其目的都是围绕炉渣流动性、稳定性、滴落性和脱硫、排碱能力五个方面进行的。

通过对炉渣性能的调整，使其具备较好的滴落性能，降低炉渣在高炉软熔带的停留时间，降低炉渣对软熔带透气性的影响，达到降低下部压差为上部压差提供较为宽松的条件，降低高炉对块状带炉料质量的依赖程度，为降低炉料成本创造条件[2]。 提高炉渣稳定性和流动性，除降低其物理温度波动对流动性和脱硫能力的影响外，还可以提高渣铁在炉缸焦堆的通透能力，不仅能够减少渣铁环流现象和象脚侵蚀，延长炉缸使用寿命，还能有利于炉缸煤气流的导气能力，对提高炉芯温度，保持炉缸活跃状态较为有利。良好的炉缸活跃状态，有助于提高高炉的抗风能力，降低高炉对炉料质量的依赖程度，为降低炉料成本提供宽松的空间条件。通过调整两元碱度和镁铝比，保持四元碱度的平衡，不仅能够保持较高的炉渣热焓和脱硫能力，还有利于排碱，降低碱金属对高炉稳定顺行的影响，为烧结配加高铝料和碱金属负荷稍高的低品位经济料创造条件，从而达到降低铁料成本和配矿成本的目的。 由此不难看出炉渣渣相平衡，对炉况稳定顺行和降低铁水成本的重要性。

2）炉料平衡

炉料平衡的目的是保持焦炭和铁料质量的平衡，两种物料同时保持较高的水平是典型的“精料”冶炼，的确有利于高炉长期稳定顺行，但铁水成本也是居高不下，在当前市场环境较差的条件下非常不利于钢企的生存。在炉况顺行的条件下只能退而求其次，对炉料的质量进行平衡，根据铁料和燃料成本的权重占比，保持一种炉料较高的质量，为降低铁水成本创造条件和空间。

在焦炭质量平衡方面为保持较好的炉缸工作状态，通过合理的布料制度将大粒度焦炭布在中心，小粒度焦布在边缘，焦丁与铁料混合布在边缘的方式保持炉缸中心焦堆的透气透液性，确保活跃的炉缸状态和优异的高炉指标[1]。操作方面可以通过超大矿批和较厚的焦炭厚度，提高煤气流在软熔带焦窗的通透能力，为高炉接受较大的风量创造条件，随着高炉接受风量能力的增加，风速、动能和炉缸活化区比例也随之升高，炉缸得以保持较高的活跃状态和稳定顺行的炉况。

通过合理的焦炭布料和大矿批厚焦层的操作制度，在炉况稳定顺行较好的基础上，为降低配矿成本和铁水成本，烧结矿转鼓强度可以适当放宽。配料方面可以提高低成本褐铁矿及非主流经济料的配比，从而实现降低铁水成本的目的。

3）煤气平衡

煤气控制的目的就是实现中心和边缘煤气流的最佳平衡，边缘和中心两道煤气流周向均匀、径向合理分布的平衡，只有煤气流合理分布，才能保证炉况稳定顺行，并实现煤气与炉料的充分密切接触，改善间接还原，降低燃料消耗[2]。煤气与炉料充分接触的重点在于改善矿层透气性，降低高炉内的阻力分布。软熔带是煤气流向各层分布的分配器，也是炉内煤气流的第二次重新分布，通过焦窗通道把气流分向各层，焦窗的稳定通畅是分布的核心环节，焦层的厚度决定了焦窗的大小。

实现中心和边缘煤气流的平衡的方法通常如下[6]：（1）保持边缘足够高的焦炭比例；（2）确保边缘有最小的煤气流；（3）控制中心气流，挖掘中心气流潜力，保持强劲有力的中心气流，是改善煤气利用率的核心；（4）调整气流时，每次只能调整一道气流，在调整其中一道气流时，需要对另外一条煤气通道进行疏导，并保持气流通道的畅通。

为确保高炉能够长期稳定顺行，必须保持边缘和中心煤气流分布的平衡，生产过程中，为提高煤气利用率，降低燃料消耗，需要根据炉身温度范围，控制最小的边缘煤气流，保持强劲有力的中心气流，使煤气和炉料实现最大限度的密切接触，并保持较高的炉芯温度和活跃的炉缸工作状态。

5 降本思路和方法

1）转变理念

改变之前“精料”入炉的理念[6]，向“净料”和经济料理念转变，通过对高炉各项操作制度的设计和调整，降低高炉对炉料质量的依赖程度，体现高炉操作水平。

2）调结构

跟随市场行情趋势，根据铁料和燃料的成本权重占比，优化原料结构、矿石种类、焦炭种类与比例、煤粉和熔剂结构，不仅需要平衡稳定顺行与降本的关系，更要处理好长期效益和短期效益之间的关系。

3）精细操作、提升指标

在现有条件下，通过大矿批复合料制[5]，精细操作，改善各项技术指标，通过提高料速和降低入炉品位的方法，保证全天产量的稳定和平衡，力争实现做好“三级平衡”，达到提质降本的目标。

4）系统平衡

从铁前“三级平衡”的角度确定配矿方向，个人认为应当按照“以炉型定（炉料）质量、以（炉料）质量定渣系、以渣系定（配矿）方案、以（配矿）方案定铁料（种类和结构）、以铁料（结构）定熔剂（种类）”的方法，必须以高炉为中心，以高炉的需求为目标，同时通过高炉操作制度的调整为烧结和球团配矿提供宽松的边界条件，为降低系统铁水成本创造条件。

6 参考文献

[1]刘云彩.现代高炉操作[M].第一版.北京，冶金工业出版社，2016年5月.135～139

[2]马丁٠戈德斯 沙永志 译 .现代高炉炼铁[M].第四版.北京，中国科学技术出版社，2021年11月.10～17、133～145

[3]陈耀铭、陈锐.烧结球团微观结构[M].第一版.长沙，中南大学出版社，2011年12月.119～121、122～123

[4]张汉泉 罗立群.烧结球团理论与工艺[M].第二版.化学工业出版社，

2018年3月.175～179、184～189、192～196

[5]徐向红 张国华 《复合料制特性解析》 中国炼铁网

[6]臧向阳 尹雪山 王玉会 《高炉经济炼铁的探讨》 中国炼铁网