高炉冶炼过程适宜镁铝比的热力学基础研究

本项目以开展适宜的炉渣镁铝比（ω(MgO)/ω(Al2O3)）为突破点，从热力学理论层面系统地考察各种原料条件下包括MgO、Al2O3在内的各组分对炉渣的熔化性温度、黏度、脱硫能力，组分的反应能力（活度）等影响以及对烧结、球团工艺的影响，从而确定适宜的ω(MgO)/ω(Al2O3)，实现高炉炉料成分的优化设计，开发科学合理的高炉炼铁工艺，实现集成创新。 1 炉渣热力学性质的定量化 （1）CaO-SiO2-Al2O3-MgO渣系活度预测模型 制作不同温度条件下CaO-SiO2-Al2O3-MgO四元渣系的等温截面图。依据熔渣分子离子共存理论，结合相关二元、三元相图及涉及到的热力学数据建立了 CaO-SiO2-Al2O3-MgO四元系熔渣活度预测模型。选定参考渣法测定相关组元活度，数据比对分析，引入校正系数L'修正预测模型，校正后的预测模型具有良好的稳定性和精度。 （2）炉渣冶金性能（熔化性温度、黏度、流动性）的基础研究 实验室条件下，探讨了碱度、ω(MgO)/ω(Al2O3)对炉渣冶金性能（黏度、熔化性温度）的影响；探讨了1500℃条件下，ω(MgO)/ω(Al2O3)、Al2O3含量及碱度对炉渣流动性影响。 （3）炉渣脱硫能力的基础研究 从组元反应性（活度）和黏度两方面入手，考察了R、ω(MgO)/ω(Al2O3)、ω(Al2O3)等对炉渣脱硫能力的影响规律。专门设计了脱硫实验用双层石墨坩埚，可更好地模拟高炉脱硫的实际情况。 2 化学成分对烧结、球团工艺的作用机制 （1）考察MgO在铁矿石烧结过程中的矿化机理 考察分析了MgO对烧结矿显微强度的影响和含MgO熔剂在铁矿石中的扩散速度，确定适宜的含MgO熔剂的添加量。 （2）考察MgO、Al2O3对烧结矿、球团冶金性能的影响 试验考察MgO、Al2O3对烧结矿的低温还原粉化、还原性、还原膨胀、软熔滴落等冶金性能影响，研究其对铁矿石冶金性能的作用机理。 3 制定科学合理的高炉冶炼制度 基于大量实验室试验结果，在某钢铁厂#A、#B高炉进行了现场试验。研究主要包括两个部分：1）考察降低高炉用含镁熔剂对实际生产的影响；2）考察降低烧结矿MgO含量对实际生产的影响。生产实践表明，该炼铁厂采用低MgO烧结—高炉炼铁技术，取得了良好的炼铁技术经济指标。

对于高炉炉渣Al2O3含量升高带来的炉渣冶金性能下降问题，通常采用添加MgO的方法加以改善。目前国内普遍存在炉渣镁铝比（MgO/Al2O3）越高越好的认识误区，导致我国炉渣的镁铝比偏高，增大了渣量和能耗及镁资源消耗，同时也可能会影响烧结矿质量。而国外高炉渣镁铝比普遍较低，孰是孰非，有必要进行深入探讨和研究，从机理上论证高炉渣的适宜镁铝比。本研究将从基础热力学角度出发，针对高炉炉渣，利用等温截面图考察不同成分条件下的矿物组成、MgO、Al2O3等成分在炉渣中的活度、存在状态，结合EPMA、X-ray衍射、扫描电镜、矿相分析等测试技术，研究MgO、Al2O3在炉渣形成过程中以及在烧结和炼铁生产流程诸环节中的行为，解明MgO、Al2O3等组分对炉渣冶金性能影响的作用机理，充分发挥MgO的正能量作用，提出适宜的镁铝比，为制定科学合理的高炉炼铁工艺以及MgO添加工艺提供理论依据，实现集成创新。

根据锰铁高炉炉体解剖的结果，加入的炉料在高炉内可分为块状带，软熔带、滴落带和再还原区。块状带位于炉身处，炉料未达熔点时，锰矿、焦炭和熔剂分层相间存在；锰矿中的锰、铁高价氧化物在块状带受热分解和被炉气中的CO还原成MnO与FeO；还原反应产生大量的热，使炉顶温度升高；炉料中的水分（附着水和结晶水）、有机物等随炉气外排。软熔带位于炉腰与炉腹，包括炉料靠炉壁的软区和中部的熔区；MnO与FeO同锰矿中的脉石和熔剂开始形成初渣，而分为软熔带和焦炭层；软熔带的存在增大了炉气的阻力，因此要求锰原料的熔点要高而软化区间要窄。滴落带位于软熔带中心；初渣液滴穿过下方的焦炭层时，MnO与FeO被焦炭直接还原。MnO在高炉中的还原过程按巴甫洛夫的观点，在高炉风口以上的炉腹是第一还原区，风口带为锰、铁氧化区，炉缸为再还原区。MnO的还原是在熔融状态被碳还原，与炉缸温度、炉渣碱度和流动性、焦炭粒度有密切关系。MnO还原为Mn需要热量是4946 kJ/kg（Mn），FeO还原为Fe所需的热量是2699 kJ/kg（Fe），所以高炉冶炼锰铁的焦比要比冶炼生铁高。

MnO主要是在熔渣中被碳还原。添加CaO提高炉渣碱度，可以提高渣中MnO的活度和炉缸温度，使锰的收得率增加。添加MgO可以提高炉渣碱度，改进炉渣流动性而降低炉渣中MnO含量。

高炉冶炼过程是在炉料和炉气的反向运动中进行传热、传质和机械运动。炉料均匀而有节奏地下降，反应产生的煤气合理分布上升从炉顶泄出是高炉顺行的首要要求。焦炭在风口燃烧，焦炭被炉料中的氧氧化，在炉料下降过程中小块料填充于大块料之间，炉料逐渐熔化使体积缩小，定期从炉缸排放炉渣与合金等都会在炉内形成自由空间。炉料由于自重克服炉料与炉壁、炉料间的摩擦力和煤气上升的浮力而下降。锰铁高炉炉缸温度比生铁高炉高，炉料软熔带相对上移，气体通道切面相对变小，气流速度变大，阻力损失增加，对高炉的顺行影响甚大。煤气流的合理分布对高炉冶炼锰铁十分重要。

高炉冶炼是把铁矿石还原成生铁的连续生产过程。铁矿石、焦炭和熔剂等固体原料按规定配料比由炉顶装料装置分批送入高炉，并使炉喉料面保持一定的高度。焦炭和矿石在炉内形成交替分层结构。矿石料在下降过程中逐步被还原、熔化成铁和渣，聚集在炉缸中，定期从铁口、渣口放出。

鼓风机送出的冷空气在热风炉加热到 800～1350以后，经风口连续而稳定地进入炉缸，热风使风口前的焦炭燃烧，产生2000以上的炽热还原性煤气。上升的高温煤气流加热铁矿石和熔剂，使成为液态；并使铁矿石完成一系列物理化学变化，煤气流则逐渐冷却。下降料柱与上升煤气流之间进行剧烈的传热、传质和传动量的过程。

下降炉料中的毛细水分当受热到100～200即蒸发，褐铁矿和某些脉石中的结晶水要到500～800才分解蒸发。主要的熔剂石灰石和白云石，以及其他碳酸盐和硫酸盐，也在炉中受热分解。石灰石中[kg2]CaCO[kg2]和白云石中MgCO的分解温度分别为900～1000和740～900。铁矿石在高炉中于 400或稍低温度下开始还原。部分氧化铁是在下部高温区先熔于炉渣，然后再从渣中还原出铁。

焦炭在高炉中不熔化,只是到风口前才燃烧气化,少部分焦炭在还原氧化物时气化成CO。而矿石在部分还原并升温到1000～1100时就开始软化；到1350～1400时完全熔化；超过1400就滴落。焦炭和矿石在下降过程中，一直保持交替分层的结构。由于高炉中的逆流热交换,形成了温度分布不同的几个区域。

①区是矿石与焦炭分层的干区，称块状带，没有液体；

②区为由软熔层和焦炭夹层组成的软熔带，矿石开始软化到完全熔化；

③区是液态渣、铁的滴落带，带内只有焦炭仍是固体；

④风口前有一个袋形的焦炭回旋区，在这里，焦炭强烈地回旋和燃烧，是炉内热量和气体还原剂的主要产生地。

液态渣铁积聚于炉缸底部,由于比重不同,渣液浮于铁液之上,定时从炉缸放出铁水出炉温度一般为1400～1550，渣温比铁温一般高30～70。

煤气流沿高炉断面合理均匀地分布上升，能改善煤气与炉料之间的传热和传质过程，顺利地完成加热、还原铁矿石和熔化渣、铁等过程，达到高产、低耗、优质的要求。

高炉中铁的还原 高炉中主要被还原的是铁的氧化物:FeO(赤铁矿),FeO（磁铁矿）和FeO（浮氏体，从0.04到0.125）等。每得到1000公斤金属铁，通过还原被除去的氧量为：赤铁矿429公斤,磁铁矿382公斤,浮氏体（按FeO计算）286公斤。

主要还原剂 焦炭中的碳和鼓风中的氧燃烧生成的CO气体，以及鼓风和燃料在炉内反应生成的H是高炉中的主要还原剂。约从400开始,氧化铁逐步从高价铁还原成低价铁，一直到金属铁。

间接还原 氧化铁由[kg2]CO[kg2]还原生成[kg2]CO[kg2]或由[kg2]H[kg2]还原生成HO的过程。还原顺序为:[kg2]FeO─→FeO─→FeO─→Fe（低于570时，FeO不稳定,还原顺序为：FeO─→FeO─→Fe）。从图2[Fe-O-C体系气相平衡组成] 2100433B

高炉冶炼锰铁的焦比高，负荷轻；煤气量大，在炉身极易发展边沿气流；炉料吹损大；炉顶温度高。初渣中MnO含量高，流动性好，对炉身中、下部耐火砖侵蚀快。由于上述特点和冶炼规律，锰铁高炉的内型与生铁高炉相比是扩大炉喉；加大炉腹直径使高炉有效高度和炉腰直径比降低；实践证明，无炉衬高炉（图3）能适应冶炼锰铁的要求，可以得到较好的技术经济效益。所谓无炉衬高炉是指除承受高温炉渣和铁液的炉缸与炉底部分用砖砌外，炉腹、炉身的外壳用水喷淋或汽化冷却。不砌耐火材料。锰铁高炉的其他设备基本与炼铁高炉相同，仅在一些参数和设备匹配上作适当修改。