王筱留教授对科学合理配矿低成本高效益生产的认识.docx
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王筱留教授对科学合理配矿低成本高效益生产的认识
对高炉科学合理配矿、低成本高效益生产的认识
1前言
高炉炼铁获得低成本,高效益生产的基础是精料,精料工作内容中重要的环节是科学合理配矿,它具有两方面的内涵:
一是充分发挥以针状铁酸钙为粘结相高碱度烧结矿有点配以酸性料的合理炉料结构,另一是按照烧结矿生产规律为获得性能优良的烧结矿进行的科学合理配矿。
高炉炼铁的低成本高效益生产则决定于精料水平,操作技能和市场供应等。
我们提出对这方面的认识,同大家一起来探讨。
2科学合理配矿
2.1炉料结构
它取决于资源条件:
在高品位细精粉的地区,以生产球团矿为主要造块方式,其炉料结构是,球团矿加超高碱度烧结矿,在富粉地区以生产烧结矿为主要造块方式,其炉料结构是高碱度烧结矿加酸性料(氧化球团或富块矿),中国是以烧结矿生产为主要方式的,所以炉料结构应是高碱度烧结矿加酸性料。
至于它们的比例则是应遵循充分发挥以针状铁酸钙为粘结相的高碱度(R=1.85-2.10)烧结矿的优点为主,配以酸性球团和天然块矿。
研究和生产实践表明:
70%的碱度1.95高碱度烧结矿加30%酸性料最合理,因此在新建企业设计时,应尽量按这个比例配套烧结生产能力。
在已建成的企业里,就以实际烧结矿生产能力生产出优质烧结矿(碱度可在1.85-2.10之间调整)为基准,再配以酸性料,其比例可在高碱度烧结矿:
酸性料=5:
5~8:
2之间变动,需要强调,不要盲目,片面追求7:
3而追求烧结机产量而忽视质量的做法,因为质量差的烧结矿进入高炉将严重影响高炉生产而恶化操作指标,甚至影响成本和效益。
2.2烧结矿配矿
2.2.1遵循原则
为实现低成本,高效益炼铁,烧结矿的科学合理配矿应遵循获得低成本生产为基准,进行配矿,为此必须掌握生产优质烧结矿的计算,目前炼铁界的共识是以针状铁酸钙为粘结相的高碱度低FeO的烧结矿(SFCA)是性能和质量最好,生产这种优质烧结矿(SFCA)的工艺条件是:
(1)SiO2:
5.0-5.5%;
(2)Al2O3/SiO2:
0.1-0.3;
(3)碱度:
1.95±0.05 最低不要低于1.85,最高不要超过2.2
(4)温度:
1250-1280℃;低值适用于磁精粉烧结,高值适用于赤富矿粉烧结;
(5)料层厚:
800mm;
(6)气氛:
强氧化性气氛;
(7)点火:
温度1000±50℃,时间45-50秒,炉腔负压,零负压或微负压-3~-5Pa,点火能耗控制在0.08GJ/t以下;
(8)垂直烧结速度与机速匹配:
到达机尾时断面存在1/5厚度红色;
SiO2对形成SFCA是必要条件之一,其影响如下,要强调的是Al2O3/SiO2对形成SFCA的作用要比SiO2含量大。
SiO2低时,易生成铁酸半钙(CaO•2Fe2O3),强度和还原性都差,3%时,CaO•Fe2O3增加并由片状向针状4%-5%都可获得针状强度和还原性最好,SFCA有一个特点,它能将多余SiO2固溶入铁酸钙,抑制2CaO•SiO2和2FeO•SiO2的产生,前者正硅酸钙是破坏烧结矿强度的因素,因为它在冷却过程中产生相变,体积膨胀高达10%-12%,破坏了烧结矿,2CaO•SiO2有αα’β和γ几种形态:
同时SiO2固溶在SFCA后,减少了它与Fe3O4和FeO形成2FeO•SiO2的几率,而是烧结矿中的Fe2+主要以Fe3O4形态存在,在烧结矿冷凝析晶时Fe3O4晶体与CaO•Fe2O3晶体形成强度最好的交织结构,既增加了烧结矿的强度也改善了烧结矿的还原性,但是SiO2含量也不宜过高,最好不要超过5.5%-6%。
Al2O3/SiO2比值的影响是CaO•Fe2O3生成量和它的形态,最好是0.1-0.2,超过0.3CF量是增加,但形态则由针状转为板状,柱状,强度变好,但还原性变差。
烧结温度相对要低一点,以R=2.0,SiO2=6%Al2O3/SiO2=0.2的实验为例:
1190℃:
Fe3O4部氧化成Fe2O3,Fe2O3边缘形成片状CaOFe2O3(CF)不含SiO2、Al2O3,CF之间有熔渣形成;
1200—1220℃:
CF之间的熔渣进入CF中,CF数量增多,并向针状发展,CF向CF2(CaO2Fe2O3)转变并吸收SiO2、Al2O3;
1250℃:
烧结矿中75%—80%为铁酸钙并全部呈针状,其中SiO2含量高达8.94%,低温熔渣消失,晶格连接出现针状交织结构,强度和还原性均最好;
>1260℃:
SFCA开始分解,CF下降并由针状向柱状发展,强度上升,还原性变差。
过高烧结温度的影响是Fe2O3在1350℃以上要分解成Fe3O4,严重影响CF的生产,高温下,形成的CaO•Fe2O3也会分解,另外高温下NOx和二噁英的生成量大幅度增加影响环境,虽然可以采取技术来脱硝,但生产成本上升,而且至今还没有很成熟技术来阻止二噁英的生成和脱除。
碱度影响
烧结矿碱度在1.8以下粘结相主要是硅酸铁,铁橄榄石(2FeO•SiO2)系和钙铁橄榄石CaO•FeO•SiO2只有碱度在1.8以上才有CaO•Fe2O3产生,而碱度超过2.0-2.1出现较多铁酸二钙(2CaO•Fe2O3),还原性较CaO•Fe2O3差。
烧结气氛:
对磁精矿粉需要较强氧化性气氛,使Fe3O4氧化成Fe2O3,Fe3O4是不能与CaO组成矿物的,形不成CF,即使是Fe2O3富粉也要较强氧化性气氛,以防止其被C、CO还原成Fe3O4。
由于磁精粉氧化成Fe2O3是放热反应,因此要少配炭,同时最佳温度也低20℃左右。
持续时间是保证,CF的生成和形成针状交织结构。
要获得优质的SFCA还需要做好以下工作:
2.2.2对使用矿石进行烧结特性评估
烧结矿生产经历了三个重要环节:
固相反应,液相生成和冷凝析晶。
这三个环节对烧结矿的产质量都起着重要的作用,而要获得好的生产结果,需要对影响着三个环节的因素,矿石的烧结特性进行科学评估,烧结特性中最重要的是:
同化性,液相的生产和它的流动性,粘结相的自身强度和铁酸钙生成特性。
1)同化性
生产高碱度烧结矿,混合料中加入含CaO的粉料(生石灰CaO,石灰石CaCO3,白云石(MgCa)CO3)同化性是所用矿石矿化CaO的能力即与CaO反应形成液相的能力,矿化能力差,即同化性差的矿石在烧结过程中加入的CaO未能与矿石中其他氧化物结合,则以自由CaO(白点)残留在烧结矿中,在运输过程和料仓中与大气中的H2O气结合而消化,既影响烧结矿强度,粒度组成,又影响烧结矿的碱度,而白点(CaO)消化过程中,体积膨胀使烧结矿粉化,白点在烧结矿过筛中进入粉末入炉烧结矿的实际碱度降低,烧结矿实际碱度降低影响烧结矿的矿物组成,从而影响烧结矿的产质量,也影响高炉生产。
2)液相生成量及其流动性
烧结矿是用高温下生成的液相冷凝过程中,溶入液相矿物的析晶和未溶入液相的颗粒被液相粘结而成微孔海绵状结构的成品,因此有效液相量和适宜的液相粘度是获得高质量烧结矿的关键。
高碱度烧结矿的粘结相的生成主要靠CaO与铁矿粉反应生产低熔点化合物,因此铁矿粉同化性及形成低熔点化合物能力是考察粘结相数量的指标。
对烧结矿固结有重要作用的还包括所生成液相的流动性,其高者粘结周围物料的范围也较大,可提高烧结矿的固结强度,但流动性不可过大,粘度小流动快而远,对周围粉结冷凝后形成大空薄壁结构整体变脆,强度下降,同化性好的具有流动性高的趋势。
3)烧结矿的自身强度
影响烧结矿强度的因素有:
矿物组成,微观结构,CaO矿化程度,粘结相种类数量及其自身强度等。
在高温下烧结料中的粘结状细粒首先同化而产生液相,随着液相的流动将大颗粒的未熔化核矿石包住,并填充了核矿石之间空隙,这些粘结相在冷凝固结后,使烧结体获得强度,如果它的强度不足时,破损首先从粘结相开始,提高粘结相自身强度是烧结液相数量偏少时(例如低SiO2烧结矿)尤为重要。
4)铁酸钙生成特性
CaO在同化过程中可与矿石中的众多氧化物,例如铁氧化物中的Fe2O3,硅氧化物中的SiO2,铝氧化中的Al2O3等作用,但是对SFCA来说,重要的是与Fe2O3形成铁酸钙,这里所说铁酸钙生成特性是指SFCA生成难易程度和SFCA生产的稳定性,通过测定对比科学合理配矿时,选择同化性好,产生液相数量多且流动性适宜,粘结相强度高的矿粉组成烧结混合料,影响因素已在SFCA生产条件中介绍。
2.2.3配矿实验
一般先在实验室中做烧结杯试验,通过正交法以最少的试验次数,确定获取产质量好的配矿方案,及烧结矿生产工艺参数,为使试验结果更接近生产实际,应在烧结杯实验成果的基础上再进行烧结机上的投篮试验,可否烧结杯实验中容量小,边缘效应大的局限性。
试验中要特别注意,目前烧结生产中的一些误区,配矿中的只用生石灰,不用石灰石粉,盲目追求成品率混合料配碳量高,等。
烧结工艺参数中的点火温度高,点火时间厂,点火负压值大等。
混合料中加生石灰的基本出发点是利用生石灰加水消化成Ca(OH)2胶体,利用极细的矿粉(特别<200目以上的精矿粉)造球,以改善烧结混合料的透气性,一般根据矿粉粒度组成加生石灰5%-7%。
现在是不论什么矿粉,均用100%生石灰烧结,造成生产的烧结矿产质量都差,例如粒度组成差,碱度波动大,合适粒度(1-3mm)的石灰石粉对稳定烧结矿产质量有很多优点,例如烧结过程中石灰石粉分解出的CaO的活性大,而且稳定,改善了CaO•Fe2O3生成条件和烧结矿碱度的稳定,石灰石粉分解出来的CO2是氧化性化合物,利于烧结矿废气中氧化度的提高,降低其还原性,从而降低烧结矿中还原出的FeO。
烧结混合料配碳量应通过烧结过程热平衡计算确定,目前生产中提高成品率,烧结矿强度配碳量超过实际需要的高很多,是我国烧结矿能耗高的主要原因,而且烧结矿质量也相应降低,在相当多的厂家生产的高碱度烧结矿CaO•Fe2O3含量很低,有的甚至没有,粘结相被2FeO•SiO2和CaO•Fe2O3•SiO2取代。
因此还原性很差,造成高炉炼铁的直接还原高超过0.5甚至达到0.6,煤气利用差,CO利用率ηCO低于0.45,燃料比高,一般高于50kg/t,点火温度应控制在950-1000℃,点火时间在50sec左右,点火器下的负压在-3Pa—-5Pa(甚至可控制在零负压)。
先进烧结生产的点火能耗在0.03-0.05GJ/t,一般在0.08GJ/t以下,而我国大部分的点火能耗在0.09-0.12GJ/t超过应控制值的2-3倍,也是能耗高的原因之一,高点火参数不仅浪费的能量,而且烧结台车表层20-40mm在离开点火器后快速冷却,液相来不及放出热量析晶,而成为玻璃体。
它的性脆,强度低,大部分在往后的输送过程都破碎成粉末,造成我国炼铁生产中高炉返矿率居高不下,低点火参数生产的烧结矿,高炉生产的返矿应在5%-8%,而我国高炉返矿大部分在15%左右,有的甚至超过20%。
2.2.4低生铁成本为基准的科学合理配矿的模型介绍
高炉炼铁使用的含Fe矿石分两类,作为酸性料直接入炉的富块矿,作为生产高碱烧结矿的原料,富粉矿或精矿粉,要科学优化配矿,首先要掌握所用含Fe的经济价值,达到低成本采购,因此采用科学的评价方法对含Fe料进行评价是非常重要的。
1)直接入炉富块矿的经济价值评估
传统方法:
吨度价=铁矿石价格/TFe
综合吨度价=铁矿粉价格/TFe评
TFe=TFe×(100+2RSiO2-2CaO)-1
这种传统方法简单,但没能反映铁矿石的真正价值,因为它没考虑或考虑不全,高炉冶炼过程中,熔剂使用量,没考虑矿石性能对高炉冶炼过程中对渣量,燃料比的影响。
线性配料计算:
通过计算确定采购矿石在获得设定的生铁成本时的最低采购价,这个计算方法既考虑了矿石品位对焦比的影响,铁矿石品位对熔剂用量的影响脉石组成对渣量的影响。
在高炉炼铁要求的炉渣二元碱度和Mg/Al比条件下最终算出矿石单独入炉的铁水成本来评估矿石价值。
铁矿石直接入炉经济价值评价方法
计算方法
3成本与效益
精料是降低燃料比实现低碳低成本高效益炼铁的基础,而降低燃料比则是低燃料比成本高效益的关键。
高炉炼铁成本用最简单方法可以表达为:
式中为冶炼吨铁消耗的燃料,矿石和熔剂量,即燃料比,矿比和熔剂比;
JK、JP、Jφ为燃料,矿石和熔剂的价格;
G其他费用,包括动力消耗,职工工资及福利,车间费用等,它分为两部分,一部分随产量增加而变,例如动力消耗,一部分不随产量变化而基本稳定,例如工资支出,车间费用等。
从式中可以看出,影响成本的不仅是原燃料单价,而是原燃料消耗量与单价的乘积,要注意的是原燃料质量,它们的价格,还影响其消耗量,从而双重影响生铁成本。
在我国其中影响最大的是含Fe料的质量,它影响熔剂,燃料消耗量,请大家明确一个概念“含Fe料的低价格,不等于生铁成本的降低,有时却相反生铁成本反而升高”
现以前几年广泛流传的低品位矿使用可降低成本取得可观的经济效益为例说明,由正常品位58%左右降到低价格矿品位50-48%产生的后果是:
①吨铁矿石消耗由1.65t/t上升到2.0t/t,增加矿石消耗300~350kg/t。
②燃料比随之升高,以现在高炉生产数据计算在品位58%降到48%的范围内,每降1个品位,燃料比上升1.6%,这样燃料比上升65~68kg/t
③矿品位下降脉石增加,渣量增大,不仅吨铁使用的熔剂量增加,而且由于渣量增大100kg/t以上,使料柱的阻力增加,尤其是软熔带和滴落带内煤气通过的通道(即料柱的空隙)减少,使焦窗和焦柱的空隙度(εC-ht)降低,煤气通过流速增大,造成增大接近γ料时,炉子出现难行,增大超过γ料就出现悬料,为求高炉顺行采用适当放开边缘,煤气的化学能和热能利用变差,ηCO下降,t顶升高,燃料比就有所升高。
燃料比升高后单位生铁的炉腹煤气量增大,煤气流速增大,有时被迫降低冶强,影响产量,产量的降低成本中的G部分增大。
④燃料比上升65kg/t~68kg/t,吨铁风耗也将增大270~300m3/t,动力消耗增大,这样计算结果,生铁成本是上升的,高炉指标是降低的,这是2011年以来全国高炉指标下滑的原因。
诸位应当重视原燃料的采购工作,要为本厂建立科学的质量评价系统,这个系统必须是以降低生铁成本为基础,而不是只顾铁前子部门(烧结、球团、原料采购,甚至焦化)的成本,用科学的原燃料采购评估系统和相应的软件来指导采购原燃料是十分必要的。
3.1生产中生铁成本变化规律
长期以来,高炉炼铁的技术经济指标中最关注的是,冶炼强度I,有效容积利用系数ηv和燃料比K三者的关系是:
从图中看出,在一定的冶炼条件下,有一个燃料比最低的冶炼强度,也有一个产量最高的冶炼强度,而且随着冶炼条件的改善,这个燃料比最低的冶炼强度和最高产量的冶炼强度是逐步提高的,因此人们在生产中采取多种技术措施和管理措施,主要是精料和操作技术,来改善冶炼条件,使生产的技术经济指标得到提高。
如果将冶炼强度与燃料比的关系图与冶炼强度与产量关系的图叠加在一起就得到下图:
从图上看到最低燃料比的冶炼强度与最高产量的冶炼强度并不是同一值,最高产量的冶炼强度要略高于最低燃料比的冶炼强度,一般情况是市场供不应求,而且燃料价格低的情况下人们追求在最高产量的冶炼强度下生产,而在市场低迷,燃料价格昂贵时,则在燃料比最低的冶炼强度下生产,同时采取措施,将冶炼强度逐步提高来获高的产量。
将高炉炼铁生铁成本与冶炼强度或与产量的关系用图表达出来,将得到冶炼强度与燃料比相类似的规律。
3.2成本与效益的关系
高炉炼铁的效益是:
A=P(C-S)
式中P是产量,C是生铁市场价;S-生铁成本,A是生产效益
将生铁市场价C,生铁成本和产量关系用图表示,得到:
供不应求时,产量(P)对生铁成本(S)和生产盈利(A)的影响
从计算式和图可以看出在市场供不应求时,市场价C上扬,而使(C-S)数值增大,效益随着产量增加,效益更大,如果市场价稳定,而原燃料价格下降,生铁成本下降也使(C-S)增大,随着产量增加,效益也增大,这是中国炼铁较长时期间组织生产获得好效益的途径。
市场供大于求,原燃料价格上涨时成本与效益发生了变化,那就是C线下移,而S线上移,出现成本较市场价还要高,这是三者的关系图变成:
如果企业仍按原来的方针组织生产,后果是生产越多亏损越大,这时应采取措施改善冶炼条件,降低燃料比,降低成本,以求达到微利或不亏损。
4结论
(1)高炉炼铁的科学合理配矿应该要实现充分发挥,以针状铁酸钙为粘结相的高碱度烧结矿的有点酸性料的炉料结构。
(2)烧结矿的科学优化配矿以按遵循烧结矿生产规律为获取优质烧结矿进行科学合理配矿。
(3)要以获得最佳生铁成本为基准的科学方法对含铁料进行经济价值评估,然后择选配矿实行低采购成购矿。
(4)生铁低成本的关键是降低燃料比,生产中要努力做好精料工作,提高高炉操作技术降低燃料比,向低燃料比要效益。
(北京科技大学教授,炼铁专家王筱留)
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