本發明屬于鋼鐵冶金煉鐵領域，具體涉及到一種利用高反應性焦炭提高高爐冶煉高鋁鐵礦效率的方法。
背景技術：
由于鐵礦資源有限和高品位鐵礦石消耗量逐漸增加，鐵礦石中的Al2O3含量呈逐漸增加的趨勢。盡管這些變化比較緩慢，但仍然給高爐操作帶來了問題。當燒結料中Al2O3含量少量增加時，可能會使燒結礦的強度和低溫還原粉化性能變差，進而導致高爐上部透氣性變差。還可能改變軟熔帶附近燒結中所形成初渣的組成和性質，從而對高爐下部透氣、透液性以及爐料的還原產生負面影響。近年來隨著我國鋼鐵產能的大幅增長，對鐵礦石的需求量迅猛增加，國內鐵礦石供應嚴重不足，對外依存度達到60％左右。由于世界范圍內高品質鐵礦石資源日趨減少，同時為了降低生產成本，鋼鐵企業不得不在燒結生產中配加一定量的廉價的鋁含量相對較高的鐵礦粉，在生產過程中遇到了一系列的問題。
國內進口的高Al2O3鐵礦大部分是鐵礦粉形式，通過燒結生產進入鋼鐵冶煉流程。一般高堿度燒結礦中70～80％的物質為與液相有關的粘結相，其中包括次生鐵礦物(赤鐵礦和磁鐵礦，體積含量為40～70％)、鐵酸鈣(體積含量為20～50％)、硅酸鹽(主要是Ca2SiO4，體積含量約為10％)和玻璃相(體積含量約為10％)，其余為未反應的鐵礦核顆粒。目前，燒結礦中最主要的成分是復合鐵酸鈣(SFCA)。SFCA在無Al2O3的環境下生成量很少，呈分解殘余態；Al2O3/SiO2值為0.1時，SFCA分解現象基本消失，SFCA含量急劇增加，燒結相體積膨脹；Al2O3含量繼續增加，SFCA增加，體積膨脹趨緩；Al2O3/SiO2值達到0.3以上時，SFCA由針狀向片狀發展。以上變化規律說明，Al2O3是SFCA生成的必要成分，但含量偏高時SFCA將向片狀發展，燒結礦中最佳Al2O3/SiO2值應控制在0.1～0.2為宜。
雖然Al2O3是燒結生產的必需組分，一定程度上可以促進SFCA的生成，表面上看來應該可以提高燒結礦的強度，但是由于較多的Al2O3進入到了燒結礦中礦物的晶格中，導致這些礦物的強度降低，成為燒結礦強度低的主要原因。Al2O3還會提高燒結液相的粘度，從而形成具有不規則的、相互連通的孔洞的強度較差的燒結礦。Al2O3對燒結礦最顯著的負面影響之一是惡化了其低溫還原粉化性能。這一點在國內外均己得到了共識。隨著燒結礦Al2O3量的增加，赤鐵礦中Al2O3的固溶量增加，促使Fe2O3再結晶連晶，由粒狀向片狀發展，整個顆粒結合為片狀結晶態，使Fe2O3還原時產生的膨脹應力由較為分散變得相對集中，促使膨脹激烈化；另外，Al2O3含量的增加，在鐵酸鈣中Al2O3的固溶量增加，促進了板狀鐵酸鈣的生成，而板狀鐵酸鈣在低溫下就開始還原產生應力，降低了燒結礦抵御裂紋擴展的能力，加劇了粉化的產生；另外，大部分Al2O3不是均勻固溶在不同礦物中，而是集中在玻璃相中，在α-Fe2O3發生低溫還原膨脹產生裂紋時易在Al2O3含量高的低硬度玻璃相中延伸。以上幾個方面最終體現為使Fe2O3的還原應力集中和膨脹裂紋擴展，裂紋擴展的結果不單是使破裂擴大，而且還導致新的煤氣通道產生，又促使Fe2O3的還原進程加快，使體膨應力繼續增加，從而使還原粉化率升高。
高爐內的軟熔帶起著煤氣分配器的作用，其位置、形狀及大小對順行、產量和燃料消耗及鐵水成分影響很大。一般情況下，位置低、厚度薄的倒“V”型軟熔帶是保證高爐順行的理想形式。Al2O3對軟熔行為的影響隨堿度的不同而發生變化：低堿度時(R<1.6)，滴落溫度低，隨著Al2O3含量的增加，滴落溫度升高；高堿度時(R>1.6)，滴落溫度相對較高，隨著Al2O3含量的增加，滴落溫度降低。但是整體上Al2O3會降低燒結礦的熔化開始溫度，從而對高爐操作不利。也有研究表明：隨著Al2O3含量增加(2.5～5.5％)，燒結礦的軟化開始溫度、熔化開始溫度有所上升、軟化區間和熔滴區間變寬，壓差陡升溫度下降，最高壓差增高，熔滴帶厚度變厚，滴落溫度變化不大。
大多數高爐燒結礦在爐料結構中所占的比重較大，燒結礦質量的好壞對高爐操作有重要影響。強度高、還原性好，并且在爐內仍能長久保持其良好性能的燒結礦是高爐煉鐵的理想原料。由于高品位的鐵礦資源逐漸消耗殆盡，礦石中Al2O3或其它脈石氧化物的含量逐漸增加。為了提高經濟效益，如何在配加高鋁鐵礦石的情況下保證燒結礦的質量對鋼鐵企業來說已經刻不容緩。根據目前的研究和實踐結果可知，提高燒結礦中Al2O3至較高含量必然會惡化燒結礦的低溫還原粉化性能，從而造成高爐上部透氣性變差，但是，對于高爐冶煉過程，最核心的是在下部，即軟熔帶。高爐軟熔帶的形狀與位置是高爐上、下部調劑手段的綜合體現，是高爐透氣性最差的部位，是決定高爐煤氣流穩定運行的關鍵，是高爐取得優異經濟技術指標達到優質、高產、低耗的保證。因此，當高爐冶煉高Al2O3含量的鐵礦時，應該主要考慮對軟熔滴落過程的影響。
楊兆祥等在《煉鐵》上闡述了“礦焦混裝對軟熔帶特性及還原過程的影響”，該研究的基本內容和結果是：采用礦焦混裝有利于改善軟熔層的透氣性和活化其中的還原反應，提高1000～1300℃之間的直接還原度，這有利于提高冶煉強度和增加下部護溫，從而使產量提高，使焦比降低，混裝小塊焦丁對軟熔透氣性的改善和對還原的促進作用要好于大塊焦炭。基于此，當今幾乎所有高爐在有條件的情況下均會混裝一定比例的小粒度焦炭(即焦丁)，以降低生產成本，并強化冶煉。
發明名稱為“一種礦焦混裝的釩鈦磁鐵礦高爐冶煉方法”的中國專利(申請號：CN201410047818.9)，公開了一種礦焦混裝的釩鈦磁鐵礦高爐冶煉方法，所述方法包括：將粒度范圍為8～20mm的小塊焦加入到釩鈦燒結礦和釩鈦球團礦中，均勻混合形成礦石層；再將焦炭和礦石層交替布料入高爐，控制焦比240～340kg/t，焦丁比50～150kg/t，煤比140～160kg/t，鼓風溫度為1150～1250℃，富氧率為1.0％～3.0％，鐵水溫度不超過1450℃，爐渣二元堿度R為1.14～1.18。采用此方法的目的是低高爐冶煉釩鈦磁鐵礦的焦炭消耗，提高高爐利用系數，并提高爐釩的收得率，并沒有考慮如何提高高爐冶煉高鋁鐵礦效率，也沒有考慮如何強化礦焦混裝的作用。
發明名稱為“一種利用蘭炭代替焦丁的高爐生產方法”的中國專利(申請號：CN201510472774.9)，公開了一種利用蘭炭代替焦丁的高爐生產方法，該方法利用蘭炭代替焦丁應用于高爐生產，一方面可以減少高爐中焦炭的使用量，同時可利用通過弱粘結性煤干餾得到的蘭炭產品，從而緩解優質煉焦煤資源的短缺，另一方面還可以提高含鐵爐料在高爐內的還原效率。但是該方法沒有考慮如何提高高爐冶煉高鋁鐵礦效率以更大幅度地降低生產成本，也沒有考慮其它高反應焦炭的作用效果。
技術實現要素：
生產實踐表明，含鐵爐料中Al2O3含量增加后會導致高爐內部透氣性變差，渣鐵分離困難，嚴重影響了高爐的穩定順行，因此找到積極應對的策略顯得十分必要。礦焦混裝是當前煉鐵生產普遍采用的工藝，可以增加高爐透氣性，促進爐料還原，改善高爐運行情況，且小塊焦與大塊焦的置換比可達1.0以上。基于對煉鐵工藝的基本認識，如果采用一種比焦炭反應性好的碳質還原劑與含鐵爐料混裝，則可以提高爐料的預還原度，降低初生渣相中的FeO含量，提高初生渣相的熔點，當渣中Al2O3含量較高時這一效果更加明顯，使熔化區間變窄，軟熔帶下移，從而在礦焦混裝基礎上進一步改善料層的透氣性。
本發明通過采用高反應性的焦炭替代普通冶金焦炭制成焦丁裝入高爐，由于高反應性焦丁優良的反應性，可以降低熱儲備區溫度，提高含鐵爐料的預還原度，降低高Al2O3初生渣相中的FeO含量，提高高Al2O3初生渣相的熔點，使熔化區間變窄，在礦焦混裝基礎上進一步改善料層的透氣性，從而達到提高高爐冶煉高鋁鐵礦石效率的目的。該方法的主要步驟如下：
(1)混裝焦丁制備：將高反應性焦炭破碎篩分至粒度為10～20mm，然后將焦丁與燒結礦、球團礦按比例裝入料罐；
(2)礦焦混裝入爐冶煉：高反應焦炭的混裝比例為含鐵爐料重量的0.5～3.0％，經溜槽將焦丁與燒結礦、球團礦組成的混合爐料和普通冶金焦炭分層布入高爐，高爐渣成分控制在Al2O3含量14～18％、MgO含量5～10％、爐渣堿度0.95～1.15。
所用的高反應性焦炭可以是鐵焦、含CaO焦炭、半焦中的一種或幾種的混合，反應性指數CRI為50～95％，耐磨強度M10為10～30％。入爐綜合含鐵爐料中Al2O3的平均含量在1.0～2.8％。
與現有煉鐵工藝相比，本發明所具有的優點：
本發明可有助于高爐冶煉含Al2O3較高的鐵礦資源而不降低生產效率，同時可利用一些非焦煤資源代替部分寶貴的焦炭資源，從而降低煉鐵生產成本，提高鋼鐵企業利用資源的效率和綜合競爭力，具有較好的經濟和社會效益。
具體實施方式
對比例1
采用荷重還原軟化熔滴試驗模擬礦石在高爐內的還原軟化熔滴行為。爐料結構按照75％燒結礦+15％球團礦+10％塊礦，控制礦石粒度為10～12.5mm，總重量為200g。以10℃/min的升溫速度自動升溫，并通N2保護，氣體流量為5L/min。至500℃時通入預定成分的還原氣體(30％CO+70％N2)，氣體流量為12L/min。當溫度升到900℃時恒溫60min，然后以5℃/min的速度升溫至試驗結束，以熔滴性能指數S評價爐料透氣性能的好壞。含鐵原料(燒結礦、球團礦、塊礦)的化學成分如表1所示。試驗結果表明，該條件下爐料的熔滴性能指數S為136.30kPa·℃。
表1含鐵原料化學成分/％
對比例2
將普通冶金焦炭制成焦丁，尺寸為10mm，與含鐵爐料混裝，焦炭的混裝比例為含鐵爐料重量的2.5％。采用荷重還原軟化熔滴試驗模擬礦石/焦丁混裝在高爐內的還原軟化熔滴行為，試驗方法同對比例1。含鐵原料(燒結礦、球團礦、塊礦)的化學成分如表1所示，焦炭的基本性能如表2所示，焦炭反應性指數CRI為33.5％，耐磨強度M10為9.5％。試驗結果表明，該條件下爐料的熔滴性能指數S為81.14kPa·℃，軟熔過程透氣性變好，經分析約45％的焦炭丁在還原熔滴過程中被消耗。
表2普通冶金焦的基本性能/％
實施例1
將高反應性焦炭(甲)制成焦丁，尺寸為10mm，與含鐵爐料混裝，焦炭的混裝比例為含鐵爐料重量的2.5％。采用荷重還原軟化熔滴試驗模擬礦石/高反應性焦丁混裝在高爐內的還原軟化熔滴行為，試驗方法同對比例1。含鐵原料(燒結礦、球團礦、塊礦)的化學成分如表1所示，高反應性焦炭(甲)的基本性能如表3所示，焦炭反應性指數CRI為95％，耐磨強度M10為30％。試驗結果表明，該條件下爐料的熔滴性能指數S為47.22kPa·℃，與對比例相比軟熔過程透氣性顯著變好，經分析約90％的高反應性焦炭(甲)丁在還原熔滴過程中被消耗。
表3高反應性焦炭(甲)的基本性能/％
實施例2
將高反應性焦炭(甲)制成焦丁，尺寸為10mm，與含鐵爐料混裝，焦炭的混裝比例為含鐵爐料重量的1.0％。采用荷重還原軟化熔滴試驗模擬礦石/高反應性焦丁混裝在高爐內的還原軟化熔滴行為，試驗方法同對比例1。含鐵原料(燒結礦、球團礦、塊礦)的化學成分如表1所示，高反應性焦炭(甲)的基本性能如表3所示，焦炭反應性指數CRI為95％，耐磨強度M10為30％。試驗結果表明，該條件下爐料的熔滴性能指數S為60.15kPa·℃，與對比例相比軟熔過程透氣性變好，但由于混裝量減小，對透氣性的改善程度與實施例1相比降低，經分析約96％的高反應性焦炭(甲)丁在還原熔滴過程中被消耗。
實施例3
將高反應性焦炭(乙)制成焦丁，尺寸為10mm，與含鐵爐料混裝，焦炭的混裝比例為含鐵爐料重量的2.5％。采用荷重還原軟化熔滴試驗模擬礦石/高反應性焦丁混裝在高爐內的還原軟化熔滴行為，試驗方法同對比例1。含鐵原料(燒結礦、球團礦、塊礦)的化學成分如表1所示，高反應性焦炭(乙)的基本性能如表4所示，焦炭反應性指數CRI為65％，耐磨強度M10為10.0％。試驗結果表明，該條件下爐料的熔滴性能指數S為70.30kPa·℃，與對比例相比軟熔過程透氣性變好，但由于反應性降低，爐料熔化前的預還原度降低，因而對透氣性的改善程度與實施例1相比降低，經分析約66％的高反應性焦炭(乙)丁在還原熔滴過程中被消耗。
表4高反應性焦炭(乙)的基本性能/％