趙鴻波¹,姜鑫²,何亮²,李永強(qiáng)^1,2, 秦世寬¹,陳朝斌¹,沈峰滿²

（1.本鋼板材股份有限公司，遼寧本溪117100; 2.東北大學(xué)冶金學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)110819)

摘  要：為應(yīng)對(duì)鋼鐵市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)壓力，降低燒結(jié)配礦和煉鐵生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)煉鐵生產(chǎn)的降本增效，對(duì)本鋼7種常用鐵礦石的化學(xué)成分、粒度組成及燒結(jié)基礎(chǔ)特性等進(jìn)行了分析。在此基礎(chǔ)上，利用線性規(guī)劃的原理，提出了根據(jù)鐵礦粉特性互補(bǔ)原則將不同鐵礦粉搭配使用而使燒結(jié)成本最低的燒結(jié)優(yōu)化配礦方法，由本鋼7種常用鐵礦石建立了3種不同類(lèi)型的燒結(jié)優(yōu)化配礦方案，并進(jìn)行了系列燒結(jié)杯實(shí)驗(yàn)，3種配礦方案均獲得了較好的燒結(jié)礦生產(chǎn)指標(biāo)，滿足了高爐冶煉生產(chǎn)要求，同時(shí)證明該配礦方法和設(shè)計(jì)方案的科學(xué)性和可應(yīng)用性。將優(yōu)化后的配礦方案應(yīng)用于本鋼板材股份有限公司360m²燒結(jié)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)。生產(chǎn)結(jié)果表明，優(yōu)化配礦后燒結(jié)礦鐵品位升高了0.67%,SiO₂含量和堿度略有降低，F(xiàn)eO含量降低約0.67%,但仍能保證燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度達(dá)80%以上。中溫還原度RI、低溫還原粉化指數(shù)RDI、軟化區(qū)間、熔化區(qū)間等都變化不大，高爐穩(wěn)定順行，燒結(jié)配礦成本由985.57元/t-鐵礦石降低至974.32元/t-鐵礦石，降低了11.25元/t-鐵礦石，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

關(guān)鍵詞：鐵礦石；優(yōu)化配礦；線性規(guī)劃；燒結(jié)杯實(shí)驗(yàn)；轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度；軟化區(qū)間

引言 

長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)高爐的爐料結(jié)構(gòu)主要為高堿度燒結(jié)礦“配加酸性球團(tuán)礦及少部分的塊礦，其中燒結(jié)礦占70%以上，燒結(jié)礦質(zhì)量的好壞對(duì)高爐的順行及生產(chǎn)起著決定性作用。因此，燒結(jié)配礦是鋼鐵行業(yè)增產(chǎn)、降成本和減少能耗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，越來(lái)越受到鋼鐵企業(yè)的普遍重視^[1-3]。燒結(jié)配礦一般根據(jù)煉鐵生產(chǎn)對(duì)燒結(jié)礦化學(xué)成分和物理性質(zhì)等各項(xiàng)指標(biāo)的要求，對(duì)各種鐵礦粉等燒結(jié)原料進(jìn)行配料計(jì)算，通過(guò)燒結(jié)杯實(shí)驗(yàn)確定燒結(jié)原料的適宜配比，從而得到優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的燒結(jié)配礦方案^[4]。

從上個(gè)世紀(jì)80年代開(kāi)始，研究者們就展開(kāi)了對(duì)燒結(jié)配料優(yōu)化的研究^[5],但大多只考慮鐵礦粉的化學(xué)成分等常溫特性^[6]。隨著燒結(jié)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)口礦粉的使用，吳勝利、閻麗娟等^[7-9]基于互補(bǔ)原理，提出基于鐵礦粉高溫特性互補(bǔ)搭配使用而使混合礦的高溫特性處于適宜區(qū)間的配礦設(shè)計(jì)思路，并取得了良好的應(yīng)用效果。張建良等^[10]基于國(guó)內(nèi)外6種鐵礦粉的成分、粒度、顆粒形貌、氣孔率和高溫?zé)Y(jié)特性的研究，探討了合理使用鐵礦粉燒結(jié)的技術(shù)原則和配礦方案，為鐵礦粉燒結(jié)的合理使用提供了理論基礎(chǔ)。王維興等^[11]對(duì)鐵礦石的含鐵品位和冶金性能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，通過(guò)分析鐵礦石成分和性能與料質(zhì)量之間的內(nèi)在聯(lián)系，從而實(shí)現(xiàn)成本最低的配礦方案。鄧濤等^[12]基于鐵礦粉高溫特性互補(bǔ)原理，設(shè)計(jì)了多組配礦方案進(jìn)行燒結(jié)杯實(shí)驗(yàn)，取得了較好的燒結(jié)效果。姜濤等^[13]為降低煉鐵成本、解決褐鐵礦在燒結(jié)配礦中的利用問(wèn)題，將褐鐵礦與不同的進(jìn)口礦石搭配進(jìn)行燒結(jié)實(shí)驗(yàn)，探索了褐鐵礦燒結(jié)時(shí)適宜的配礦方案及工藝條件。近年來(lái)，燒結(jié)可選鐵礦粉種類(lèi)逐漸增多，優(yōu)化配礦難度加大，依靠先進(jìn)的數(shù)學(xué)方法支持優(yōu)化配礦技術(shù)逐漸成為趨勢(shì)^[14]。同時(shí)，燒結(jié)優(yōu)化配礦專(zhuān)家系統(tǒng)也逐步得以發(fā)展。前人對(duì)燒結(jié)配料優(yōu)化的研究大多聚焦于提高燒結(jié)礦的質(zhì)量，而隨著礦石資源日趨緊張，鐵礦石價(jià)格居高不下，鋼鐵企業(yè)產(chǎn)能過(guò)剩，使得近年來(lái)鋼鐵企業(yè)處于“困境”時(shí)期，煉鐵成本已成為企業(yè)的“生命線”，鋼鐵企業(yè)對(duì)燒結(jié)配料的研究重點(diǎn)逐步從追求高質(zhì)量轉(zhuǎn)向控制成本。優(yōu)化燒結(jié)配礦，合理搭配礦石，減少價(jià)格昂貴的礦石使用比例，能有效降低鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)成本，提高利潤(rùn)，對(duì)于目前利潤(rùn)微薄的鋼鐵行業(yè)有著重要意義。因此，本文采用線性規(guī)劃的方法，通過(guò)對(duì)本鋼板材股份有限公司(簡(jiǎn)稱(chēng)本鋼)常用鐵礦石的常溫及高溫特性的分析和研究，建立配礦優(yōu)化方案，在保證燒結(jié)礦質(zhì)量的前提下為降低燒結(jié)配礦成本提供理論指導(dǎo)和技術(shù)依據(jù)。

1  常用鐵礦石的常溫及高溫特性

1.1化學(xué)成分

本鋼7種典型的鐵礦石化學(xué)成分如表1所示?？梢钥闯?，7種礦粉的全鐵含量由高到低依次為南芬礦粉、周邊礦粉、鞍鋼青礦、高巴粉、低巴粉、PB粉、超特粉，其中南芬礦粉全鐵含量達(dá)到66.49%,而全鐵含量最低的超特粉只有56.33%,7種礦石在全鐵含量上存在的差異比較明顯。SiO₂含量由高到低順序依次為周邊礦粉、鞍鋼青礦、南芬礦粉、超特粉、低巴粉、PB粉、高巴粉，其中SiO₂含量最高的周邊礦粉是最低的高巴粉的5倍左右，不同的礦石間SiO₂含量差異較大。Al₂O₃含量和燒損呈現(xiàn)較明顯的分化現(xiàn)象，南芬礦粉、周邊礦粉和鞍鋼青礦含Al₂O₃很少，而其他4種礦粉含量相對(duì)較多；南芬礦粉、周邊礦粉和鞍鋼青礦為磁鐵精礦，其燒損為負(fù)值，其他4種鐵礦粉含結(jié)晶水，燒損為正值。

1.2粒度組成

燒結(jié)過(guò)程中，燒結(jié)制粒一般是由核顆粒和粘附細(xì)粒組成，稱(chēng)為“準(zhǔn)顆粒”，“準(zhǔn)顆粒”的形成與鐵礦石的粒度密切相關(guān)。大于1mm的顆粒易成為核顆粒，核顆粒越多越好；小于0.2mm的顆粒易作為粘附顆粒；0.2~1mm的中間顆粒難于粒化，越少越好。此外，在粒度相同的情況下，多棱角和形狀不規(guī)則的顆粒比形狀規(guī)則、表面光滑的顆粒容易成粒，并且強(qiáng)度也比較高。因此，將礦粉粒度按3個(gè)區(qū)間來(lái)進(jìn)行分析，即：-0.2mm、0.2~1.0mm和+1.0mm。本鋼7種鐵礦石的粒度分布如表2所示?？梢钥闯觯戏业V粉、鞍鋼青礦和周邊礦粉3種精礦的粒度分布中，小于0.2mm粒級(jí)的粒度分布達(dá)到了98%以上，整體平均粒度很?。怀胤鄞笥?mm的粒度分布占66.39%,大于5mm的粒度分布達(dá)24.15%,高于其他6種礦粉，且小于0.2mm粒級(jí)的粒度分布最少，平均粒度最大，易于制粒；PB粉、高巴粉和低巴粉的各粒級(jí)分布比較均勻。在本鋼7種典型礦粉中，南芬礦粉、鞍鋼青礦和周邊礦粉間的差異較小，但其他4種礦粉存在較明顯差異。

1.3燒結(jié)基礎(chǔ)特性

1.3.1同化性

鐵礦粉的同化性能是指燒結(jié)過(guò)程中鐵礦粉與CaO反應(yīng)生成液相的能力，可通過(guò)燒結(jié)基礎(chǔ)特性測(cè)定儀測(cè)定同化溫度（鐵礦粉小餅與CaO小餅接觸面上生成略大于鐵礦粉小餅一圈的反應(yīng)物時(shí)的溫度），根據(jù)鐵礦粉同化溫度的高低確定鐵礦粉同化性能的強(qiáng)弱。燒結(jié)礦是以液相固結(jié)為主，同化溫度越低表明越容易生成液相，鐵礦粉的同化性能越強(qiáng)。但同化溫度過(guò)低會(huì)破壞燒結(jié)料層  的透氣性，影響燒結(jié)顆粒的固結(jié)。而同化溫度過(guò)高不利于產(chǎn)生液相，進(jìn)而影響燒結(jié)礦強(qiáng)度。通常，要求鐵礦粉具有適宜的同化性能。 本鋼7種常用鐵礦粉的同化溫度如表3所示?？梢钥闯?，PB粉和低巴粉的同化溫度分別為1215℃和1216℃,同化性能較好，差異較小。其次為超特粉、鞍鋼青礦、南芬礦粉和周邊礦粉，最后為高巴粉，其同化溫度為1276℃,同化性較差?？偠灾?，7種礦粉同化性差異比較明顯。

1.3.2液相流動(dòng)性

鐵礦粉的液相流動(dòng)性是指在燒結(jié)過(guò)程中，鐵礦粉與CaO反應(yīng)生成液相的流動(dòng)能力，它表征了鐵礦粉在燒結(jié)過(guò)程生成黏結(jié)相的“有效黏結(jié)范圍”，適宜的液相流動(dòng)性可以確保充足的固液連接面積，使燒結(jié)礦獲得較高的固結(jié)強(qiáng)度^[15]。液相流動(dòng)性的測(cè)量方法為：將鐵礦粉和CaO混合均勻在模具中壓成直徑Φ=8mm的圓柱形樣品；使用燒結(jié)基礎(chǔ)特性測(cè)定儀，在樣溫1280℃條件下焙燒4min;待試樣冷卻后測(cè)定液相流動(dòng)面積。定義流動(dòng)性指數(shù)來(lái)表征液相流動(dòng)性的大小，流動(dòng)性指數(shù)越大，該種礦粉的液相流動(dòng)性越大。流動(dòng)性指數(shù)的計(jì)算公式[16]為：

本鋼7種常用鐵礦粉的流動(dòng)性指數(shù)如表4所示?？梢钥闯觯甙头鄣囊合嗔鲃?dòng)性指數(shù)為1;PB粉和超特粉的流動(dòng)性較低，流動(dòng)性指數(shù)均小于2;低巴粉的流動(dòng)性較高；而南芬礦粉、周邊礦粉和鞍鋼青礦的流動(dòng)性很強(qiáng)，流動(dòng)性指數(shù)均超過(guò)10。流動(dòng)性過(guò)低，礦粉黏結(jié)物料的能力低，燒結(jié)礦的強(qiáng)度差；流動(dòng)性過(guò)高，燒結(jié)礦易形成大孔薄壁結(jié)構(gòu)，也會(huì)影響燒結(jié)礦的強(qiáng)度。燒結(jié)配礦中應(yīng)嚴(yán)格控制流動(dòng)性差的礦粉的使用量，將流動(dòng)性不同的礦粉搭配使用，以保證混合礦整體具備適宜的液相流動(dòng)性。

1.3.3黏結(jié)相強(qiáng)度

黏結(jié)相強(qiáng)度是指鐵礦石生成的已熔燒結(jié)料固結(jié)未熔燒結(jié)料的液相冷凝后的自身強(qiáng)度，它對(duì)燒結(jié)礦的強(qiáng)度有著至關(guān)重要的影響。本實(shí)驗(yàn)中黏結(jié)相強(qiáng)度的測(cè)定方法為：將鐵礦粉壓制成直徑Φ=8mm的圓柱形樣品，焙燒后通過(guò)抗壓強(qiáng)度測(cè)試儀測(cè)量其抗壓強(qiáng)度，作為該種礦粉的黏結(jié)相強(qiáng)度。

本鋼7種常用鐵礦粉的黏結(jié)相強(qiáng)度如表5所示?？梢钥闯?，不同鐵礦粉的黏結(jié)相強(qiáng)度差異較大，鞍鋼青礦的黏結(jié)相強(qiáng)度最低，小于1kN;超特粉、南芬礦粉、周邊礦粉的黏結(jié)相強(qiáng)度在1.2~1.4kN之間；PB粉、高巴粉、低巴粉的黏結(jié)相強(qiáng)度較大，均超過(guò)2kN。在進(jìn)行燒結(jié)配礦時(shí)，應(yīng)將不同黏結(jié)相強(qiáng)度的鐵礦粉搭配使用，從而提高燒結(jié)礦強(qiáng)度。

2  燒結(jié)配礦優(yōu)化方法及驗(yàn)證

2.1優(yōu)化配礦方法

通過(guò)對(duì)本鋼7種常用鐵礦粉的化學(xué)成分、粒度組成和高溫?zé)Y(jié)基礎(chǔ)特性的分析，發(fā)現(xiàn)不同鐵礦粉之間存在較大差異。在進(jìn)行燒結(jié)配礦優(yōu)化時(shí)，利用不同鐵礦粉的特性，根據(jù)互補(bǔ)原則，將不同鐵礦粉混合搭配使用，使燒結(jié)礦的各項(xiàng)指標(biāo)滿足高爐需要，同時(shí)最大限度地降低燒結(jié)配礦成本，對(duì)煉鐵生產(chǎn)降本增效具有重要意義。目前優(yōu)化配礦最常見(jiàn)的是采用EXCEL表格法，該方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易行^[17],比較復(fù)雜的計(jì)算方法是采用線性規(guī)劃法^[18],此外還有燒結(jié)優(yōu)化配料模型等。本文采用線性規(guī)劃的方法，以燒結(jié)礦質(zhì)量滿足高爐生產(chǎn)要求為前提，以燒結(jié)配礦成本最低為目標(biāo)，以各種鐵礦粉配比為變量，計(jì)算得到保證燒結(jié)礦質(zhì)量的成本最低的燒結(jié)配礦方案。目標(biāo)函數(shù)如式(2)所示。

為保證燒結(jié)礦各項(xiàng)指標(biāo)滿足高爐需要，配礦計(jì)算時(shí)對(duì)混合礦的化學(xué)成分、粒度組成和配比范圍等進(jìn)行約束，燒結(jié)基礎(chǔ)特性也可以進(jìn)行類(lèi)似約束。

(1)化學(xué)成分約束。包括二元堿度、w(TFe)、w(MgO)、w(Al₂O₃)等，計(jì)算方法如式(4)~(7)所示。

(2)粒度組成約束。主要包括3種粒度范圍：-~0.2mm,0.2~1mm,+1mm,計(jì)算方法如式(8)~(10)所示。

式中，a—約束條件的下限；

b—約束條件的上限；

A—混合料焙燒后總質(zhì)量，kg。

2.2配礦方案設(shè)計(jì)

在進(jìn)行配礦方案優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，首先根據(jù)基準(zhǔn)期的配礦方案對(duì)混合料的燒結(jié)指標(biāo)進(jìn)行約束，保證優(yōu)化后的配礦方案生產(chǎn)出的燒結(jié)礦的各項(xiàng)指標(biāo)與基準(zhǔn)結(jié)礦成分分別如表6和表7所示，混合料中+1mm期相近，滿足高爐生產(chǎn)需要?；鶞?zhǔn)期配礦方案和燒顆粒為28.63%。

按照以上優(yōu)化配礦原則，根據(jù)基準(zhǔn)期配礦方案對(duì)混合料指標(biāo)進(jìn)行約束。實(shí)際燒結(jié)配礦過(guò)程中需加入一部分返礦，并調(diào)整熔劑和燃料的添加量使燒結(jié)礦的堿度和FeO含量符合現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)要求，因此結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)中各種燒結(jié)輔料的添加量，設(shè)計(jì)出3種不同類(lèi)型的優(yōu)化配礦方案，如表8所示，并對(duì)不同類(lèi)型配礦方案進(jìn)行燒結(jié)杯實(shí)驗(yàn)。

2.3燒結(jié)杯實(shí)驗(yàn)結(jié)果

不同燒結(jié)配礦優(yōu)化方案的燒結(jié)杯實(shí)驗(yàn)技術(shù)指標(biāo)如表9所示。燒結(jié)杯實(shí)驗(yàn)的燒結(jié)礦成分、粒度組成及冶金性能分別如表10、表11和表12所示。可以看出，雖然3種配礦方案的鐵礦粉配比不同，但都根據(jù)基準(zhǔn)期配礦方案對(duì)各種配礦指標(biāo)進(jìn)行了約束，保證了化學(xué)成分、粒度組成和燒結(jié)基礎(chǔ)特性等指標(biāo)都滿足生產(chǎn)要求，因此燒結(jié)指標(biāo)、燒結(jié)礦成分、粒度組成及高溫冶金性能等相差不大。燒結(jié)礦強(qiáng)度為65.80%~68.20%,固體燃料消耗為37.22~39.75kg/t;各方案的鐵品位均在56%以上，SiO₂含量低于5.5%,堿度約為2.1。大于40mm和25~40mm的大粒度燒結(jié)礦占比相對(duì)較多，小于5mm和5~10mm的小粒級(jí)燒結(jié)礦所占比例相對(duì)較少。低溫還原粉化指數(shù)RDI為65.5%~69.5%,中溫還原度為86.90%~88.76%,熔融區(qū)間為140~151℃。可見(jiàn)，3種配礦方案均獲得了較好的燒結(jié)礦生產(chǎn)指標(biāo)，滿足了高爐冶煉生產(chǎn)要求，表明本研究設(shè)計(jì)的基于線性規(guī)劃原理的燒結(jié)優(yōu)化配礦方案具有科學(xué)性和可應(yīng)用性。在此基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步選擇成本最低的配礦方案用于現(xiàn)場(chǎng)的燒結(jié)配礦和高爐生產(chǎn)。

3  工業(yè)化應(yīng)用效果

在燒結(jié)杯實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，將上述燒結(jié)優(yōu)化配礦方案于2023年6月起應(yīng)用于本鋼360m²燒結(jié)機(jī)，以2023年4~5月為基準(zhǔn)期，2023年6~7月為試驗(yàn)期?；趯?shí)際礦石儲(chǔ)備和消耗量，在實(shí)際燒結(jié)生產(chǎn)時(shí)對(duì)配礦方案進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整。基準(zhǔn)期和試驗(yàn)期的配礦方案如表13所示。表14和表15分別為基準(zhǔn)期與試驗(yàn)期的燒結(jié)礦化學(xué)成分與冶金性能?？梢钥闯?，優(yōu)化配礦后燒結(jié)礦SiO₂含量和堿度略有降低，F(xiàn)eO降低約0.67%,但仍能保證燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度達(dá)80%以上，燒結(jié)礦品位升高了0.67%,中溫還原度RI、低溫還原粉化指數(shù)RDI、軟化區(qū)間、熔化區(qū)間等都變化不大。綜上分析可知，使用該燒結(jié)優(yōu)化配礦方案，燒結(jié)礦的化學(xué)成分和冶金性能基本不變，高爐穩(wěn)定順行，但燒結(jié)配礦成本由985.57 元／t－ 鐵礦石降低至 974.32元／t － 鐵礦石，降低了11.25元／t － 鐵礦石（折合成燒結(jié)礦約9.58元／t），取得了較大的綜合經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)降低煉鐵成本、應(yīng)對(duì)鋼鐵市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)壓力具有重要意義。

4  結(jié)論

為應(yīng)對(duì)鋼鐵市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)壓力，降低燒結(jié)配礦和煉鐵生產(chǎn)成本，分析了本鋼常用鐵礦粉的成分及燒結(jié)基礎(chǔ)特性等，采用線性規(guī)劃的方法設(shè)計(jì)了燒結(jié)優(yōu)化配礦方案，并通過(guò)燒結(jié)杯實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上將該方法應(yīng)用于本鋼燒結(jié)廠，取得了很好的技術(shù)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)效益。主要結(jié)論如下：

(1)本鋼常用鐵礦粉在化學(xué)成分、粒度組成和燒結(jié)基礎(chǔ)特性等方面存在明顯差異，在燒結(jié)配礦時(shí)要根據(jù)不同礦石的特性搭配使用，以使燒結(jié)礦具備適宜的成分、強(qiáng)度及冶金性能。

(2)利用線性規(guī)劃的原理，提出了燒結(jié)配礦成本最低的燒結(jié)優(yōu)化配礦方法，根據(jù)基準(zhǔn)期設(shè)計(jì)了3種類(lèi)型的燒結(jié)優(yōu)化配礦方案，并通過(guò)燒結(jié)杯實(shí)驗(yàn)證明了該燒結(jié)優(yōu)化配礦方法的科學(xué)性和可應(yīng)用性。

(3)本鋼360m²燒結(jié)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)結(jié)果表明，優(yōu)化配礦后燒結(jié)礦的化學(xué)成分和冶金性能基本不變，高爐穩(wěn)定順行，燒結(jié)配礦成本由985.57元/t-鐵礦石降低至974.32元/t-鐵礦石，降低了11.25元／ ｔ － 鐵礦石，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

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