赵常友¹,李建伟¹,肖哲栋²,白丽梅³
(1 河北津西钢铁集团股份有限公司 2 中冶武汉冶金建筑研究院有限公司 3 华北理工大学矿业工程学院)
摘 要 津西股份通过配加钒钛磁铁精粉优化配料结构，开展实验探索其对烧结矿性能及成本的影响。数值模拟表明，钒钛磁铁精粉替代部分磁铁精粉后粘结相增多，提高强度且成矿速度降幅有限。实验发现10%本地磁精粉+10%钒钛铁粉混合配加可大幅降低烧结成本，钛负荷低于10 kg/t,同时提高钒还原率，为降低炼钢钒合金消耗提供支撑。
关键词 钒钛磁铁精粉 冶金性能 铁水含V 量 烧结杯实验 配矿模型测算 降低烧结成本
0 引言
我国钒钛磁铁矿精矿含钒，但铁品位低、成品率低且低温粉化差，造成浪费。其伴生有价组分，有回收价值。高效、清洁、可持续是未来方向[1]。优化工艺、节约成本是重点[2]。高TiO₂钒钛磁铁矿难烧，需适宜配比³。企业用其优化性能，但降成本研究少。津西股份用配矿模型、实验，确定适宜配比，提供参考。
1 数学模型的建立及分析
为了在理论上解析钒钛磁铁精粉部分代替磁铁精粉对烧结的影响，建立了流动一传热-反应耦合模型 模拟烧结过程，以探明不同原料对烧结过程的影响。
1.1 控制方程
动量守恒方程描述烧结料层中流体的运动行为。
式中：u为流体速度，m/s;p为流体压力，Pa;μ为流体的有效黏度，Pa·s,由k-8方程计算得到；F为多孔介质中的阻力，Pa,由厄根方程计算得到。
流体组分守恒方程可描述烧结料层中每种流体组分的变化情况，在本模型中考虑了O₂、水蒸气、CO、煤的挥发份和N₂共5种气体，渣相反应生成的粘结相也以等效的形式在液相温度区进入流体组分，在低温区则离开流体相，其控制方程如式(2)所示。
式中：Y;为流体组分i的质量分数；D为流体组分i的扩散系数，m²/s;R,为气固反应速率，kg/m³·s;R,为流体组分间的反应速率，kg/m³·s。
流体在化学反应过程中会不断释放或吸收能量，因此，需引入能量方程。流体在流动、热传导、对流换热和反应过程中热量的传递和变化过程如式(3)所示。
式中：T为流体温度，K;C为流体比热容，J/kg·K;λ为流体热导率，W/m·K;S,为气固反应放热速率，W/m³;Sg为流体组分间反应的放热速率，W/m³。
1.2 数模分析
模型模拟的用钒钛磁铁精粉部分代替磁铁精粉前后烧结料层温度分布的结果如图1所示，用钒钛磁铁精粉部分代替磁铁精粉后由于矿粉成分增多，导致烧结料层中粘结相生成的温度降低，致使烧结料层中高温区增大5%左右，但是成矿速度只降低了0.5%。由此可见，用钒钛磁铁精粉部分代替磁铁 精粉后粘结相增多，有利于提高烧结矿强度，而成矿 速度降低有限，工艺可行。用钒钛磁铁矿部分代替 前后磁铁矿后烧结料层截面温度对比，见图1。
2 原料性能及实验方案
使用配矿测算模型对原料性价比进行排序，使 用钒钛磁铁精粉代替部分磁铁精粉，制定不同原料 配比方案，进行多组烧结杯实验。
2.1 原料性能
为迎战企业寒冬，攻关降本增效的战略目标，津西股份使用性价比优良的铁矿粉替代昂贵的高品位铁矿粉原料进行烧结，烧结配矿小组将性价比作为配矿的一项参考指标制定烧结方案。若磁铁精粉性价比高，即单位铁含量的价格相对较低，在烧结矿配矿过程中适当增加其比例，可在维持烧结矿质量良好的情况下，有效降低原料采购成本，提升企业经济效益。且使用此类性价比高，品位低的矿粉会促使企业更积极地寻找其他类似的铁矿粉资源或替代原料，这有助于推动资源的多元化利用和技术创新。
铁品位越高，单位质量的磁铁精粉能提供的铁元素越多，在烧结等后续工艺中越能提高生产效率和产品质量，其性价比相对越高。硫、磷等杂质含量低的磁铁精粉，可减少在冶炼过程中对设备的腐蚀和对产品质量的不良影响，降低除杂成本，性价比相对越高。见公式(1)
注：C₁—烧损(LOI)当量价值，根据经验，当LOI<3%时，C,取“-0.6”。当LOI=3%～6%时，C₁取“0”;当LOI>6%时，C₁取“0.6”,C₁所取舍尚可由企业做调整；
C₂—粒度当量价值，当粉矿的粒度+8 mm大于5%或1.0-0.25 mm大于22%时应做修正，修正值C₂Lm可取绝对值超量的0.2。
R₂—炉渣二元碱度。
津西股份根据几种本地磁铁精粉与周边钒钛钛粉主要化学成分、销售价格的综合分析，对其性价比进行了排序，实验数据及结果见表1。
从表1可知，品位高的铁矿粉，相较于品位低的铁矿粉价格更加昂贵。其中性价比最高的矿粉是宝通建龙矿粉，单有效品位价格是14.37元/t;金和矿业矿粉性价比最低，单有效品位价格是17.47元/t;烧结矿配矿时使用性价比高的铁矿粉取代部分高品位铁矿粉进行配矿，结合矿粉成分含量，设定碱度，制定实验配比方案，进行多组烧结杯实验。
2.2 实验方案
根据以往股份烧结杯实验数据，磁铁粉配加比例为20%,烧结生产各项指标最优。技术中心配矿小组根据矿粉性价比测算结果(表1)利用配矿模型测算使用10%本地磁精粉+10%钒钛铁粉混合替换20%磁铁精粉，烧结成本大幅降低。具体配矿方案见表2,根据表2配矿方案对磁铁矿结构进行优化，检测烧结矿性能及含V量，探究钒钛铁粉对烧结矿的质量影响。
3 实验结果及分析
通过技术中心配矿小组确定具体配矿方案，调整烧结参数，得到成品烧结矿，具体参数见表3。
如表3所示，使用钒钛磁铁精粉代替部分磁铁精粉，保证烧结矿碱度不变的情况下投入生产。钒钛磁铁精粉中含有部分铝，因此烧结矿中氧化铝含量会上升，其他杂质元素的含量也会有所提升，烧结过程中一些相应的参数应该进行调整。钒钛磁铁精粉的添加使烧结矿中钒钛元素的含量提升，将烧结矿投入高炉生产时须关注高炉钛负荷，避免损伤炉况。通过配加高活性石灰、菱镁粉混合料，将水分降低至7.2%,成品烧结矿转鼓强度为77.33%,烧结矿低温粉化率降低至68%,烧结矿低温粉化性能得到改善。
4 工业应用
4.1 钒钛铁粉代替部分磁铁精粉烧结车间应用
将上述配矿方案投入烧结车间进行生产，调整相应烧结参数，观察参数发生的变化。见表4。
如表4所示，使用钒钛磁铁精粉代替部分磁铁精粉投入生产，料层厚度提高至800 mm,料层自身的蓄热能力增强，这部分热量可使烧结过程的温度
更均匀稳定，调整烧结机速度为2.25m/min, 降低了 烧结机机速，降低烧结速度，延长烧结焙烧时间，有利于烧结过程中的各种物理化学反应更充分地进 行，提升钒钛铁粉烧结矿质量。
4.2 钒钛铁粉代替部分磁铁精粉进行铁水增钒
在四号烧结厂车间进行配加钒钛精粉烧结的实践应用，得出高炉钒钛冶炼后，铁水含钒明显提升，最高含量0.139%。具体见图2。
钒作为炼钢C、D级钢及部分低合金钢重要的添加微合金化学元素，在炼钢过程中主要通过加入钒氮合金或钒铁获得。钢水终点钒余量越高，炼钢合金成本越低；采用增加钒钛铁粉的方式提高铁水中钒含量，能够降低冶炼钒合金钢时矾氮合金的加入量，钢水钒每提高0.001%,炼钢成本可降低1.5元。
从图2中可以看出：高炉钒钛冶炼后铁水钒含量平均在0.116%。相较于未添加钒钛磁铁精粉，配加后钒的还原率上升，铁水中钒余量提高。在此基础上保证铁水温度≥1330℃,减少硅锰反应期，避免热量过多，减少造渣材料消耗；禁止加入冷料延长低温冶炼时间，保护炉衬，延长炉衬使用寿命，降低成本；同时控制R:3.0±0.2,控制总渣料量在35 kg以内，精准计算废钢加人量，减少铁水中钒的氧化；提高转炉一倒命中率(目标>90%),转炉的生产效率提升，钢水质量得到提升，预设转炉终点碳目标0.10%～0.15%,提高钢水中钒元素的还原率，减少了钒合金的加入量。钢水终点钒含量平均为0.007%,钒收得率平均值为6.2%。铁水成分Si、S、Ti、V趋势见图3。由图3可见，铁水V与S含量成反比关系，与Si、Ti成正比。铁水V比Si、Ti更容易被还原，在配矿结构稳定的情况下铁水V很稳定，目前铁水V平均0.116%,最低值0.092%,均在0.09%以上。
高炉钒钛冶炼后铁水钒含量平均在0.116%,钢水终点钒含量平均为0.007%,钒收得率平均值为6.2%。钢水终点钒含量在0.010%以下，且占比75%;钢水终点钒含量为0.011%～0.020%时，占比20%;钢水终点钒含量>0.021%时，仅占比5%。
5 结论
(1)经过实验，使用10%本地磁精粉与10%钒钛铁粉混合替代20%磁铁精粉，确保钛负荷低于10kg/t,
提高钒还原率，减少钒合金用量和工序成本。
(2)铁水钒含量提升0.115%,减少矾氮合金添加量，每增加0.001%钒含量可节省炼钢成本1.5元。
参考文献
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