本发明属于钢铁冶金炼铁领域，具体涉及到一种利用高反应性焦炭提高高炉冶炼高铝铁矿效率的方法。
背景技术：
由于铁矿资源有限和高品位铁矿石消耗量逐渐增加，铁矿石中的Al2O3含量呈逐渐增加的趋势。尽管这些变化比较缓慢，但仍然给高炉操作带来了问题。当烧结料中Al2O3含量少量增加时，可能会使烧结矿的强度和低温还原粉化性能变差，进而导致高炉上部透气性变差。还可能改变软熔带附近烧结中所形成初渣的组成和性质，从而对高炉下部透气、透液性以及炉料的还原产生负面影响。近年来随着我国钢铁产能的大幅增长，对铁矿石的需求量迅猛增加，国内铁矿石供应严重不足，对外依存度达到60％左右。由于世界范围内高品质铁矿石资源日趋减少，同时为了降低生产成本，钢铁企业不得不在烧结生产中配加一定量的廉价的铝含量相对较高的铁矿粉，在生产过程中遇到了一系列的问题。
国内进口的高Al2O3铁矿大部分是铁矿粉形式，通过烧结生产进入钢铁冶炼流程。一般高碱度烧结矿中70～80％的物质为与液相有关的粘结相，其中包括次生铁矿物(赤铁矿和磁铁矿，体积含量为40～70％)、铁酸钙(体积含量为20～50％)、硅酸盐(主要是Ca2SiO4，体积含量约为10％)和玻璃相(体积含量约为10％)，其余为未反应的铁矿核颗粒。目前，烧结矿中最主要的成分是复合铁酸钙(SFCA)。SFCA在无Al2O3的环境下生成量很少，呈分解残余态；Al2O3/SiO2值为0.1时，SFCA分解现象基本消失，SFCA含量急剧增加，烧结相体积膨胀；Al2O3含量继续增加，SFCA增加，体积膨胀趋缓；Al2O3/SiO2值达到0.3以上时，SFCA由针状向片状发展。以上变化规律说明，Al2O3是SFCA生成的必要成分，但含量偏高时SFCA将向片状发展，烧结矿中最佳Al2O3/SiO2值应控制在0.1～0.2为宜。
虽然Al2O3是烧结生产的必需组分，一定程度上可以促进SFCA的生成，表面上看来应该可以提高烧结矿的强度，但是由于较多的Al2O3进入到了烧结矿中矿物的晶格中，导致这些矿物的强度降低，成为烧结矿强度低的主要原因。Al2O3还会提高烧结液相的粘度，从而形成具有不规则的、相互连通的孔洞的强度较差的烧结矿。Al2O3对烧结矿最显著的负面影响之一是恶化了其低温还原粉化性能。这一点在国内外均己得到了共识。随着烧结矿Al2O3量的增加，赤铁矿中Al2O3的固溶量增加，促使Fe2O3再结晶连晶，由粒状向片状发展，整个颗粒结合为片状结晶态，使Fe2O3还原时产生的膨胀应力由较为分散变得相对集中，促使膨胀激烈化；另外，Al2O3含量的增加，在铁酸钙中Al2O3的固溶量增加，促进了板状铁酸钙的生成，而板状铁酸钙在低温下就开始还原产生应力，降低了烧结矿抵御裂纹扩展的能力，加剧了粉化的产生；另外，大部分Al2O3不是均匀固溶在不同矿物中，而是集中在玻璃相中，在α-Fe2O3发生低温还原膨胀产生裂纹时易在Al2O3含量高的低硬度玻璃相中延伸。以上几个方面最终体现为使Fe2O3的还原应力集中和膨胀裂纹扩展，裂纹扩展的结果不单是使破裂扩大，而且还导致新的煤气通道产生，又促使Fe2O3的还原进程加快，使体膨应力继续增加，从而使还原粉化率升高。
高炉内的软熔带起着煤气分配器的作用，其位置、形状及大小对顺行、产量和燃料消耗及铁水成分影响很大。一般情况下，位置低、厚度薄的倒“V”型软熔带是保证高炉顺行的理想形式。Al2O3对软熔行为的影响随碱度的不同而发生变化：低碱度时(R<1.6)，滴落温度低，随着Al2O3含量的增加，滴落温度升高；高碱度时(R>1.6)，滴落温度相对较高，随着Al2O3含量的增加，滴落温度降低。但是整体上Al2O3会降低烧结矿的熔化开始温度，从而对高炉操作不利。也有研究表明：随着Al2O3含量增加(2.5～5.5％)，烧结矿的软化开始温度、熔化开始温度有所上升、软化区间和熔滴区间变宽，压差陡升温度下降，最高压差增高，熔滴带厚度变厚，滴落温度变化不大。
大多数高炉烧结矿在炉料结构中所占的比重较大，烧结矿质量的好坏对高炉操作有重要影响。强度高、还原性好，并且在炉内仍能长久保持其良好性能的烧结矿是高炉炼铁的理想原料。由于高品位的铁矿资源逐渐消耗殆尽，矿石中Al2O3或其它脉石氧化物的含量逐渐增加。为了提高经济效益，如何在配加高铝铁矿石的情况下保证烧结矿的质量对钢铁企业来说已经刻不容缓。根据目前的研究和实践结果可知，提高烧结矿中Al2O3至较高含量必然会恶化烧结矿的低温还原粉化性能，从而造成高炉上部透气性变差，但是，对于高炉冶炼过程，最核心的是在下部，即软熔带。高炉软熔带的形状与位置是高炉上、下部调剂手段的综合体现，是高炉透气性最差的部位，是决定高炉煤气流稳定运行的关键，是高炉取得优异经济技术指标达到优质、高产、低耗的保证。因此，当高炉冶炼高Al2O3含量的铁矿时，应该主要考虑对软熔滴落过程的影响。
杨兆祥等在《炼铁》上阐述了“矿焦混装对软熔带特性及还原过程的影响”，该研究的基本内容和结果是：采用矿焦混装有利于改善软熔层的透气性和活化其中的还原反应，提高1000～1300℃之间的直接还原度，这有利于提高冶炼强度和增加下部护温，从而使产量提高，使焦比降低，混装小块焦丁对软熔透气性的改善和对还原的促进作用要好于大块焦炭。基于此，当今几乎所有高炉在有条件的情况下均会混装一定比例的小粒度焦炭(即焦丁)，以降低生产成本，并强化冶炼。
发明名称为“一种矿焦混装的钒钛磁铁矿高炉冶炼方法”的中国专利(申请号：CN201410047818.9)，公开了一种矿焦混装的钒钛磁铁矿高炉冶炼方法，所述方法包括：将粒度范围为8～20mm的小块焦加入到钒钛烧结矿和钒钛球团矿中，均匀混合形成矿石层；再将焦炭和矿石层交替布料入高炉，控制焦比240～340kg/t，焦丁比50～150kg/t，煤比140～160kg/t，鼓风温度为1150～1250℃，富氧率为1.0％～3.0％，铁水温度不超过1450℃，炉渣二元碱度R为1.14～1.18。采用此方法的目的是低高炉冶炼钒钛磁铁矿的焦炭消耗，提高高炉利用系数，并提高炉钒的收得率，并没有考虑如何提高高炉冶炼高铝铁矿效率，也没有考虑如何强化矿焦混装的作用。
发明名称为“一种利用兰炭代替焦丁的高炉生产方法”的中国专利(申请号：CN201510472774.9)，公开了一种利用兰炭代替焦丁的高炉生产方法，该方法利用兰炭代替焦丁应用于高炉生产，一方面可以减少高炉中焦炭的使用量，同时可利用通过弱粘结性煤干馏得到的兰炭产品，从而缓解优质炼焦煤资源的短缺，另一方面还可以提高含铁炉料在高炉内的还原效率。但是该方法没有考虑如何提高高炉冶炼高铝铁矿效率以更大幅度地降低生产成本，也没有考虑其它高反应焦炭的作用效果。
技术实现要素：
生产实践表明，含铁炉料中Al2O3含量增加后会导致高炉内部透气性变差，渣铁分离困难，严重影响了高炉的稳定顺行，因此找到积极应对的策略显得十分必要。矿焦混装是当前炼铁生产普遍采用的工艺，可以增加高炉透气性，促进炉料还原，改善高炉运行情况，且小块焦与大块焦的置换比可达1.0以上。基于对炼铁工艺的基本认识，如果采用一种比焦炭反应性好的碳质还原剂与含铁炉料混装，则可以提高炉料的预还原度，降低初生渣相中的FeO含量，提高初生渣相的熔点，当渣中Al2O3含量较高时这一效果更加明显，使熔化区间变窄，软熔带下移，从而在矿焦混装基础上进一步改善料层的透气性。
本发明通过采用高反应性的焦炭替代普通冶金焦炭制成焦丁装入高炉，由于高反应性焦丁优良的反应性，可以降低热储备区温度，提高含铁炉料的预还原度，降低高Al2O3初生渣相中的FeO含量，提高高Al2O3初生渣相的熔点，使熔化区间变窄，在矿焦混装基础上进一步改善料层的透气性，从而达到提高高炉冶炼高铝铁矿石效率的目的。该方法的主要步骤如下：
(1)混装焦丁制备：将高反应性焦炭破碎筛分至粒度为10～20mm，然后将焦丁与烧结矿、球团矿按比例装入料罐；
(2)矿焦混装入炉冶炼：高反应焦炭的混装比例为含铁炉料重量的0.5～3.0％，经溜槽将焦丁与烧结矿、球团矿组成的混合炉料和普通冶金焦炭分层布入高炉，高炉渣成分控制在Al2O3含量14～18％、MgO含量5～10％、炉渣碱度0.95～1.15。
所用的高反应性焦炭可以是铁焦、含CaO焦炭、半焦中的一种或几种的混合，反应性指数CRI为50～95％，耐磨强度M10为10～30％。入炉综合含铁炉料中Al2O3的平均含量在1.0～2.8％。
与现有炼铁工艺相比，本发明所具有的优点：
本发明可有助于高炉冶炼含Al2O3较高的铁矿资源而不降低生产效率，同时可利用一些非焦煤资源代替部分宝贵的焦炭资源，从而降低炼铁生产成本，提高钢铁企业利用资源的效率和综合竞争力，具有较好的经济和社会效益。
具体实施方式
对比例1
采用荷重还原软化熔滴试验模拟矿石在高炉内的还原软化熔滴行为。炉料结构按照75％烧结矿+15％球团矿+10％块矿，控制矿石粒度为10～12.5mm，总重量为200g。以10℃/min的升温速度自动升温，并通N2保护，气体流量为5L/min。至500℃时通入预定成分的还原气体(30％CO+70％N2)，气体流量为12L/min。当温度升到900℃时恒温60min，然后以5℃/min的速度升温至试验结束，以熔滴性能指数S评价炉料透气性能的好坏。含铁原料(烧结矿、球团矿、块矿)的化学成分如表1所示。试验结果表明，该条件下炉料的熔滴性能指数S为136.30kPa·℃。
表1含铁原料化学成分/％
对比例2
将普通冶金焦炭制成焦丁，尺寸为10mm，与含铁炉料混装，焦炭的混装比例为含铁炉料重量的2.5％。采用荷重还原软化熔滴试验模拟矿石/焦丁混装在高炉内的还原软化熔滴行为，试验方法同对比例1。含铁原料(烧结矿、球团矿、块矿)的化学成分如表1所示，焦炭的基本性能如表2所示，焦炭反应性指数CRI为33.5％，耐磨强度M10为9.5％。试验结果表明，该条件下炉料的熔滴性能指数S为81.14kPa·℃，软熔过程透气性变好，经分析约45％的焦炭丁在还原熔滴过程中被消耗。
表2普通冶金焦的基本性能/％
实施例1
将高反应性焦炭(甲)制成焦丁，尺寸为10mm，与含铁炉料混装，焦炭的混装比例为含铁炉料重量的2.5％。采用荷重还原软化熔滴试验模拟矿石/高反应性焦丁混装在高炉内的还原软化熔滴行为，试验方法同对比例1。含铁原料(烧结矿、球团矿、块矿)的化学成分如表1所示，高反应性焦炭(甲)的基本性能如表3所示，焦炭反应性指数CRI为95％，耐磨强度M10为30％。试验结果表明，该条件下炉料的熔滴性能指数S为47.22kPa·℃，与对比例相比软熔过程透气性显著变好，经分析约90％的高反应性焦炭(甲)丁在还原熔滴过程中被消耗。
表3高反应性焦炭(甲)的基本性能/％
实施例2
将高反应性焦炭(甲)制成焦丁，尺寸为10mm，与含铁炉料混装，焦炭的混装比例为含铁炉料重量的1.0％。采用荷重还原软化熔滴试验模拟矿石/高反应性焦丁混装在高炉内的还原软化熔滴行为，试验方法同对比例1。含铁原料(烧结矿、球团矿、块矿)的化学成分如表1所示，高反应性焦炭(甲)的基本性能如表3所示，焦炭反应性指数CRI为95％，耐磨强度M10为30％。试验结果表明，该条件下炉料的熔滴性能指数S为60.15kPa·℃，与对比例相比软熔过程透气性变好，但由于混装量减小，对透气性的改善程度与实施例1相比降低，经分析约96％的高反应性焦炭(甲)丁在还原熔滴过程中被消耗。
实施例3
将高反应性焦炭(乙)制成焦丁，尺寸为10mm，与含铁炉料混装，焦炭的混装比例为含铁炉料重量的2.5％。采用荷重还原软化熔滴试验模拟矿石/高反应性焦丁混装在高炉内的还原软化熔滴行为，试验方法同对比例1。含铁原料(烧结矿、球团矿、块矿)的化学成分如表1所示，高反应性焦炭(乙)的基本性能如表4所示，焦炭反应性指数CRI为65％，耐磨强度M10为10.0％。试验结果表明，该条件下炉料的熔滴性能指数S为70.30kPa·℃，与对比例相比软熔过程透气性变好，但由于反应性降低，炉料熔化前的预还原度降低，因而对透气性的改善程度与实施例1相比降低，经分析约66％的高反应性焦炭(乙)丁在还原熔滴过程中被消耗。
表4高反应性焦炭(乙)的基本性能/％