Al2O3是高爐煉鐵爐渣的重要成分之一，隨著Al2O3含量的不斷升高，爐渣流動(dòng)性差、脫硫能力下降等問(wèn)題日漸突顯，對(duì)高爐冶煉造成極大危害。針對(duì)這一問(wèn)題，國(guó)際上普遍采用的應(yīng)對(duì)方式是在燒結(jié)工藝中添加MgO。然而，如何添加，添加多少最合適，卻是一道世界難題。
東北大學(xué)沈峰滿教授團(tuán)隊(duì)根據(jù)高爐爐渣中Al2O3含量的不同，研發(fā)了分段確定鎂鋁比（MgO/ Al2O3）最佳操作指標(biāo)的定量方式，掌控了高爐爐渣中鎂鋁的黃金分割點(diǎn)，確立了不同條件下鎂鋁比的適宜值，推進(jìn)了我國(guó)高爐冶煉的精細(xì)化。2018年，該成果獲得冶金科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)?！霸摷夹g(shù)總體達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，特別是對(duì)MgO在煉鐵工藝中的作用機(jī)理研究方面達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平?！敝袊?guó)工程院原副院長(zhǎng)干勇院士評(píng)價(jià)道。
運(yùn)用相圖基本原理破解世界難題
21世紀(jì)初，隨著我國(guó)進(jìn)口鐵礦用量的不斷增加，高爐爐渣中Al2O3含量隨之增加，導(dǎo)致?tīng)t渣粘度上升、脫硫能力下降，冶金性能變差。針對(duì)這種新問(wèn)題，我國(guó)企業(yè)普遍采取的應(yīng)對(duì)方式是添加MgO。由于在燒結(jié)礦中添加MgO還具有改善燒結(jié)礦低溫還原粉化的功效，因此人們普遍認(rèn)為爐渣鎂鋁比越高越好，使得鎂鋁比處于偏高的不合理范圍，雖然保證了冶煉效果，但也造成了MgO資源浪費(fèi)、能源浪費(fèi)和環(huán)境污染等一系列問(wèn)題。如何解決這種浪費(fèi)，世界上沒(méi)有相關(guān)資料。
沈峰滿教授團(tuán)隊(duì)自2005年起，開(kāi)始從事高爐煉鐵過(guò)程中最佳鎂鋁比冶煉技術(shù)的研究工作。團(tuán)隊(duì)從降低生產(chǎn)成本、降低能耗、減少?gòu)U棄物與溫室氣體CO2的排放、同時(shí)兼顧MgO效益最大化等多視角出發(fā)，運(yùn)用冶金物理化學(xué)基礎(chǔ)理論和相圖基本原理，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室研究與工業(yè)試驗(yàn)相結(jié)合的方法，系統(tǒng)地論述了高爐冶煉過(guò)程適宜的鎂鋁比問(wèn)題，為高爐冶煉過(guò)程中鎂鋁比問(wèn)題確立理論依據(jù)。經(jīng)過(guò)大量研究與實(shí)踐，團(tuán)隊(duì)逐步確定了不同條件下的適宜鎂鋁比：當(dāng)爐渣中Al2O3<14%時(shí)，可根據(jù)生產(chǎn)要求添加mgo；al2o3=15～17%時(shí)，適宜鎂鋁比為0.40～0.50；當(dāng)爐渣中al2o3>18%時(shí)，適宜鎂鋁比為0.45～0.55。這為實(shí)現(xiàn)高爐煉鐵工藝低成本、低能耗、低排放的現(xiàn)代高爐綠色冶煉模式的形成，奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
沈峰滿教授表示，現(xiàn)代高爐爐渣適宜鎂鋁比冶煉技術(shù)解決了長(zhǎng)期以來(lái)一直困擾煉鐵界的四個(gè)技術(shù)問(wèn)題，一是當(dāng)前的煉鐵條件下必須添加MgO，二是在確保爐渣流動(dòng)性的前提下，MgO添加量不是越多越好，三是要對(duì)不同Al2O3含量的爐渣采取不同的鎂鋁比，并給出了適宜鎂鋁比定量控制的理論依據(jù)，四是要采取適宜的MgO添加方式，使得MgO的正影響最大化、負(fù)影響最小化。
推廣應(yīng)用產(chǎn)生巨大經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益
2008年起，團(tuán)隊(duì)先后與上海梅山鋼鐵股份有限公司、安陽(yáng)鋼鐵股份有限公司、內(nèi)蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司等企業(yè)共同開(kāi)發(fā)研究適宜鎂鋁比的冶煉技術(shù)。
采用新冶煉技術(shù)，必須承擔(dān)失敗的風(fēng)險(xiǎn)。為了減少企業(yè)的心理負(fù)擔(dān)，沈峰滿帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)成員多次深入企業(yè)一線，與工人師傅一起工作，現(xiàn)場(chǎng)解決問(wèn)題。經(jīng)過(guò)不懈努力，各個(gè)鋼廠捷報(bào)頻傳。在梅鋼、安鋼等全國(guó)4000m3級(jí)以上高爐的實(shí)踐應(yīng)用中，鎂鋁比約為0.42-0.43，居于與寶鋼高爐并列的第一集團(tuán)；在包鋼的高爐上，鎂鋁比也由0.66降低至0.48，也取得了顯著的效果。
沈峰滿教授告訴記者，適宜鎂鋁比技術(shù)對(duì)煉鐵行業(yè)技術(shù)進(jìn)步已經(jīng)產(chǎn)生了巨大的影響和推動(dòng)。僅以梅鋼集團(tuán)為例，由于采用該項(xiàng)技術(shù)，爐渣鎂鋁比已從2013年的年平均0.51降至2017年的年平均0.43，使得年產(chǎn)720萬(wàn)噸的梅鋼每年獲得經(jīng)濟(jì)效益8100余萬(wàn)元，同時(shí)減少了CO2的排放量，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。
中國(guó)是世界第一鋼鐵大國(guó)，目前，雖然部分高爐爐渣的鎂鋁比已降低至0.5以下，但仍有許多高爐爐渣鎂鋁比在0.5甚至0.6以上。繼續(xù)推廣現(xiàn)代高爐爐渣適宜鎂鋁比冶煉技術(shù)，尚存在很大的發(fā)展空間和廣闊的應(yīng)用前景。
走進(jìn)2018年冶金科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)
“現(xiàn)代高爐最佳鎂鋁比冶煉技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用”項(xiàng)目
冶金科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)委員會(huì)召開(kāi)，決定對(duì)85個(gè)項(xiàng)目授予2018年中國(guó)鋼鐵工業(yè)協(xié)會(huì)、中國(guó)金屬學(xué)會(huì)冶金科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)，由東北大學(xué)、上海梅山鋼鐵股份有限公司等四個(gè)單位共同完成的“現(xiàn)代高爐最佳鎂鋁比冶煉技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用”項(xiàng)目榮獲2018年冶金科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。項(xiàng)目系統(tǒng)地研究了MgO對(duì)燒結(jié)-球團(tuán)-高爐冶煉的影響規(guī)律及作用機(jī)理，并進(jìn)行了深入的理論分析與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)施。
普遍認(rèn)識(shí)誤區(qū)，鎂鋁比冶煉技術(shù)研究迫在眉睫
隨著我國(guó)進(jìn)口鐵礦用量的不斷增加，高爐爐渣中Al2O3含量隨之增加。對(duì)于高爐爐渣Al2O3含量升高帶來(lái)的爐渣流動(dòng)性、脫硫能力等冶金性能下降的問(wèn)題，通常采用在燒結(jié)工藝添加MgO的方法加以改善。由于添加MgO還具有改善燒結(jié)礦低溫還原粉化的功效，因此導(dǎo)致國(guó)內(nèi)普遍存在爐渣鎂鋁比（MgO/Al2O3）越高越好的認(rèn)識(shí)誤區(qū)，使得我國(guó)爐渣的鎂鋁比處于偏高的不適當(dāng)范圍。
2015年，我國(guó)1000 m3以下高爐渣的平均鎂鋁比約為0.68，1000～3000 m3高爐渣的平均鎂鋁比約為0.60，3000 m3以上高爐渣的平均鎂鋁比約為0.55～0.57。較高的鎂鋁比不僅增大了渣量、能耗及鎂資源的消耗，同時(shí)也影響燒結(jié)生產(chǎn)及燒結(jié)礦的質(zhì)量。因此，研究燒結(jié)-高爐各環(huán)節(jié)適宜的MgO含量和高爐渣中適宜的MgO/Al2O3比例顯得十分必要。
MgO如何添加才能做到優(yōu)化？
MgO的添加一般通過(guò)燒結(jié)礦或球團(tuán)礦，需要進(jìn)行現(xiàn)代高爐原燃料條件下燒結(jié)-球團(tuán)-高爐添加MgO協(xié)同優(yōu)化的研究與冶煉技術(shù)的開(kāi)發(fā)，旨在探討現(xiàn)代高爐最佳鎂鋁比的冶煉技術(shù)，確定燒結(jié)礦的最佳MgO含量、球團(tuán)礦的最佳MgO含量、及高爐渣最佳的MgO/Al2O3操作參數(shù)等。
本項(xiàng)目通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)分析與生產(chǎn)實(shí)踐解決了長(zhǎng)期以來(lái)一直困擾煉鐵界的四個(gè)技術(shù)問(wèn)題，即當(dāng)前的煉鐵條件下是否必須添加MgO？在確保爐渣流動(dòng)性的前提下，MgO添加量越多越好嗎？對(duì)不同Al2O3含量爐渣的最佳鎂鋁比如何控制？適宜的MgO添加方式是什么？。
立足理論，最佳鎂鋁比
該項(xiàng)目開(kāi)發(fā)及取得的研發(fā)成果，改善了高爐渣及燒結(jié)礦、球團(tuán)礦冶金性能，減少了煉鐵工序的熔劑消耗量，有利于降低高爐渣量、降低燃料比、提高產(chǎn)量。其主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下：
(1)建立科學(xué)合理利用MgO理論體系。研究立足基礎(chǔ)理論，系統(tǒng)論述了高爐冶煉適宜的鎂鋁比問(wèn)題，為高爐煉鐵鎂鋁比問(wèn)題確立理論依據(jù)。課題從冶金物理化學(xué)基礎(chǔ)理論出發(fā)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室研究與工業(yè)試驗(yàn)，確定了爐渣適宜的鎂鋁比，并將此問(wèn)題上升至理論高度，形成理論體系，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)。
(2)對(duì)不同Al2O3含量的爐渣中的適宜鎂鋁比進(jìn)行分段控制。
a)當(dāng)渣中Al2O3＜14%時(shí)，MgO可根據(jù)生產(chǎn)要求添加；
b)Al2O3=15～17%時(shí)，適宜的鎂鋁比控制在0.40～0.50，但需注意爐溫的影響；
c)當(dāng)渣中Al2O3＞18%時(shí)，適宜的鎂鋁比控制在0.45～0.55。
(3)制備優(yōu)質(zhì)含MgO球團(tuán)，實(shí)現(xiàn)MgO高效、優(yōu)質(zhì)利用。根據(jù)基礎(chǔ)研究開(kāi)發(fā)了優(yōu)質(zhì)具有活性的MgO基添加劑，實(shí)現(xiàn)MgO在煉鐵生產(chǎn)中的高效利用。不僅克服了以往球團(tuán)礦中添加MgO的負(fù)作用，且可以降低球團(tuán)膨潤(rùn)土用量，實(shí)現(xiàn)了球團(tuán)粘結(jié)劑與添加劑的有機(jī)統(tǒng)一。
(4)協(xié)同優(yōu)化，統(tǒng)籌兼顧，實(shí)現(xiàn)MgO功效最大化。采用全系統(tǒng)、全視角的方法將MgO在燒結(jié)-球團(tuán)-高爐冶煉各工序中的作用有機(jī)聯(lián)動(dòng)，兼顧燒結(jié)、球團(tuán)、高爐不同工序?qū)gO熔劑的需求，科學(xué)地提出了合理添加使用MgO的問(wèn)題，從而提出了最佳鎂鋁比操作的理念，實(shí)現(xiàn)MgO功效最大化。
填補(bǔ)空白，國(guó)際領(lǐng)先
項(xiàng)目采用了理論與實(shí)際相結(jié)合的方法，分析了MgO在整個(gè)煉鐵工序中的利與弊，形成了“現(xiàn)代高爐最佳鎂鋁比冶煉技術(shù)”，填補(bǔ)了我國(guó)煉鐵界缺乏高Al2O3原料操作技術(shù)及適宜MgO添加技術(shù)的空白，促進(jìn)了煉鐵技術(shù)的進(jìn)步，引導(dǎo)了煉鐵行業(yè)的發(fā)展與技術(shù)升級(jí)。
目前本技術(shù)已經(jīng)在上海梅山鋼鐵股份有限公司、安陽(yáng)鋼鐵股份有限公司、內(nèi)蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司推廣使用，并取得了很好的技術(shù)指標(biāo)，經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益顯著，具有前景廣闊的推廣應(yīng)用價(jià)值。
2018年1月22日，中國(guó)金屬學(xué)會(huì)在北京組織召開(kāi)了由上海梅山鋼鐵股份有限公司和東北大學(xué)完成的“現(xiàn)代高爐最佳鎂鋁比冶煉技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用”科技成果評(píng)價(jià)會(huì)。
項(xiàng)目評(píng)價(jià)委員會(huì)聽(tīng)取了項(xiàng)目組的研制報(bào)告、用戶使用報(bào)告、經(jīng)濟(jì)效益報(bào)告及科技查新報(bào)告，并審查了全部評(píng)價(jià)文件資料，經(jīng)質(zhì)詢(xún)、討論，項(xiàng)目評(píng)價(jià)委員會(huì)認(rèn)為該項(xiàng)成果總體達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，其中對(duì)MgO在煉鐵工藝中的作用機(jī)理研究方面達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。
該項(xiàng)目開(kāi)發(fā)及取得的研發(fā)成果，改善了高爐渣及燒結(jié)礦、球團(tuán)礦冶金性能，減少了煉鐵工序的熔劑消耗量，有利于降低高爐渣量、降低燃料比、提高產(chǎn)量。其主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下：
?。?）首次采用系統(tǒng)全視角的方法將MgO在燒結(jié)-高爐冶煉各工序中的作用聯(lián)系起來(lái)，兼顧燒結(jié)、球團(tuán)、高爐不同工序?qū)gO熔劑的需求，科學(xué)地提出了合理添加使用MgO的問(wèn)題。課題在統(tǒng)籌研究了MgO在燒結(jié)礦、球團(tuán)礦、風(fēng)口噴吹及爐渣的適宜含量的基礎(chǔ)上，提出了最佳鎂鋁比操作的理念。
?。?）在保證燒結(jié)礦具有良好低溫還原粉化性能的基礎(chǔ)上，確定適宜的燒結(jié)礦MgO含量，以此提高燒結(jié)生產(chǎn)效率，并獲得了強(qiáng)度高、還原性好、高溫軟熔性能好、且低溫還原粉化指標(biāo)穩(wěn)定的優(yōu)質(zhì)燒結(jié)礦。同時(shí)統(tǒng)籌兼顧了爐渣與球團(tuán)對(duì)MgO的需求，獲得了高溫強(qiáng)度高、軟熔性能好的含MgO球團(tuán)礦。以改善高爐渣的流動(dòng)性、熱容量、脫硫能力等對(duì)MgO的需求為前提，按需求分配使用MgO，使MgO的正影響最大化，負(fù)影響最小化，從而做到MgO在全煉鐵流程中的功效最大化。
（3）根據(jù)Al2O3含量不同，分段確定最佳鎂鋁比操作指標(biāo)。a）當(dāng)渣中Al2O3<14%時(shí)，mgo根據(jù)燒結(jié)礦的低溫還原粉化指標(biāo)要求添加；b）al2o3=15%～17%時(shí)，鎂鋁比應(yīng)控制在0.40～0.50；c）當(dāng)渣中al2o3>18%時(shí)，鎂鋁比應(yīng)控制在0.45～0.55。
該項(xiàng)目取得發(fā)明專(zhuān)利13件，已在梅鋼4號(hào)（3200m3）、5號(hào)（4070m3）高爐及其燒結(jié)工序上應(yīng)用，鎂鋁比降至0.43，渣量降低11.48 kg/tHM，燃料比降至492.5 kg/tHM（降低1.5 kg/tHM）。不僅降低了煉鐵成本，還有利于減少CO2和廢棄物排放，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著。建議進(jìn)一步推廣應(yīng)用。