1. 引言
高炉使用的含铁主原料为烧结矿、球团矿、块矿，也有的钢铁厂为提高产量和降低碳排放，在高炉侧加入一定比例的废钢。但是在所有的含铁炉料里，块矿因为不需要经过烧结或者球团，可以直接入炉，长期以来是其中性价比最高的主原料。因此，各钢铁厂把高炉使用块矿比作为高炉冶炼的一项主要经济指标。块矿资源主要分布在澳洲、巴西和非洲等，块矿质量因产地而差异很大。
2. 块矿质量情况
块矿质量由化学成分、物理性能和冶金性能组成，其之间的关系化学成分是基础，物理性能是保证，冶金性能是关键[1]。块矿化学成分应选择高品位、低SiO2和Al2O3，同时应关注S、P、K2O、Pb和Zn等有害元素的含量不超标。高炉使用铁含量低，SiO2和Al2O3高的低品质块矿时，应通过调整高炉用矿结构，适当提高烧结矿品位或者球团矿品位，保证高炉入炉品位维持在合理水平，使高炉渣量和渣渣成分满足高炉冶炼要求。
高炉使用块矿时，相关技术人员需关注其冶金性能对高炉操作指标的影响，应选择还原性良好的、低温还原粉化性能良好、软化开始温度较高(软化开始温度 > 900℃)，熔滴性能良好，软化区间和戎狄区间窄的块矿进行入炉[2]-[4]。
2.1. 块矿化学成分
块矿作为直接入炉的高炉炉料，按照配矿的基本原则，首先要求含铁品位高，一般来讲，高炉入炉矿品位提高1%，焦比下降大约1.0%~1.5%，产量提高大约2%~2.5%；其次SiO2、Al2O3含量低；再次是S、P、碱金属等有害元素低；最后是烧损(LOI)含量，烧损要求低。样品来自进厂原料，按照自动取样系统，采用X荧光光谱测定各元素对块矿化学成分进行检测，结果如下表1所示。
Table 1. Main chemical composition of several lump ores (%)
表1. 几种块矿主要化学成分情况(%)
| 品名 |
TFe |
SiO2 |
CaO |
Al2O3 |
MgO |
TiO2 |
FeO |
P |
S |
LOI |
| A块矿 |
55.88 |
14.5 |
0.87 |
1.01 |
0.84 |
0.12 |
4.49 |
0.096 |
0.909 |
0.57 |
| B块矿 |
64.63 |
5.05 |
0.16 |
1.31 |
0.04 |
0.06 |
0.63 |
0.275 |
0.014 |
0.59 |
| C块矿 |
63.35 |
3.27 |
0.06 |
1.40 |
0.05 |
0.05 |
0.51 |
0.223 |
0.014 |
5.1 |
由表1可以看出，B块矿铁品位为64.63%，铁品位最高；C块矿与A块矿、B块矿相比，化学成分中烧损(结晶水)含量偏高外，其主要化学成分比较优良。C块矿与B块矿含铁品位相差不大，是优质块矿，SiO2和Al2O3均较低，S的含量也很低，这些对高炉冶炼指标无疑都是有利的；P含量偏高不会对高炉冶炼的产品质量产生不良影响，会使产成品脆性增加，炼钢冶炼时会造成工序钢铁料消耗增加；但是，C块矿的烧损为5.1%，在高炉上部会消耗一些热量，但是，通过装料制度进行优化，并加强块矿送高炉前的筛分，减少粉末入炉，对高炉炉况也不会产生较大影响。A块矿SiO2含量为14.5%，在三种块矿中SiO2含量最高，高炉可以使用A块矿用来代替硅石，调节高炉炉渣碱度，但是其S含量太高，应控制其在高炉使用比例。同时，C块矿还含有较高的结晶水分，结晶水分解要消耗一定的热量，会对焦比产生一定影响。
2.2. 块矿物理性能
块矿的物理性能主要包括水份、粒度及粒度组成和热爆裂指数，宝钢使用的几种块矿物理性能检测结果见下表2。
Table 2. Physical properties of several lump ores (%)
表2. 几种块矿物理性能(%)
| 品名 |
H2O |
热爆裂指数DI-5 mm |
MS |
小于6.3 mm |
| A块矿 |
0.80 |
0.60 |
18.21 |
8.8 |
| B块矿 |
1.80 |
1.50 |
15.48 |
9.6 |
| C块矿 |
4.05 |
5.50 |
16.98 |
12.2 |
由上表2可以看出，C块矿的热爆裂指数不如A块矿、B块矿；粒度组成中，A块矿小于6.3 mm最低，为8.8%；B块矿小于6.3 mm的矿石比例为9.6%，而C块矿为12.2%。因为C块矿受烧损含量高影响，其热爆裂指数DI-5.0 mm为5.5%，在三种块矿之中是最高的，热爆裂指数会对高炉块状带的透气性会产生一定的影响，在高炉使用块矿中需要考虑的。
块矿的粒度和粒度组成是衡量块矿的一项重要质量指标。现场生产实践表明，多数块矿在进厂质量粒度分析时，如果小于6.3 mm百分数超过10%，则块矿筛分粉率会超过20%。为了改善炉况，块矿进厂后，在输送高炉前，一般需进行筛分后再送高炉，筛上部分送高炉，筛下部分只能当粉矿使用；筛分粉率越高，对配矿成本影响越大。目前，港口现货市场块矿含粉量高，以及大量的未筛分块矿，因此对目前块矿市场的价格应进行综合评估，采购时应根据铁矿石实际价值进行选择和配用，控制好配矿成本。
C块矿水份含量为4.05%，较其它块矿明显偏高，由于水分高，输送和筛分作业经常性出现堵溜槽现象；水分含量高，影响块矿筛分的效率和筛分效果，粉末会粘在块矿表面，无法筛除。同时，含水高的块矿进入炉内，也是要消耗较多的热量。因此，C块矿在输送作业和块矿筛分过程中，应避免过多打水抑尘。因此，使用上可适当提高厂内块矿库存，并可以考虑使用烘干设备，对块矿进行烘干处理。
2.3. 块矿冶金性能
块矿的冶金性能与矿的种类和化学成分密切相关，900℃的还原性(RI)，褐铁矿因具有较高的孔隙率为最好；其次是赤铁矿；磁铁矿因为结构致密，还原性较差。从下表3可以看出，A块矿还原性为40.19%，在三种块矿中最低。A块矿因为含有FeO，部分具有磁铁矿特性，故其还原性(RI)最低。熔滴性能是铁矿石冶金性能中最重要的一项性能，熔融滴落带的透气性阻力占据整个高炉阻力损失的60%以上，高炉冶炼配加块矿比例高的高炉应特别关注其熔滴性能的优劣。不同块矿的熔滴性能总特性值差别很大，研究和生产实践证明，块矿的软化温度与熔滴温度及区间，与块矿的品位和化学成分的含量和其还原性密切相关，一般二氧化硅、三氧化二铝和二氧化钛含量高的，还原性差的快快品质，其熔滴性能都会比较差；高品位、低二氧化硅、低三氧化二铝和二氧化钛含量，还原性好的块矿，它们的熔滴性能都比较好。铁块矿的脉石组成和脉石量，对其软熔性能有较大的影响。块矿900℃还原性(RI)测定方法采用ISO 7215:2015；块矿软化性能和熔滴性能采用宝钢技术中心引进北京科技大学非标测定方法。现场取样经破碎后，选取10~12.5 mm粒级块矿部分，炉内中心温度升至450℃后，通入流量为15 L/min还原气体(CO 30% + N2 70%混合气体)；实验结束后，通入3 L/min的N2，荷重1 kg/cm2；升温曲线如下：1) 室温–900℃:10℃/min；2) 900℃~1100℃:2℃/min；3) 1100℃~1550℃:5℃/min。几种块矿的冶金性能见表3。
Table 3. Metallurgical properties of several lump ores
表3. 几种块矿冶金性能情况
| 品名 |
RI |
软化开始温度 |
软化终了温度 |
软化区间 |
熔融开始温度 |
滴下温度 |
熔融区间 |
最大压差 |
软熔层高度 |
| 单位 |
% |
℃ |
℃ |
℃ |
℃ |
℃ |
℃ |
KPa |
mm |
| A块矿 |
40.19 |
983 |
1077 |
94 |
998 |
1451 |
454 |
6.4 |
56.3 |
| B块矿 |
48.80 |
1120 |
1236 |
116 |
1140 |
1393 |
253 |
20.1 |
70.2 |
| C块矿 |
60.17 |
940 |
1108 |
168 |
1124 |
1360 |
236 |
7.1 |
52 |
由以上表3可以看出，C块矿还原性RI为60.17%，明显优于A块矿和B块矿，主要因为C块矿具有褐铁矿疏松多孔的部分特征，具有较好的还原性。C块矿的开始软化温度最低(940℃)、软融区间宽(168℃)；高炉冶炼要求铁矿石具有较高的开始软化温度和较窄的软化区间，以使高炉内不会过早地形成初渣，使高炉炉内透气性变差，并一定程度上增加高炉炉缸热负荷，严重影响高炉冶炼过程的正常进行。因此，高炉使用C块矿后，可能会造成炉身下部和炉腰部位软化带的透气性恶化，在高炉操作上要通过装料制度调整，来改善这一区域的透气性。
高炉内的铁矿石软化后，在高炉内继续下行，而高温煤气向上，被进一步加热和还原，并逐步开始熔融。熔滴性能是衡量炉料在高炉内行为的一项重要指标。它表明了高炉软熔带的性质，在高炉冶炼过程中影响高炉的顺行，同时也影响高炉的冶炼指标。熔融温度是指铁矿石在加热过程中开始融化的温度，包括开始熔融温度和终了熔融温度，两者之差为熔融区间。一般而言，熔融开始温度高，熔融区间窄，对高炉冶炼有利。B块矿的开始熔融温度为1140℃，开始滴落温度为1393℃，熔滴区间为253℃，最大压差值为20.1 kPa℃。矿石的熔滴性能是影响高炉冶炼过程最重要指标，按国内外的惯例，块矿的最大压差值 ≤ 40 kPa℃是符合冶炼要求的。由此可见，B块矿的熔滴性能优良，加上其低的SiO2和Al2O3含量，对改善高炉下部的透性有利，这些均为高炉配加B块矿提供了条件，能提高产量和降低焦比。
3. 性价比分析
3.1. 块矿简单性价比的评价
Figure 1. Cost performance ratio of several lump ores
图1. 几种块矿性价比情况
分析块矿的性价比，一般考虑价格和铁品位，最简单也是最直接的办法是采用吨度铁进行测算，吨度铁越低，性价比越高，其计算公式为：吨度铁 = 进成本价/含铁量，如某钢铁厂使用的三种块矿，其计算吨度铁分别如上图1所示。
由上图1可以看出，按照简单的吨度铁测算，A块矿性价比最高，B块矿其次，C块矿性价比最低。
3.2. 块矿综合性价比评价
块矿的简单性价比测算虽然方便，但是，忽略许多影响块矿质量关键的因素，如二氧化硅，三氧化二铝，有害元素，水份，粉率，热爆裂指数和高温性能指标等。因此，在借鉴前人的块矿评价的基础上，建立综合评价模型，将块矿质量的主要质量不同的指标进行评分，并对这些指标赋予不同的权重，最后根据权重测算出综合评价分数，可以更加客观反应块矿性价比情况，块矿综合评分越高，其性价比越高[5] [6]。
Figure 2. Comprehensive scoring of several lump ores
图2. 几种块矿综合评分情况
由上图2可以看出，综合评分情况与简单性价比排序发生了变化，B块矿的评分由排名第二变成第一。
4. 结论
1) 钢铁厂在采购和使用块矿时，应综合考虑其化学成分、物理性能和冶金性能，以及粉率和水分含量，以实现高炉操作的最优化。
2) 块矿粉率影响块矿的性价比，含粉过多的块矿会影响高炉的透气性；因此，块矿性价比必须考虑粉率的影响。
3) 块矿的水份也是一个重要的指标，水份太高，不仅会堵塞溜槽，还会因为筛不干净，将粉一起带入高炉，影响高炉炉况。
4) 结合钢厂实际，利用块矿综合评价模型，可以更加全面的评价块矿性价比。