田鐵磊， 劉金濤， 董復(fù)明

（華北理工大學(xué)冶金與能源學(xué)院， 河北 唐山 063009）

燒結(jié)礦是我國(guó)高爐煉鐵的主要含鐵原料之一，入爐比例70%～80%左右，所以優(yōu)化燒結(jié)配礦及提高燒結(jié)礦質(zhì)量是高爐降本增效的重要措施[1-3]。長(zhǎng)期以來(lái)，對(duì)鐵礦粉的燒結(jié)特性的認(rèn)識(shí)僅是局限在鐵礦粉粒度組成、化學(xué)成分及制粒特點(diǎn)等常溫特性方面，對(duì)鐵礦粉在燒結(jié)過(guò)程中所表現(xiàn)的高溫物理化學(xué)反應(yīng)了解較少，而燒結(jié)特性更大程度上依賴于高溫狀態(tài)下鐵礦粉的燒結(jié)行為和性能[4-5]。因此，鐵礦粉的燒結(jié)基礎(chǔ)特性對(duì)燒結(jié)過(guò)程及燒結(jié)礦質(zhì)量有非常重要的影響。

利用鐵礦粉燒結(jié)基礎(chǔ)特性的差異不僅可以快速有效地分析鐵礦粉在高溫條件下的優(yōu)缺點(diǎn)，還可以互補(bǔ)性優(yōu)化配礦方案，從而實(shí)現(xiàn)高效低成本燒結(jié)配礦[6]。所以針對(duì)河北某鋼廠常用的6 種鐵礦粉燒結(jié)基礎(chǔ)特性進(jìn)行研究，分析了各種鐵礦粉之間差異，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了燒結(jié)杯試驗(yàn)，優(yōu)化了配礦方案，為優(yōu)選礦種和生產(chǎn)實(shí)踐提供初步的技術(shù)數(shù)據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)原料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原料及特性

河北某鋼廠常用的6 種鐵礦粉的化學(xué)成分見(jiàn)表1?；瘜W(xué)成分特點(diǎn)為：

1）TFe 品位。除了澳粉、印粉及塞拉里昂的品位低于58.00%，其余的均高于61.00%。

2）SiO2含量。澳粉和印粉的SiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，分別為9.48%、7.05%，其他的礦粉均低于6.00%。

3）Al2O3含量。澳粉、印粉、PB 粉及塞拉里昂的Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，分別為3.80%、4.42%、2.27%及7.14%，其他的礦粉均低于1.80%。

4）結(jié)晶水。印粉、PB 粉及塞拉利昂粉的結(jié)晶水含量較高，不低于4.36%，其余的在1.60～3.00%左右。

表1 原料化學(xué)成分 %

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1）采用TSJ-2 型紅外線快速高溫爐對(duì)6 種鐵礦粉進(jìn)行了燒結(jié)基礎(chǔ)特性研究，分析這6 種鐵礦粉的的同化性能、流動(dòng)性能及黏結(jié)性強(qiáng)度。

2）同化溫度測(cè)定方法。將鐵礦粉和純?cè)噭〤aO分別制成不同直徑的小餅，放入試驗(yàn)爐內(nèi)升溫?zé)Y(jié)測(cè)定同化溫度。

3）流動(dòng)性能測(cè)定方法。按照一定的比例將6 種礦粉分別和純?cè)噭〤aO 混合，使兩者的堿度為4，然后在溫度1 250 ℃時(shí)進(jìn)行了流動(dòng)性檢測(cè)。

4）黏結(jié)性強(qiáng)度測(cè)定方法。按照一定的比例將6種礦粉分別和純?cè)噭〤aO 混合，使兩者的堿度為2，然后在溫度1 280 ℃時(shí)進(jìn)行了粘結(jié)相強(qiáng)度檢測(cè)。

根據(jù)6 種礦粉燒結(jié)基礎(chǔ)特性的差異，進(jìn)行優(yōu)化配礦，并采用燒結(jié)杯對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證，分析燒結(jié)礦的冶金性能及微觀形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 燒結(jié)基礎(chǔ)特性分析

鐵礦石同化特性用同化溫度 (即鐵礦石與氧化鈣剛開(kāi)始反應(yīng)的溫度)來(lái)表示。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的各種鐵礦粉同化溫度的高低，來(lái)確定其同化性的強(qiáng)弱。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)一般認(rèn)為同化溫度1 260 ℃附近較為合適。

圖1 不同鐵礦粉同化溫度

由圖1 可知，鐵礦粉的同化特性有較大差別，其中PB 粉同化溫度最低，為1 150 ℃，印粉的同化溫度最高，為1 320 ℃。鐵礦粉同化能力由高到低的排列順序?yàn)椋篜B 粉＞南非粉＞塞拉利昂＞澳粉>巴粗＞印粉。

一般情況下，褐鐵礦同化能力比赤鐵礦和磁鐵礦的同化能力都強(qiáng)。主要是因?yàn)楹骤F礦中結(jié)晶水含量較高，分解后有利于鈣離子在氣孔中擴(kuò)散，從而加速了低熔點(diǎn)物質(zhì)生成，進(jìn)而增強(qiáng)了褐鐵礦同化性能，所以PB 粉較其他種類的礦粉的同化溫度低。而褐鐵礦賽拉利昂粉的同化溫度比赤鐵礦南非粉高的原因主要是賽拉利昂粉Al2O3含量較高，抑制了鐵酸鈣生成，因此南非粉同化能力較塞拉利昂高。

南非粉、澳粉、巴粗均為赤鐵礦，而南非粉同化能力最強(qiáng)，澳粉、巴粗同化溫度相當(dāng)，主要是因?yàn)槟戏欠壑蠸iO2比較適中，利于鐵酸鈣的生成，而澳粉及巴粗中SiO2含量過(guò)高，將會(huì)使SiO2與CaO·Fe2O3中發(fā)生反應(yīng)，把Fe2O3置換出來(lái)，生成高熔點(diǎn)硅酸二鈣，抑制鐵酸鈣的生成，從而使澳粉和巴粗同化性變差。對(duì)于澳粉和巴粗而言，主要是因?yàn)榘痛骤F礦粉中MgO 含量較高，促進(jìn)赤鐵礦分解成磁鐵礦，不利于鐵酸鈣生成，從而相應(yīng)地提高了同化溫度。因此，南非粉、澳粉、巴粗三種粉同化能力的高低為：南非粉＞澳粉>巴粗。

印粉屬于凈鐵礦，同化溫度較高約為1 320 ℃，主要是因?yàn)橛》壑旅?，不利于反?yīng)物的擴(kuò)散，反應(yīng)進(jìn)行緩慢，導(dǎo)致礦石的反應(yīng)性較差，從而使同化能力變差。

不同礦粉的液相流動(dòng)性差別較大，鐵礦粉液相流動(dòng)能力由高到低的排列順序：南非粉＞巴粗＞印粉＞澳礦＞PB>塞拉利昂（見(jiàn)圖2）。

一般情況下，同化溫度較低的鐵礦粉流動(dòng)性較好。PB 粉、南非粉及賽拉利昂粉同化溫度均較低，但PB 粉和賽拉利昂粉流動(dòng)性均較差；PB 粉和賽拉利昂粉流動(dòng)性較差的主要為兩種粉結(jié)晶水含量較高，殘留的氣孔會(huì)影響液相的黏度，降低了液相的流動(dòng)性，另外賽拉利昂粉中Al2O3過(guò)高，形成了大量的硅酸鹽網(wǎng)絡(luò)物，進(jìn)一步增大了液相的黏度，所以塞拉利昂較PB 粉液相流動(dòng)性更差。

圖2 不同鐵礦粉流動(dòng)性指數(shù)

對(duì)于同化溫度較高的巴粗、印粉及澳粉而言，巴粗較澳粉及印粉流動(dòng)性好，主要是因?yàn)榘痛种蠸iO2含量適中，且Al2O3含量低，降低了液相的黏度，所以巴粗粉流動(dòng)性較好；而澳粉及印粉，主要是因?yàn)锳l2O3含量過(guò)高，促進(jìn)液相變黏，導(dǎo)致流動(dòng)性變差，而澳粉SiO2含量過(guò)高，有硅酸鹽網(wǎng)絡(luò)物生成，從而進(jìn)一步惡化了液相流動(dòng)性，因此，澳粉的流動(dòng)性更差。

黏結(jié)相強(qiáng)度性能是指鐵礦石在燒結(jié)過(guò)程中形成的液相對(duì)其周圍的核礦石進(jìn)行固結(jié)的能力。它對(duì)燒結(jié)礦的強(qiáng)度有著至關(guān)重要的影響。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)一般認(rèn)為黏結(jié)性強(qiáng)度最低大于2.0 kN（見(jiàn)圖3）。

圖3 不同鐵礦粉黏結(jié)性強(qiáng)度

由圖3 可知，黏結(jié)相強(qiáng)度較高的礦粉有澳粉、南非粉、印粉及PB 粉4 種礦粉，其中最高的是印粉為5.38 kN/個(gè)。塞拉利昂粉的黏結(jié)強(qiáng)度最差，為1.20 kN/個(gè)。鐵礦粉黏結(jié)相強(qiáng)度由高到低的排列順序?yàn)椋河》郏景姆郏綪B 粉＞南非粉>巴粗＞塞拉利昂粉。

澳粉、印粉及PB 粉黏結(jié)相強(qiáng)度均較高，而南非粉強(qiáng)度一般，主要因?yàn)榘姆酆陀》蹫槌噼F礦，F(xiàn)e2O3含量較多，鐵酸鈣生成能力較強(qiáng)。因此，兩種礦的黏結(jié)相強(qiáng)度較高。另外，兩種礦的SiO2含量較高，與在N2條件下Fe2O3分解產(chǎn)生的FeO 發(fā)生反應(yīng)，形成低熔點(diǎn)的鐵橄欖石，進(jìn)一步提高了兩種礦的強(qiáng)度。PB粉是赤鐵礦和褐鐵礦的混合礦種，而結(jié)晶水分解易使黏結(jié)相產(chǎn)生裂紋，所以PB 粉黏結(jié)相強(qiáng)度稍低。而對(duì)于南非礦強(qiáng)度一般的原因主要是南非粉產(chǎn)生了大量的液相，并且液相黏度較低，從而使強(qiáng)度有所降低。

塞拉利昂粉和巴粗粉黏結(jié)相強(qiáng)度較低，分別為1.20 kN/個(gè)、1.65 kN/個(gè)；主要因?yàn)橘惱悍蹫楹骤F礦，F(xiàn)e2O3含量較多，鐵酸鈣生成能力較強(qiáng)，但是該粉燒結(jié)時(shí)產(chǎn)生的孔洞較多，且孔洞大小不均，形狀各異，從而使燒結(jié)餅強(qiáng)度降低；而巴粗黏結(jié)相強(qiáng)度較低，主要是因?yàn)榱鲃?dòng)性太高，使黏結(jié)相黏度降低，易生成薄壁大孔的結(jié)構(gòu)，降低燒結(jié)餅強(qiáng)度。

2.2 燒結(jié)杯驗(yàn)證試驗(yàn)

試驗(yàn)固定燒結(jié)礦堿度為1.95，w（MgO）為2.3%，優(yōu)化前后礦粉配比見(jiàn)表2。優(yōu)化前巴粗、南非粉配比較高，而這2 種礦粉的流動(dòng)性較高，且黏結(jié)相強(qiáng)度偏低，可適當(dāng)降低這2 種礦粉的比例；澳粉和印粉的液相流動(dòng)性較差，但黏結(jié)相強(qiáng)度較高，可適當(dāng)提高這兩種礦粉比例，用于彌補(bǔ)巴粗和南非粉燒結(jié)性能的不足；PB 粉的同化溫度低，適當(dāng)提高可改善混合礦粉的礦化能力。優(yōu)化前后配比燒結(jié)杯試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3、表4。優(yōu)化后燒結(jié)礦指標(biāo)有顯著改善，轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度、成品率及低溫還原粉化性能有所提高，而荷重軟化性能變化不大。

表2 優(yōu)化前后鐵礦粉質(zhì)量配比 %

表3 優(yōu)化前后燒結(jié)杯試驗(yàn)結(jié)果 %

表4 優(yōu)化前后冶金性能對(duì)比

由圖4 可知，該燒結(jié)礦礦相結(jié)構(gòu)不均勻，主要為他形磁鐵礦、鐵酸鈣及硅酸二鈣膠結(jié)形成交織熔蝕結(jié)構(gòu)交織熔蝕結(jié)構(gòu)，部分為斑狀、熔蝕結(jié)構(gòu)，局部粒狀結(jié)構(gòu)；氣孔大小不一，分布不均勻，大氣孔較多且形態(tài)不規(guī)則，小氣孔多集中分布，氣孔率為55%～60%。因此，該燒結(jié)礦的質(zhì)量稍差。

由圖5 可知，燒結(jié)礦礦相結(jié)構(gòu)均勻，主要為磁鐵礦、鐵酸鈣、硅酸二鈣膠結(jié)形成交織熔蝕結(jié)構(gòu)，局部由半自形磁鐵礦被玻璃質(zhì)、硅酸二鈣膠結(jié)形成斑狀粒狀結(jié)構(gòu)；且氣孔率較低為20%～25%。因此該燒結(jié)礦質(zhì)量較調(diào)整前燒結(jié)礦好。

圖4 調(diào)整前燒結(jié)礦顯微形貌

圖5 調(diào)整后燒結(jié)礦顯微形貌

3 結(jié)論

1）6 種鐵礦粉同化能力由高到低的排列順序?yàn)椋篜B 粉＞南非粉＞塞拉利昂＞澳粉＞巴粗＞印粉；液相流動(dòng)能力由高到低的排列順序：南非粉＞巴粗＞印粉＞澳礦＞PB＞塞拉利昂；黏結(jié)相強(qiáng)度由高到低的排列順序?yàn)椋河》郏景姆郏綪B 粉＞南非粉＞巴粗＞塞拉利昂粉。

2）采用鐵礦粉的燒結(jié)基礎(chǔ)特性能夠指導(dǎo)燒結(jié)優(yōu)化配礦后，燒結(jié)礦的轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度、成品率、冶金性能及顯微形貌有明顯改善，因此，可通過(guò)鐵礦粉基礎(chǔ)特性互補(bǔ)來(lái)指導(dǎo)燒結(jié)配礦。