孫健寧 ，劉小杰 ，嚴(yán)照照 ，盧建光，呂慶

（1. 華北理工大學(xué)冶金與能源學(xué)院，河北 唐山 063009；2. 華北理工大學(xué)現(xiàn)代冶金技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 唐山 063009；3. 河鋼集團(tuán)邯鄲公司，河北 邯鄲 056009）

1 前 言

隨著國內(nèi)鋼鐵行業(yè)的迅猛發(fā)展，煉鐵技術(shù)的不斷創(chuàng)新，富礦產(chǎn)量減少，貧鐵礦石開采量增加，燒結(jié)球團(tuán)的地位在未來會越來越重要[1]。球團(tuán)礦合理的堿度、SiO2和MgO 含量不僅對球團(tuán)礦自身的冶金性能產(chǎn)生影響，也能提高高爐生產(chǎn)過后高爐爐況的穩(wěn)定性，同時也能滿足高爐造渣的基本要求[2]。澳大利亞、巴西等國采購礦粉，導(dǎo)致鋼鐵企業(yè)增加了對國外礦粉的依賴性，而近年來國外的礦物價格也逐漸攀升，使鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)成本提高。

我國大部分鋼鐵企業(yè)的高爐都是采用的高堿度燒結(jié)礦配加酸性球團(tuán)或者天然塊礦，該搭配下能極大發(fā)揮球團(tuán)礦品位高，強(qiáng)度高的優(yōu)越性，但是酸性球團(tuán)會導(dǎo)致軟熔性能差，同時使得軟熔帶透氣性下降[3]。潘向陽對堿度對球團(tuán)礦的冶金性能及抗壓強(qiáng)度的研究得出：隨著堿度的增加，焙燒球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度呈先上升后下降的趨勢，當(dāng)堿度為1.0 時，焙燒溫度控制在1250℃時，焙燒球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大，滿足實(shí)際生產(chǎn)對抗壓強(qiáng)度的要求[4]。

對于高爐正常冶煉，提高高爐入爐料中的MgO 被認(rèn)為是最重要的一種方法和途徑。通過提高球團(tuán)礦中的MgO 含量不僅能提高爐渣中的MgO含量，而且還能提高球團(tuán)礦的冶金性能[5]。張淑會等對MgO 對球團(tuán)礦的抗壓強(qiáng)度的研究得出：當(dāng)MgO 含量較高時，液相增多阻礙連晶，并且Mg2+進(jìn)入Fe3O4晶粒阻礙了Fe3O4的氧化，使得球團(tuán)礦的抗壓強(qiáng)度下降[6]。李乃堯等對MgO 對球團(tuán)礦綜合冶金性能的影響的研究得出：隨著MgO 的增加MgO 的固溶阻礙了鐵元素的氧化和遷移，從而影響赤鐵礦的再結(jié)晶，使球團(tuán)礦的抗壓強(qiáng)度下降[7]。

SiO2對球團(tuán)礦的抗壓強(qiáng)度和冶金性能有著重要的影響，全國各個鋼鐵企業(yè)也通過對硅粉的運(yùn)用對成本的降低。青格勒等人研究了低硅對球團(tuán)礦的影響得出：隨著SiO2含量的降低，球團(tuán)礦的還原膨脹率惡化[8]。所以提高SiO2含量對球團(tuán)礦冶金性能有所幫助，但王黎光通過對SiO2對球團(tuán)結(jié)構(gòu)的影響研究得出：添加化學(xué)純SiO2會使球團(tuán)礦的氣孔和硅酸鹽都增加，使球團(tuán)礦的抗壓強(qiáng)度降低[9]?？箟簭?qiáng)度是衡量球團(tuán)礦的一個很重要的指標(biāo)，邯鋼高爐目前球團(tuán)礦的加入量大約在20%左右，生產(chǎn)使用的礦粉種類繁多，其所生產(chǎn)的球團(tuán)礦質(zhì)量差，抗壓強(qiáng)度較低，所以針對調(diào)整不同礦粉的搭配調(diào)節(jié)SiO2含量從而能使邯鄲球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度達(dá)到最優(yōu)，提出此試驗(yàn)研究，同時結(jié)合FactSage 模擬軟件的使用為邯鋼球團(tuán)礦的實(shí)際生產(chǎn)提出重要依據(jù)。

2 試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)原料及設(shè)備

試驗(yàn)原料：本試驗(yàn)采用邯鋼實(shí)際生產(chǎn)所使用的五種礦粉（邯邢精粉、安徽精粉、沙河精粉、燕山礦粉、PMC 礦粉、）和膨潤土。試驗(yàn)所需的試驗(yàn)設(shè)備有：圓盤造球機(jī)、電子稱、烘箱、球團(tuán)焙燒爐、X- 射線衍射儀、偏光顯微鏡、蔡司場發(fā)射掃描電子顯微鏡。所需的試驗(yàn)原料化學(xué)成分及不同含量SiO2的球團(tuán)的配比方案見表1、2。

2.2 試驗(yàn)步驟：

表1 礦粉的主要化學(xué)成分/%Table 1 Main chemical components of the ore powder

表2 配礦試驗(yàn)方案/%Table 2 Test scheme of the matching ore

（1）制備生球：將四種礦粉按照比例稱量好加水混勻，選取50 g 的礦粉放到烘箱中測水分含量，半個小時后，稱量干燥后的礦粉質(zhì)量，計(jì)算出礦粉中的含水量，并將已經(jīng)混勻好的料蓋住進(jìn)行燜料，將燜好的料放入直徑為1000 mm 的圓盤造球機(jī)（傾角為45°，圓邊高度為230 mm）中制備生球，轉(zhuǎn)速為20 r/min。（其中工藝參數(shù)選擇為選擇的主要工藝參數(shù)為：膨潤土加入量2.0%、造球時間13 min、干燥溫度300℃）。

（2） 測定生球抗壓強(qiáng)度： 將直徑為10 ～ 12.5 mm 的單個生球放置于抗壓強(qiáng)度測試機(jī)上，直至生球破裂為止，天平上的數(shù)據(jù)就為每個球團(tuán)礦生球的抗壓強(qiáng)度，每次測20 個生球的抗壓強(qiáng)度，取平均值就為該批次球團(tuán)礦的抗壓強(qiáng)度。

（3） 測定生球落下強(qiáng)度： 將直徑為10 ～12.5 mm 的生球于0.5 m 的高度自由落下至10 mm厚的鋼板上記下球落下不破裂的次數(shù)。每組采用20 個小球，為了減少誤差，計(jì)算平均值時去掉數(shù)據(jù)中的最小值與最大值，其余20 個數(shù)據(jù)的平均值作為該組試驗(yàn)的數(shù)據(jù)。

（4）焙燒生球：取1 kg 完整的生球放入耐高溫吊籃中，并將其吊籃放入球團(tuán)焙燒爐中進(jìn)行預(yù)熱，焙燒和冷卻，共計(jì)時間45 min。其中預(yù)熱20 min，焙燒15 min。冷卻10 min。其中干燥風(fēng)速0.9 m/s、料層厚度90 mm、預(yù)熱溫度900℃、焙燒溫度1300℃。

（5）采用偏光顯微鏡對焙燒球團(tuán)礦進(jìn)行礦相分析并結(jié)合蔡司場發(fā)射掃描電子顯微鏡對焙燒球團(tuán)礦進(jìn)行微觀掃描，同時運(yùn)用X- 射線衍射儀并結(jié)合Jade 軟件對焙燒球團(tuán)礦進(jìn)行圖譜分析。最后結(jié)合FactSage軟件對焙燒球團(tuán)礦進(jìn)行液相模擬分析。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 生球性能的測定結(jié)果和分析

表3 生球性能結(jié)果與分析Table 3 Results and analysis of the pellet property

從表中可以得出通過對不同礦粉的搭配隨著SiO2含量的增加，成球率趨于下降，SiO2含量從3.0增加到5.0 下降不是很明顯，當(dāng)SiO2含量增加到7.0 時成球率下降較明顯，但成球率都穩(wěn)定在90%以上，SiO2含量為3.0 時，成球率最高，達(dá)到了95.3%。生球的抗壓強(qiáng)度呈直線下降，當(dāng)SiO2含量為3.0 時，生球的抗壓強(qiáng)度最高，達(dá)到11.6/N。生球的落下強(qiáng)度也隨著SiO2含量的增加而趨于緩慢的下降，但下降不太明顯，都穩(wěn)定在4.1 ～ 4.5 之間。造成以上結(jié)果的原因主要是由于為了控制SiO2的含量增加了PMC 礦粉的配比，而邯鋼球團(tuán)礦所使用的PMC 礦粉和邯邢精粉粒度非常細(xì)，這樣礦粉的比表面積越大，自由能也越大，成球率越高，所造出的生球也非常密實(shí)，強(qiáng)度也很強(qiáng)。綜上所述當(dāng)SiO2含量為3.0 時對成球率和生球的性能是最有利的。

3.2 球團(tuán)礦的抗壓強(qiáng)度結(jié)果和分析

3.2.1 球團(tuán)礦的抗壓強(qiáng)度

圖1 球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度Fig.1 Compressive strength of pellet ores

從圖中可知，隨著SiO2含量的增加球團(tuán)礦的抗壓強(qiáng)度逐漸下降，且下降趨勢非常明顯。SiO2含量為3.0 時，球團(tuán)礦的抗壓強(qiáng)度最強(qiáng)，平均達(dá)到了3255 N，SiO2含量為7.0 時，球團(tuán)礦的抗壓強(qiáng)度最差，平均只有2357 N。形成這種結(jié)果的主要原因由于隨著SiO2含量的增加，球團(tuán)礦中的硅酸鹽礦物增多，一方面少量的硅酸鹽礦物能產(chǎn)生較少的液相，而較少的液相有助于球團(tuán)礦的粘結(jié)，使得球團(tuán)礦的抗壓強(qiáng)度的增強(qiáng)，但過多的液相對球團(tuán)礦的抗壓強(qiáng)度起到了破壞的作用，另一方面，過多的硅酸鹽會阻礙球團(tuán)礦中赤鐵礦晶粒的結(jié)晶和再結(jié)晶，這對球團(tuán)礦的抗壓強(qiáng)度的降低起到了主要影響，我們可以通過球團(tuán)礦的礦相，掃描電鏡并結(jié)合模擬軟件對以上分析的原因加以證明。

3.2.2 球團(tuán)礦礦相對抗壓強(qiáng)度分析

圖2 球團(tuán)礦外部礦相圖片F(xiàn)ig .2 Picture of outer ore phase of the pellets

從圖2 可以看出，每組球團(tuán)礦的氧化非常充分，球團(tuán)礦中的未氧化的Fe3O4較少，球團(tuán)礦中Fe2O3互聯(lián)優(yōu)良，球團(tuán)礦整體的抗壓強(qiáng)度都比較的好且都能達(dá)到2000 N 以上。當(dāng)SiO3含量為3% 時，可以從礦相圖上看出，球團(tuán)礦中Fe2O3晶粒粗大，而且Fe2O3晶?；ヂ?lián)網(wǎng)狀組織也非常多，顯微結(jié)構(gòu)非常緊密，并且球團(tuán)礦中的鈣鐵橄欖石含量較少，均勻的分布在Fe2O3晶粒周圍，少量的鈣鐵橄欖石與Fe2O3膠結(jié)良好，球團(tuán)礦中的孔洞較少，整體骨架形成，球團(tuán)礦的抗壓強(qiáng)度最高；當(dāng)球團(tuán)礦中SiO2含量增加到5% 時，球團(tuán)礦中Fe2O3晶粒較大，F(xiàn)e2O3晶?；ヂ?lián)網(wǎng)狀組織也較多，顯微結(jié)構(gòu)相對緊密，球團(tuán)礦中的鈣鐵橄欖石含量較多，且分布不是很均勻，阻礙了Fe2O3晶粒的再結(jié)晶，同時球團(tuán)礦外部出現(xiàn)的孔洞的尺寸也相對較大，影響了球團(tuán)礦的抗壓強(qiáng)度，致使球團(tuán)礦的抗壓強(qiáng)度降低；當(dāng)SiO2含量為7% 時，可以從礦相圖中看出，F(xiàn)e2O3晶粒較小，F(xiàn)e2O3晶?；ヂ?lián)較差，球團(tuán)礦中的鈣鐵橄欖石含量很多，過多的鈣鐵橄欖石阻礙了Fe2O3晶粒連晶，其中產(chǎn)生的孔洞數(shù)量也比較的多，嚴(yán)重破壞了球團(tuán)礦的抗壓強(qiáng)度，也導(dǎo)致了球團(tuán)礦的抗壓強(qiáng)度下降明顯。

圖3 球團(tuán)礦內(nèi)部礦Fig .3 Picture of inner ore phase of the pellets

從圖3 分析可知，一般情況下球團(tuán)礦的邊緣和中層氧化程度較好，但三組球團(tuán)礦的內(nèi)部氧化也都基本上完全，未氧化Fe3O4的同樣不是很多這進(jìn)一步說明了五組球團(tuán)礦的抗壓強(qiáng)度都達(dá)到2000 N 以上。當(dāng)SiO2含量為3% 時，內(nèi)部孔洞較少且孔洞尺寸不是很大，F(xiàn)e2O3晶粒連晶緊密，球團(tuán)礦強(qiáng)度很強(qiáng)；當(dāng)SiO2含量為5% 時，內(nèi)部孔洞很多，孔洞尺寸較大，F(xiàn)e2O3晶粒連晶相對密實(shí)，晶粒尺寸也較大；當(dāng)SiO2含量為7% 時，內(nèi)部孔洞非常多，且尺寸很大，F(xiàn)e2O3晶粒非常小，晶粒連晶非常少，球團(tuán)礦強(qiáng)度下降。

3.2.3 球團(tuán)礦的掃描電鏡結(jié)果與分析

圖4 球團(tuán)礦掃描電鏡Fig. 4 Scanning electron microscope image of the pellets

不同SiO2含量的球團(tuán)礦的掃描電鏡見圖4，當(dāng)SiO2含量為3% 時，赤鐵礦晶粒分布均勻，晶粒尺寸較大，連晶密集，且周圍硅酸鹽礦物較少，隨著球團(tuán)礦中SiO2含量增加，SiO2進(jìn)入到赤鐵礦晶粒之間，形成了硅酸鹽礦物，硅酸鹽礦物包圍著赤鐵礦晶粒，阻礙了晶粒之間的接觸，使赤鐵礦晶粒間的連晶程度變差，而球團(tuán)礦強(qiáng)度主要依靠赤鐵礦晶粒之間的連晶來獲得，當(dāng)SiO2含量為7% 時，赤鐵礦晶粒尺寸很小，分布混亂，晶粒之間縫隙較大，且硅酸鹽含量增加阻礙赤鐵礦晶粒再結(jié)晶；SiO2以復(fù)雜離子團(tuán)形式進(jìn)入到球團(tuán)礦中，使硅酸鹽網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，結(jié)構(gòu)單元更加復(fù)雜，導(dǎo)致硅酸鹽礦物的熔化性溫度升高，產(chǎn)生液相量增多，影響赤鐵礦晶粒的連晶；同時硅酸鹽礦物強(qiáng)度低，在受到外力作用下很容易就碎了，所以球團(tuán)礦的抗壓強(qiáng)度隨著SiO2含量增加而降低。

3.2.4 球團(tuán)礦X- 射線衍射圖譜及分析

圖 5 球團(tuán)礦X- 射線衍射圖譜Fig .5 X-ray spectrum of the pellets

從圖XRD 上分析可知, 三種不同SiO2含量的球團(tuán)礦的主要礦物組成基本相同，都基本為赤鐵礦，鈣鐵橄欖石。隨著球團(tuán)礦中SiO2含量增加，焙燒的球團(tuán)礦中所含的鈣鐵橄欖石含量增加，且增加幅度明顯，少量的鈣鐵橄欖石所形成的液相有助于膠結(jié)，從而使球團(tuán)礦的抗壓強(qiáng)度上升，這與之前的礦相分析相互印證，但過多的鈣鐵橄欖石一方面阻礙赤鐵礦晶粒的結(jié)晶和再結(jié)晶，另一方面過多的鈣鐵橄欖石所形成的液相對球團(tuán)礦起到了嚴(yán)重的破壞作用，球團(tuán)礦的抗壓強(qiáng)度下降，而這與之前高倍掃描電鏡結(jié)果相吻合。

3.3 FactSage 軟件對球團(tuán)礦液相量的模擬結(jié)果與分析

FactSage 對球團(tuán)礦液相量模擬結(jié)果見圖6。

圖6 球團(tuán)礦液相量模擬結(jié)果Fig .6 Simnlation results of pellets in liguid phase

根據(jù)FactSage 軟件模擬得出的液相量可知，隨著SiO2含量的增加液相量明顯增加，且增加幅度很大，這嚴(yán)重破壞了赤鐵礦晶粒的結(jié)晶和再結(jié)晶，從而造成抗壓強(qiáng)度的下降，這也與之前的礦相分析和掃描電鏡分析結(jié)果相吻合，從而從另一個角度說明了本試驗(yàn)的結(jié)論，也是對本試驗(yàn)的補(bǔ)充。

4 結(jié) 論

（1）隨著SiO2含量的增加，成球率下降，生球的抗壓強(qiáng)度和落下強(qiáng)度也都下降，但水分變化不大。

（2）隨著SiO2含量的增加，球團(tuán)礦的抗壓強(qiáng)度直線下降，SiO2含量在3% 時強(qiáng)度最強(qiáng)，在7% 時強(qiáng)度最差，但五組球團(tuán)礦的抗壓強(qiáng)度都在2000 N 以上，全都達(dá)到了鋼廠實(shí)際生產(chǎn)中對抗壓強(qiáng)度的基本要求。

（3）隨著SiO2含量的增加，球團(tuán)礦中的鈣鐵橄欖石增多，阻礙Fe2O3晶粒的結(jié)晶與再結(jié)晶，使球團(tuán)礦的抗壓強(qiáng)度降低，同時隨著SiO2含量的增加，運(yùn)用FactSage 模擬軟件算出，液相量也明顯增多這也對球團(tuán)礦的抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生了影響。