胡 鵬，唐文博，黃 楚，饒家庭，楊明睿

（1.攀鋼集團(tuán)攀枝花鋼鐵研究院有限公司,釩鈦資源綜合利用國家重點實驗室,四川 攀枝花 617000；2.攀鋼集團(tuán)西昌鋼釩有限公司,四川 西昌 615000）

0 引言

隨著高爐煉鐵技術(shù)的進(jìn)步，對燒結(jié)礦質(zhì)量的要求越來越高，而傳統(tǒng)燒結(jié)工藝僅停留在化學(xué)成分、粒度組成、制粒特性等常溫性能方面，對鐵礦石在燒結(jié)過程中表現(xiàn)出來的高溫行為和作用相對研究較少。由于缺乏對鐵礦石自身特性的綜合認(rèn)識，特別是不清楚鐵礦石在燒結(jié)過程中反應(yīng)出來的高溫物理化學(xué)特性，故不能有目的地對各種鐵礦石進(jìn)行合理的選擇和使用，從而無法實現(xiàn)真正意義上的“優(yōu)化配礦”[1]。

攀鋼由于地理位置和資源條件的限制，一直以攀西地區(qū)高鈦型磁鐵礦粉為主進(jìn)行配礦燒結(jié)，但由于燒結(jié)混合料中TiO2含量較高，燒結(jié)過程中形成了較多的性能較差的鈣鈦礦[2]，導(dǎo)致釩鈦燒結(jié)礦總返礦率高（>35%）、轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度低（<72%）、低溫還原粉化性能差（RDI(?3.15mm)>40%）。因此，筆者主要對鐵礦石和釩鈦燒結(jié)混合料的高溫同化性、液相流動性和粘結(jié)相強(qiáng)度進(jìn)行了研究[3]，并在此基礎(chǔ)上提出了優(yōu)化配礦方案，并進(jìn)行了相應(yīng)的燒結(jié)杯試驗研究，以驗證高溫性能試驗效果。

1 試驗條件與方法

1.1 試驗條件

試驗原料為攀鋼常用的5 種鐵礦粉，化學(xué)成分檢測結(jié)果如表1 所示。由表1 可知，攀精礦和白馬精礦中TiO2含量都大于10%，F(xiàn)eO 含量都大于25%，屬于典型的高鈦型釩鈦磁鐵精礦；南非礦和國內(nèi)高粉含鐵品位較高，分別為62.21%和59.61%，屬于高品位粉礦；所用中粉則為SiO2含量較高、含鐵品位較低的粉礦。

表1 試驗用原料化學(xué)成份和燒損Table 1 Chemical compositions and burning loss of raw iron ore for test

1.2 試驗方法

1.2.1 鐵礦粉的燒結(jié)基礎(chǔ)特性

試驗設(shè)備：臥式高溫爐，其在1 400 ℃的恒溫帶為30 mm，誤差為±1 ℃，升溫速率為0～80 ℃/min；壓樣機(jī)。為了模擬鐵礦粉的燒結(jié)過程，一次試驗從升溫、恒溫到冷卻大約需要30 min，但由于臥式管爐升溫速度較慢，筆者對其進(jìn)行了優(yōu)化處理，具體方法為：設(shè)定臥式管爐中心部位溫度為1 400 ℃，通過控制臥式管爐右側(cè)推進(jìn)桿，將試驗樣品按照升溫速率推送至樣品焙燒要求溫度即可。原料為表1 中含鐵原料經(jīng)過干燥、研磨后制成小于0.074 mm 的鐵礦粉和化學(xué)純試劑CaO。

同化性：稱量0.8 g 鐵礦粉，裝進(jìn)內(nèi)徑為8 mm的壓樣機(jī)中，在15 MPa 的壓強(qiáng)下保持15 s，然后取出；稱量2 gCaO，裝進(jìn)內(nèi)徑為20 mm 的壓樣機(jī)中，在15 MPa 的壓強(qiáng)下保持15 s，然后取出；再將壓制好的鐵礦粉樣餅放置于CaO 樣餅上方，如圖1 所示；最后按照設(shè)定的溫度曲線和試驗氣氛進(jìn)行燒結(jié)，測定小餅接觸面上生成略大于鐵礦粉小餅一圈的反應(yīng)物時的溫度，記錄為同化溫度。

圖1 鐵礦粉同化溫度測定試驗示意Fig.1 Schematic diagram of determination test on iron ore powder assimilation temperature

液相流動性：將CaO 和鐵礦粉按4.0 的二元堿度制成小餅，然后放置于剛玉墊片上，如圖2 所示；然后根據(jù)設(shè)定的試驗氣氛和升溫曲線進(jìn)行燒結(jié)（1 280 ℃，恒溫5 min）；最后計算燒結(jié)前后小餅面積差與原始小餅面積的比值，試驗重復(fù)3 次取結(jié)果平均值作為該鐵礦粉的液相流動性指數(shù)。

圖2 鐵礦粉液相流動性試驗示意Fig.2 Schematic diagram of iron ore powder liquid phase fluidity test

粘結(jié)相強(qiáng)度：將CaO 和鐵礦粉按4.0 的二元堿度制成小餅，共需壓制三個試樣；然后將三個試樣放置于剛玉墊片上并置于樣品臺中，推入臥式管爐中，根據(jù)設(shè)定的試驗氣氛和升溫曲線進(jìn)行燒結(jié)（1 280 ℃，恒溫5 min）；最后通過壓力試驗機(jī)分別對三個試樣進(jìn)行抗壓強(qiáng)度檢測，測出的數(shù)值取平均值后即為該種鐵礦石的粘結(jié)相強(qiáng)度，具體流程見圖3 所示。

圖3 鐵礦粉粘結(jié)相強(qiáng)度試驗示意Fig.3 Schematic diagram of iron ore powder bond phase strength test

1.2.2 燒結(jié)杯試驗及冶金性能測試

燒結(jié)杯尺寸?250 mm×700 mm，點火負(fù)壓6 kPa，燒結(jié)負(fù)壓12 kPa，點火時間150 s，點火溫度1 000 ℃±50 ℃，將燒結(jié)廢氣溫度從最高點下降20 ℃時定為燒結(jié)終點。燒結(jié)礦的轉(zhuǎn)鼓指數(shù)檢測根據(jù)GB 8209?1987 進(jìn)行，中溫還原和低溫粉化性能按照GB/T 13242?1991 進(jìn)行測定[4]。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 攀鋼鐵礦粉高溫性能試驗結(jié)果及分析

2.1.1 同化性

攀鋼5 種常用鐵礦粉的同化溫度測試結(jié)果如圖4 所示。由圖4 可知：①兩種高鈦型釩鈦磁鐵礦同化溫度均較高，分別達(dá)到了1 335 ℃和1 320 ℃，同化溫度高說明其同化性能較差；②其它三種鐵礦粉同化溫度較低，同化性能較強(qiáng)，特別是南非礦，其同化溫度僅1 240 ℃；③不同種類鐵礦粉的同化性溫度不同，并存在一定差異。相關(guān)研究指出，決定鐵礦粉同化性能的主要因素為其自身特性，而鐵礦粉的組分及其質(zhì)量分?jǐn)?shù)是其中重要因素之一。通過Minitab 對影響鐵礦粉同化溫度的幾大組元進(jìn)行了多元回歸分析，結(jié)果表明鐵礦粉同化溫度受各種組元的交互影響，其中TFe、TiO2和SiO2三大組元對同化溫度影響最為顯著。

圖4 鐵礦粉同化性試驗結(jié)果Fig.4 Assimilation test results of iron ore powder

燒結(jié)生產(chǎn)一般要求鐵礦粉適宜的同化溫度為1 275～1 315 ℃。同化溫度過高則不能形成低熔點的液相，不利于鐵礦粉的液相粘結(jié)，導(dǎo)致燒結(jié)礦強(qiáng)度下降；但是同化溫度過低，燒結(jié)過程中產(chǎn)生的液相量過多，導(dǎo)致起固結(jié)骨架作用的核礦石減少，料層透氣性惡化，燒結(jié)礦的產(chǎn)量將降低[5]。

2.1.2 液相流動性

攀鋼5 種常用鐵礦粉的液相流動性指數(shù)測試結(jié)果如圖5 所示。由圖可知：①攀鋼所用高鈦型釩鈦磁鐵礦液相流動性指數(shù)均較小，僅0.11 和0.09；②液相流動性指數(shù)最高的是國高粉，達(dá)到了1.03，其次是南非粉礦，達(dá)到了0.56；③目前攀鋼所用的礦石冶煉流動性指數(shù)均較差，未達(dá)到燒結(jié)所要求的平均水平，故只能通過配礦來提高燒結(jié)混合料的液相流動性指數(shù)。

圖5 鐵礦粉的液相流動性指數(shù)Fig.5 Liquid phase fluidity index of iron ore powder

燒結(jié)生產(chǎn)一般要求鐵礦粉的適宜液相流動性指數(shù)為0.7～1.6，鐵礦粉的液相流動性過低，燒結(jié)過程中液相粘結(jié)周圍物料的能力下降，部分散料得不到有效粘結(jié)，燒結(jié)礦強(qiáng)度降低，但液相流動性也不能過大，過大后液相對周圍物料的粘結(jié)層厚度變薄，燒結(jié)礦易形成薄壁大孔結(jié)構(gòu)，燒結(jié)礦的強(qiáng)度也會降低[6]。因此，攀鋼燒結(jié)配料過程中需要適當(dāng)提高國高粉配比以利于提高液相流動性指數(shù)，達(dá)到改善釩鈦燒結(jié)礦質(zhì)量的目的。

2.1.3 粘結(jié)相強(qiáng)度

攀鋼5 種常用鐵礦粉的粘結(jié)相強(qiáng)度測試結(jié)果如圖6 所示。由圖可知：①兩種高鈦型釩鈦磁鐵礦的粘結(jié)相強(qiáng)度均較高，達(dá)到了3 500 N 以上，而其它三種普通礦的粘結(jié)相強(qiáng)度較低，僅在1 500 N 左右，釩鈦磁鐵精礦粘結(jié)相強(qiáng)度較高的主要原因在于高溫?zé)Y(jié)過程中生成的鈣鈦礦屬于自身硬度較大且結(jié)構(gòu)致密的物相，導(dǎo)致采用正面壓潰時的強(qiáng)度較高；②白馬釩鈦精礦粘結(jié)相強(qiáng)度較攀精礦高的原因在于白馬精礦TFe 質(zhì)量分?jǐn)?shù)和粒度組成優(yōu)于攀精礦，導(dǎo)致燒結(jié)過程中固相固結(jié)作用優(yōu)于攀精礦；③燒結(jié)選擇配礦品種時，不但要求鐵礦粉同化性和液相流動性指數(shù)要好，還要充分考慮粘結(jié)相強(qiáng)度，一般要求鐵礦粉的粘結(jié)相強(qiáng)度大于2 000 N。

圖6 鐵礦粉的粘結(jié)相強(qiáng)度Fig.6 Bond phase strength of iron ore powder

2.2 釩鈦混勻礦燒結(jié)高溫性能結(jié)果及分析

2.2.1 釩鈦混勻礦配礦方案

結(jié)合上述單種含鐵物料的基礎(chǔ)特性研究以及攀鋼原料供應(yīng)與燒結(jié)生產(chǎn)實際情況，以攀鋼本部燒結(jié)廠釩鈦混勻礦中TiO2含量為基礎(chǔ)，通過逐步降低混勻礦中TiO2含量，保持SiO2、CaO 含量基本不變的配礦原則，設(shè)計了5 組優(yōu)化配礦方案，如表2 所示，混勻礦化學(xué)成分如表3 所示，其中基準(zhǔn)為攀鋼本部燒結(jié)廠實際生產(chǎn)過程中含鐵物料的配礦方案。

表2 鐵礦粉配礦試驗方案Table 2 Iron ore powder blending test scheme

表3 混勻礦化學(xué)成分檢測結(jié)果Table 3 Chemical compositions of mixed ore

2.2.2 釩鈦混勻礦同化性能

結(jié)合同化性能檢測方法，對上述不同TiO2含量的混勻礦進(jìn)行了同化溫度檢測，結(jié)果見圖7。從圖可以看出：混勻礦同化溫度和TiO2含量呈現(xiàn)顯著的相關(guān)性，當(dāng)TiO2含量從7.0%降低至3.0%時，同化溫度從1 305 ℃降低至1 280 ℃，降低了25 ℃。降低的主要原因在于：隨著鈦質(zhì)量分?jǐn)?shù)的降低，鈦形成的高熔點物質(zhì)逐漸減少，從而提高了混勻礦的熔化粘結(jié)，同時TiO2和CaO 反應(yīng)生成鈣鈦礦等結(jié)構(gòu)致密的物質(zhì)數(shù)量降低，從而提高了其它組元與CaO 反應(yīng)的熱力學(xué)、動力學(xué)條件，降低了同化溫度，提高了同化性能[7]。結(jié)合生產(chǎn)實際出發(fā)，降低TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)有助于提高燒結(jié)礦質(zhì)量。

圖7 混勻礦同化溫度和液相流動性指數(shù)隨TiO2 含量變化規(guī)律Fig.7 Variation of assimilation temperature and liquid phase fluidity of mixed ore with TiO2 content

2.2.3 釩鈦混勻礦液相流動性能

結(jié)合液相流動性檢測方法，對上述不同TiO2含量的混勻礦進(jìn)行了液相流動性指數(shù)檢測，結(jié)果見圖7。從圖7 可以看出：隨著混勻礦中TiO2含量逐漸降低，混勻礦液相流動性指數(shù)先緩慢升高，后迅速升高，升高的主要原因在于隨著鈦質(zhì)量分?jǐn)?shù)的降低，燒結(jié)液相的形成溫度逐漸降低，液相生成量逐漸增多且流動性大大提高，從而使流動性指數(shù)明顯升高，特別是當(dāng)結(jié)構(gòu)致密的鈣鈦礦物相生成減少后，CaO和鐵氧化物的接觸顯著提高，從而使低熔點物質(zhì)形成增多，提高了混勻礦的液相流動性[8]。

2.2.4 釩鈦混勻礦粘結(jié)相強(qiáng)度

結(jié)合粘結(jié)相強(qiáng)度檢測方法，對上述不同TiO2含量的混勻礦進(jìn)行了粘結(jié)相強(qiáng)度檢測，結(jié)果見圖8。從圖可以看出：①隨著混勻礦中TiO2含量的降低，混勻礦的粘結(jié)相強(qiáng)度逐漸降低，主要原因在于隨著鈦質(zhì)量分?jǐn)?shù)的降低，燒結(jié)過程中與CaO 反應(yīng)生成的結(jié)構(gòu)致密且硬度較大的鈣鈦礦含量降低，從而降低了粘結(jié)相強(qiáng)度；②當(dāng)混勻礦中TiO2含量降低至3%時，其粘結(jié)相強(qiáng)度降低到了1 915 N，低于燒結(jié)礦要求的粘結(jié)相強(qiáng)度大于2 000 N 的標(biāo)準(zhǔn)，故僅從粘結(jié)相強(qiáng)度來看，筆者認(rèn)為釩鈦燒結(jié)礦適宜的高鈦型釩鈦磁鐵精礦配比在20% 左右，燒結(jié)礦中TiO2含量保持在3%左右最為適宜。

圖8 混勻礦粘結(jié)相強(qiáng)度和綜合得分隨TiO2 含量變化規(guī)律Fig.8 Variation of bond phase strength and comprehensive score of mixed ore with TiO2 content

2.2.5 綜合評價指標(biāo)

上述三種指標(biāo)中：同化性能是指鐵礦石在燒結(jié)過程中與CaO 的反應(yīng)能力，它標(biāo)志的是鐵礦石在燒結(jié)過程中生產(chǎn)液相的難易程度，僅揭示了低熔點液相的生產(chǎn)能力；液相流動性能是指燒結(jié)過程中鐵礦石與CaO 反應(yīng)生成的液相的流動能力，與燒結(jié)成品率和還原性密切相關(guān)；粘結(jié)相強(qiáng)度是指鐵礦石在燒結(jié)過程匯總形成的液相對周圍核礦石進(jìn)行固結(jié)的能力，與燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度有著重要影響。因此，結(jié)合燒結(jié)生產(chǎn)經(jīng)驗，按照同化性能：液相流動性能：粘結(jié)相強(qiáng)度=30:40:30 進(jìn)行綜合評分，結(jié)果見圖8。從圖8可以看出，隨著混勻礦中TiO2含量逐漸降低，混合礦綜合得分逐漸升高，特別是當(dāng)TiO2含量降低至4%和3%時，綜合得分顯著提高。

2.3 燒結(jié)杯驗證試驗結(jié)果及分析

對以上5 組配礦方案進(jìn)行了燒結(jié)杯驗證試驗，試驗時通過外配熔劑（石灰石、生石灰或活性灰）來控制燒結(jié)礦二元堿度為2.0，外配燃料（焦粉或煤粉）來控制配碳量為4.2%，使形成的燒結(jié)混合料水分控制在7.5%左右，然后對混合料進(jìn)行混勻、制粒、抽風(fēng)燒結(jié)和冷卻檢測，所得燒結(jié)礦的性能測試結(jié)果如表4 所示。由表4 可知：①降低TiO2含量的四組燒結(jié)礦各項技術(shù)指標(biāo)均高于基準(zhǔn)組；②隨著混勻礦中TiO2含量逐漸降低，燒結(jié)礦成品率逐漸升高，從基準(zhǔn)時的70.75%升高至TiO2含量為3%時的85.43%，這說明混勻礦的液相流動性能是不斷改善的，從而使其粘結(jié)周圍物料的能力增強(qiáng)，使更多的未熔散料得到了有效粘結(jié)，提高了燒結(jié)礦成品率；③隨著混勻礦中TiO2含量逐漸降低，燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度也逐漸升高，從基準(zhǔn)的52.60% 逐漸提高至TiO2含量為3%時的63.13%，主要原因在于燒結(jié)礦的固結(jié)主要是通過生成液相對周圍未熔物料浸潤、反應(yīng)、粘結(jié)而完成，足夠的粘結(jié)相數(shù)量是燒結(jié)礦固結(jié)的基礎(chǔ)[8]，同時優(yōu)質(zhì)的鐵酸鈣物相也大量生成，進(jìn)一步提高了燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度；④隨著燒結(jié)礦中TiO2含量降低，燒結(jié)礦的低溫還原粉化指數(shù)和中溫還原性隨混勻礦液相流動性增大而改善，鐵礦粉液相流動性的提高促進(jìn)燒結(jié)礦中粘結(jié)相增多，使燒結(jié)礦低溫還原粉化指數(shù)得到改善，同時液相流動性好的礦粉生成更多的低熔點物質(zhì)，使燒結(jié)礦氣孔率升高，增大了還原性氣體與反應(yīng)界面的接觸面積，從而提高了燒結(jié)礦的還原度[9]。

表4 燒結(jié)礦性能檢測結(jié)果Table 4 Sinter performance test results

同時對三組典型燒結(jié)礦（基準(zhǔn)組、S2 和S4 組）進(jìn)行了微觀結(jié)構(gòu)分析，結(jié)果見表5 和圖9。從表和圖可以看出：①釩鈦燒結(jié)礦中礦物主要以鈦赤鐵礦、鈦磁鐵礦、鐵酸鈣、鈣鈦礦和硅酸鹽相組成，此外還有部分少量的鎂鋁尖晶石；②隨著燒結(jié)礦中TiO2含量下降，鐵酸鈣含量呈顯著上升趨勢，從基準(zhǔn)的19%～23% 升高至28%～32%，鈦赤鐵礦、鈣鈦礦和硅酸鹽相呈下降趨勢，其中鈣鈦礦下降幅度最大，從7%～11% 降低至2%～6%；③同時燒結(jié)礦中鐵酸鈣物相形態(tài)也發(fā)生了明顯變化，從基準(zhǔn)期的板狀、片狀逐漸向樹枝狀和熔融交織狀變化，且鐵酸鈣出現(xiàn)的面積越來越多，越來越大[10]；④燒結(jié)礦中呈現(xiàn)黑色大孔洞逐漸減小、減少，整體結(jié)構(gòu)也由疏松、松散狀向網(wǎng)狀、均勻狀轉(zhuǎn)變，進(jìn)一步佐證了隨著燒結(jié)礦中TiO2含量降低，中溫還原性逐漸改善的現(xiàn)象。

表5 典型燒結(jié)礦物相體積分?jǐn)?shù)組成Table 5 Volume fractions of typical sintered mineral phases

圖9 不同配礦方案下燒結(jié)礦礦物形貌Fig.9 Mineral morphology of sinters obtained from different ore blending schemes

3 結(jié)論

1）攀鋼常用5 種含鐵礦粉的化學(xué)成分、燒結(jié)高溫基礎(chǔ)性能方面存在明顯差異，其中2 種高鈦型釩鈦磁鐵礦同化溫度分別高達(dá)1 335 ℃和1 320 ℃，液相流動性指數(shù)僅0.11 和0.09，同化性能和液相流動性能最差，粘結(jié)相強(qiáng)度則最高，達(dá)到3 500 N 以上，需要通過優(yōu)化配礦來獲得釩鈦混勻礦的適宜燒結(jié)高溫性能。

2）當(dāng)混勻礦TiO2含量從7%降低3%時，同化溫度從1 305 ℃逐低至1 280 ℃，液相流動性指數(shù)從0.42 升高至0.78，同化和液相流動性能逐漸改善，粘結(jié)相強(qiáng)度從2 640 N 降低至1 915 N，粘結(jié)相強(qiáng)度逐漸惡化。變化的原因在于鈦質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，燒結(jié)過程中與CaO 不斷反應(yīng)生成的結(jié)構(gòu)致密的高熔點鈣鈦礦等物質(zhì)減少，低熔點的優(yōu)質(zhì)鐵酸鈣等物質(zhì)增加，從而提高了同化性能和液相流動性能。

3）從燒結(jié)杯驗證試驗來看，釩鈦燒結(jié)礦各項技術(shù)指標(biāo)與混勻礦的燒結(jié)高溫性能關(guān)系密切，隨著混勻礦TiO2含量的降低，燒結(jié)礦成品率、轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度、中低溫性能隨著燒結(jié)高溫性能改善而提高。因此，實際生產(chǎn)過程中，綜合利用礦石資源，減少攀鋼混勻礦中TiO2含量可提高高爐生產(chǎn)。