國外鐵礦粉燒結基礎特性及優化配礦研究

田鐵磊， 劉金濤， 董復明

（華北理工大學冶金與能源學院， 河北 唐山 063009）

燒結礦是我國高爐煉鐵的主要含鐵原料之一，入爐比例70%～80%左右，所以優化燒結配礦及提高燒結礦質量是高爐降本增效的重要措施[1-3]。長期以來，對鐵礦粉的燒結特性的認識僅是局限在鐵礦粉粒度組成、化學成分及制粒特點等常溫特性方面，對鐵礦粉在燒結過程中所表現的高溫物理化學反應了解較少，而燒結特性更大程度上依賴于高溫狀態下鐵礦粉的燒結行為和性能[4-5]。因此，鐵礦粉的燒結基礎特性對燒結過程及燒結礦質量有非常重要的影響。

利用鐵礦粉燒結基礎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缺點，還可以互補性優化配礦方案，從而實現高效低成本燒結配礦[6]。所以針對河北某鋼廠常用的6 種鐵礦粉燒結基礎特性進行研究，分析了各種鐵礦粉之間差異，并在此基礎上進行了燒結杯試驗，優化了配礦方案，為優選礦種和生產實踐提供初步的技術數據。

1 實驗原料及方法

1.1 實驗原料及特性

河北某鋼廠常用的6 種鐵礦粉的化學成分見表1。化學成分特點為：

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的質量分數較高，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質量分數較高，分別為3.80%、4.42%、2.27%及7.14%，其他的礦粉均低于1.80%。

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

表1 原料化學成分 %

1.2 實驗方法

1）采用TSJ-2 型紅外線快速高溫爐對6 種鐵礦粉進行了燒結基礎特性研究，分析這6 種鐵礦粉的的同化性能、流動性能及黏結性強度。

2）同化溫度測定方法。將鐵礦粉和純試劑CaO分別制成不同直徑的小餅，放入試驗爐內升溫燒結測定同化溫度。

3）流動性能測定方法。按照一定的比例將6 種礦粉分別和純試劑CaO 混合，使兩者的堿度為4，然后在溫度1 250 ℃時進行了流動性檢測。

4）黏結性強度測定方法。按照一定的比例將6種礦粉分別和純試劑CaO 混合，使兩者的堿度為2，然后在溫度1 280 ℃時進行了粘結相強度檢測。

根據6 種礦粉燒結基礎特性的差異，進行優化配礦，并采用燒結杯對其進行驗證，分析燒結礦的冶金性能及微觀形貌。

2 結果與討論

2.1 燒結基礎特性分析

鐵礦石同化特性用同化溫度 (即鐵礦石與氧化鈣剛開始反應的溫度)來表示。根據實驗測得的各種鐵礦粉同化溫度的高低，來確定其同化性的強弱。根據經驗一般認為同化溫度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為：PB 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。主要是因為褐鐵礦中結晶水含量較高，分解后有利于鈣離子在氣孔中擴散，從而加速了低熔點物質生成，進而增強了褐鐵礦同化性能，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，澳粉、巴粗同化溫度相當，主要是因為南非粉中SiO2比較適中，利于鐵酸鈣的生成，而澳粉及巴粗中SiO2含量過高，將會使SiO2與CaO·Fe2O3中發生反應，把Fe2O3置換出來，生成高熔點硅酸二鈣，抑制鐵酸鈣的生成，從而使澳粉和巴粗同化性變差。對于澳粉和巴粗而言，主要是因為巴粗鐵礦粉中MgO 含量較高，促進赤鐵礦分解成磁鐵礦，不利于鐵酸鈣生成，從而相應地提高了同化溫度。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 ℃，主要是因為印粉致密，不利于反應物的擴散，反應進行緩慢，導致礦石的反應性較差，從而使同化能力變差。

不同礦粉的液相流動性差別較大，鐵礦粉液相流動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（見圖2）。

一般情況下，同化溫度較低的鐵礦粉流動性較好。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性均較差；PB 粉和賽拉利昂粉流動性較差的主要為兩種粉結晶水含量較高，殘留的氣孔會影響液相的黏度，降低了液相的流動性，另外賽拉利昂粉中Al2O3過高，形成了大量的硅酸鹽網絡物，進一步增大了液相的黏度，所以塞拉利昂較PB 粉液相流動性更差。

圖2 不同鐵礦粉流動性指數

對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性好，主要是因為巴粗中SiO2含量適中，且Al2O3含量低，降低了液相的黏度，所以巴粗粉流動性較好；而澳粉及印粉，主要是因為Al2O3含量過高，促進液相變黏，導致流動性變差，而澳粉SiO2含量過高，有硅酸鹽網絡物生成，從而進一步惡化了液相流動性，因此，澳粉的流動性更差。

黏結相強度性能是指鐵礦石在燒結過程中形成的液相對其周圍的核礦石進行固結的能力。它對燒結礦的強度有著至關重要的影響。根據經驗一般認為黏結性強度最低大于2.0 kN（見圖3）。

圖3 不同鐵礦粉黏結性強度

由圖3 可知，黏結相強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。塞拉利昂粉的黏結強度最差，為1.20 kN/個。鐵礦粉黏結相強度由高到低的排列順序為：印粉＞澳粉＞PB 粉＞南非粉>巴粗＞塞拉利昂粉。

澳粉、印粉及PB 粉黏結相強度均較高，而南非粉強度一般，主要因為澳粉和印粉為赤鐵礦，Fe2O3含量較多，鐵酸鈣生成能力較強。因此，兩種礦的黏結相強度較高。另外，兩種礦的SiO2含量較高，與在N2條件下Fe2O3分解產生的FeO 發生反應，形成低熔點的鐵橄欖石，進一步提高了兩種礦的強度。PB粉是赤鐵礦和褐鐵礦的混合礦種，而結晶水分解易使黏結相產生裂紋，所以PB 粉黏結相強度稍低。而對于南非礦強度一般的原因主要是南非粉產生了大量的液相，并且液相黏度較低，從而使強度有所降低。

塞拉利昂粉和巴粗粉黏結相強度較低，分別為1.20 kN/個、1.65 kN/個；主要因為賽拉利昂粉為褐鐵礦，Fe2O3含量較多，鐵酸鈣生成能力較強，但是該粉燒結時產生的孔洞較多，且孔洞大小不均，形狀各異，從而使燒結餅強度降低；而巴粗黏結相強度較低，主要是因為流動性太高，使黏結相黏度降低，易生成薄壁大孔的結構，降低燒結餅強度。

2.2 燒結杯驗證試驗

試驗固定燒結礦堿度為1.95，w（MgO）為2.3%，優化前后礦粉配比見表2。優化前巴粗、南非粉配比較高，而這2 種礦粉的流動性較高，且黏結相強度偏低，可適當降低這2 種礦粉的比例；澳粉和印粉的液相流動性較差，但黏結相強度較高，可適當提高這兩種礦粉比例，用于彌補巴粗和南非粉燒結性能的不足；PB 粉的同化溫度低，適當提高可改善混合礦粉的礦化能力。優化前后配比燒結杯試驗結果見表3、表4。優化后燒結礦指標有顯著改善，轉鼓強度、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 優化前后鐵礦粉質量配比 %

表3 優化前后燒結杯試驗結果 %

表4 優化前后冶金性能對比

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

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

圖4 調整前燒結礦顯微形貌

圖5 調整后燒結礦顯微形貌

3 結論

1）6 種鐵礦粉同化能力由高到低的排列順序為：PB 粉＞南非粉＞塞拉利昂＞澳粉＞巴粗＞印粉；液相流動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；黏結相強度由高到低的排列順序為：印粉＞澳粉＞PB 粉＞南非粉＞巴粗＞塞拉利昂粉。

2）采用鐵礦粉的燒結基礎特性能夠指導燒結優化配礦后，燒結礦的轉鼓強度、成品率、冶金性能及顯微形貌有明顯改善，因此，可通過鐵礦粉基礎特性互補來指導燒結配礦。