燒結(jié)常用鐵礦粉高溫基礎(chǔ)性能試驗(yàn)研究

馬永廣

（安陽(yáng)鋼鐵股份有限公司）

0 引言

鐵礦粉的燒結(jié)基礎(chǔ)特性是指鐵礦石在燒結(jié)過(guò)程中呈現(xiàn)出的自身特有的高溫反應(yīng)特性，是評(píng)價(jià)鐵礦石對(duì)燒結(jié)礦各項(xiàng)冶金性能影響的基本指標(biāo)，主要包括同化性、液相流動(dòng)性、粘結(jié)相強(qiáng)度、連晶性能和鐵酸鈣生成能力。鐵礦石的同化性是指鐵礦石在燒結(jié)過(guò)程中的低熔點(diǎn)液相生成能力，即鐵礦石礦物、脈石與CaO的反應(yīng)能力[1-2]。鐵礦石的液相流動(dòng)性是指在燒結(jié)過(guò)程中鐵礦石生成粘結(jié)相的流動(dòng)能力。鐵礦石的粘結(jié)相強(qiáng)度是指鐵礦石在燒結(jié)過(guò)程中形成的液相粘結(jié)其周圍的核礦石的能力。鐵礦石的連晶強(qiáng)度是指鐵礦石在燒結(jié)過(guò)程中靠晶鍵連接獲得強(qiáng)度的能力。鐵礦石的鐵酸鈣生成特性是指在燒結(jié)過(guò)程中復(fù)合鐵酸鈣的生成能力。鐵礦粉燒結(jié)的理論和實(shí)踐均表明，根據(jù)鐵礦石各種性能的不同，可以對(duì)燒結(jié)生產(chǎn)配礦進(jìn)行優(yōu)化，以有效地改善燒結(jié)礦的強(qiáng)度和冶金性能[3-4]。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外科技工作者對(duì)礦石熱態(tài)性能做了大量的研究，研究的基本思路和方法主要有以下幾種：（1）Takayuki MAEDA，Yoichi ONO等將粉狀的化學(xué)試劑按設(shè)定的成分混合，壓制成直徑45～47 mm的壓塊，然后放入鎂質(zhì)坩堝中加熱到1 300 ℃，用來(lái)研究鐵酸鈣及孔洞的情況，該方法還對(duì)壓塊做了還原性測(cè)定；（2）日本的Fumio MATSLJN0等人將各種原料粉碎至0.125 mm以下，配料混勻后，把約15 g的混合料在鋼模中壓成直徑15 mm的小餅，然后放到電爐中加熱到所需溫度，最后通過(guò)顯微鏡，X一衍射、EPMA進(jìn)行觀察并檢查結(jié)果；（3）北京科技大學(xué)燒結(jié)球團(tuán)研究室將各種原料粉碎至一定粒度后，利用自行設(shè)計(jì)的微型燒結(jié)裝置(紅外線加熱爐)研究了它的同化性能、液相流動(dòng)性能、粘結(jié)相強(qiáng)度性能、鐵酸鈣生成性能；（4）東北大學(xué)研究者將各種原料粉碎至一定粒度后，利用熔體物性綜合儀主要研究了它的粘結(jié)相強(qiáng)度；（5）中南大學(xué)燒結(jié)球團(tuán)研究所利用壓團(tuán)——管爐焙燒方法，將各種原料粉碎至一定粒度后，主要研究了鐵酸鈣開(kāi)始大量生成的溫度、鐵酸鈣最大生成溫度、鐵酸鈣最大生成量、鐵酸鈣大量生成的溫度區(qū)間等性能。

2 試驗(yàn)設(shè)備及研究方法

選部分鐵礦粉進(jìn)行燒結(jié)基礎(chǔ)特性研究。研究的內(nèi)容包括鐵礦石的同化特性、液相流動(dòng)特性、粒度變化對(duì)流動(dòng)性影響、礦石之間交互反應(yīng)、融化速度等，并對(duì)其進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。

2.1 試樣制作

CaO為化學(xué)純?cè)噭⒌V粉來(lái)源于安鋼原料場(chǎng)。將試驗(yàn)所用的鐵礦粉在110 ℃的烘箱內(nèi)干燥2 h，冷卻后研磨并篩分，取小于100 目的礦粉和小于100 目的CaO作為試驗(yàn)用樣品，皆放入干燥皿保存。小餅試樣的稱重采用精確到萬(wàn)分之一的電子天平。小餅試樣的壓制采用“干粉壓制法”。壓制小餅的壓力為10 MPa，并在此壓力下保持2 min。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)采用的主要試驗(yàn)設(shè)備有稱量裝置、壓制強(qiáng)度裝置、壓樣試驗(yàn)裝置和微型燒結(jié)法試驗(yàn)裝置。

2.3 研究方法

利用基礎(chǔ)特性、燒結(jié)杯等設(shè)備研究不同類型鐵礦粉的高溫物理和化學(xué)特征及行為，研究鐵礦粉的同化性、流動(dòng)性以及礦石粒度、成分、礦石交互反應(yīng)等對(duì)礦石同化性、流動(dòng)性的影響。

3 基礎(chǔ)試驗(yàn)研究

3.1 原料成分

礦石取自于安鋼原料場(chǎng)，選取幾種常用礦石作為研究對(duì)象，如俄羅斯堿精、邯刑精礦、巴卡、國(guó)王粉、楊迪粉、羅伊山粉、PB粉、南非粉、海南精礦，成分見(jiàn)表1。

表1 常用鐵礦粉成分 %

3.2 礦石基礎(chǔ)特性試驗(yàn)

3.2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

根據(jù)礦石基礎(chǔ)特性實(shí)驗(yàn)方法對(duì)原料進(jìn)行基礎(chǔ)特性試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 常用鐵礦粉的同化溫度和流動(dòng)性

3.2.2 結(jié)果分析

（1）同化溫度。鐵礦的同化性是指其在燒結(jié)過(guò)程中與（CaO）的反應(yīng)能力，它表征的是鐵礦在燒結(jié)過(guò)程中生成液相的難易程度。一般而言，同化溫度越高說(shuō)明鐵礦在燒結(jié)過(guò)程中生液相的溫度越高，與（CaO）的反應(yīng)能力越弱，反之，表示反應(yīng)能力越強(qiáng)。根據(jù)燒結(jié)鐵酸鈣適宜生成溫度理論（1 250～1 290 ℃）劃分，結(jié)合表2的數(shù)據(jù)可以看出，同化溫度較高的礦有：俄羅斯堿精、邯刑精礦等；同化溫度較低的有：國(guó)王粉、楊迪粉；同化溫度居中的有：南非粉、PB粉、海南精礦等。

（2）流動(dòng)性。是指在燒結(jié)過(guò)程中鐵礦石生成粘結(jié)相的流動(dòng)能力，以及鐵礦石在燒結(jié)過(guò)程中形成的液相粘結(jié)其周圍的核礦石的能力。它表征的是粘結(jié)相的“有效粘結(jié)范圍”和浸潤(rùn)性。一般液相流動(dòng)性較高時(shí)，其粘結(jié)周圍物料的范圍也越大，燒結(jié)礦強(qiáng)度提高；反之，鐵礦粉的液相流動(dòng)性過(guò)低，容易導(dǎo)致液相量不足，使燒結(jié)礦強(qiáng)度降低。粘結(jié)相的流動(dòng)性過(guò)大，對(duì)周圍物料的粘結(jié)厚度會(huì)變薄，燒結(jié)礦易形成薄壁大孔結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致燒結(jié)礦強(qiáng)度下降。從表2的數(shù)據(jù)來(lái)看，俄羅斯堿精和巴卡粉流動(dòng)性較差，在實(shí)驗(yàn)溫度下不流動(dòng)，其主要特點(diǎn)是礦石中的SiO2含量偏低，其次俄羅斯堿精含有較高M(jìn)gO，海南精粉流動(dòng)性較高，其特點(diǎn)是具有較高的SiO2和適宜的MgO，南非粉、國(guó)王粉、PB粉、邯刑精礦、楊迪粉流動(dòng)性適中；影響礦石流動(dòng)性的因素主要是SiO2含量，SiO2是液相生成的基礎(chǔ)，形成復(fù)合鐵酸鈣（SFCA）的必須條件，較高SiO2有利于生產(chǎn)較多的液相，因此流動(dòng)性較高，而在SiO2適中時(shí)，適宜的MgO含量可改善渣的流動(dòng)性，使得礦石流動(dòng)性增加。

從燒結(jié)角度，如果鐵礦粉與CaO的流動(dòng)性過(guò)弱，則在正常的燒結(jié)溫度和燒結(jié)時(shí)間下，由于產(chǎn)生的液相數(shù)量少，不利于燒結(jié)混合料的熔化粘結(jié)，從而影響燒結(jié)礦的固結(jié)強(qiáng)度；同時(shí)，由于高堿度燒結(jié)礦配入較多的CaO，若鐵礦粉的同化能力弱，就有可能因?yàn)榉磻?yīng)不完全而出現(xiàn)CaO殘余物(俗稱白點(diǎn))，它遇水后形成Ca（OH）2，導(dǎo)致燒結(jié)礦的破碎。反之，如果鐵礦粉的同化能力過(guò)強(qiáng)，則在正常的燒結(jié)溫度和時(shí)間下，會(huì)引起燒結(jié)過(guò)程中大量液相的快速形成，導(dǎo)致起固結(jié)骨架作用的核礦石減少以及燒結(jié)料層高溫透氣性惡化，從而影響燒結(jié)礦的產(chǎn)量和質(zhì)量。

3.3 礦石成分、粒度對(duì)基礎(chǔ)特性的影響

3.3.1 粒度對(duì)基礎(chǔ)特性影響

選擇以下幾種典型礦進(jìn)行粒度組成對(duì)礦石基礎(chǔ)特性影響的研究。粒度組成分為-100目，+100目?jī)煞N。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 粒度對(duì)礦石流動(dòng)性的影響 倍

從表3可以看出，隨著粒度的增大礦石的流動(dòng)變差，但對(duì)不同類型的礦石流動(dòng)性影響不同，對(duì)于結(jié)構(gòu)致密的巴西礦、南非礦，粒度變化對(duì)流動(dòng)性較大，對(duì)于結(jié)構(gòu)松散，結(jié)晶水含量較高的褐鐵礦超特粉來(lái)講，影響較小。因此在配礦是需要對(duì)礦石的粒級(jí)組成進(jìn)行檢測(cè)及分析。

3.3.2 Al2O3對(duì)基礎(chǔ)特性影響

隨著礦石開(kāi)采，優(yōu)質(zhì)資源變少，礦石開(kāi)始出現(xiàn)劣化，同類礦的Al2O3開(kāi)始升高，因此，進(jìn)行了Al2O3含量變化對(duì)礦石流動(dòng)性的影響研究。選擇幾種典型礦為對(duì)象：褐鐵礦（超特粉）、赤鐵礦（南非粉）、磁鐵礦（海南精），實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 Al2O3對(duì)礦石流動(dòng)性的影響 倍

從表4可以看出，配加Al2O3后超特粉流動(dòng)性變化不大，這可能與超特粉自身Al2O3含量較高有關(guān)，南非粉配加Al2O3流動(dòng)性變化較大，南非粉自身含Al2O3較低，可能與增加Al2O3后SFCA生成增加，流動(dòng)改善；而海南精礦配加Al2O3流動(dòng)性降低，海南精粉流動(dòng)本身很好，Al2O3添加入后影響了其流動(dòng)性。

3.4 不同類型礦石搭配后對(duì)基礎(chǔ)特性的影響

褐鐵礦是近年來(lái)原料結(jié)構(gòu)中使用比例較高的礦種，鑒于此，研究了不同典型礦與褐鐵礦搭配混合礦的流動(dòng)性變化，配比按照1:1，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 不同類型礦搭配對(duì)流動(dòng)性影響

從表5可以看出，不同類型的礦石搭配后，海南精粉、巴卡與超特搭配后流動(dòng)性的加權(quán)值與實(shí)驗(yàn)值變化較大，這說(shuō)明兩者之間發(fā)生強(qiáng)烈的反應(yīng)；南非與超特粉搭配后，流動(dòng)性加權(quán)值與實(shí)驗(yàn)值略有變化，說(shuō)明兩種礦之間交互反應(yīng)不強(qiáng)烈。

3.5 熔化速率研究

礦石的熔化速度對(duì)燒結(jié)過(guò)程有著重要的影響，因此有必要進(jìn)行研究。其表征為開(kāi)始熔化時(shí)間至熔化終了時(shí)間的間隔，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 熔化速度 min

從表6可以看出，南非粉的熔化速度較慢，超特粉熔化速度居中，海南精粉的熔化速度最快；原因分析南非粉較為致密，反應(yīng)速度較慢，超特粉為褐鐵礦，隨結(jié)晶水析出，孔隙率較多，有利于提高反應(yīng)，海南精粉是磁鐵礦，粒度較細(xì)，且含有較高的FeO，另外，含有較高的堿金屬（0.17%),這些因素可能是造成熔化速度快的原因。較高的熔化速度可能會(huì)迅速的形成液相，但當(dāng)配加量過(guò)大時(shí)，會(huì)因?yàn)橐合嗔康倪^(guò)大，造成燒結(jié)料層透氣性惡化。

4 結(jié)論

（1）褐鐵礦具有較低的同化溫度和較高的流動(dòng)；巴西礦由于結(jié)構(gòu)致密，具有較高同化溫度；高M(jìn)gO資源具有較高同化溫度；國(guó)內(nèi)精礦含有鏡鐵礦的資源具有較高的同化溫度。

（2）流動(dòng)性與礦石的SiO2、結(jié)晶水等有關(guān)，巴西較高SiO2資源具有較高的流動(dòng)性；安鋼用資源絕大部分具有較好的流動(dòng)性。

（3）適宜的MgO可以增加礦石的流動(dòng)性，但過(guò)高M(jìn)gO由于液相形成溫度過(guò)高，使得流動(dòng)性變差。

（4）同化溫度較低、流動(dòng)性較好的褐鐵礦與同化溫度較高的巴西資源和國(guó)內(nèi)資源搭配使用效果較佳。