SiO2 對鐵礦燒結質(zhì)量的影響

郭小龍

（河鋼宣鋼煉鐵廠，河北 張家口 075100）

燒結是現(xiàn)代大型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)中必不可少的一道工序，在我國的高爐含鐵爐料中，燒結礦所占比例達到80%以上。燒結工藝復雜、影響因素眾多。原材料是燒結質(zhì)量的一個最主要的因素，目前我國的生產(chǎn)中以進口礦為主，目前我國也成為世界上最主要的鐵礦石進口國，尤其是2019 年鐵礦進口額在度創(chuàng)新高，累計進口鐵礦石10.7 億噸，進口金額1014.6 億美元。隨著鐵礦石進口量的遞增，優(yōu)質(zhì)鐵礦石出現(xiàn)明顯劣質(zhì)化的同時，部分低劣的新礦種也開始投入市場，由于成本限制低價物料的大量使用，使燒結礦SiO2含量整體呈升高趨勢。本文基于燒結礦微觀結構結合生產(chǎn)實際，探討SiO2對燒結礦性能質(zhì)量的影響。

1 SiO2對燒結礦微觀結構的影響

相關實驗研究通過取配礦燒結試驗成品礦進行礦相鑒定和能譜分析，探究了SiO2含量對燒結礦微觀結構的影響。當SiO2含量從4.83%逐步增加到5.77%的過程中，燒結礦微觀結構發(fā)生了顯著的變化。當SiO2含量為4.83%時，顯微結構較為不均勻，黏結相主要為片狀赤鐵礦，伴隨著少量的熔蝕狀與條狀鐵酸鈣。隨著含量的提升，鐵酸鈣與赤鐵礦的交織熔蝕結構的均勻性得到一定的提升，并且伴隨著針狀鐵酸鈣的逐步發(fā)展。SiO2含量的進一步增加，熔蝕狀與針狀均勻交織，鐵酸鈣、硅酸鹽比例大幅增加，伴隨著赤鐵礦的減少。對具體的微觀結構的影響如下。

1.1 SiO2 對鐵酸鈣的影響

首先是對鐵酸鈣的影響，燒結礦中以鐵酸鈣與磁鐵礦形成的交織熔蝕結構為主要礦相。工藝實踐表明SiO2的含量提高，針柱板狀和板片狀的鐵酸鈣含量均產(chǎn)生顯著的降低現(xiàn)象，但粒裝的鐵酸鈣含量沒有顯著的變化，保持穩(wěn)定。在筆者實踐的工藝中，從數(shù)據(jù)來看，SiO2的含量一般在4-6%之間，在逐步的提升過程中，針柱板狀的比例從20%降低到13%，而對應的板片裝從15%降低到8%左右，粒裝的鐵酸鈣維持穩(wěn)定，有小幅度的波動，在8.8-10.4%之間。從原理上解釋，SiO2含量對鐵酸鈣生成量的影響比較大，但工藝生產(chǎn)中有些不同的分歧，但是從共識來看，鐵礦粒度較粗時SiO2含量越高越能夠促進鐵酸鈣的含量生成，但是到一定趨勢后就會隨之減少。而如果鐵礦粒度較細時，SiO2含量越高，則鐵酸鈣的含量就越少。SiO2能夠和低價鐵氧化物發(fā)生固相反應生成低熔點化合物，這也是影響鐵酸鈣含量的原因。

1.2 SiO2 對磁鐵礦的影響

其次是對磁鐵礦的影響，磁鐵礦，是指氧化物類礦物磁鐵礦的礦石，屬等軸晶系。磁鐵礦主要呈板狀，并存在少量的粒狀、塊狀磁鐵礦。在筆者實踐的工藝中，SiO2的含量提升下，局部磁鐵礦連晶現(xiàn)象明顯，與鐵酸鈣熔蝕發(fā)展為板片狀。從原理解釋來看，SiO2的含量提升下，促進鐵酸鈣與磁鐵礦交織熔蝕結構的形成，針狀鐵酸鈣熔蝕交織以及與粒狀鐵酸鈣粘結部分中的磁鐵礦晶粒都有所發(fā)展，并且在燒結的過程中發(fā)育良好，這也是磁鐵礦含量增加的主要原因。

1.3 SiO2 對赤鐵礦的影響

三是對赤鐵礦的影響，赤鐵礦主要以大塊的板狀為主，在筆者實踐的工藝中，赤鐵礦在SiO2的含量從4-6%的含量提升過程中有顯著的含量提升現(xiàn)象，但是有一定波動，從15.9%-17.2%，總體的幅度也不大。在實踐工藝中，SiO2對赤鐵礦的含量的影響機制尚不明確，對微細粒赤鐵礦還原過程的影響規(guī)律仍然不清楚。一些研究實驗表明，SiO2的存在對赤鐵礦還原-分選有著顯著的不利影響，采用反應活性較好的煙煤作還原劑，可以降低SiO2對還原-分選指標的影響。

1.4 SiO2 對硅酸鹽的影響

四是對硅酸鹽的影響。硅酸鹽粘結相分散填充在板狀赤鐵礦、磁鐵礦、鐵酸鈣之間，硅酸鹽仍以鈣鐵橄欖石為主，各結構類型均有發(fā)展。在本文的實踐工藝中，SiO2含量從4-6%的增加過程中，硅酸鹽的含量從8.3-15.3%。，燒結礦堿度較低，硅酸鹽含量增加，硅酸鹽形成帶走了部分CaO，使得參與生成鐵酸鈣的CaO 減少，因此鐵酸鈣生成量減少，轉(zhuǎn)鼓強度大幅度降低。

綜上，SiO2含量在4.83%～5.77%的提升過程中，微觀結構的均勻性有很好的改善，赤鐵礦結構由片狀向熔蝕狀變化，鐵酸鈣結構由熔蝕狀向針柱狀改善，這是一個黏結相由赤鐵礦向鐵酸鈣發(fā)展的過程。

2 SiO2對燒結強度和還原性能的影響

2.1 對燒結強度的影響

燒結礦是一種由多種礦物組成的復合體，礦物組成成分不盡相同，影響燒結礦強度的因素主要是其液相組成，理論上在生產(chǎn)普通燒結礦時主要的液相組織對燒結礦強度最好的還是鐵酸鈣液相，而SiO2含量對于微觀結構所產(chǎn)生的影響自然會使得強度上受到影響，在燒結時混合料的SiO2含量如果低于5.0%那么這樣的燒結就是低硅燒結。但考慮到我國的國情實際，在生產(chǎn)中的鐵精粉的硅普遍含量較高，冶煉成本大幅度上升，企業(yè)效益明顯下降。

北京科技大學的一項實驗研究表明，當SiO2含量在4.8%、5.0%、5.4%和5.7%的逐步提升過程中，在1.8、1.9 和2.0 三個堿度水平下，著SiO2含量的增加及二元堿度的縱向變化，SiO2含量對燒結礦轉(zhuǎn)鼓強度的影響逐步提升，在更高的SiO2含量下，液相量增多，通過足夠的液相可將其鄰近的鐵精粉黏結起來。粘結相強度，對燒結礦的強度有著十分重要的影響。粘結相的量增多，使得燒結礦強度升高。因此SiO2含量在4.8%～5.7%范圍內(nèi)，適當提高燒結礦堿度有利與燒結礦轉(zhuǎn)鼓強度的提高.SiO2含量提升促進其在鐵酸鹽中溶解，對鐵酸鹽液相流動性的影響因鐵酸鹽組成而異，在高硅低堿度下仍具有較高的流動性，原因是SiO2含量提升導致CaO 配入量的增加，使得燒結礦中CaO 與Fe2O3的摩爾比增加，摩爾比為1.5 倍認為是最佳流動性的狀態(tài)，在沒有雜質(zhì)的情況下，生成流動性最佳，有利于促進燒結液相的生成，降低液相流動溫度。另外一項實驗表明，隨著SiO2含量持續(xù)提升，摩爾比變化下，鐵酸鹽液相流動性出現(xiàn)轉(zhuǎn)變。其原理是：較高的鐵礦粉生產(chǎn)自熔性燒結礦時，雖然液相量和粘相都不少，但SiO2就會與熔劑中的CaO 結合生成正硅酸鈣，存在相變問題，使體積膨脹10%，燒結礦內(nèi)產(chǎn)生的很大的內(nèi)應力，反而會造成強度的降低。這一結果表明，此類鐵酸鹽需要適當控制其中的SiO2含量。

2.2 對還原性能的影響

燒燒結礦的轉(zhuǎn)鼓強度和低溫還原粉化性總體呈降低趨勢，但燒燒結礦SiO2含量超過5%時低溫還原粉化性有所提高。但其總體的機理表現(xiàn)是十分復雜的。當鐵礦粉中含有一定數(shù)量的SiO2時，當SiO2的提升硅酸鹽提升、鐵酸鈣減少，在燒結過程中會產(chǎn)生足夠數(shù)量的液相，實際上是有利于促進燒結強度的提升。當含量持續(xù)提升，極易與熔劑中的CaO 在燒結時形成2CaO·SiO2，另一方面使得液相中質(zhì)點擴散的速度減慢，惡化了硅酸鹽析晶的環(huán)境，致使玻璃相含量增加，影響燒結強度。同時，SiO2將發(fā)生α →γ 型和β →γ 型的晶型轉(zhuǎn)變，晶型轉(zhuǎn)變后，密度減小，體積增加，使得內(nèi)部存在較大的空隙結構，在燒結礦內(nèi)引起很大的內(nèi)應力，從而使得燒結礦強度降低。當SiO2的含量＞3%時，鐵酸鈣明顯地由塊狀向針狀發(fā)展。一般認為:精礦中的SiO2的含量以4%—5%為宜。高SiO2含量條件下礦物組成與顯微結構的變化較為復雜，大量磁鐵礦發(fā)展為連晶形式，硅酸鹽中玻璃相的比重明顯增加。同時，板狀鐵酸鈣作為抵御裂紋擴展能力最差的結構之一，其裂紋生成情況在還原過程中顯著發(fā)展，高含量條件下該結構比例的大幅減少對改善低溫還原粉化有著積極意義。另外，討論SiO2也需要考慮到材料之間的交互作用，有研究和工藝實踐表明通過控制Al2O3/SiO2的比值，可以有助于針狀鐵酸鈣的生成，這提示了在工藝生成過程中，有針對性的控制Al2O3/SiO2的比值，可以提升燒結效率和強度。

2.3 對低溫還原粉化性的影響

高還原性的爐料是高爐冶煉的理想精料，還原性作為一項重要的指標，在SiO2含量的變化下，燒結礦的還原性也會受到一定的影響。自熔性燒結礦和高堿度燒結礦的生產(chǎn)技術可以保障保證燒結礦擁有良好的還原性，燒結礦中的SiO2可以和Al2O3一起固熔到鐵酸鈣相中，形成還原性較好的復合鐵酸鈣系礦物，更有利于高爐順行和增產(chǎn)。研究表明，SiO2含量的增加，燒結礦的還原性在4.8%、5.0%、5.4%和5.7%的逐步提升過程中有顯著的降低趨勢，解釋原因在于當SiO2的含量提升，在燒結過程中會生成低熔點的硅酸鹽類液相，影響燒結礦的軟熔性能，使燒結礦過早的軟熔，堵塞氣孔，降低燒結礦的中、高溫還原性。同時也要注意到，堿度在1.8 ～2.0 時，燒結礦還原性能隨堿度的增加是提高的。這是因為高堿度燒結礦的熔體表面張力較大，不會形成薄壁大孔結構，因而有更好的還原性。

3 結語

綜上，近年來，隨著我國煉鐵生產(chǎn)能力大幅度提高，中國已逐漸成為全球最大的鋼鐵生產(chǎn)國、消費國。原料是高爐煉鐵工藝的重中之重，由于近年來高品質(zhì)鐵礦石資源日益匱乏，國內(nèi)鋼廠由于成本壓力大，增加低品質(zhì)低價礦粉比例，燒結礦SiO2是整體升高的趨勢。適當含量的SiO2有助于提高燒結成效，但具體的工藝過程中還有一些不明之處。從研究成效來看，SiO2對燒結強度等影響表明，在含量從4.8-6.0%的增加過程中，燒結礦微觀結構的均勻性逐漸改善，燒結強度有所提升，但還原性有所降低，低溫粉化性得到一定的改善。這四項指標對燒結質(zhì)量都會產(chǎn)生影響，而要做出取舍和最優(yōu)平衡的搭配，在具體參數(shù)上還需要更多的工藝實踐來確定。