熔劑配比對燒結礦質量的影響

李雪松

（唐山瑞豐鋼鐵有限公司 河北唐山063303）

1 前言

燒結工藝［1－2］是現代高爐冶煉高產降耗的有效手段之一，經該工藝生產的燒結礦是高爐生產最主要的原料，其質量和冶金性能對高爐強化冶煉，降低焦比，提高高爐煉鐵系統的經濟效益起著至關重要的作用［3］。要確保高爐的高效穩定運行，就必須對燒結礦質量提出更高的要求，保證還原性、強度、低溫還原粉化等重要的燒結質量指標較優，任何一項出現問題，就會對燒結礦的質量產生嚴重影響，影響高爐順行，進而影響經濟效益。優化燒結配礦［4－5］是改善燒結礦質量的主要途徑，是綜合考慮其化學成分，粒度組成，冶金性能等因素，將多種鐵礦粉與熔劑、燃料一起混合均勻，同時考慮各原料成本因素，按照符合燒結工藝指標和燒結質量要求進行配料和燒結，以生產出滿足高爐冶煉的高質量燒結礦［6－10］。

熔劑配比作為強化燒結生產，顯著影響燒結質量的指標，其提高能有效改善混合料的粒度組成、提高料溫、促進液相生成和降低固體消耗。熔劑要求質量穩定、粒度較小，在燒結過程中才能充分完全分解和有利于礦化反應的發生，否則會導致CaO以游離狀態殘留在燒結礦中，形成俗稱的“白點”。含有白點的燒結礦在貯存、運輸過程中，一旦與空氣接觸，就會與空氣中的水分發生消化反應生成Ca（OH）2，從而改變形態，破壞原有礦相結構，導致燒結礦體積膨脹，強度降低，進而惡化燒結礦低溫還原粉化性能。針對某鋼廠現場燒結礦低溫還原粉化率低，高爐冶煉技術經濟指標不優的問題，從熔劑結構優化角度研究生石灰配比對燒結的影響，探討生石灰配比對燒結工藝指標和燒結礦冶金性能的影響規律，以確定適宜的生石灰配比，以期為現場燒結提供理論基礎和技術支持，為從事燒結配礦領域研究的科研工作者提供重要參考。

2 實驗條件及方法

2.1 實驗原料及配比

實驗所用原料為某鋼廠現場燒結所用鐵礦粉，熔劑為生石灰、石灰石和白云石，燃料為焦粉和煤粉。其中燒結原燃料化學成分及基準配比如表1所示。實驗過程中，在保證燒結礦堿度1.9，MgO含量為2.32%的前提下，生石灰由4.0%增加至5.5%，配料方案列于表2。

表1 原燃料化學成分及基準配比（%）

表2 生石灰配比燒結實驗方案

2.2 實驗過程及方法

本實驗通過燒結杯實驗來模擬該鋼鐵企業的現場生產情況。燒結杯實驗工藝流程如圖1所示。本燒結杯實驗模擬現場條件，一混時間4min，二混時間3min，水分控制在7%左右，當混勻造球結束后，在圓筒混料機的底部、中間和入口處分別取料進行粒度篩分測定，要求最終制粒后的粒徑分布為3mm～5mm的生球占比70～80%。

圖1 燒結杯工藝流程圖

實驗采用φ300mm×600mm燒結杯，點火溫度1000℃，點火時間90s，點火負壓8kPa，燒結負壓12kPa，料層厚度600mm。燒結杯頂部放置約60g的焦炭以助燃加熱，以燒結廢氣溫度達到最高點并開始下降時定為燒結終點。之后進行落下性能檢測實驗，將燒結礦置于2m高處自由落下至鐵板，共計3次。隨后進行篩分（40mm、25mm、16mm、10mm、5mm的ISO3271標準方孔篩），以大于10mm的質量百分比作為燒結礦的成品率指標。取粒度10mm～25mm的燒結礦3kg置于φ1000mm×200mm的ISO標準轉鼓（1／5轉鼓）做轉鼓實驗。鼓后用6.3mm×6.3mm方孔篩篩分，以＋6.3mm的質量百分比作為燒結礦的轉鼓指數。燒結礦低溫還原粉化性能按照中國國家標準GB／T13241－91測定，以3.15mm×3.15mm標準篩篩上重量百分比作為燒結礦的低溫還原粉化指數指標（RDI＋3.15）。為確保試驗數據的準確和可靠，每個方案的燒結杯試驗均進行兩次。

3 實驗結果及分析

通過燒結杯實驗，獲得熔劑配比分別為生石灰4.0%、4.3%（基準含量）、4.5%、5.0%和5.5%條件下的燒結成品率、垂直燒結速度、轉鼓指數和低溫還原粉化指數RDI＋3.15等指標。

3.1 成品率

生石灰含量對成品率的影響如圖2所示。隨著生石灰含量的增加，成品率呈現先升高后下降的趨勢，生石灰含量在4.0%至4.5%時，成品率逐漸升高，由79.41%升高到82.40%，當生石灰含量在4.5%至5.5%時，成品率逐漸降低，由82.40%降低到81.19%。

圖2 生石灰含量對成品率的影響

生石灰主要成分是CaO，隨著生石灰含量的增高，燒結混合料中游離CaO含量增加，CaO與水發生消化反應，可以形成大量粒度極細的消石灰膠體顆粒，消石灰比表面積比消化前增大100倍左右，可以強化制粒效果，提高燒結混合料成球性能，改善并提高燒結原始料層透氣性，增加燒結礦產量；生石灰配加量增加，燒結混合料中游離CaO增多，形成大量的消石灰顆粒，可以與混合料中其他成分能更好地接觸，Ca（OH）2顆粒較粒度比粗的石灰石顆粒更易與其他成分生成低熔點化合物，液相流動好，更快發生固液相反應，加速燒結過程，提高成品率。因此，生石灰含量在4.0%至4.5%時，成品率隨生石灰含量的增加而升高。但生石灰用量過多，生球強度反而會變壞，在燒結布料和燒結過程中極易破碎，惡化燒結料層透氣性，因此當生石灰含量在4.5%至5.5%時，料層透氣性下降，導致成品率下降。

3.2 垂直燒結速度

生石灰含量對垂直燒結速度的影響如圖3所示。隨著生石灰含量的增加，垂直燒結速度呈現先升高后下降的趨勢。生石灰含量在4.0%至4.3%，垂直燒結速度由19.88mm／min升高到20.58mm／min；當超過生石灰含量4.3%時，垂直燒結速度開始下降，由4.3%時的20.58mm／min降低至5.5%的19.49mm／min。

圖3 生石灰含量對垂直燒結速度的影響

當生石灰含量在4.0%至4.3%時，垂直燒結速度增加是由于隨著生石灰含量的增加，遇水消化反應后的消石灰比表面積增大，可以更好地接觸混合料中的其他成分，且Ca（OH）2顆粒比粒度較粗的石灰石顆粒更易與其他成分生成低熔點化合物，固液相反應更快地進行，加快垂直燒結速度。但當生石灰含量4.3%至5.5%時，垂直燒結速度逐漸下降。這是由于生石灰發生消化反應后生成消石灰Ca（OH）2，Ca（OH）2極易吸收CO2生成CaCO3，釋放出水分。該反應過程發生在原始混合料帶，脫出來的水分隨著抽風又凝結在混合料中，增加過濕層厚度，降低垂直燒結速度。

3.3 轉鼓指數

生石灰含量對轉鼓指數的影響如圖4所示。隨著生石灰含量的增加，轉鼓指數呈現先升高后平穩再下降的趨勢，生石灰含量在4.0%至4.3%，轉鼓指數由64.79%升高到66.17%，當生石灰含量在4.3%至5.0%時，轉鼓指數維持在66.20%的水平波動，當生石灰含量由5.0%至5.5%時，轉鼓指數開始下降，由66.20%降低至64.43%。

圖4 生石灰含量對轉鼓指數的影響

配加一定量的石灰石可以提高燒結礦強度，改善燒結礦質量，這是因為石灰石分解產生CaO，其分解后產生的CaO活性高于生石灰中CaO活性，更易于鐵酸鈣液相的生成，改善了過高的透氣性，有利于反應的充分進行。但當生石灰含量4.0%時，石灰石含量（6.76%）較高，成球性能差，礦物結晶不完全，導致強度下降，轉鼓指數較低。隨著生石灰含量由4.0%增加至4.3%時，促進了液相反應進行，使燒結過程在較低溫度下獲得更多流動性好、粘結性高的液相，礦相更加均勻，有利于轉股指數的提高。繼續增加生石灰效果不太明顯。但是生石灰配比過高時，燒結速度過快，燒結過程中高溫保持時間過短，影響燒結礦強度，轉股指數下降。

3.4 低溫還原粉化指數RDI＋3.15

生石灰含量對低溫還原粉化指數RDI＋3.15的影響如圖5所示。隨著生石灰含量的增加，低溫還原粉化指數RDI＋3.15逐漸上升，低溫粉化性能得到明顯改善，RDI＋3.15由生石灰含量4.0%時的58.94%升高到5.5%時的67.72%。

圖5 生石灰含量對RDI＋3.15的影響

隨著生石灰含量的增加，燒結混合料中游離CaO增多，燒結礦時鐵酸鈣生成量增多，硅酸鹽含量相對減少，有利于降低硅酸鈣低溫還原時因γ－2CaO·SiO2轉變為β－2CaO·SiO2相變引起體積膨脹，從而改善燒結礦粉化的問題；CaO與Fe2O3反應生成鐵酸鈣，導致赤鐵礦含量降低，減少了赤鐵礦還原為磁鐵礦時產生地體積膨脹；同時，石灰石分解產生更多高活性的CaO，易與其他礦物發生礦化反應，生成低熔點物質，使得燒結礦中粘結相數量增加，從而抑制還原過程中體積膨脹，低溫還原粉化性能得到改善，RDI＋3.15指數升高。

3.5 機理分析

為了充分探究不同生石灰含量對燒結礦冶金性能的影響，利用SEM對燒結礦進行礦相分析，圖6是生石灰含量分別為4.0%、4.5%和5.5%的SEM－EDS分析結果，其中a點白色為鐵氧化物相，b點灰色為鐵酸鈣和復合鐵酸鈣相，c點黑色為硅酸鹽相。

圖6 不同生石灰含量的SEM－EDS圖

由圖可知，當生石灰含量4.0%時，固液相反應不充分，礦相結構不均勻。礦相中大量存在鐵的氧化物，赤鐵礦含量高，在高爐低溫區被還原成磁鐵礦體積膨脹，造成低溫還原粉化率高。少量分布不均勻熔蝕結構的鐵酸鈣在鐵氧化物周圍生成，使燒結礦強度受到影響，轉鼓指數低。當生石灰含量4.5%和5.5%時，礦相結構較均勻，以斑狀結構為主，CaO的增多粘結相中鐵酸鈣相含量逐漸增加，赤鐵礦含量降低，硅酸鹽含量降低，有利于減少低溫還原時赤鐵礦被還原造成的體積膨脹，同時也有利于降低硅酸鈣因γ－2CaO·SiO2轉變為β－2CaO·SiO2相變引起體積膨脹從而導致燒結礦粉化的現象，燒結礦的低溫還原粉化性能得到改善。

4 結論

1）生石灰和石灰石對燒結有不同的影響，在不同原料條件下合理使用，可以有效提高燒結礦質量，降低原料成本；

2）混合料中生石灰配比4.5%為最佳配比量，在生石灰含量4.5%條件下，成品率為82.40%，垂直燒結速度為20.02mm／min，轉鼓指數為66.10%，低溫還原粉化指數RDI＋3.15為64.48%；

3）生石灰配加量過多，消化反應劇烈進行，燒結料水分不易控制，影響燒結礦質量，原料成本也增加。