FeO含量對燒結礦冶金性能影響研究

余 駿 孟 飛 陳生利 萬 新

(1.廣東韶關鋼鐵公司煉鐵廠，廣東 韶關 512123；2.重慶科技學院，冶金與材料工程學院，重慶 401331)

0 引言

隨著鋼鐵工業的發展，高爐對入爐原料質量要求越來越高，不僅要求入爐料含鐵品位高、冷態強度好、化學成分穩定，粒度均勻、有害雜質少，而且還要具有良好的高溫冶金性能，保證礦石原料在高爐爐身預熱及爐腰還原等過程中不因強度劣化而影響高爐順行與生產技術指標[1]。燒結礦作為高爐生產的最主要原料之一，其冶金性能的好壞直接決定著高爐是否順行與優質高產。燒結礦的冶金性能包括還原性(RI)、低溫還原粉化率(RDI)、荷重還原軟化性能和熔融滴落性能。

FeO作為燒結礦的一種重要成分，其含量是燒結礦性能最重要評價指標之一[2-6]。國內外許多學者對于FeO對燒結礦性能的影響進行了研究，結果表明：FeO 對燒結礦性能有雙重影響，FeO含量過高或過低均不利于燒結礦產質量及冶金性能，在原、燃料及燒結生產工藝不變的條件下，燒結礦中FeO含量應保持在一個合理范圍[2-4]。當FeO含量較高時，燒結礦低溫還原粉化性能較好，但還原性變差；當FeO含量較低時，燒結礦還原性變好，但會惡化低溫還原粉化性能，不利于高爐生產與順行[5-8]。為此，基于某鋼鐵公司現場所生產的燒結礦，研究分析FeO含量對燒結礦還原性(RI)、低溫還原粉化率(RDI)、荷重還原軟化性等冶金性能的影響，探討了韶鋼目前燒結原、燃料及工藝條件下燒結礦適宜FeO含量。

1 實驗原料與方法

1.1 實驗原料

實驗中所用燒結礦均取自于某鋼鐵公司5#燒結機連續一個月所生產的燒結礦，且分別取自于機頭、機中和機尾三個位置。由于該公司每半個月進行一次換堆作業，故該批燒結礦均來自于兩種不同配礦結構的混勻鐵礦粉，其中1～9號燒結礦所用鐵礦粉為混勻鐵礦粉1，10～16號燒結礦所用鐵礦粉為混勻鐵礦粉2，配礦結構如表1所示。兩組不同混勻鐵礦粉所配熔劑、燃料以及5#燒結相關參數如表2所示。實驗中所用16組燒結礦成分如表3所示，由于燒結過程中配料存在一定波動，且取樣位置不同會導致燒結礦成分有所變化。

表1 混勻鐵礦粉配礦結構(質量分數) %

表2 5#燒結機主要參數及配料方案

表3 5#燒結機不同取樣時間和位置的燒結礦成分(質量分數) %

1.2 實驗方法

1.2.1 還原性測定

燒結礦的還原性主要按照國標(GB/T13241-2017)標準進行。稱取500±1 g 粒徑為10.0～12.5 mm燒結礦試樣。在900±10 ℃下還原3 h。實驗過程中，通入的還原氣體成分為30%±0.5% CO和70%±0.5% N2，還原性氣體的流量為15±1 L/min。實驗完成后稱量試樣質量，利用減重法測定燒結礦還原度。同一批試樣分兩組測定取平均值，并保證兩次結果誤差絕對值不超過5%。

續表

1.2.2 低溫還原粉化率測定

按照國標(GB/T13242-2017)稱取10～12.5 mm燒結礦試樣500±1 g，在500±10 ℃下還原1 h。實驗中，還原氣體的成分為CO(20%±0.5%)和N2(60%±0.5%)，保持氣體流量為15±1 L/min。還原完成后，將試樣全部裝入轉鼓(Φ130 mm×200mm，轉鼓內有兩個高20 mm的擋板)，并以30 r/min的速度旋轉10 min。隨后采用孔徑6.3 mm、3.15 mm、0.5 mm篩分轉鼓后試樣，以+6.3 mm、+3.15 mm、-0.5 mm級的試樣質量與轉鼓前試樣的總質量之比作為燒結礦低溫還原粉化性能的評價標準。

1.2.3 熔滴性能測定

在高鋁質剛玉坩堝中先裝入20 mm焦炭(10.0～15.0 mm)，然后裝入50～60 mm粒度為6.3～10.0 mm的燒結礦，后再裝入20 mm 焦炭(10.0～15.0 mm)，進行還原實驗。實驗中，控制還原氣體流量為15 L/min，還原氣體成分為30% CO+70% N2。溫度小于900 ℃時，升溫速度為10 ℃/min，900 ℃時恒溫60 min，溫度大于900 ℃，升溫速度5 ℃/min；在400 ℃以下，通N2保護試樣，400 ℃通還原氣體。以試樣收縮4%時的溫度為開始軟化溫度，試樣收縮40%時的溫度為軟化終了溫度，兩者溫度差作為軟化區間。

2 結果與討論

2.1 FeO對燒結礦還原性的影響

由圖1和圖2可以看出，燒結礦的還原度與其中FeO含量成一定負相關關系。當燒結礦中FeO含量越高則燒結礦還原性越差；當燒結礦中FeO含量越低，則相反。這是因為燒結礦中FeO含量越高，則還原性較好的Fe2O3含量越少，因此燒結礦還原性變差。燒結礦各物相的還原性由高到低依次為：赤鐵礦>鐵酸鈣>磁鐵礦>鈣鐵橄欖石>硅酸鐵。燒結礦中的FeO主要存在于磁鐵礦、鈣鐵橄欖石和硅酸鐵等還原性較差的物相中，FeO含量增加，則這類還原性較差的物相增多，會造成燒結礦還原性變差。此外，有研究表明：FeO含量增加，燒結礦的結構會變得更為致密，也會致使燒結礦還原性降低[5,9]。

圖1 不同時間所取燒結礦的還原度RI與FeO含量

圖2 燒結礦中FeO含量與對應還原度RI之間擬合圖

2.2 FeO對低溫還原粉化率的影響

燒結礦低溫還原粉化率反映著燒結礦在高爐上部還原強度，是高爐上部透氣性的限制性環節，對高爐生產技術指標有著較大影響。而FeO含量是則燒結礦低溫還原粉化率的最主要影響因素之一。由圖3和圖4可知，燒結礦的RDI+3.15變化趨勢與燒結礦中FeO含量變化基本保持一致，即燒結礦的RDI+3.15與FeO成較明顯的正相關。當燒結礦中FeO含量高時，則低溫還原粉化指數RDI+3.15較好。這是因為燒結礦的粉化主要來源于還原過程中α-Fe2O3轉變成γ-Fe2O3和Fe3O4所引起的體積膨脹和晶格扭曲所帶來的內應力。燒結礦中FeO含量高時，表明礦物組成中Fe2O3含量低，可以減少因Fe2O3被還原而引起的體積膨脹和內應力變化所導致的粉碎。此外，FeO主要要來源于磁鐵礦、鈣鐵橄欖石、鈣鐵輝石等礦物，這幾類礦物冷強度均較好，在低溫還原條件下比較穩定，具有較好的抗粉化性，也可以進一步提高燒結礦的抗低溫還原粉化率[9]。

圖4 燒結礦中FeO含量與對應低溫還原

由圖3可以看出，2號樣品中燒結礦FeO含量較高，但其低溫還原粉化指數RDI+3.15仍然低于其他樣品，僅為71.95%。這是因為該燒結礦中MgO含量高達2.37%，Mg2+和Fe2+的離子半徑比較接近，Mg2+容易進入磁鐵礦晶格，賦存在磁鐵礦中形成鎂尖晶石[(Fe, Mg)O·Fe2O3]，穩定磁鐵礦晶格，使得磁鐵礦氧化為赤鐵礦的反應受阻，抑制了磁鐵礦中骸晶狀赤鐵礦的生成[10，11]，從而可以減少因赤鐵礦還原產生的體積膨脹而造成的燒結礦粉化。

圖3 不同時間所取燒結礦的低溫還原

2.3 FeO對軟熔性能的影響

燒結礦的軟熔性能是反映其在高爐爐身下部和爐腰部位軟化帶的透氣性，這部分的透氣阻力約占高爐總阻力損失的25%[2]，對高爐是否順行具有較大影響。由圖5可知，燒結礦的最低開始軟化溫度為1 032 ℃，最高開始軟化溫度為1 074 ℃，均低于一般燒結礦開始軟化溫度1 100 ℃，這表明5#燒結機所產生燒結礦軟熔溫度偏低。燒結礦軟化區間均大于150 ℃，高于燒結礦通常要求的軟化區間。這說明5#燒結機燒結礦軟化區間偏寬，容易導致高爐軟熔帶偏厚。這是因為燒結礦含有較多的FeO，FeO 含量越高，生成的低熔點化合物量越多。因此，FeO含量較高的燒結礦軟化開始溫度和融化開始溫度會相對較低，燒結礦的軟化溫度偏低，導致軟熔帶上移，高爐上部塊狀帶體積偏小。此外，燒結礦軟熔區間偏寬，入爐后易導致高爐軟熔帶較厚，爐料透氣性變差，不利于高爐順行。

圖5 不同時間所取燒結礦的軟熔性能

3 結語

1)5#燒結機的燒結礦的還原度與FeO含量成一定負相關關系。當燒結礦中FeO含量越高則燒結礦還原性越差；當燒結礦中FeO含量越低，則相反。

2)5#燒結機的燒結礦低溫還原粉化指數RDI+3.15與FeO含量成較明顯的正相關。當燒結礦中FeO含量高時，則低溫還原性粉化指數RDI+3.15較好。

3)燒結礦燒結礦的最低開始軟化溫度為1 032 ℃，最高開始軟化溫度為1 074 ℃，均低于一般燒結礦開始軟化溫度1 100 ℃。這是因為燒結礦FeO含量越高，生成的低熔點化合物量越多，導致燒結礦軟化開始溫度和融化開始溫度會相對較低。