鈣質熔劑類型對鐵礦石燒結高溫基礎性能的影響研究

任玉明，李長武

（天津市新天鋼聯合特鋼有限公司，天津 301500）

0 引言

2020年，我國進口鐵礦石超過11.5億噸，達到歷史新高。鐵礦石種類繁多且品質參差不齊，優化各類鐵礦石的配比，對所有鋼鐵企業來講都是要重點研究的課題[1]。現階段以礦物質高溫基礎性能為指導的優化配礦法成為了主流方法，鐵礦石的同化性和液相流動性對其燒結過程具有重要指導意義[2-4]。鐵礦石的同化性反映了燒結過程中含鐵原料和鈣質熔劑反應的難易程度，同化性強的鐵礦粉與CaO結合生成低熔點的液相更加容易；而液相流動性反映了燒結過程中生成的黏結相的流動能力，液相流動性強代表燒結礦液相的黏度低。

目前同化性和液相流動性的研究已有大量試驗和理論[5-8]，但改變石灰類型的研究有所欠缺。張建良等人應用活性生石灰強化燒結超厚料層生產實踐研究發現：熔劑結構采用活性生石灰有利于增加燒結料層厚度,燒結機利用系數接近1.9t/（m2·h），固體燃耗接近40kg/t[9]。陳強等人對熟熔劑逐步代替生熔劑進行了試驗研究，結果表明：隨著生石灰配加量提升，燒結料層垂直燃燒速度和燒結機利用系數分別有所提高[10]。趙滿祥等人通過變熔劑配比燒結實驗研究，得到了最適合首鋼公司遷鋼燒結生產的燒結礦熔劑結構和配礦方案[11]。

為了探究鈣質熔劑的類型對鐵礦粉高溫基礎性能的影響，本文分別選取生石灰和熟石灰作熔劑，對磁鐵礦和赤鐵礦開展同化性和液相流動性的研究，以期為燒結熔劑結構優化提供支撐。

1 試驗原料與方法

1.1 實驗原料

實驗所用原料共4種，包括磁鐵礦粉、赤鐵礦粉、高活性生石灰（CaO）以及熟石灰（Ca（OH）2），其主要化學成分如表1所示，表中A為磁鐵礦粉、B為半赤半褐鐵礦粉。由表1可以看出：A礦的鐵品位相對較高，為65.7%，且A礦的FeO、SiO2、MgO含量顯著高于B礦；B礦中Al2O3含量達到了2.4%，且B礦燒損較高，達到了6.15%。

表1 燒結原料化學成分檢測結果

1.2 研究方法

1.2.1 最低同化溫度檢測

檢測最低同化溫度的實驗儀器為微機灰熔融性測定儀。首先利用瑪瑙研缽將4種原料分別研磨成粒度組成為-200目占100%的粉末，將鐵礦粉末制成三角錐形狀。取適量熔劑粉末在一定壓力下壓制成小餅。將鐵礦粉三角錐放在熔劑小餅上部中央，設定升溫制度，直到同化反應開始為止[12，13]。通過自動攝像裝置捕捉鐵礦粉三角錐倒下的圖像（如圖1所示）。本次試驗是以鐵礦粉三角錐迅速倒落為同化特征，此時的溫度為最低同化溫度。

圖1 鐵礦粉同化性能檢測示意圖

1.2.2 液相流動性檢測

液相流動性能實驗裝置為微型燒結實驗裝置。首先將樣品烘干，然后將其粉碎成粒徑小于-100目的粉末；將燒結物料堿度設為4.0配料，混勻后取適量樣品，利用不銹鋼模具在一定壓力下壓制成圓柱狀樣品；將樣品按照液相流動性升溫曲線（如圖2所示）加熱。反應后按照流動面積計算液相流動性指數，其計算公式如下：

圖2 液相流動性升溫曲線

式中：L為鐵礦粉液相流動性指數；S1為試樣原面積；S2為試樣反應后面積。

2 實驗結果與討論

2.1 熔劑微觀形貌

圖3為熟石灰和生石灰樣品掃描電鏡觀察結果。由圖3可以看出生石灰和熟石灰微觀形貌差異較大。生石灰顆粒分明且密集，顆粒尺寸相對較小，粒度均勻，整體孔隙較多，氣孔率高，這也就使得生石灰反應性、活性度等冶金性能指標良好；而熟石灰中發生了明顯的粘連黏結現象，單粒度并不均勻，且含有一定玻璃相，致使整體氣孔率降低，這也就使得熟石灰的反應能力相對較弱。

圖3 熟石灰和生石灰微觀形貌觀察結果

2.2 同化性實驗結果分析

圖4為熟石灰和生石灰與兩種鐵礦粉反應同化性能檢測結果。檢測結果顯示：無論是磁鐵礦粉還是赤鐵礦粉，生石灰都更易與礦粉中的鐵氧化物發生反應，最低同化溫度相對較低；磁鐵礦粉條件下，生石灰最低同化溫度相比于熟石灰要低22℃；赤鐵礦粉條件下，生石灰最低同化溫度相比熟石灰低83℃。整體來看，生石灰由于晶粒尺寸更細，活性CaO含量更多，具有更高的表面能，這就使得在升溫燒結過程中更易與兩種典型鐵礦粉發生相關反應，而高活性生石灰的結構特點為氣孔率大、體積密度小，使得其與鐵氧化物間的反應面積更大，反應更快且充分。

圖4 熟石灰和生石灰與鐵礦粉同化性檢測結果

2.3 液相流動性實驗結果分析

圖5為熟石灰和生石灰對兩種典型鐵礦粉液相流動性能檢測示意圖?；跈z測結果，對樣品進行液相流動性指數計算，得到了如圖6所示的液相流動性能檢測結果。由圖6可以看到，生石灰對兩種鐵礦粉液相流動性有著促進作用。磁鐵礦粉條件下，配加生石灰熔劑時鐵礦粉液相流動性指數達到2.35，而配加熟石灰熔劑時僅為2.00；赤鐵礦粉條件下，配加生石灰熔劑時鐵礦粉液相流動性指數為1.62，而配加熟石灰熔劑時為1.39，雖然能夠表明生石灰對赤鐵礦粉液相的促進作用大于熟石灰，但影響相對較小、改善情況不明顯[14]。

圖5 鐵礦粉液相流動性檢測示意圖

圖6 熟石灰和生石灰與鐵礦粉液相流動性檢測結果

2.4 不同鈣質熔劑對燒結成品礦物相組成影響分析

不同鈣質熔劑對燒結成品礦物相組成影響實驗采用掃描電鏡進行分析，圖7為不同鈣質熔劑條件下鐵礦粉液相流動性樣品內部礦相分布。由圖7可以看到，雖然樣品為壓塊，但礦相中仍存在有部分微孔。生石灰條件下，礦相中多為微孔或小孔；而在熟石灰條件下，由于樣品粘連度較高，故其內部氣孔多為大孔，從物相結晶角度來講，微孔更有利于針狀鐵酸鈣物相的生成[15,16]。配加生石灰條件下，樣品內部鐵酸鈣物相與鐵氧化物交織分布，鐵酸鈣物相多為針狀或枝晶狀，物相分布均勻，富鐵結構的復合鐵酸鈣（即SFCA-I）含量較高，這對燒結成品礦的強度及冶金性能均呈現有利影響；配加熟石灰條件下，雖然仍存在有大量鐵酸鈣礦物相，但礦物相中復合鐵酸鈣多為板柱狀或片狀結構，且富鈣結構的復合鐵酸鈣礦物相占比相對更多，這對燒結成品礦的強度及還原性能呈現不利影響。

圖7 不同鈣質熔劑條件下鐵礦粉液相流動性樣品內部礦相分布

3 結語

通過不同鈣質熔劑對磁鐵礦和赤鐵礦同化性和液相流動性影響的研究，并對研究實驗結果進行分析，獲得了生石灰和熟石灰作為燒結熔劑時對典型鐵礦粉同化性和液相流動性的影響規律。

（1）通過掃描電鏡觀察發現，生石灰和熟石灰微觀形貌差異較大。生石灰顆粒分明且密集，顆粒尺寸相對較小且均勻，整體氣孔率高；而熟石灰中發生了明顯的粘連黏結現象，單粒度并不均勻，致使整體氣孔率降低。

（2）生石灰和熟石灰與鐵礦粉反應同化性能檢測結果可以看出：無論是磁鐵礦粉還是赤鐵礦粉，生石灰都更易與鐵礦粉中的鐵氧化物發生反應，最低同化溫度相對較低。

（3）液相流動性能檢測結果表明：生石灰對兩種鐵礦粉液相流動性都有著促進作用。生石灰對磁鐵礦粉液相流動性改善效果更為明顯，液相流動性指數較熟石灰高0.35，但對赤鐵礦粉液相流動性改善效果不明顯，液相流動性指數較熟石灰高0.23。

（4）通過掃描電鏡可以看出：不同鈣質熔劑對燒結成品礦物相組成影響較大。配加生石灰時，燒結成品礦物相為鐵酸鈣與鐵氧化物交織分布，鐵酸鈣礦物相多為針狀或枝晶狀且分布均勻，富鐵結構的復合鐵酸鈣（即SFCA-I）含量較高；配加熟石灰時，燒結成品礦物相中復合鐵酸鈣多為板柱狀或片狀結構，不利于燒結成品礦強度及還原性能。