褐鐵礦的燒結特性試驗研究

侯雯希，梁斌珺

近年來，隨著鋼鐵行業在全球快速發展，日趨緊張的鐵礦資源，已經成為制約鋼鐵企業發展的重要因素。高配比褐鐵礦生產，已經成為各大鋼廠降本的主要手段，也是鋼鐵行業的必然趨勢。褐鐵礦燒損大、硅含量高、鐵品位低，燒結性能不佳，因此有必要解決大量配入褐鐵礦對燒結經濟技術指標帶來的不利影響。通過燒結優化配礦技術可使燒結性能相對比較差的褐鐵礦的配比增加到60%以上。鐵礦石的應用開始進入褐鐵礦時代，許多科技工作者已開展了高結晶水褐鐵礦的燒結基礎特性研究，以期通過褐鐵礦燒結的基本特性來研究褐鐵礦石在燒結過程中的變化。研究發現，褐鐵礦的燒結難度較大，褐鐵礦的同化反應在降低燒結礦產質量的同時，提高了燒結過程的燃耗。針對上述問題進行了一系列研究，結果表明可通過優化配礦和操作，改善燒結料層的透氣性，同時利用其產生的大量液相來提高燒結速度，從而可降低褐鐵礦自身所帶來的劣勢。

新鋼公司旗下子公司鐵坑生產的褐鐵礦輸送困難，燒結性能差，燒結廠消化量小于鐵坑產量，致使場地上囤積了大量鐵坑褐鐵礦。針對這種情況，進行了褐鐵礦燒結特性試驗研究，以期為現場高配比褐鐵礦的生產提供技術支撐。

1 原料性質及研究方法

1.1 原料性質

1.1.1 鐵礦粉化學成分及粒度組成

本次試驗用的鐵礦粉有楊迪礦、麥克粉、鐵坑褐鐵礦及PB粉等四種，從化學分析結果來看，試驗的幾種褐鐵礦的鐵品位均較低，燒損偏大。其中鐵坑褐鐵礦的全鐵品位最低，硅含量和燒損最高，分別為52.56%、12.46%、11.5%。麥克礦粉燒損最低，為5.28%，PB礦粉的全鐵品位最高，為61.52%。PB礦粉和麥克礦粉屬于半褐鐵礦。

由于礦石粒度較粗，試驗時采用干篩法測定原料的粒度組成，篩分時間為15min，從試驗結果來看，楊迪礦的粒度較粗，其+8mm的顆粒占19.13%，遠多于其它三種粉礦，而0.1-1mm的中間粒子的含量相對較少，且-0.1mm粒級部分只有很少的含量。鐵坑+8mm粒級含量最少，只有6.50%。麥克礦粉和Pb礦粉的+8mm粒級含量相差并不大，分別為9.26%和8.31%；Pb礦在0.5mm以上各粒級部分的含量均不同程度低于麥克礦，但-0.5mm部分的含量高于麥克礦，其中-0.1mm粒級更是以高達18.09%的含量與麥克礦的3.79%形成很明顯的差距。綜合來看，四種粉礦的粒度粗細順序為：揚迪礦＞麥克礦＞鐵坑褐鐵礦＞Pb礦。

1.1.2 溶劑、原料的化學成分及粒度組成

鎂石灰，生石灰，白云石，石灰石是新鋼燒結廠常用4種熔劑，燃料是焦煤混合物。由化學成分結果分析來看，若熔劑的含鈣量越高，則燒損越低，四種熔劑中生石灰含鈣量最高，達到了83.65%，則燒損最低，為7.01%；其次分別為石灰石、鎂石灰和白云石，含鈣量為51.33%、46.31%和31.92%，燒損為43.99%、45.39%和21.83%。另外，在鎂石灰和白云石中含有較高的鎂，分別達到了27.51%和19.45%。

同時對熔劑和燃料等按粗粒料進行測定粒度組成，結果表明(焦粉由于來樣粒度過粗，試驗時對其+3mm部分進行了破碎處理)，幾種熔劑的粒度組成相差不是很大，在1-5mm范圍內的粒度占比均在50%左右，其次為0.1-1mm范圍內粒度占比，約為35%左右，粒度較粗和較細的占比均非常少。

1.2 研究方法

1.2.1 試驗設備

新鋼燒結廠實驗室由重慶市安全生產科學研究有限公司承建，實驗室分設燒結杯試驗系統和冶金性能檢測系統。

燒結杯試驗系統由混合機、布料器、點火器、燒結杯、除塵器、抽風機、單輥破碎機、落下強度試驗裝置、篩分裝置、轉鼓裝置等組成。該系統采用中間有保溫層的雙層高溫鋼杯體，可以減少料層中心與邊緣的溫差；點火器采用集點火、空煤比調節、空氣供給、火長調節、點火溫度調節、故障保護、煤氣不足保護等功能的一體化裝置；落下裝置和往復篩全封閉工作，防塵、降噪性能好。

冶金性能檢測設備為三段式還原爐，采用全開式還原爐體結構，操作、維護方便；爐膛材料為碳化硅，使用壽命在30年以上；反應器采用專門冶煉而成的航天材料GH44，使用壽命在500次以上。爐溫控制波動值不超過±1℃，能準確檢測出燒結礦、球團礦和塊礦的還原性及其低溫還原粉化指數。

1.2.2 試驗流程

燒結試驗常規流程包括：配料→混合→制?！b料→點火→燒結→冷卻→破碎→落下試驗→篩分→取樣→轉鼓試驗，具體如圖1所示。

各步驟的詳細操作如下：

（1）配料：試驗配料采用混勻礦、石灰石、生石灰、焦粉、白云山內配，返礦按38%外配。確保符合正常的燒結礦化學成分。

（2）混合：混合包括一次混合和二次混合。試驗一次混合是采用人工堆錐，混勻3-5min，實際操作以將料混勻為準；試驗二次混合主要目的是制粒，在圓筒混合機內進行，圓筒混合機規格為Ф600*1200mm，轉速16r/min，向混合機內噴加霧狀水，原則上加水量為混合總加水的20%左右，制粒5min。隨后取試樣分別進行混合料水分、粒度組成和透氣性指數測定。

（3）裝料：試驗使用規格為Ф170×700mm的燒結杯，鋪底料20-30mm，試驗布料時先將料裝到圓錐布料器中，再用圓錐布料器布料的方法進行布料，壓料高度20mm。

（4）點火：試驗點火使用石油液化氣，點火負壓和溫度分別為6kPa和1050±50℃，點火時間1.5min。

（5）保溫：試驗保溫時間1min，采用點火后不移點火罩。

（6）燒結：試驗燒結過程，保溫完畢后，將負壓調至12KPa進入燒結過程，當廢氣溫度達到最高點時，其所對應的溫度為燒結終點，達到燒結終點即燒結反應結束。

（7）冷卻：燒結到達終點后，冷卻3min，在此階段將負壓調回并保持6KPa。

2 試驗結果及討論

2.1 褐鐵礦的燒結試驗研究

在進行褐鐵礦燒結特性試驗時，分別以上述四種褐鐵礦粉為原料研究了不同操作條件對燒結礦產品性能的影響。

2.1.1 楊迪礦粉

分別研究了不同燒結水分及配碳比對楊迪礦燒結性能的影響，從試驗結果來看，當焦粉配比為4.7%，混合料的水分在8.5%-10%范圍內變化時，燒結速度、利用系數、成品率和轉鼓指數都隨混合料水分增加而先增加后開始降低。轉鼓指數存在最大值，當水分為9.5%時，轉鼓強度最好，為57.51%，繼續增加混合料水分，轉鼓強度反而降低。綜合考慮燒結礦的利用系數和轉鼓強度，水分在9.5%左右為宜。當水分在9.5%時，隨著焦粉配比的提高，燒結礦成品率逐步提高，從試驗結果來看，楊迪礦適宜的焦粉配比在5.3%左右。

2.1.2 鐵坑礦粉

鐵坑礦粉是新鋼公司自產的褐鐵礦粉，它的TFe含量低、SiO2含量高，燒損高。試驗時，分別研究了不同燒結水分及配碳比對鐵坑礦粉燒結性能的影響，從試驗結果來看，鐵坑礦粉是一種單燒非常難燒的礦，單燒指標很不理想，存在燒結速度快、利用系數低、成品率和轉鼓強度差等一系列問題。究其原因在于鐵坑礦粉在單燒過程中缺少成核粒子，球很容易被破壞，雖強化點火，但仍點不著。在燒結時，必須強化制粒，同時還需添加返礦才能較順利的完成燒結。

細者，小也；節者，單位或要點也?！稘h語大詞典》對“細節”釋為“細小的環節和情節”。教學細節，顧名思義，是指教學中一些不易察覺的細末之處、關鍵之點，它不僅指教學行為的最小單位，還要求教學行為處于教學過程的關節點上，對教學具有重要的推動和聯接作用。因而，并不是所有的教學行為都具有教學細節的作用，只有處于教學關節點、聯接點上的教學行為，才具有細節——關節的作用，才具有推動、激活、聯接和延續教學過程的作用。

2.1.3 麥克礦粉

麥克粉具有初始粒度好，再成球能力強的特性。試驗時，分別研究了不同燒結水分及配碳比對麥克礦粉燒結性能的影響，從試驗結果來看，通過對燒結水分和焦粉配比的優化，麥克粉單燒最佳條件為：混合料水分在10.5%左右、焦粉配比在5.5%左右。在此條件下，燒結礦綜合產、質量指標較好，利用系數和轉鼓強度分別達到1.05t/m2·h和62.0%。

需要注意的是，麥克粉含有一定的結晶水，雖然以Fe2O3狀態存在的礦物有利于使其在燒結過程中形成以鐵酸鈣為主的粘接相，但從化學分析結果來看，礦粉中含有較高的Al2O3，配加過多麥克粉會使燒結礦中的Al2O3含量升高。

2.1.4 PB礦粉

PB礦粉雖然具有造球性好的優點，但是也存在點火表面松散粗糙、燒結礦液相度中等偏下的缺點。試驗時，分別研究了不同燒結水分及配碳比對PB礦粉燒結性能的影響，從試驗結果來看，在水分和焦粉配比調整優化下，PB粉單燒混合料水分在10.5%左右，焦粉配比在5.4%左右時，燒結礦綜合產、質量指標最好，此時的利用系數和轉鼓強度分別為1.41t/m2·h和56.53%。

2.2 褐鐵礦燒結產品性能研究

分別詳細研究了上述四種褐鐵礦燒結產品的化學成分、微觀結構、低溫還原粉化性能及還原性能。

2.2.1 化學成分分析

2.2.2 微觀結構分析

分別對上述四種燒結礦的微觀結構進行了分析，可以得出如下結論：

（1）楊迪礦燒結礦的部分微區有熔蝕狀和短條狀的四維復合鐵酸鈣結晶。在有鐵酸鈣膠結的區域，結構強度都比較高，沒有液相膠結的微區，結構強度都較低，尤其是有硅酸鈣結晶或者有裂紋的區域，均屬強度差的范圍；楊迪燒結礦中部分鎂與鐵結合，形成了鐵酸鎂，流動性好，與其它鐵礦膠結緊密；橄欖石絕大部分為鈣鐵橄欖石，呈板狀或塊狀結晶，膠結力較強?？傊?，從微觀結構來看，楊迪粉燒結礦液相量不足，膠結力不夠，固相互連差，多孔薄壁，粗裂，硅酸鈣形成的破壞現象和低強度區域較多，燒結礦質量不佳。

（2）鐵坑褐鐵礦燒結礦的橄欖石的結晶呈板狀，且粒晶粗大，將Fe3O4等礦物緊密膠結，掃描電鏡能譜圖證實，這些橄欖石均為鈣鐵橄欖石；同時發現鐵坑褐鐵礦燒結礦中黑色線條狀的硅酸鈣十分明顯，常嵌布在硅酸鹽橄欖石中，易產生低溫粉化膨脹，也消弱了橄欖石的膠結力，影響整體結構強度；而且燒結礦中鐵酸鎂較多，燒結礦中各種紅、綠、黃彩色的鐵酸鎂晶粒明顯增多，與其它鐵礦物膠結良好，對提高燒結礦強度有利；同時鐵坑褐鐵礦燒結礦仍然存在局部粗裂，這些不利礦物和破壞現象對燒結礦質量影響很大，其燒結礦質量有待改善和提高。

（3）麥克礦粉的燒結礦大部分屬含鈣很高的硅酸鈣，在燒結礦中存在鈣鐵橄欖石大量結晶體，且大多數嵌布在Fe3O4和Fe2O3的間隙中，膠結比較緊密，這對提高整體微觀強度有利，但燒結礦中硅酸鹽遠不及鐵酸鹽液相好，致使燒結礦固相連接較差；同時麥克礦粉的燒結礦局部高溫區Fe3O4結晶發育及互連較好，但燒結礦中有較粗的長條裂紋，存在許多多孔薄壁結構，對燒結礦強度很不利。

（4）Pb粉燒結礦最大特點是堿度高，鐵酸鈣形成又多又好，結晶比較完善，呈條狀和熔蝕狀很清晰。鐵酸鈣是燒結礦中強度最高，還原性最好的第一位礦物，數量越多，質量越好。部分微區可以清楚地看到鐵酸鈣包圍了固相，加強了燒結礦整體結構強度。燒結礦Fe3O4再結晶良好，大部分能發育長大，互連，常常被鈣鐵橄欖石膠結在一起，但也有不少的被鐵酸鈣滲透、溶蝕。凡屬被液相膠結的礦物，都有較高的強度。鐵酸鎂結晶較好，呈長條狀，與其它礦物膠結緊密。燒結礦中也存在一些不理想的地方，比如有不少大孔薄壁區域和粗長裂紋存在。少量區域還可以見到黑色短條狀的硅酸鈣及骸晶Fe2O3。統觀燒結礦礦物組成和微觀結構，其質量良好。

2.2.3 低溫還原粉化性能

對幾種燒結礦的低溫還原粉化性能進行了分析，結果表明：各燒結礦具有較好的抗低溫還原粉化性能，除楊迪燒結礦RDI-0.5為3.72%，其余褐鐵礦的燒結礦RDI-0.5均在4.0%以上。從RDI+3.15來看，鐵坑褐鐵礦、楊迪礦以及麥克粉的燒結礦均具有較高水平，分別達78.55%、78.87%和77.89%。因此，相比之下，鐵坑褐鐵礦、楊迪礦以及麥克粉燒結礦具有較好的低溫還原粉化性能，而Pb粉燒結礦的低溫還原粉化性能相對較差。

2.2.4 還原性能

對幾種燒結礦的還原度進行了分析，結果表明：幾種褐鐵礦的燒結礦均具有較好的還原性能，還原度均在70%以上。相較之下，麥克粉的還原度高最好，優于其他三種褐鐵礦粉燒結礦的還原度。

3 高配比褐鐵礦燒結強化措施

3.1 高配比褐鐵礦燒結存在問題

通過對褐鐵礦的燒結試驗研究，不難發現，高配比褐鐵礦燒結存在如下問題：

（1）成品率低，強度差。高配比褐鐵礦燒結產生了大量的液相，液相中更多的Fe2O3會導致液相粘度升高，影響燒結過程中氣孔的生成及排除。過高粘度的液相夾雜著大量的氣孔，使得粘結相的強度降低；最終就降低了燒結礦的強度和燒結成品率。同時，高同化作用破壞了燒結料層的透氣性，使得燃料燃燒不均，最終就降低了燒結礦的強度和燒結成品率。

（2）料層透氣性差。褐鐵礦擁有疏松多孔、結晶水含量高及混合制粒易過濕等特性，導致其在燒結過程中透氣性變差；同時褐鐵礦在燒結過程產生的液相會充滿料層的間隙，使料層阻力增大，進一步惡化了料層的透氣性。

（3）固體燃耗高。褐鐵礦自身含結晶水高，燒結過程中需要配加更多的燃料來脫除這一部分水，因此，高配比褐鐵礦燒結固體燃耗高。

3.2 強化措施

針對高配比褐鐵礦燒結存在的問題，提出如下強化措施：

（1）優化配礦。燒結配礦實際上是一個尋優過程，它是在已知約束范圍內的多種鐵礦中尋找滿足技術指標要求，且成本最低的所有配礦方案。最優方案需滿足下列條件：①燒結礦化學成分的要求；②原料供應的條件；③燒結礦產量和質量指標的要求；④燒結礦成本和能耗指標的最優。所謂優化配礦，就是找到滿足上述要求的多種含鐵原料的合適配比。要尋找到最優配比，單純依靠理論計算或線性規劃是無法做到的，必須采取模型計算、燒結杯試驗、生產試驗三者相結合的方法。

（2）厚料燒結。將料層提高到700mm，厚料燒結可作為解決褐鐵礦增加導致燃耗上升及成礦率降低等問題的核心手段。因為厚料燒結不僅可以改善燒結礦強度，提高成品率，還可以降低固體燃耗，同時降低FeO的含量，提高燒結礦還原性。

（3）強化生石灰消化。改進加水方式和加水點，適當加大生石灰加水量，改善生石灰消化過程，使生石灰充分消化，以提供更多熱量。

（4）合理使用熱返礦。一方面，使用熱返礦可以提高混合料料溫度，改善燒結過程；另一方面，加入的熱返礦吸附褐鐵礦粉中的水分，防止了褐鐵礦粉結團、結塊，改善了混合料的粒度組成，提高料層的透氣性。

（5）蒸汽預熱混合料。通過余熱鍋爐將環冷熱礦的熱量回收加以利用，產生的蒸汽用管道接入混合圓筒和混合料斗，將料溫從40℃提高到65℃，減少過濕現象，改善燒結過程。

（6）提高混合料水分，強化制粒。在混合過程中，控制合理的二次加水量，將水分控制從7%-8%提高到7.5-8.5%，改善混合料成球性，從而可提高料層透氣性。

4 結論

通過對幾種褐鐵礦的性質、燒結特性和燒結礦產品性能研究可以得到如下結論：

（1）褐鐵礦的全鐵品位均較低，燒損偏大。其中新鋼自產的鐵坑褐鐵礦的全鐵品位最低，硅含量和燒損最高，分別為52.56%、12.46%、11.5%；麥克礦粉燒損最低，為5.28%；PB礦粉的全鐵品位最高，為61.52%。

（2）對褐鐵礦的燒結試驗研究發現，褐鐵礦燒結均有成品率低、強度差、料層透氣性差和固體燃耗高的缺陷，但褐鐵礦的燒結礦卻均具有較優的低溫還原粉化性能和還原性能。

（3）高配比褐鐵礦的燒結可以通過優化配礦、厚料燒結、強化生石灰消化、合理使用熱返礦、蒸汽預熱混合料、提高混合料水分和強化制粒等措施進行強化，而改善燒結礦的產品性能。