含鐵原料性能對燒結(jié)礦質(zhì)量的影響研究

姬生玉

（山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司煉鐵廠，山東 萊蕪 271104）

0 引言

我國學(xué)者候三亞等人將褐鐵礦型紅土鎳礦中的m（MgO）/m（Al2O3）作為研究因素，分析了m（MgO）/m（Al2O3）對礦物燒結(jié)的影響。實驗結(jié)果顯示，當(dāng)燒結(jié)溫度為1 300 ℃、燒結(jié)氣氛為5%CO+95%N2（其中百分?jǐn)?shù)分別為對應(yīng)氣體物質(zhì)的體積分?jǐn)?shù)）、二元堿度m（CaO）/m（SiO2）=1.3 的條件下，m（MgO）/m（Al2O3）=0.5～0.8 范圍內(nèi)，黏結(jié)相主要由鈣鎂黃長石和鈣鎂橄欖石構(gòu)成，此時礦物強(qiáng)度最高。該研究成果對提高紅土鎳礦燒結(jié)礦的產(chǎn)、質(zhì)量具有重要借鑒意義[1]。楊聰聰?shù)热藙t概述了國外關(guān)于鐵礦石高溫?zé)Y(jié)基礎(chǔ)特性評價方法的研究進(jìn)展，在分析了國內(nèi)外研究成果之后，研究提出把握“鐵礦石-制粒物料-燒結(jié)礦”不同階段物料性質(zhì)的傳遞規(guī)律是鐵礦燒結(jié)的重要切入點[2]。本次研究將不同配比和工藝參數(shù)的含鐵原料進(jìn)行燒結(jié)性能分析，期望可以通過實驗了解含鐵原料的礦物組成以及化學(xué)成分對其燒結(jié)的影響。

1 含鐵原料的礦物性能對燒結(jié)質(zhì)量的影響

1.1 燒結(jié)基礎(chǔ)性能及冶金性能分析

燒結(jié)法是一種將礦物粉末狀的燒結(jié)物變成高密度塊體的工序，燒結(jié)法常常應(yīng)用在冶金、陶瓷和超高熱物質(zhì)鍛造中。一般情況下，通過對粉末進(jìn)行燒結(jié)，最終會獲得一種新型的、以礦物或晶體、玻璃質(zhì)和空洞為主的礦物或晶體的礦相結(jié)構(gòu)[3-4]。燒結(jié)工藝會對微觀組織中的晶粒特征、氣孔大小和各種礦物質(zhì)的含量產(chǎn)生影響，從而對相應(yīng)的原材料本身的性質(zhì)產(chǎn)生影響。從宏觀角度來看，在不超過熔點的高溫條件下，由于固態(tài)晶粒持續(xù)增大，孔隙率降低，物質(zhì)之間相互轉(zhuǎn)移，顆粒間的總體積向內(nèi)收縮，從而使整體密度逐漸增大，最終生產(chǎn)出具有致密多晶型微觀組織的燒結(jié)塊體[5]。

作為戰(zhàn)略性物質(zhì)，鐵礦是全球最重要的礦物資源之一。不僅在國家建設(shè)和工業(yè)制造中占據(jù)重要地位，同時在民生發(fā)展、經(jīng)濟(jì)效益發(fā)展中扮演重要角色。在燒結(jié)造塊的全過程中，除了鐵礦粉以外，還含有高爐返礦等其他含鐵單質(zhì)或含鐵化合物的原料。將這些原料在燒結(jié)物料中加入，一方面是為了增強(qiáng)燒結(jié)混合料的核心，改善其透氣性，同時還能提升整個燒結(jié)礦的質(zhì)量，保證熔煉過程中的順流性，減少燒結(jié)礦的成本[6]。由于該返礦體具有多孔結(jié)構(gòu)和包含低熔點成分等特征，有利于液態(tài)形成，同時可提高其燒結(jié)體的硬度，進(jìn)而實現(xiàn)優(yōu)化燒結(jié)體尺寸和提升燒結(jié)體品質(zhì)。因此，對于含鐵原料燒結(jié)過程來說，鐵礦粉自身特性以及摻入的其他含鐵單質(zhì)或含鐵化合物量都會影響到燒結(jié)質(zhì)量。

含鐵原料在燒結(jié)中一般按照本礦比例將不同材料混合，因此單一或各種配比含鐵原料的燒結(jié)能力和效果成為了其燒結(jié)基礎(chǔ)性能的直接表現(xiàn)。首先是同化性能，融合特性是指在高溫?zé)Y(jié)法中，含鐵質(zhì)材料與熔劑CaO 的結(jié)合特性，研究通常用觀測和測量的方法來衡量該含鐵質(zhì)材料在與CaO 的接觸面上起作用，并進(jìn)行熔融變形時所達(dá)到的最低融合溫度，也就是在高溫?zé)Y(jié)法中形成液態(tài)物質(zhì)的能力。其次為液相流動性能，表示在將含鐵原料與熔劑CaO 充分混合之后，在進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)生產(chǎn)時，所形成的液相量的多少的能力[7-8]。液相量越多，其膠結(jié)周圍的礦石小顆粒的能力就越強(qiáng)，可以用液相流動性指數(shù)來表達(dá)它的強(qiáng)弱。其三為黏結(jié)強(qiáng)度性能，指在燒結(jié)時含鐵原材料將會產(chǎn)生一種液體，這種液體與其周邊的物質(zhì)起到固結(jié)的作用。與含鐵原料等相比，其本身的黏結(jié)相強(qiáng)度比較低，一般而言在燒結(jié)工藝參數(shù)條件不變的情況下，由于黏結(jié)相礦物組成和結(jié)構(gòu)的差異，其本身的強(qiáng)度差異會很大，并且從本質(zhì)上決定了燒結(jié)礦的強(qiáng)度。最后是連晶性能，指在含鐵組分在燒結(jié)過程中，當(dāng)含鐵組分彼此之間的晶鍵相互交錯時，能夠獲得強(qiáng)度的能力。目前，國際上普遍將鐵質(zhì)材料的燒結(jié)體歸類為液態(tài)燒結(jié)體，而液態(tài)燒結(jié)體的形成必須有大量液態(tài)燒結(jié)體。在燒結(jié)法生產(chǎn)時，由于生鐵與氧化鈣的混合不夠充分或不夠均勻，造成了局部地區(qū)出現(xiàn)了大量的鐵酸鈣液相。由于礦物間存在著結(jié)晶結(jié)合，從而使礦物的自強(qiáng)變得更加牢固。

1.2 含鐵原料的礦物性能研究

燒結(jié)配料優(yōu)化是一種科學(xué)的方法，其科學(xué)含義不僅是依據(jù)鐵礦形成的原材料，與對應(yīng)的供應(yīng)條件相匹配，還要達(dá)到所需的燒結(jié)礦化學(xué)組成和配礦條件，并在保證了燒結(jié)原材料具有比較好的粒度和成礦性能的前提下，采用燒結(jié)優(yōu)化配料的方法，獲得高質(zhì)量、低消耗、具有比較好的冶金性能的燒結(jié)，最后將一切條件結(jié)合起來，獲得比較適合的經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)。

首先要清楚決定燒結(jié)體工藝及燒結(jié)體性質(zhì)的關(guān)鍵因子，找出燒結(jié)體的形成機(jī)理及各種燒結(jié)體的礦質(zhì)性質(zhì)。在此基礎(chǔ)上，建立了鐵礦各項指數(shù)與燒結(jié)礦品質(zhì)之間的內(nèi)在關(guān)系，確定了最優(yōu)的燒結(jié)體品質(zhì)指數(shù)及最優(yōu)的配比方案。通過對燒結(jié)物料成分、燒結(jié)礦物成分、燒結(jié)過程中使用的化學(xué)助劑、燒結(jié)工藝的控制、燒結(jié)過程的生產(chǎn)成本與產(chǎn)出的經(jīng)濟(jì)性等因素分析，實現(xiàn)燒結(jié)工藝的優(yōu)化。只有把配比環(huán)節(jié)與燒結(jié)工藝有機(jī)聯(lián)系起來，從工藝、經(jīng)濟(jì)等方面來看，才能制定出一套合適的配比體系，最終獲得一個比較好的整體配比體系。

含鐵原料中，常見的含鐵品位較高的原料包括紐曼粉、巴西粗粉、JMB 粉、超特粉四種。其燒結(jié)原料的化學(xué)成分以及礦物組成如表1 所示。

表1 含鐵原料的化學(xué)成分以及礦物組成

從表1 中可以看出，四種含鐵原料中，紐曼粉的含鐵品位最高，為61.83%，超特粉的含鐵品位最低，為56.31%。在w（SiO2）中，四種原料中最高和最低的分別是JMB 粉和超特粉，JMB 粉為6.24%，超特粉為4.06。w（MgO）中，紐曼粉和JMB 粉較高，分別為0.31%和0.17%。而含鐵原料的w（Al2O3）中，超特粉最高為3.09%，巴西粗粉最低為2.02%。此外，同礦物組成可以看出，紐曼粉和巴西粗粉屬于赤鐵礦，其赤鐵礦組成為60%和55%，而JMB 粉和超特粉屬于褐鐵礦，其褐鐵礦質(zhì)量占比為44.7%和48.3%。

2 含鐵原料礦物樣本實驗

本次實驗中將四種含鐵原料按照不同配比進(jìn)行燒結(jié)，分析不同材料配比和燒結(jié)工藝條件對燒結(jié)性能的影響。三種原料配比方案中，A 方案的紐曼粉質(zhì)量占比為0，PB 粉為28%，超特粉為10%，JMB 粉為8%，巴西粗粉為10%，其余為雜料和返礦等原料。B方案的紐曼粉質(zhì)量占比為20%，PB 粉為22%，超特粉為5%，JMB 粉為3%，巴西粗粉為5%，其余為雜料和返礦等原料。C 方案中紐曼粉質(zhì)量占比為30%，PB 粉為18.5%，超特粉為2.5%，JMB 粉0.5%，巴西粗粉為2.5%，其余為雜料和返礦等原料。同時，針對三種配料方案，方案A 的燒結(jié)工藝條件是料批為400 t，推車機(jī)速為100 m/min，燒結(jié)負(fù)壓為-12.9 kPa，冷卻總管負(fù)壓為-6.8 kPa，前臺燒結(jié)廢棄溫度為165 ℃，前臺冷卻廢棄溫度為429 ℃，終點風(fēng)箱位置為27 m，終點溫度為469 ℃，點火溫度為1 026 ℃，點火負(fù)壓為-5.6 kPa。方案B 和C 的工藝條件相同，燒結(jié)工藝條件是料批為380 t，推車機(jī)速為105 m/min，燒結(jié)負(fù)壓為-11.6 kPa，冷卻總管負(fù)壓為-4.3 kPa，前臺燒結(jié)廢棄溫度為159 ℃，前臺冷卻廢棄溫度為412 ℃，終點風(fēng)箱位置為26 m，終點溫度為465 ℃，點火溫度為1 023 ℃，點火負(fù)壓為-5.2 kPa。根據(jù)以上材料配比和燒結(jié)工藝參數(shù)，實驗將燒結(jié)礦的性能采用綜合測定定量分析，結(jié)果圖表2 所示。

表2 不同配比及工藝下含鐵原料的燒結(jié)礦冶金性能分析

從表2 可以看出，三種方案中，B 方案的燒結(jié)性能最佳，其還原性和低溫還原粉化率最高，分別為81.14%和84.36%。

3 結(jié)論

本次實驗中，按照紐曼粉質(zhì)量占比為0%、20%和30%將含鐵原料的燒結(jié)方案分為A、B、C 燒結(jié)原料三種，并對0%方案的燒結(jié)工藝進(jìn)行調(diào)整。實驗結(jié)果顯示當(dāng)紐曼粉質(zhì)量占比20%，PB 粉為22%，超特粉為5%，JMB 粉為3%，巴西粗粉為5%，其余為雜料和返礦等原料時，含鐵原料的燒結(jié)性能最佳。實驗結(jié)果表明，在含鐵原料中，紐曼粉的比例對燒結(jié)礦的礦物相組織均勻性、赤鐵礦的含量以及相應(yīng)的冶煉特性有顯著影響。礦物的相態(tài)比較一致，主要為溶蝕構(gòu)造；在高溫條件下，燒結(jié)礦石具有良好的還原性。當(dāng)紐曼粉末在含鐵材料中的質(zhì)量占比由0～30%增大時，燒結(jié)礦的礦物相結(jié)構(gòu)趨于均一，孔隙度增大。因此燒結(jié)石中的赤鐵元素的含量減少，熔融狀態(tài)的還原度和低溫下的粉化程度也隨之增大。