摘要：通过烧结杯烧结过程的解剖分析及运用微型烧结法模拟解剖分析，包钢低硅烧结矿w(Si02)<5％维持足够机械强度的关键因素是：铁酸钙含量的提高和玻璃质含量的减少。而促成这一成因有3个因素：降低w(Si02)、提高烧结矿碱度和提高烧结料层。
关键词：烧结；低Si02；机理；碱度；矿物组成
低硅烧结能改善烧结矿冶金性能，减少高炉冶炼过程中产生的渣量，减薄软熔层，提高滴落带的透气性，因而有利于高炉顺行和降低焦比。同时，减少渣量还有利于增加高炉的喷煤量。通常，烧结矿中w(Si02)每降低1％，高炉焦比降低2％，生产率提高3％。但一般认为烧结矿中w(SiO2)降到5％以下时，会引起烧结生产率降低以及烧结矿冷强度和低温还原粉化指标变差等。因此，有关低硅烧结技术的开发已成为当前国际上广泛研究的热点之一。
但由于烧结矿w(SiO2)的降低，也带来一系列问题。烧结过程中生成液相是烧结矿固结成型的基础，液相的组成、性质和数量在很大程度上决定了烧结矿的还原性和强度。由于Si02很容易形成低熔点硅酸盐液相，因而w(SiO2)对烧结过程中液相的形成具有重要作用。传统的烧结理论认为，烧结混合料中w(Si02)一般不低于5％，w(Si02)过高则液相量(一般为30％～50％较合适)太多，过低则液相量不足。
1 烧结杯解剖
为搞清烧结矿矿物组成及显微结构的形成过程和形成机理，验证传统烧结理论关于液相生成过程的理论，对碱度1.90烧结矿的烧结杯烧结过程进行了密封充N2气急冷的解剖分析。在烧结杯点火烧结后，烧结过程进行到10min左右(燃烧带大约处于烧结杯中部)，停止对烧结杯提供空气，通入氮气中断烧结过程，冷却。然后拆分烧结杯，取生料带、干燥带、燃烧带和成矿带的试样进行矿相观察。其具体结果如下。
1.1 生料层
生料颗粒大部分以返矿、焦粉、熔剂及澳矿颗粒为核心，形成包裹结构。另一部分由较细的精矿和焦粉、熔剂等直接形成，无明显的成粒核心。各种物料均以原始形态松散聚集在一起。
1.2 预热干燥层
在预热干燥层，宏观上看与生料无区别。在显微镜下，大部分颗粒的局部已开始矿化，颗粒间形成液相，熔剂已开始分解。矿化区域主要由富士体(甚至少量铁)和铁橄榄石构成，次生赤铁矿很少见，显示了较强的还原气氛。
1.3 燃烧层
在燃烧层，部分颗粒孤立，部分颗粒已烧结在一起。在显微镜下，包裹结构逐渐消失，气孔、次生赤铁矿(20％～30％)、液相(10％)较发育，铁酸钙和正硅酸钙局部发育。显示了较强的氧化气氛。
1.4 成矿层
在成矿层，看不到孤立颗粒，颗粒已烧结在一起，连成一片。与燃烧层相比，气孔和赤铁矿明显减少，结构趋于均匀，熔蚀交织结构成为最主要的结构。烧结矿的矿物组成为55％的磁铁矿，25％的铁酸钙，赤铁矿约3％，正硅酸钙约3％，玻璃相约10％。
通过烧结杯解剖试验，对烧结各带的矿物组成，和微观结构的分析，可以看出：从预热干燥带即开始矿化反应并有液相生成，燃烧带的液相还不是很发育，只有在最后成矿带的液相形成有突飞猛进的发展。也就是说成矿带的气氛和高温持续的时间长短，对于烧结矿最终的矿物组成和微观结构，特别是对于减少玻璃质含量，增加铁酸钙含量，起着决定性的作用。根据以往的研究，成矿带高温(1100℃以上)持续的时间应在2min左右。
2 红外线炉模拟的烧结过程解剖
烧结杯解剖试验为改善烧结矿矿物组成和微观结构，进而提高烧结矿强度，提供了很好的借鉴。然而，虽然烧结杯解剖试验与大工业生产解剖更为接近，但是由于抽风烧结的连续性，在燃烧带和成矿带的取样分界面上存在一定困难。为此选用TSJ一2型铁矿石烧结基础特性试验装置，进行了微型烧结法的模拟解剖试验。
微型烧结法是根据解剖烧结、球团过程中的温度、废气成分和不同烧结带的矿相结构而设计的一种烧结及球团固结机理研究方法。
2.1 微型烧结法的试验原理
微型烧结法模拟的重点，是如何控制烧结过程中温度与气氛对矿物组织结构的影响。
为了操作简便而真实，用N2气氛代替还原(分解)气氛，用空气气氛代替氧化气氛；以在N2气氛下的焙烧模拟燃烧带及其以前部分，以在空气气氛下的焙烧模拟高温氧化带及其以后部分。
2.2 模拟解剖的参数控制
2.2.1 模拟干燥带
升温制度和气氛条件如下：
室温→600℃(4min空气)→1150℃(2.5min氮气)→氮气冷却至室温。
2.2.2 模拟燃烧带
升温制度和气氛如下：
室温→600℃(4min，空气)→1280℃(3.5min，氮气)→1280℃(恒温4min，氮气)→氮气冷却至室温。
2.2.3 模拟成矿带
升温制度和气氛如下：
室温→600℃(4min，空气)→1280℃(3.5min，氮气)→1280℃(恒温，4min氮气)→空气冷却至室温。
2.2.4 原料条件
微型烧结模拟解剖试验的原料与前面试验相同，烧结矿碱度控制为1.90。
2.3 试验结果
(1)干燥带：孔隙多而分布均匀，晶粒较小，磁铁矿和赤铁矿约各占一半，液相局部发育。
(2)燃烧带：已是典型的斑状结构，斑晶为磁铁矿，基质为玻璃，其中有少量硅酸二钙和很少量的铁酸钙，孔隙收缩成圆形。
(3)成矿带：斑状结构(磁铁矿和玻璃)，斑晶呈增大趋势，玻璃呈增加团聚趋势，硅酸二钙呈减少趋势。孔隙周围及边缘区域可见次生赤铁矿。
从燃烧带的矿物组成上分析，在燃烧带的末期和成矿带的前期，虽然充足温度和热量已经产生了大量的液相，但它们是以玻璃质为基质的，而对于提高烧结矿强度起着重要作用的铁酸钙等数量很少。只有给予一定的高温保持时间，才能大量减少玻璃质促进矿物结晶，获得良好的烧结矿矿物组成和微观结构。
3 提高碱度及厚料层试验室研究
3.1 试验原料及工艺参数
试验分别进行了烧结矿碱度为1.4、1.9，料层厚度500㎜l；烧结矿碱度1.9，料层厚度600mm；烧结矿w(MgO)控制在(2.60±0.12)％；3个试验点的工艺参数和烧结矿强度对比分析。
本次试验的原料为生产正常用料。
3.2 试验结果及分析
烧结矿化学成分及工艺指标见表1、表2。
表1 烧结矿化学成分(质量分数)
|
编号 |
w(TFe)/% |
w(FeO)/% |
w(CaO)/% |
w(SiO2)/% |
w(MgO)/% |
w(F)/% |
R |
|
R1.4-H500 |
59.2 |
12.2 |
6.95 |
4.73 |
2.6 |
0.355 |
1.359 |
|
R1.9-H500 |
57.1 |
11.6 |
9.71 |
4.89 |
2.55 |
0.341 |
1.883 |
|
R1.9-H600 |
57.4 |
10.5 |
9.69 |
4.84 |
2.55 |
0.328 |
1.902 |
注：表中编号R*．*代表烧结矿碱度；H***代表烧结料层，以下相同。
表2 烧结工艺指标
|
编号 |
烧结时间/min |
混合料水分/% |
垂速/(㎜·min-1) |
干烧成率/% |
成品率/% |
固体燃耗/(kg·t-1) |
返矿平衡系数 |
利用系数/(t·m-2·h-1) |
转鼓强度/% |
|
R1.4-H500 |
23.50 |
7.6 |
21.28 |
89.95 |
67.615 |
74.32 |
0.971 |
1.373 |
60.00 |
|
R1.9-H500 |
21.50 |
7.5 |
23.26 |
89.35 |
65.640 |
73.97 |
1.023 |
1.425 |
62.67 |
|
R1.9-H600 |
27.85 |
7.5 |
22.54 |
89.63 |
67.370 |
72.85 |
0.983 |
1.417 |
63.33 |
(1)烧结矿碱度由1.4左右提高到1.9后，烧结利用系数提高3.8％；
(2)烧结矿碱度由1.4左右提高到1.9后，烧结矿转鼓强度提高2.67个百分点；
(3)烧结料层由500mm提高到600㎜后，烧结矿转鼓强度进一步提高0.66个百分点。也就说通过提高烧结矿碱度和烧结料层，烧结矿转鼓强度提高了3.33个百分点；
(4)烧结矿碱度由1.4左右提高到1.9后，烧结矿中铁酸钙质量分数明显升高，由1％～2％左右提高到19％，同时烧结矿中玻璃质质量分数由25％减少至13％：
(5)提高烧结矿碱度后，进一步将烧结料层由500mm提高至600mm，烧结矿中铁酸钙质量分数提高到28％，而玻璃质质量分数降至11％。
4 结论
(1)提高包钢烧结矿强度，必须减少烧结矿粘结相中的薄弱环节—玻璃质，同时提高高强度粘结相铁酸钙的质量分数；
(2)从包钢烧结矿矿物组成上分析：由于烧结矿碱度的提高和烧结矿w(Si02)的降低，大大降低了影响包钢烧结矿强度的“玻璃质”质量分数，同时有助于提高烧结矿强度的铁酸钙质量分数大大提高；
(3)从烧结杯解剖分析、红外线炉模拟解剖分析及厚料层(600㎜)烧结试验结果分析：成矿带的薄厚(成矿结晶时间的长短)能够显著改善烧结矿的矿物组成，提高烧结矿铁酸钙质量分数，降低玻璃质质量分数，从而提高烧结矿强度；
(4)综合分析，包钢低硅烧结矿成矿且保持相当高的机械强度的关键是：高碱度、低硅和厚料层，降低了影响包钢烧结矿强度的“玻璃质”质量分数，同时使烧结矿的铁酸钙质量分数大大提高。
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