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MgO／Al2O3比对烧结矿矿物组成及冶金性能
王喆1，张建良1，左海滨1，王润博1，黄克存2，班友合2
(1．北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083；2．唐山国丰钢铁有限公司技术部，河北 唐山 063000)
摘 要：通过烧结杯试验，研究了MgO／Al2O3比对烧结矿矿物组成和冶金性能的影响。结果表明：当MgO／Al2O3比在1．06～1．22范围内时，烧结矿的矿物组成较好，且具有纤维状复合铁酸钙与磁铁矿交织熔蚀的微观结构。在此条件下，烧结矿的转鼓强度得到提高，还原性能和低温还原粉化性能得到改善。
关 键 词：烧结；MgO／Al2O3比；矿物组成；微观结构；冶金性能
1 引言
当前，国内钢铁市场竞争日趋激烈，许多钢铁企业都将降低烧结矿成本作为降本增效的重要措施之一。为此，高Al2O3印度粉以及澳粉等低价铁矿粉在烧结中的配比逐渐提高[1]。大比例配用高Al2O3铁矿粉，使得高炉渣中Al2O3含量升高，导致炉渣粘度升高，由此带来炉渣脱硫能力降低以及渣铁分离困难等一系列问题[2]，进而影响到高炉冶炼的顺行[3]。为了改善高Al2O3炉料的冶炼，普遍的做法就是提高烧结矿中的MgO含量，以此改善高炉渣冶金性能。
然而，在烧结矿作为高炉渣中MgO主要载体的条件下，为了满足高Al2O3高炉渣的冶金性能，烧结矿中的MgO含量会相应增加；除此之外，由于烧结混合料中高Al2O3铁矿粉以及白云石的配比发生变化，必然导致烧结矿的MgO／Al2O3比例随之改变，进而影响烧结矿质量。鉴于烧结过程中MgO和Al2O3的行为不同，且关于MgO／Al2O3比对烧结矿质量影响的研究相对较少，因此，有必要通过试验考察MgO／Al2O3比对烧结矿矿物组成和冶金性能的影响，从而为合理控制烧结矿中MgO和Al2O3的含量提供依据。
2 试验方法及设备
2．1 烧结杯试验
烧结杯试验所用原料的化学成分列于表1。表2给出了试验配矿方案，混合料的MgO／Al2O3比主要由铁矿粉和白云石配比来调节，返粉和钢渣的配比分别为15%和3％，焦粉配比控制在4．5％。从方案1到方案6，烧结混合料中MgO／Al2O3比由0．68提高到1．42，烧结矿碱度保持在1．9。烧结杯试验过程中，点火负压和烧结负压分别控制在6kPa和12kPa，烧结终点由烧结废气温度来指示。
2．2 烧结矿矿相分析
取烧结杯试验得到的烧结矿进行矿相研究。用环氧树脂热镶样；然后对样品进行预磨，使之具有1～3mm的横断面；再用石英砂抛光并制成光片。在显微镜下观察烧结矿的微观结构，并采用数点法进行矿物定量分析。
2．3 烧结矿冶金性能测定
对烧结矿进行落下强度实验和筛分实验，取粒级为10～12．5mm的矿样测定其冶金性能。烧结矿冷强度根据国家标准GB／TS029—1987测定；还原性能根据国家标准GB／T13242—1991测定；低温还原粉化性能依据国家标准GB／T13241—1991进行测定。
3 试验结果与分析
3．1 MgO／Al2O3比对烧结矿矿物组成和微观结构的影响
烧结杯试验得到的烧结矿的化学成分列于表3。由表可知，烧结矿碱度保持在1．9左右，MgO／Al2O3比由0．70提高到1．46。图1和图2分别给出了试验得到的烧结矿矿物组成和微观结构。总体上看，烧结矿主要由复合铁酸钙、磁铁矿、赤铁矿和硅酸盐等矿物组成。当烧结矿中MgO／Al2O3比为0．70时，其微观结构如图2(a)所示，可以看出烧结矿中复合铁酸钙多呈板片状，且含有较多的骸晶状赤铁矿；当MgO／Al2O3比提高到0．94时，复合铁酸钙的形态由板片状逐渐变为纤维状；当MgO／Al2O3比达到1．06时，出现磁铁矿与纤维状复合铁酸钙交织熔蚀结构；MgO／Al2O3比进一步提高到1．46时，烧结矿中磁铁矿的晶粒逐渐变大。
烧结矿的矿物组成与其化学成分有关。研究发现，在烧结过程中，MgO易与磁铁矿结合，并具有稳定磁铁矿晶格的作用[4]；而Al2O3能促进复合铁酸钙形成，含量过高则易于生成板片状复合铁酸钙[5]。当烧结矿MgO／Al2O3较低时，不利于稳定磁铁矿晶格，且较高的Al2O3使生成的复合铁酸钙多呈板片状，1#烧结矿的情况就是如此；而具有适宜MgO／Al2O3比的烧结矿中各种矿物的数量适当，且形成了纤维状复合铁酸钙与磁铁矿交织熔蚀结构。
3．2 MgO／Al2O3比对烧结矿强度的影响
从表4给出的实验结果可看出，MgO／Al2O3比为1．22的烧结矿转鼓强度最高，达到了62．88％；MgO／Al2O3为0．70或1．46时，烧结矿转鼓强度均较低。烧结矿粘结相的数量和微观结构均会影响其强度。MgO和Al2O3都是高熔点难熔物，在烧结配碳量一定的条件下，会使烧结过程中生成的粘结相数量减少，从而使强度降低。另一方面，当MgO／Al2O3较低时，烧结矿中矿相发展不平衡，磁铁矿较少，而板片状的复合铁酸钙较多，烧结矿不能得到较好地固结，故强度较差；反之，MgO／Al2O3较高时，磁铁矿虽得到稳定和发展，但不利于复合铁酸钙的生成，烧结矿同样不能很好地固结，强度亦差。
3．3 MgO／Al2O3比对还原性能的影响
图3给出了烧结矿还原度实验结果。从图中可看出，烧结矿的还原性能随MgO／Al2O3比升高呈现出先升后降的趋势，当MgO／Al2O3比为1．06或1．22时，还原性能较好。分析其原因，一方面，烧结矿的矿物组成会影响到还原性[6]，由矿物组成分析可知，MgO／Al2O3比为1．06的烧结矿具有较多的纤维状复合铁酸钙，有利于烧结矿还原；而另一方面，烧结矿的微孔孔隙度也会在一定程度上影响其还原性能[7，8]，从图3可知[8]，在MgO／Al2O3比适宜的条件下，烧结矿中微孔较多，从而为还原创造了条件。
3．4 MgO／Al2O3比对低温还原粉化性能的影响
烧结矿发生低温还原粉化的主要原因是：在烧结矿冷却过程中，孔隙周围的磁铁矿被氧化形成骸晶状赤铁矿[9]；这种骸晶状赤铁矿在烧结矿低温还原过程中极易被还原并产生较大的结构应力，使烧结矿发生粉化。
根据矿相分析，确定了不同MgO／Al2O3比条件下烧结矿中骸晶状赤铁矿的体积含量；图4给出了骸晶状赤铁矿的体积含量与烧结矿低温还原粉化性能的关系。由图可知，MgO／Al2O3为1．22时，骸晶状赤铁矿的含量较低，烧结矿具有较好的低温还原粉化性能。究其原因，当烧结矿的MgO／Al2O3比适宜时，其矿物组成比较合理，因而在很大程度上抑制了骸晶状赤铁矿的生成，使低温还原粉化性能得到改善。当MgO／Al2O3比过高时，一方面会促进烧结矿中磁铁矿的发展；另一方面较多白云石的配入也使得烧结矿大孔增多，从而为骸晶状赤铁矿的生成提供了条件，导致烧结矿低温还原粉化性能恶化。
4 结论
1)MgO／Al2O3比能够对烧结矿矿物组成和微观结构产生影响。当MgO／Al2O3比在1．06~1．22时，烧结矿具有较好的矿物组成，纤维状复合铁酸钙含量较高，且形成了纤维状复合铁酸钙与磁铁矿交织熔蚀的微观结构，此时烧结矿具有较高的强度。
2)MgO／Al2O3比通过影响烧结矿矿物组成和微孔孔隙度，进而影响烧结矿的还原性能；适宜的矿物组成有助于抑制骸晶状赤铁矿的生成，从而改善烧结矿的低温还原粉化性能。
3)通过研究MgO／Al2O3比对烧结矿矿物组成和冶金性能的影响，能够为合理控制烧结矿中MgO和Al2O3的含量提供依据，有助于改善烧结矿质量，优化烧结工艺，实现烧结降本增效。
参 考 文 献：
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[6] 陈光碧．重钢烧结矿物相结构与还原性关系[J]．重庆大学学报(自然科学版)，1985，3：17—23．
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