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铁矿粉基础特性对烧结矿性能的影响研究

刘东辉1，吕庆1，孙艳芹2，邹雷雷1，刘然1

(1.河北联合大学冶金与能源学院，教育部现代冶金技术重点实验室，河北 唐山 063009；2.东北大学材料与冶金学院，辽宁 沈阳 110004)

摘 要：通过微型烧结和烧结杯试验研究了八种铁矿粉烧结基础特性对烧结矿性能的影响。研究结果表明：烧结矿的转鼓指数(T)随着铁矿粉的黏结相强度和连晶强度的增大而升高，低温还原粉化指数(RDI>3.15mm)随铁矿粉的液相流动性和铁酸钙生成性能的增大而升高，还原度(RI)主要与铁矿粉种类和烧结工艺参数有关。磁铁矿粉烧结矿RI随铁矿粉的液相流动性和铁酸钙生成性能的增大而升高，与其他烧结基础特性无明显关系。

关 键 词：铁矿粉；基础特性；烧结矿；冶金性能；矿相

结构近年来，由于国内铁矿石的缺乏和国外铁矿石的大量进口，烧结原料的结构发生了巨大的变化。钢铁企业的铁矿石存在种类复杂、来源不稳、烧结基础特性数据缺乏等问题，烧结矿质量难以保证。因此烧结基础特性作为衡量铁矿粉烧结性能的一项指标已被广泛应用[1-2]。实践表明，铁矿粉的烧结基础特性由于矿粉种类不同而存在显著差异，通过对其研究可以为合理利用矿石资源及优化配矿提供理论依据，为此，国内外的烧结工作者对铁矿粉的烧结基础性能进行了大量的研究。但基于铁矿粉烧结基础特性对烧结矿性能影响的研究还未见报道。因此，本文研究了铁矿粉的烧结基础特性与烧结矿性能之间的关系，为优化烧结工艺参数，制订最优配矿方案提供理论依据，对改善烧结矿质量，降低生铁成本和提高企业的经济效益具有重要意义。

1 试验原料

本研究选取的八种铁矿粉中，国外矿三种，分别为AA、AB、AC；国内矿五种，分别为AD、AE、AF、AG、AH。铁矿粉的化学成分如表1所示。

由表1可知，国外矿中AA矿粉SiO2较高，铁品位较低；其他矿粉铁品位大于62%，国内矿粉AE铁品位最高为66.51%；国外矿粉中AA为褐铁矿，AC为半褐铁矿，因含有大量结晶水而使烧损较大，降低烧结矿的成品率，不利于烧结；国内的几种矿粉烧损较小。

2 试验设备和方案

2.1 微型烧结试验

试验装置为TSJ-3型微型烧结机，试验原料为干燥后小于0.162mm的铁矿粉和化学纯试剂CaO。试验方法如下。

1)同化性。将铁矿粉制成重0.8g，直径为8mm的小饼。将CaO制成直径20mm，重2.0g的小饼。将铁矿粉小饼置于CaO小饼的上方，按设定的升温曲线和试验气氛烧结。小饼接触面上生成略大于铁矿粉小饼一圈反应物时的温度为同化温度。

2)液相流动性。将CaO和铁矿粉按4.0的碱度制成小饼，根据设定的试验气氛和升温曲线进行烧结(1250℃恒温4min)，计算烧结前后小饼面积的差与原始小饼面积的比值。

3)黏结相强度。将CaO和铁矿粉按2.0的碱度制成小饼，根据设定的试验气氛和升温曲线进行烧结(1280℃恒温4min)，测定烧结后小饼的抗压强度。

4)连晶强度。将铁矿粉制成小饼，根据设定的试验气氛和升温曲线进行烧结(1280℃恒温4min)，测定烧结后小饼的抗压强度。

5)铁酸钙生成性能。将CaO和铁矿粉按2.05的碱度制成小饼，根据设定的试验气氛和升温曲线进行烧结(1280℃恒温4min)，通过矿相分析，测定铁酸钙生成性能。

2.2 烧结杯试验

烧结杯内径为300mm，混合料加入量40kg，烧结料层厚度控制为600mm，烧结负压1200Pa。烧结点火温度1150℃，点火时间为2.0min，烧结点火负压控制为800Pa，将烧结废气温度开始下降时定为烧结终点。单烧试验方案如表2所示。

3 试验结果及分析

3.1 微型烧结试验结果

分析8种铁矿粉基础特性试验结果如表3所示。

铁矿粉的同化性和液相流动性表征了铁矿粉在烧结过程中生成低熔点液相的能力和液相的流动能力[2]。一般认为铁矿粉的同化温度为1275～1315℃，流动性指数为0.7～1.6比较合适。由表3可知，外矿粉AA、AB、AC同化温度均低于1305℃，同化性明显好于国内矿粉。主要是因为三种外矿为褐铁矿、赤铁矿和半褐铁矿，其烧损大，水分和SiO2含量较高。烧结过程中由于结晶水的挥发产生气孔和裂纹，加快低熔点物质的生成，使得同化性能增强。SiO2含量高有利于烧结液相的生成，从而有利于增大液相流动能力。但SiO2是硅酸盐的主要形成物，过高可能导致液相黏度的升高，使铁矿粉的液相流动性降低[3-6]。例如AF矿粉相对于AG矿粉的同化性能要好，但是AG矿粉的液相流动能力要远远好于AF矿粉。

铁矿粉的黏结相强度和连晶强度是评价铁矿粉烧结造块能力的重要指标。一般要求铁矿粉黏结相强度和连晶强度大于2000N。由表3可知，外矿粉AA、AB、AC的黏结相强度和连晶强度一般都在2000N以下，黏结相强度和连晶强度不好；国内矿粉的连晶强度和黏结相强度较高主要因为其含铁品位较高，且铁矿粉中的碱性物质含量高，在烧结氧化性气氛下，有利于铁酸钙类物质的形成。此外，国内磁铁矿在低温条件下便开始生成具有高度迁移能力的Fe2O3而微晶，晶粒的长大速度很快，从而可以获得较高的连晶强度。

3.2 铁矿粉的基础特性对烧结矿性能的影响

铁矿粉单烧技术指标和烧结矿冶金性能如表4所示。由表4可知，烧结混合料水分为7.32%～7.77%，误差为0.45%，满足试验要求。AA矿粉垂直烧结速度最高，为28.95mm/min；矿粉AC和AH次之，AE和AG粉的垂直烧结速度相差不多；AD垂直烧结速度最低，为14.04mm/min。矿粉AH的烧结矿成品率(≥5mm)最高为77.24%；其次为AF、AC、AB、AE、AD、AG；矿粉AA的烧结矿成品率最低为64.62%。

3.2.1 基础特性对烧结矿转鼓指数的影响

铁矿粉的基础特性与烧结矿转鼓指数的关系如图1所示。

由表4可知，8种矿粉中AG矿粉烧结矿的转鼓指数最高为66.02%，AH、AF矿粉烧结矿的转鼓指数略低，分别为66.01%和65.88%；AA矿粉最低为55.66%，与矿粉AG相比两者相差约10%，其他4种矿粉的转鼓指数为59%～64%。

由图1可知，铁矿粉基础特性中影响烧结矿转鼓指数的因素主要是黏结相强度和连晶强度。烧结矿的转鼓指数随着铁矿粉的黏结相强度和连晶强度的增大明显升高，原因是烧结矿的固结主要是依靠黏结相对周围核状矿石的黏结完成的，高强度的黏结相会增大烧结过程中的固结作用，提高烧结矿的固结强度，进而提高烧结矿的转鼓指数。在烧结过程中由于物料偏析不能产生足够液相时，矿粉的连晶对烧结矿固结又起到了主要的作用[7-8]。

3.2.2 基础特性对烧结矿低温还原粉化的影响

铁矿粉的基础特性与烧结矿低温还原粉化的关系如图2所示。

由表4可知，AA、AG矿粉烧结矿低温还原粉化RDI>3.15mm指标较高，均大于75%。AB、AD、AE、AH矿粉烧结矿RDI>3.15mm为62%～70%。其余矿粉烧结矿RDI>3.15mm低于60%，AC矿粉烧结矿RDI>3.15mm最差，仅为40.94%，与最好的AG矿粉烧结矿相比差40.45%。

由图2可知，铁矿粉的基础性能中影响烧结矿低温还原粉化指数的因素主要是铁矿粉的液相流动性。烧结矿的RDI>3.15mm随着铁矿粉的液相流动性的增大而升高。提高铁矿粉的液相流动性能促进烧结过程中液相黏结较多的物料，使烧结阻力增大，垂直烧结速度降低，使烧结矿的结构更加致密，烧结矿的RDI>3.15mm得到改善。此外，铁矿粉的连晶强度和黏结相强度高，数量多并且分布均匀对低温还原过程中由应力产生的破坏也有一定的抑制作用[9]。因此在配矿过程中为改善烧结矿的RDI>3.15mm，应兼顾铁矿粉的连晶强度和黏结相强度，重点考虑铁矿粉的液相流动性。

3.2.3 基础特性对烧结矿中温还原的影响

铁矿粉的基础特性与烧结矿中温还原的关系如图3所示。

由表4可知，8种矿粉中AB矿粉烧结矿的还原度最高为91.22%，AA、AC矿粉烧结矿的还原度略低，分别为为91.09%和91.17%，AF矿粉最低为78.72%，与AB矿粉相比两者相差约12%，其他4种矿粉烧结矿的还原度为80%～86%。

由图3可知，国内磁铁矿粉AE、AF、AG、AH烧结矿的RI随液相流动性的增大而升高，主要原因是液相流动性好，烧结过程中生成的低熔点物质多，烧结矿易生成薄壁多孔结构，使烧结矿中气孔率升高，增大还原性气体与反应界面的接触面积，从而使烧结矿的还原度升高。而外矿粉AA、AB、AC烧结矿RI较高且受液相流动性的影响较小，是因为外矿粉中原生Fe2O3含量较高，对改善烧结矿的RI起主要作用。

3.2.4 铁酸钙生成特性对烧结矿冶金性能的影响

用德国蔡司Axioskop40偏/反两用显微镜观察测定了8种铁矿粉微型烧结烧结饼的铁酸钙生成性能，并通过分析矿物组成及矿相结构，研究铁矿粉铁酸钙生成性能对单烧烧结矿冶金性能的影响。铁矿粉铁酸钙生成性能如表5所示。矿相结构如图4所示。

由表5可知，8种矿粉烧结饼中铁酸钙质量分数大于47.5%的为AA粉和AG粉，其中AA粉最高为57.5%；AH、AF粉烧结饼中铁酸钙质量分数最低，仅为2.5%和微量，与AA粉相比相差约55%；其他矿粉烧结饼中铁酸钙含量介于AG粉和AH粉之间。

铁矿粉铁酸钙的生成特性与烧结矿冶金性能之间的关系如图5所示。

由表5和图4可知，国内磁铁矿粉AE、AF、AG、AH中，AG铁酸钙生成量最多，大部分呈针状且分布均匀，主要为交织熔蚀结构。由图5可知，AG矿粉烧结矿的转鼓强度、RDI>3.15mm和RI明显较其他矿粉高，且磁铁矿粉的烧结矿RDI>3.15mm和RI随着铁酸钙生成能力的增强得到明显改善。外矿粉AA、AB、AC和镜铁粉AD烧结矿RDI>3.15mm随铁酸钙生成能力的增强而提高，但转鼓指数和RI与铁酸钙生成能力无明显关系。原因是外矿粉和镜铁粉原生Fe2O3含量较高，且微型烧结过程中无还原性气氛，致使烧结饼中赤铁矿或铁酸钙含量较高，所测铁酸钙生成量与烧结矿的转鼓指数和RI无直接关系[10-11]。

4 结论

1)烧结矿的转鼓指数随着铁矿粉黏结相强度和连晶强度的增大而升高。在烧结配矿中使矿粉的同化性和液相流动性保持在合理的范围内，适当地增加黏结相强度和连晶强度较高的铁矿粉。

2)烧结矿的RDI>3.15mm随着铁矿粉液相流动性和铁酸钙生成性能的增大而升高。改善烧结矿的低温还原粉化指数，应兼顾铁矿粉的连晶强度和黏结相强度，重点考虑液相流动性和铁酸钙生成特性。

3)烧结矿RI主要与铁矿粉种类和烧结工艺参数有关。磁铁矿粉烧结矿RI随铁矿粉液相流动性和铁酸钙生成性能的增大而升高，与其他烧结基础特性无明显关系。

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