摘要：通过烧结杯试验，对进口铬铁矿粉烧结过程中的焦粉配比、混合料水分、料层高度和烧结负压等工艺参数进行研究，发现该铬铁矿粉可用烧结法进行造块，其产品铬铁烧结矿可作为电炉冶炼铬铁合金的炉料。与普通铁矿烧结相比，铬铁矿烧结主要特征为：燃烧带宽(75．00mm)，烧结温度高(1 450--1 500℃)，冷却所需时间长。铬矿烧结主要依靠20％左右橄榄石液相粘结为主，同时，Cr₂O₃固相反应有利于烧结矿固结。铬铁矿粉烧结的成功将为我国铁合金行业充分利用廉价铬铁矿粉提供技术支持，有利于降低铬铁合金生产成本。

关键词：铬铁矿粉；烧结；铬铁合金

    自然界里铬总是与铁共生形成铬铁尖晶石(FeO·Cr₂O₃)，其矿物学名称是铬铁矿。我国铬矿资源贫乏，保有储量仅占世界储量的0．15％，而且分布零散，矿床规模小。国土资源部统计，2005年，我国95％铬铁矿依靠进口，进口量达302万t。

    目前，世界铬矿开采量约为2000万t／a，其中块矿约占20％，粉矿(<8 rnm)约占80％。2006年8月，南非块矿(Cr₂0₃>43％)价格为2 800元／t，而印度易碎粉矿(Cr₂0₃50％)价格为2 150元／t。粉矿品位高，价格低，但在冶炼高碳铬铁过程中粉矿过多会使炉料透气性变差，炉况恶化、翻渣，严重影响各项技术经济指标。因此，如何利用廉价粉矿，加强铬矿粉的造块是降低我国铬系铁合金生产成本、提高铬系铁合金市场竞争力的有效措施之一。

    当前，铬铁矿主要的造块方法有压团法、球团法和烧结法。由于铬尖晶石熔点很高，且难以形成低熔点的液相，铬铁矿烧结有一定的难度，需要深入研究。然而，铬烧结矿则具有一些其它预处理法不具有的优点：烧结矿强度高、粒度均匀，使电炉透气性改善。与块矿和冷压团块相比，烧结矿结构疏松，高温电阻率比块矿和冷压团块大得多，冶炼产品单位电耗降低幅度为200～300 kW·h／t。因此，作者系统开展了铬铁矿粉烧结的试验研究，在烧结杯上成功进行了铬矿粉烧结，并取得了良好指标。

1  原料性能和研究方法

1．1原料性能

    试验用铬铁矿为某进口铬铁矿，其化学成分(质量分数，％)为：Cr₂ O₃51．18，∑Fe 12．52，siO₂4．68，A1₂ 0₃ 11．59，CaO 2．95，MgO 12．11，Fe₂0₃7．97，P 0．01，S 0．09，Cr₂0₃／FeO一3．18。用这种铬铁矿可生产出Cr的质量分数大于65％的铬铁。铬铁矿<3 mm占74．69％，粒度较细，不适合直接加入电炉冶炼铬铁合金。铬铁矿物理性能为：分子水8．22％、毛细水12．36％、毛细水迁移速度2．33mm／min、堆密度1．97 t／m²、真密度3．93 t／m³、孔隙率49．74％、成球性指数1．99，其中测定毛细水和分子水的铬铁矿粒度<1 mm。测定结果表明，这种铬铁矿毛细水迁移速度快，亲水性好，成球性指数高，是一种制粒性能良好的原料。

    试验用焦粉化学成分(质量分数，％)为：SiO₂11.35、A1₂O₃7．37、F₂ 0₃ 1．82、CaO 0．76、MgO0．02、S 0．52，工业分析：固定碳75．28％、灰分21．94％、挥发分2．78％。焦粉的固定碳含量偏低，灰分含量较高，含硫偏高，但基本能满足烧结的要求。普通铁矿烧结要求焦粉<3 mm达到85％，铬铁矿烧结所需的温度高于铁矿烧结，焦粉粒度烧结试验表明，<3 mm 57．98％的焦粉适于铬铁矿烧结。

1．2研究方法

    烧结试验流程包括：配料、混合、制粒、点火、烧结、冷却、落下、筛分等环节。称取25 kg铬铁矿，焦粉和返矿按一定比例内配，水分外配，混合料进行人工混匀后，进圆筒混合机制粒。圆筒混合机主要技术参数：规格Ø600 mm×1 400 mm，圆筒转速15r／min，制粒时间3 min，制粒完毕后，取样测水分、粒度组成和透气性。剩余混合料均匀布入Ø 150 mm×580mm烧结杯中，烧结杯箅条位置可调，箅条预先铺上1 kg粒度10～16 mm成品铬烧结矿。混合料点火后，进行烧结；达到烧结终点后，将烧结矿进行冷却，然后对烧结矿物理性能和其它指标进行检测，检测方法见参考文献[9]。

2烧结试验结果及分析

2．1  原料性能

2．1．1  焦粉配比

    在烧结过程中，氧化物的再结晶，液相生成数量，烧结矿的矿物组成及烧结矿的微观结构等，在很大程度上取决于燃料的用量凹]。因此，焦粉的配比是影响铬矿粉烧结的主要因素之一。焦粉配比对烧结指标的影响见图1。

    由图1可知，随着焦粉配比由6．15％提高到8．08％，烧结矿的成品率由58．9％提高到70．35％；转鼓指数由45．07％提高到57．87％；利用系数变化曲线呈凹型；固体燃耗整体呈现上升趋势。综合考虑烧结矿的产质量，适宜的焦粉配比为7．31％～8．08％。

2．1．2混合料水分

    水分在烧结过程中主要起强化制粒、导热、助燃作用，因此，水分对烧结矿产质量有明显影响。

    其它条件同图1的条件下，随着混合料水分由7．510／／提高到9．0％，烧结矿的成品率由74．55％下降至70．35％，利用系数明显由1．08 t／(m²·h)提高到1．35 t/(m²·h)，转鼓指数变化不大。适宜的烧结混合料水分为8．5％～9．0％。

2．2烧结操作参数优化

2．2．1  料层高度

    在烧结过程中，改变料层高度能显著地影响烧结生产率、烧结矿质量及固体燃耗。料层高度对铬铁矿粉烧结的影响如图2所示。

随着烧结料层高度增加，固体燃耗明显下降，成品率和转鼓指数存在峰值，适宜的料层高度为580mm。通常由于料层自动蓄热作用，适当地增加料层高度，可提高料层下部的温度，延长高温保持时间，有利于粘结相的扩散和固结，从而改善烧结矿强度。但超过一定范围后，由于料层阻力太大，下层水分冷凝现象加剧，烧结指标将下降。

2．2．2烧结负压

    烧结负压对烧结矿产质量的影响如图3所示，可见，随着烧结负压的增加，利用系数显著提高，烧结矿的成品率提高，固体燃耗下降。在烧结料层原始透气性一定的条件下，增加烧结负压可增大通过烧结料层的风量，提高空气过剩系数，促进焦粉的燃烧。在生产中，随着烧结负压的增加，烧结风机的电耗几乎直线上升，因此，必须综合考虑。试验结果表明，烧结负压10～12 kPa，烧结指标均较理想。

2．3铬铁矿烧结特征

2．3．1烧结温度

    由图4可见，铬铁矿烧结过程中，料层最高温度高于普通铁矿烧结。冀东铁精粉烧结料层最高温度为1 400℃，垂直烧结速度24．90 mm／min，燃烧带厚度14．95 mm，焦粉燃烧时间O．60 min(A—B)。而作者通过试验测定，发现在铬铁矿烧结过程中，料层的最高温度为1 450～1 500℃，垂直烧结速度13．60 mm／min，燃烧带厚度75．00 mm，焦粉燃烧时间5．5 min(a一6)，且高温保持时间(>1 400℃)长达5 min左右。因而燃烧带宽、高温保持时间长是铬铁矿烧结成功的关键。由于铬铁矿粉烧结所需温度高，必须采用铺底料工艺才能保护箅条，减少设备损耗。

2．3．2烧结矿冷却

    铬铁矿烧结所需的温度高，燃烧带宽，冷却所需时间长。因此，了解铬铁矿烧结冷却特点具有十分重要的意义。

    图5为达到烧结终点后，不同冷却风速和冷却时间对铬烧结矿冷却效果的影响，为便于对比，图中同时列出了普通烧结矿冷却过程时间温度关系。由图可知，铬矿烧结过程到达烧结终点后，烧结矿所需的冷却时问长，冷却风量大，冷却负压高。通常，在冷却过程中，各种矿物的结晶和固相反应还在发生，冷却时间较长，使得铬铁矿烧结过程中各种矿物结晶较好，这也是铬铁矿烧结法能取得成功的基本条件之一。此外，铬烧结矿冷却时间长还与燃料配比高有直接关系。

2．4烧结矿固结机理

    经LEICK DMRXP高清晰透反两用显微镜和KYKY2800一FINDl000扫描电镜一能谱仪分析，铬烧结矿矿物组成(质量分数，9／6)为：铬铁矿17．12，三氧化二铬47．58，铁橄榄石4．11，镁铁橄榄石7．30，镁橄榄石4．17，铁酸镁2．30，钙镁橄榄石2．34，玻璃质5．47，铬、铁碳化物O．05，三氧化二铝9．45；孔隙率为53．86％。

    铬烧结矿固结以Cr₂0₃再结晶固相固结为主(图6)，辅以20％左右橄榄石液相固结(图7)。由于铬铁矿中高熔点的物质多，其烧结液相量明显低于普通铁矿烧结液相量(30％～40％)，虽然Cr₂O₃及FeO·Cr₂O₃的熔点高达1 990℃、1 850℃，但根据塔曼学派的研究，其固相反应开始的温度Tc约等于0．57Tm，即Cr₂0₃及FeO·Cr₂0₃的塔曼温度为1134℃、1 055℃。在烧结过程中，当烧结料层温度高于Cr₂O₃的塔曼温度时，矿粒晶格内的原子获得足够的能量，克服周围健力的约束进行表面扩散，矿粒之间形成连接桥，产生再结晶和再结晶长大。这种Cr₂O₃的再结晶是铬烧结矿的重要固结方式。此外，由于烧结最高温度达到1 450～1 500℃，超过了铁橄榄石(1 205℃)、钙铁橄榄石(1150℃)等的熔点，这些橄榄石液相在烧结负压和毛细力的共同作用下迁移、填充到矿物颗粒的间隙中，使铬烧结矿强度好，成品率高。

3  结论

    (1)对含Cr₂O₃51．18％(质量分数)的某进口铬铁矿粉进行了系统的烧结杯试验研究，在焦粉配比为7．31％～8．08％、返矿23．07％、混合料水分8．5％～9．O％、料层高度580 mm、点火温度(1100±50)℃、点火时间2 min、点火负压4 kPa、烧结负压10 kPa的条件下，铬烧结矿的成品率为68．38％～71．25％，转鼓指数为57．07％～58．67％，利用系数为1．10～1．35 t／(m²·h)。结果表明，此铬铁矿粉可以用烧结法进行造块。

    (2)铬烧结矿固结以橄榄石液相固结为主，Cr₂O₃再结晶固相固结为辅，两者共同作用，使铬烧结矿成功结块，并具有较高的强度。

    (3)利用铬矿粉生产铬铁烧结矿，将降低铬铁冶炼原料成本，优化电炉冶炼，改善冶炼环境，降低电耗，增强铁合金企业的竞争力，有广阔的推广应用前景。

                                                                                                                                       (中南大学资源加工与生物工程学院，湖南长沙410083)