摘要 在分析现有烧结试验方法(烧结杯试验和微型烧结试验)优缺点的基础上，介绍了一种由河北理工大学开发的、研究烧结过程的新方法——小型烧结。用扫描电子显微镜、矿相显微镜、化学成分分析、高温抗压强度等手段对烧结试样进行了检测，结果表明，小型烧结试验得到的烧结矿与唐钢生产烧结矿的显微结构、矿物组成、化学成分、抗压强度及冶金性能指标非常接近，这说明小型烧结可以很好地模拟烧结生产。

关键词  小型烧结烧结矿  冶金性能研究方法

1  前言

    我国高炉炉料结构的基本形式为“高碱度烧结矿+酸性炉料”，酸性炉料包括球团矿和天然块矿，其中高碱度烧结矿占60％～70％。随着高炉精料方针的实施，人们日益关注烧结矿的质量，如何获得物理化学性能优良、适合高炉冶炼的烧结矿，是冶金工作者进行研究的焦点问题之一。目前采用的烧结试验方法有两种：一种是烧结杯试验，另一种是微型烧结试验，这两种烧结试验方法各有所长，但也各有其局限性。为此，我们开发出了一套介于两者之间的小型烧结试验设备和方法。同时，还用这种设备进行了模拟唐钢生产的烧结试验，并将小型烧结试验得到的烧结矿与唐钢生产烧结矿的各项冶金性能指标进行了对比分析。

2现有烧结试验方法的比较分析

2．1烧结杯试验

    用烧结杯模拟烧结生产过程的试验是目前普遍采用的方法，烧结杯试验设备如图1所示^[1]。烧结杯又可分为普通烧结杯和大型烧结杯。普通烧结杯为Q~200 mm的倒圆台型结构，烧结杯锥度为5％，杯高430 mm，每次用料30 kgo大型烧结杯为(2j 300 mm的倒圆台型结构，烧结杯锥度为5％，杯高为700 mm，每次试验用料100 kg。

    烧结杯试验工艺与烧结生产工艺非常相似。首先根据原燃料条件进行混合料配比一算，按计算结果进行配料。配料后先人工混料再用圆筒混合机二次混匀，然后装入圆盘造：机再次混匀、制粒，控制加水量及适宜的制粒粒度。将混匀制粒后的原燃料装人烧结杯中进：抽风烧结。采用液化煤气点火，点火温度约150 ^oC，烧结负压8 820 Pa。烧结杯试验可以：好的模拟烧结生产，为工业生产提供工艺参数如进行原料配比、冶金性能等方面的研究，但每次试验用料多，试验强度很大，往往需要数才能进行，并且在进行机理方面的研究时受很大的限制。

                          1-助燃风机;2-液化煤气罐;3-废气温度显示仪;4-测温热

                          电偶;5-烧结杯;6-点火温度显示仪;7-点火器;8-负压计;

                          9-一级旋风除尘器;10-二级旋风除尘器;11-泡沫除尘器;

                          12-消声器;13-抽风机

2．2微型烧结试验

    微型烧结法是根据剖析烧结过程中的温度分布、废气气氛和不同烧结带的矿相结构而设计的一种烧结固结机理研究方法l引。其关键是如何控制烧结过程中温度与气氛。微型烧结试验装置主要包括红外线快速高温炉、温度测定及控制系统、气体控制系统、试样台自动升降装置等^[3]，见图2。

                          1-石英管;2-热电偶;3-红外线加热炉;4-升降装置;5-温

                          控仪电源;6-温控仪设置按钮;7-温度表;8-气体流量表;

                          9-升降装置调节旋钮;10-气体转换开关;11-电源开关;

                          12-升降装置开关

  、微型烧结配料时不加燃料，热量全部由外部提供，与实际烧结生产过程由焦粉燃烧提供热量相比，温度升降较为平稳，而且需要一定的时问才能达到内外均匀；与此相对应，模拟高温燃烧带和氧化带就要有一个较长的过程，因此，温度和气氛的控制更容易。通常以在N₂气氛下的焙烧来模拟燃烧带及其以前部分，以空气气氛下的焙烧来模拟高温氧化带及其以后部分。

    由于微型烧结不加燃料，并且原料是经过研磨的粉末(粒度通常小于0．148 mm)，先将其压成小块(Ø10 mm×5 mm)再进行高温焙烧，因此微型烧结忽略了混料、制粒、布料、燃烧及工艺操作参数等因素。这样虽操作简单，但是和烧结工业生产有较大区别，不适合做烧结矿的冶金性能、原料配比等研究。

3小型烧结试验    、

3．1小型烧结试验设备

    小型烧结试验装置由河北理工大学研发，主要由一台空气压缩机、高温电炉、程序控温装置、两根内径不同两端可密封的碳化硅管、小烧结杯及相关密封设施等组成，见图3。

    小型烧结试验用原燃料与烧结生产相同，首先根据计算结果进行配料，配料后先人工混料，然后用小型圆盘造球机二次混匀，调节圆盘造球机的倾角，控制加水量，将混合料制成适宜的粒度。每次试验用原燃料3．0 kg左右，大大减小了配料和混料工作量，降低了劳动强度，更适合于一个人进行操作。

3．2小型烧结试验步骤

    采用小型烧结法进行烧结试验，步骤如下：

    (1)将高温电炉按一定的升温曲线升至试验温度；

    (2)将混匀、制粒后的混合料装入小烧结杯中，在保证一定透气性的前提下装满并稍加压实；

    (3)把小烧结杯放入已恒温的高温电炉内；

    (4)待小烧结杯内原燃料与高温电炉热传递完毕，打开空压机，调节气体流量，将压缩空气从上部人口处吹入，尾气由设备底部出口排出；

    (5)用pH试纸测定尾气的酸碱性，当尾气为中性时烧结过程结束；

(6)继续吹风强制冷却至100 ℃，试验结束。

4小型烧结试验得到烧结矿的性能研究、

  为了验证小型烧结试验方法模拟实际烧结生产的可信度，我们按照唐钢烧结生产的配料进行了小型烧结试验，并将小型烧结试验得到的烧结矿与唐钢生产烧结矿的形貌、矿物组成、化学成分、抗压强度及冶金性能等指标进行了比较分析。

4．1烧结矿的形貌及矿物组成

    小型烧结试验得到的烧结矿和唐钢烧结矿的矿物组成及体积百分含量列于表1。由表可知，两种烧结矿的金属相以磁铁矿为主，且含量均为35％-40％】；粘结相以铁酸钙为主，含量均为40％～45％；小型烧结试验得到的烧结矿中赤铁矿含量为5％～7％，略低于唐钢烧结矿，而硅酸二钙的含量为10％～12％，略高于唐钢烧结矿。

    图4是唐钢烧结矿和相同配料条件下用小型烧结试验得到的烧结矿的扫描电镜照片和矿相分析照片。比较图中的扫描电镜照片(a、c)可以看出，两种烧结矿的形貌非常相似，结构比较均匀、致密。

  从矿相分析照片(b、d)看出：两种烧结矿均以交织熔蚀结构为主，局部可见斑状结构。气孔率为15％～20％，气孔大小不一，小型烧结试验得到烧结矿的气孔较大。磁铁矿多呈他形，粒度细小，为0．005-0．078 mm。赤铁矿多呈他形，少量呈自形、半自形晶，分布较均匀，粒度为0．01～0．104 mm，多呈零星分布，局部连接成片。铁酸钙为主要粘结相，多呈板柱状及他形，部分呈针状，结晶粒度较细小，与硅酸二钙共同胶结他形磁铁矿形成交织熔蚀结构。硅酸二钙多呈麦粒状、针状，部分柳叶状，分布较均匀。钙镁橄榄石主要呈柱状分布。4．2烧结矿的化学成分

    唐钢烧结矿和小型烧结试验得到烧结矿的化学成分分析见表2，由表可知，两种烧结矿的成分如碱度、TFe、CaO和MgO等非常接近，小型烧结试验得到的烧结矿中Fe0含量较低。

4．3烧结矿的强度

4．3．1烧结矿的成品率及冷强度

    烧结矿成品率和冷强度的测定参照国家标准GB8029—87进行，结果见表3。从表看出，两种烧结矿的成品率和冷强度指标非常接近，小型烧结试验得到烧结矿的成品率、转鼓指数和抗磨指数指标略低于唐钢烧结矿的相应指标。这与烧结矿的矿物组成分析结果相吻合，因为小型烧结试验得到烧结矿中硅酸二钙含量较高，在降温冷却过程中硅酸二钙会发生晶形转变，冷却至830～850℃时，α一2CaO·Si0₂转变为γ—2CaO·Si0₂，体积约增大12％；冷却至675℃时，β一2CaO·Si0₂转变为γ一2CaO·Si0₂，体积增大10％，致使烧结矿的冷强度和成品率降低。

4．3．2烧结矿的高温抗压强度

    烧结矿的高温抗压强度用高温抗压试验机进行测定^[4]，得到了两种烧结矿的抗压强度与温度的关系曲线，见图6。由图可知：室温下小型烧结试验烧结矿的强度比唐钢烧结矿的强度略低；但是两种烧结矿随温度的变化趋势基本一致，即随着温度的升高，两种烧结矿的强度都呈下降趋势，在温度小于900℃时，变化比较平坦；在温度大于900℃时，随温度的升高，强度急剧下降。

4．4烧结矿的冶金性能

    烧结矿的冶金性能包括还原性能、低温还原粉化性能和荷重软化性能。采用国家标准GB／T13241—91进行测定，测定结果列于表4。由表可知，小型烧结试验得到的烧结矿与唐钢生产的烧结矿的冶金性能指标很接近，这与前面的矿相分析和化学成分分析结果一致。比如，小型烧结试验得到烧结矿的还原度为83．82％，略高于唐钢生产烧结矿的还原度83．20％，这与化学成分分析得出的小型烧结试验烧结矿中FeO含量低于唐钢生产烧结矿的结果是相呼应的。

5结论  

    通过以上研究发现，小型烧结试验得到的烧结矿与唐钢生产烧结矿的显微结构、矿物组成、化学成分、抗压强度和冶金性能指标非常接近，因此可以说小型烧结试验能很好地模拟实际烧结生产。又因小型烧结试验每次用料量少，省时省力，可以一个人进行操作，因此小型烧结试验方法是进行烧结过程研究值得推广的一种新方法。

                                                                                                                                                                                                                                              (1．东北大学材料与冶金学院2．河北理工大学冶金与能源学院)