湖南涟源钢铁集团炼铁厂
摘要：本文通过对十二种铁矿石进行高温性能测试，根据铁矿石同化性能、液相流动性、粘结相强度以及铁酸钙生成能力的测定等，建立了新的铁矿石评价标准，以达到烧结生产为高炉提供优质的烧结矿及较为经济的配矿方案。
关键词：微型烧结；同化性能；铁酸钙
以吴胜利教授为代表的相关研究，为烧结配矿提供了新的思路。吴教授从研究铁矿石的高温性能入手，阐述了铁矿石内在的必然联系，借助这一方法，提高了配矿效率和烧结矿的质量。本研究采取微型烧结试验装置，对涟钢常用的12种铁矿石进行高温性能测定，掌握各种铁矿石的高温特性，指导配矿。
1.铁矿石性能及研究方法
1.1铁矿石化学成分、粒度组成
表1为涟钢烧结厂常用的12种铁矿石，其主要元素的化学成分如表1-1所示。
由表1-1可得，样品的铁品位在49.20%~63.40%之间，其中低富粉、印尼粉、伊朗粉和罗布河粉的铁品位较低，在49.20%~56.20%之间；其余铁矿石的铁品位均在61%以上，在61.00%~63.40%之间。低富粉、巴西低粉、巴西中粉和印尼粉的SiO2含量较高，在6.64%以上；低富粉、罗布河粉和印尼粉的Al2O3含量较高，分别为2.70%、3.16%和7.67%。
由此看来，低富粉、印尼粉、罗布河粉属于典型的高铝高硅低铁矿石，要特别注意这三种铁矿石的配加对烧结过程的影响。
1.2研究方法
1.1.1 同化性能
铁矿石的同化性能是指铁矿石在烧结过程中与CaO的反应能力。试验中采用测定铁矿粉与CaO接触面发生反应（产生熔化特征）的温度来确定各种铁矿石的同化性能。其研究方法为：①将铁矿粉和分析纯CaO试剂制成细粉(-100目)状，在一定的压力下分别压制成直径8mm的矿粉小饼试样和直径25mm的CaO小饼。②将矿粉小饼放在CaO小饼上，推入管式焙烧炉中按一定的焙烧制度进行焙烧。首先将卧式管炉升温至预设温度，然后将试样逐渐推入管炉。推入时每1 min推入一段，5 min推至管炉热电偶位置，进行焙烧。样品在高温处焙烧5min后，按相反的方向缓慢推出。③ 试样冷却后，观察铁矿粉小饼和CaO小饼接触面，以接触面出现明显的溶蚀现象为开始同化的特征。④实验测定达到这一特征所需的最低温度。
1.2.2 液相流动性能
液相流动性能是指在烧结过程中铁矿石与CaO反应生成的液相的流动能力。其研究方法为：①将铁矿粉和分析纯Ca（OH）2试剂制成细粉(-100目)状，混合加水后在一定的压力下压制成直径8mm的小饼。②将小饼推入管式焙烧炉中按一定的焙烧温度和焙烧时间下进行焙烧。推入时每1 min推入一段，5 min推至管炉热电偶位置，进行焙烧。焙烧时间达到预设时间后，按相反的方向缓慢推出。模拟实际烧结中的高温时间，及样品升温时间，高温度段焙烧时间为5 min，温度分别设定为1250℃，1280℃和1310℃。③实验结束后取出烧结小饼，测定其垂直投影面积，以此确定铁矿粉液相流动性。
液相流动性指数描述的是试样因液相流动而呈现出的面积增长率，其数值越大，则流动性越强。本实验选取烧结液相的二元碱度为4.0。
12.3 自身粘结相强度
自身粘结相强度是指铁矿石在烧结过程中形成的液相对其周围的核矿石的固结强度，用以表征铁矿粉形成的液相对其周围的核矿石进行有效固结的能力。试验通过测定试样烧结后的抗压强度来评价各种铁矿石的粘结相自身强度。其研究方法如下：①将铁矿粉制成细粉(-100目)状，添加Ca（OH）2分别压制成碱度为碱度1.8，碱度2.0，碱度2.2的团块。②将小团块推入管式焙烧炉中按一定的焙烧温度和焙烧时间下进行焙烧。③团块冷却后，在抗压测定仪上测量焙烧后团块的抗压强度，比较铁矿石在同一碱度及不同碱度下的强度变化。
1.2.4铁酸钙生成特性
铁酸钙生成特性是指在烧结过程中复合铁酸钙(SFCA)的生成能力。其研究方法为：
①将铁矿粉和CaO磨细至-100目下，然后将铁矿粉与一定量的化学分析纯Ca(OH)2混合，使混合料的碱度R=3.0,；然后在一定的压力下，压制成矿粉小饼。将小饼推入管式焙烧炉中按一定的焙烧温度和焙烧时间下进行焙烧。② 管炉升温至预设温度，然后将试样逐渐推入管炉。推入时每1 min推入一段，5 min推至管炉热电偶位置，进行焙烧。焙烧时间达到预设时间后，按相反的方向缓慢推出。模拟烧结过程，焙烧时间5min。③铁酸钙生成量的鉴定：将焙烧后的团块进行煮胶定型，然后磨片，在Leica DM光学显微镜下，对铁酸钙的生成情况，通过Image Plus图像分析软件进行面积定量统计，用铁酸钙的面积百分比来评价其生成量的多少。
2 实验结果及分析
2.1 铁矿石同化温度
涟钢12种铁矿石的开始同化温度列于图2-1。由表可得，不同铁矿石的开始同化温度有着明显的差异，12种铁矿石的开始同化温度按照由低到高的顺序排列为：罗布河粉（1200℃）＜南非标准粉（1220℃）＜PB粉、一类精粉、伊朗粉（均为1230℃）＜低富粉、巴西中粉、二类精粉（均为1240℃）＜巴西低粉、俄罗斯精粉（均为1260℃）＜印尼粉（1270℃）＜南非精粉（1300℃）。由此可以推知在烧结过程中，罗布河粉、南非标准粉的液相生成所需温度低；PB粉、一类精粉、伊朗粉、低富粉、巴西中粉、二类精粉、巴西低粉、俄罗斯精粉和印尼粉9种铁矿石的液相开始生成温度属于中等水平；而南非精粉液相生成所需温度最高。
图2-1涟钢12种铁矿石的开始同化温度
铁矿石液相的生成主要发生在燃料燃烧带（温度1100℃~1500℃），燃烧带的最高温度与燃料用量有较大关系。故若料层中铁矿石的同化温度较高，要使料层中产生足够液相，意味着燃料用量需要进一步提高。
2.2 铁矿石液相流动性
不同铁矿石与熔剂反应生成液相的流动性指数如图2-2所示，可见不同铁矿石其形成的液相流动性能差异明显。根据研究方法中所述的分类方法对12中铁矿石的液相流动性能分为高中低三个等级：当温度为1250℃时，低富粉液相流动性能高，巴西低粉、巴西中粉和印尼粉液相流动性能中等，其余铁矿液相流动性能低；随着温度的升高，液相生成量增加，液相流动性增强，当温度为1310℃时，低富粉、巴西低粉、巴西中粉和印尼粉的流动性能高，PB粉、南非标准粉、罗布河粉的流动性中等，而一类精粉、二类精粉、南非精粉、伊朗粉和俄罗斯精粉的流动性低。结合铁矿石的化学成分分析结果可以得到，铁矿石生成液相的流动性与铁矿石中SiO2含量有着良好的对应性。一般而言，铁矿石中SiO2含量越高，其液相流动性越好，这是因为SiO2促进了液相的生成。
图2-2不同温度条件下各类铁矿石生成液相的流动性指数
2.3自身粘结相强度
涟钢12种铁矿石自身粘结相强度如表2-2所示。由表可得，不同铁矿石的自身粘结相强度存在明显的差异，随碱度变化的规律也不同。根据自身粘结相强度高低分类，其中低富粉、巴西低粉、伊朗粉的自身粘结相强度低（小于800N/个）；巴西中粉、一类精粉、二类精粉、南非精粉、俄罗斯精粉、印尼粉的自身粘结相强度中等（800~1400N/个）；PB粉、南非标准粉、罗布河粉的自身粘结相强度高（大于1400N/个）。就铁矿石自身粘结相强度与碱度之间的变化来看，碱度对精矿（磁铁矿型）的影响要小于其对粉矿（赤铁矿或褐铁矿型）的影响，这是因为磁铁矿并不能与CaO生成铁酸钙液相，故磁铁矿烧结时铁酸钙的生成是在磁铁矿氧化基础上形成的，由此看来，磁铁矿的氧化特性将影响着磁铁矿烧结过程中的铁酸钙生成量，从而影响其自身粘结相强度。
根据铁酸钙生成含量进行分类，南非精粉、伊朗粉、印尼粉铁酸钙生成能力低（小于20%）；二类精粉、俄罗斯精粉铁酸钙生成能力中等（20%~60%）；其余铁矿石的铁酸钙生成能力高（大于60%）。由结果来看，磁铁精粉（包括伊朗粉）的铁酸钙生成能力除一类精粉外均属于中低水平，这是因为磁铁矿并不能与CaO生成铁酸钙液相，故磁铁矿烧结时铁酸钙的生成是在磁铁矿氧化基础上形成的，由此可以推知一类精粉的氧化能力较优；赤铁矿型、褐铁矿型铁矿石的铁酸钙生成能力一般较高。
配矿原则
结合不同种类铁矿石的冷态性质和高温反应性能，按照以下原则进行优化配矿：1) 选择同化性能较好的矿粉，降低开始生成液相的温度；2) 选择液相流动性较好的矿粉，扩大对大颗粒的粘结范围；3) 选择粘结相强度好的矿粉，提高烧结矿粘结相的强度；4) 选择铁酸钙生成性能好的矿粉，提高烧结矿的冷态强度和冶金性能。
对于非均质烧结矿而言，基于对烧结矿的固结和烧结料层透气性的考虑，并不希望作为核矿石的粗粒矿石过分熔化，以避免起固结骨架作用的核矿石减少以及烧结料层透气性恶化而影响烧结矿的质量和产量，因而要求粒度较大充当核颗粒的铁矿石的同化性能好，液相流动性能适宜，如可以选择罗布河粉、南非标准粉及PB粉等。而烧结过程又希望粘附粉同化性能应该尽量好，以降低低熔点物质的开始形成温度，便于液相使铁矿颗粒靠近、拉近并聚集长大，可以选择一类精粉等。烧结过程中应有适当的液相流动性，以提高液相的粘结范围，但又不能流动性过好形成大孔薄壁结构，故可以选择流动性好和流动性较差的两类矿石搭配使用。粘结相强度和铁酸钙生成量方面，应考虑尽量提高强度好同时铁酸钙生成能力强的矿种的配比，尽量少配入差的矿种。依据高温反应性能进行配矿时，还应注意矿石的使用成本及对烧结过程垂直烧结速度的影响。如南非精粉、二类精粉等精矿，不能过多配入从而影响烧结混合料的制粒。
整体而言，配矿要求具有高同化性能、高粘结相强度和高铁酸钙生成能力但液相流动性中等的矿石为骨架，再搭配具有高液相流动性、中等以上同化性能、粘结相强度和铁酸钙生成能力的矿石为辅。
结论
1 铁矿石高温性能初步揭示了品种矿石反应性能，在实际生产过程中有针对性的进行调剂，有利于烧结矿质量的提高；
2 综合评定，性能较好的铁矿石为南非标准粉，PB粉，巴西中粉；
3 从性能搭配互补角度考虑，罗布河粉与精粉搭配，有利于烧结过程的进行；
4 精粉的高温性能评定应在氧化气氛下进一步认定，有利于对磁铁矿类精粉高温性能的判定，并进一步指导烧结配矿。
参考文献：
[1]各种铁矿粉的同化性及其互补配矿方法_阎丽娟
[2]基于铁矿粉高温特性互补的烧结优化配矿_吴胜利
[3]铁矿粉的烧结熔融特性及其评价方法_吴胜利
[4]铁矿粉烧结液相流动特性_吴胜利
论文作者:董相华
论文发表刊物:《基层建设》2017年第33期
论文发表时间:2018/3/5
标签：铁矿石论文; 液相论文; 性能论文; 精粉论文; 流动性论文; 南非论文; 碱度论文; 《基层建设》2017年第33期论文;