Al2O3/SiO2對(duì)燒結(jié)礦冶金性能的影響

張新建，朱博洪，牛德良，楊 劍，徐敏人，肖揚(yáng)武

(1.首鋼水城鋼鐵(集團(tuán))有限責(zé)任公司，貴州 六盤水 553000;2.重慶大學(xué)，重慶 400044)

目前，首鋼水城鋼鐵(集團(tuán))有限責(zé)任公司(以下簡(jiǎn)稱水鋼)入爐綜合爐料中燒結(jié)礦占75%左右，其余均用塊礦和球團(tuán)礦進(jìn)行補(bǔ)充。水鋼因無(wú)自己的礦山和球團(tuán)廠，所有塊礦和球團(tuán)礦均需外購(gòu)，故來(lái)源多樣，品種較復(fù)雜。因Al2O3/SiO2的熔化性溫度較高，在高爐冶煉過(guò)程中會(huì)引起高爐渣黏度增加和產(chǎn)生流動(dòng)性變化，導(dǎo)致焦比升高、脫硫能力降低、渣鐵分離困難，以及鐵損失率增加等問(wèn)題。有少量的研究表明:一定的Al2O3/SiO2質(zhì)量比值是燒結(jié)生產(chǎn)獲得鐵酸鈣礦物組成的必要條件，但當(dāng)Al2O3/SiO2質(zhì)量比值過(guò)高將會(huì)促進(jìn)燒結(jié)礦中玻璃體的形成，抑制結(jié)晶程度，使燒結(jié)礦的冷強(qiáng)度迅速惡化，低溫還原粉化加劇。適量的二氧化硅和氧化鋁有利于降低鐵酸鈣液相熔點(diǎn)，從而促使鐵酸鈣液相的形成，但是會(huì)生成尺寸較大酸性離子團(tuán)，提高液相的黏度，降低粘結(jié)相流動(dòng)性［1－2］。此外，很多針對(duì)鋁元素對(duì)燒結(jié)礦性能和質(zhì)量的影響研究表明［3－6］:對(duì)于不同原料條件的高堿度燒結(jié)礦，當(dāng)Al2O3/SiO2質(zhì)量比值控制在0.40～0.45以下時(shí)，Al2O3/SiO2質(zhì)量比值的增加可以顯著地促進(jìn)鐵酸鈣物相的生成，降低燒結(jié)礦混合料的初熔溫度;當(dāng)Al2O3/SiO2質(zhì)量比值大于0.40～0.45時(shí)，Al2O3/SiO2質(zhì)量比值的增加會(huì)使燒結(jié)礦性能惡化。

針對(duì)以上問(wèn)題可以看出:燒結(jié)礦中鋁元素的分布和硅元素密切相關(guān)，而且這種分布的差異是影響燒結(jié)礦強(qiáng)度和冶金性能的重要因素，而單獨(dú)研究這2種元素對(duì)燒結(jié)礦性能的影響是有失偏頗的。因此，本文通過(guò)燒結(jié)試驗(yàn)及冶金性能測(cè)試方法，研究了Al2O3/SiO2質(zhì)量比值對(duì)燒結(jié)礦冷強(qiáng)度性能、還原性能和低溫粉化性能的影響，以及與燒結(jié)礦中FeO含量的關(guān)系。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料特性

本實(shí)驗(yàn)根據(jù)水鋼現(xiàn)有燒結(jié)原燃料條件進(jìn)行研究，其燒結(jié)使用的原料其化學(xué)成分如表1所示，燒結(jié)所使用的熔劑及其成分如表2所示。實(shí)驗(yàn)中所使用的原料取自水鋼高爐原料場(chǎng)。

表1 燒結(jié)原料化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))%

表2 燒結(jié)熔劑化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))%

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

1.2.1 燒結(jié)實(shí)驗(yàn)

燒結(jié)使用的燃料組成為焦粉∶煤粉(質(zhì)量比)=3∶1，燃料固定碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為84.15%，揮發(fā)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.6%，灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13.24%，灰分成分和燒結(jié)所用溶劑成分如表2所示。燒結(jié)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的參數(shù):點(diǎn)火溫度為1 100℃，點(diǎn)火時(shí)間為1 min，燒結(jié)礦料層厚度為700 mm。

1.2.1 Al2O3/SiO2質(zhì)量比值對(duì)燒結(jié)礦冷態(tài)強(qiáng)度的影響

固定堿度為 2.0，燃料配比為 6.5%，測(cè)得Al2O3/SiO2質(zhì)量比值在0.25～0.4間變化時(shí)燒結(jié)礦的落下強(qiáng)度和轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度特性。落下強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)采用日本標(biāo)準(zhǔn)(JIS－M8711－7)規(guī)定的參數(shù)，轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB8209—87)進(jìn)行。

1.2.2 Al2O3/SiO2對(duì)燒結(jié)礦還原性能和低溫還原粉化性能的影響

固定堿度為 2.0，燃料配比為 6.5%，測(cè)定Al2O3/SiO2質(zhì)量比值在0.25～0.4間變化時(shí)燒結(jié)礦的還原性、還原粉化率及與燒結(jié)礦中FeO含量的關(guān)系。燒結(jié)礦還原性的測(cè)定按照國(guó)標(biāo)(GB/T13241—91)檢測(cè)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，而鐵礦石低溫還原粉化指數(shù)根據(jù)國(guó)標(biāo)(GB/T13242—91)采用靜態(tài)法測(cè)定。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 Al2O3/SiO2對(duì)燒結(jié)礦冷態(tài)強(qiáng)度的影響

在固定堿度為2.0，燃料配比為6.5%的條件下，測(cè)得Al2O3/SiO2質(zhì)量比值從0.25變化到0.4時(shí)與燒結(jié)礦冷態(tài)強(qiáng)度的關(guān)系，如圖1所示。

燒結(jié)礦的主要粘結(jié)相為復(fù)合鐵酸鈣相。當(dāng)Al2O3/SiO2質(zhì)量比值較低時(shí)，鋁元素過(guò)少，而鋁元素是形成復(fù)合多元鐵酸鈣的必須元素，這導(dǎo)致多元復(fù)合鐵酸鈣的形成受阻，燒結(jié)礦液相減少，因而強(qiáng)度下降;當(dāng) Al2O3/SiO2比為 0.3 ～0.35 時(shí)，燒結(jié)礦的冷強(qiáng)度較好，可達(dá)84%;而當(dāng)Al2O3/SiO2比大于0.35后(此時(shí)氧化鋁含量大于2.0%)，多元復(fù)合鐵酸鈣中的鋁元素過(guò)多，會(huì)使它的流動(dòng)性變差，粘結(jié)效果變差，強(qiáng)度明顯下降。另外，由于此時(shí)鐵酸鈣中固熔的鋁已經(jīng)飽和，鋁元素開(kāi)始向玻璃相中富集并促進(jìn)玻璃相的生成，而玻璃相是燒結(jié)礦中強(qiáng)度最差的相，它的增加勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致燒結(jié)礦的強(qiáng)度下降［7－9］。

圖1 Al2O3/SiO2質(zhì)量比值與燒結(jié)礦冷態(tài)強(qiáng)度的關(guān)系

2.2 Al2O3/SiO2質(zhì)量比值對(duì)燒結(jié)礦還原性能和低溫還原粉化性能的影響

堿度為2.0，燃料配比為6.5%，Al2O3/SiO2質(zhì)量比值在0.25～0.4間變化時(shí)，燒結(jié)礦還原指數(shù)結(jié)果如表3所示。Al2O3/SiO2質(zhì)量比值與燒結(jié)礦還原性能的關(guān)系如圖2所示。

表3 還原指數(shù)結(jié)果

圖2 Al2O3/SiO2與燒結(jié)礦還原性能的關(guān)系

從圖2中可以看出:Al2O3/SiO2質(zhì)量比值對(duì)燒結(jié)礦還原性能有較大影響。當(dāng)Al2O3/SiO2質(zhì)量比值小于0.35時(shí)，隨著Al2O3/SiO2質(zhì)量比值的提高燒結(jié)礦的還原性能也在提高。其原因是Al2O3/SiO2質(zhì)量比值的提高有利于多元復(fù)合鐵酸鈣的形成，而鐵酸鈣特別是多元復(fù)合鐵酸鈣還原性強(qiáng)于磁鐵礦，當(dāng)Al2O3/SiO2質(zhì)量比值高于0.40后，隨著Al2O3/SiO2比值的提高，燒結(jié)礦的還原性能出現(xiàn)了較快的下降。由此表明:在本實(shí)驗(yàn)條件下，當(dāng)燒結(jié)礦原料組成中Al2O3/SiO2質(zhì)量比值為0.35～0.40時(shí)，燒結(jié)礦具有較高的還原指數(shù)。還原指數(shù)達(dá)到92%時(shí)，還原性能最好。

表4 低溫還原粉化結(jié)果

圖3 Al2O3/SiO2質(zhì)量比值與燒結(jié)礦低溫還原粉化性能的關(guān)系

從圖 3中可以看出:燒結(jié)礦的 RDI+3.15隨Al2O3/SiO2質(zhì)量比值的增加而增加。當(dāng) Al2O3/SiO2質(zhì)量比值為 0.35 時(shí)，還原粉化 RDI+3.15為67%;在Al2O3/SiO2質(zhì)量比值大于0.35后，燒結(jié)礦的RDI+3.15的增加速度減緩。鋁元素在燒結(jié)礦中并不是均勻分布的，而是富集在鐵酸鈣相和玻璃相中。當(dāng)鋁硅值比較低時(shí)(小于0.2)，鋁元素的增加主要促進(jìn)了復(fù)合多元鐵酸鈣的形成，而對(duì)玻璃相的影響較小。由于鐵酸鈣相強(qiáng)度和冶金性能優(yōu)良，而玻璃相強(qiáng)度最差，因此有利于提高燒結(jié)礦的低溫還原指數(shù) RDI+3.15。而隨著Al2O3/SiO2質(zhì)量比值的提高，鐵酸鈣中可以固熔的鋁元素達(dá)到極限，鋁元素開(kāi)始大量存在于玻璃相中促進(jìn)玻璃相的形成，并使得玻璃相的斷裂韌性降低，而玻璃相是燒結(jié)礦中強(qiáng)度最差的相，這個(gè)變化伴隨著燒結(jié)礦綜合斷裂韌性的降低，勢(shì)必導(dǎo)致燒結(jié)礦的還原粉化性能變差［10－12］。

2.3 Al2O3/SiO2質(zhì)量比值與燒結(jié)礦FeO含量的關(guān)系

固定堿度為 2.0，燃料配比為 6.5%，Al2O3/SiO2質(zhì)量比值在0.25～0.45間變化時(shí)與燒結(jié)礦FeO含量關(guān)系如圖4所示。

圖4 Al2O3/SiO2與燒結(jié)礦中FeO含量的關(guān)系

從圖4可以看出:就水鋼燒結(jié)目前的工藝和原料條件而言，Al2O3/SiO2和FeO含量之間并不存在明顯的相關(guān)性。當(dāng)Al2O3/SiO2質(zhì)量比值在0.25～0.45間變化時(shí)，燒結(jié)礦中FeO的含量并沒(méi)有出現(xiàn)有規(guī)律的變化，只是在8% ～10%間波動(dòng)。但是為了保持合理的燒結(jié)礦還原性和強(qiáng)度的關(guān)系，F(xiàn)eO的含量控制仍十分關(guān)鍵。在保證燒結(jié)礦合理的強(qiáng)度和低溫還原粉化性能的前提下，最經(jīng)濟(jì)的控制FeO含量的方法就是減少燃料的配比，用盡量少的燃料消耗達(dá)到產(chǎn)生滿足燒結(jié)礦強(qiáng)度所需的FeO量［13］。通過(guò)對(duì)燒結(jié)礦冷強(qiáng)度、還原性和還原粉化等性能的研究分析，在水鋼目前的原料條件下，Al2O3/SiO2質(zhì)量比值在0.35左右時(shí)，燒結(jié)礦具有較好的強(qiáng)度和冶金性能。因此，在目前的原料條件下，應(yīng)保持燒結(jié)礦Al2O3/SiO2在0.35左右時(shí)，通過(guò)控制配碳量保證燒結(jié)礦中FeO的含量為8%左右。

3 結(jié)論

1)當(dāng)Al2O3/SiO2質(zhì)量比值為0.3～0.35時(shí)，燒結(jié)礦的冷強(qiáng)度較好，可達(dá)84%;當(dāng)Al2O3/SiO2大于0.35后，落下強(qiáng)度隨Al2O3/SiO2的升高而顯著下降。

2)Al2O3/SiO2質(zhì)量比值對(duì)燒結(jié)礦的還原性和低溫還原粉化的影響十分明顯，當(dāng)燒結(jié)礦原料組成中 Al2O3/SiO2質(zhì)量比值為0.35～0.40，燒結(jié)礦具有較高的還原指數(shù)，還原性能好;燒結(jié)礦堿度為2.0，燃料配為6.5%，Al2O3/SiO2質(zhì)量比值為0.35左右時(shí)，還原指數(shù)達(dá)到92%，還原粉化 RDI+3.15為67%。

3)Al2O3/SiO2質(zhì)量比值和燒結(jié)礦中FeO的含量之間并不存在明顯的相關(guān)性。當(dāng)Al2O3/SiO2質(zhì)量比值在0.25～0.45間變化時(shí)，燒結(jié)礦中FeO的含量并沒(méi)有出現(xiàn)有規(guī)律的變化，只是在8% ～10%間波動(dòng)。

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