基于“同化性特征數(shù)”分析影響鐵礦粉同化性的因素

余盈昌，吳鏗，趙勇，申威，員曉，閆廣，門正朝

(北京科技大學(xué)鋼鐵冶金新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083)

0 引 言

鐵礦粉的同化性能是指鐵礦粉在高溫下與CaO生成鐵酸鈣的難易程度，是衡量鐵礦粉燒結(jié)性能的一個(gè)重要指標(biāo).鐵礦粉的同化性能要處于適宜的范圍內(nèi)，過大與過小都會影響燒結(jié)礦的性能[1-6].以往的方法是使用“最低同化溫度”[7-9]來衡量單種鐵礦粉的同化性能，但此方法考慮用“最低同化溫度”來衡量鐵礦粉的同化性能顯得過于片面，即只考慮了同化過程的始末狀態(tài)，而未將同化的過程參數(shù)諸如同化時(shí)間等考慮在內(nèi)；并且測定“最低同化溫度”的實(shí)驗(yàn)過程比較繁瑣，因此使用該方法的準(zhǔn)確性與操作性較差.而采用“同化性特征數(shù)”[9]表征鐵礦粉的同化性能的方法，用可視可移動設(shè)備全程觀測記錄鐵礦粉的同化過程，并綜合考慮了同化過程的全部參數(shù)，結(jié)合了燒結(jié)生產(chǎn)的實(shí)際溫度，因而具有更高的準(zhǔn)確性與操作性.

以往研究鐵礦粉同化性的試驗(yàn)都沒有配加炭，因此不能準(zhǔn)確地模擬燒結(jié)的實(shí)際過程，得到的結(jié)果也缺乏可靠性.不同的鐵礦粉同化性能各異，這與其自身理化特性有很大的關(guān)系，鐵礦粉種類，所含化學(xué)成分的種類與數(shù)量，氣孔率與燒損，乃至其微觀組織結(jié)構(gòu)都對其同化性能有著重要的影響.研究這些對鐵礦粉同化性能的影響因素，確定哪些因素有利于提高同化性能，哪些降低同化性能，進(jìn)而掌握它們影響鐵礦粉同化性能的規(guī)律，并將這些因素定性定量分析，將有助于增強(qiáng)對鐵礦粉同化性能本質(zhì)的認(rèn)識，從而為燒結(jié)配礦提供配礦依據(jù).

本文即采用“同化性特征數(shù)”的方法，并將鐵礦粉中配加一定量與粒徑的炭粒，測定各鐵礦粉的“同化性特征數(shù)”，并結(jié)合鐵礦粉的理化性能分析了鐵礦粉同化性能的影響因素，找出了其中的規(guī)律.

1 試驗(yàn)設(shè)備與方法

試驗(yàn)采用臥式高溫爐，其型號為SK1BYL，額定功率為6 kW.攝像及記錄系統(tǒng)，壓片機(jī).試驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示.

圖1 同化反應(yīng)試驗(yàn)裝置示意圖

將鐵礦粉和分析純CaO試劑研磨成<147 μm的細(xì)粉狀，干燥后待用；用電子天平分別稱取0.8 g鐵礦粉試樣（配加4%的0.3～0.6 mm炭粒）和2.0 g CaO試劑，在壓片機(jī)上分別壓制成直徑8 mm×（5～6）mm的礦粉圓柱試樣和直徑25 mm×4 mm的CaO墊片試樣.然后，將鐵礦粉試樣置于CaO墊片之上，放入高溫爐內(nèi)按設(shè)定的升溫制度進(jìn)行焙燒，對試樣在升溫過程中進(jìn)行攝像的同時(shí)記錄時(shí)間和溫度，為了確保計(jì)算機(jī)采集系統(tǒng)和記錄系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，攝像拍攝間隔設(shè)為3 s.

通過預(yù)備試驗(yàn)選擇試驗(yàn)的升溫制度為：室溫～600 ℃，15 ℃/min；600～1 200 ℃，10 ℃/min；1 200 ℃以上，5℃/min.試驗(yàn)選取了10種礦粉，其主要成分如表1所示.

表1 鐵礦粉的化學(xué)成分/%

2 “同化特征數(shù)”簡介

較傳統(tǒng)評價(jià)指標(biāo)“最低同化溫度”僅考慮終點(diǎn)參數(shù)，而忽略了鐵礦粉同化反應(yīng)的過程信息.本文所采用的“同化性特征數(shù)”是一種測量鐵礦粉同化性的新方法，該特征數(shù)包含了鐵礦粉同化反應(yīng)的重要過程信息，即考慮了升溫速率、同化反應(yīng)時(shí)間、同化反應(yīng)溫度、同化反應(yīng)速度，并且考慮到實(shí)際燒結(jié)生產(chǎn)中較高的燒結(jié)溫度，因而定量給出了溫度對同化反應(yīng)速度的影響關(guān)系.可以更加客觀、更加準(zhǔn)確地區(qū)分出不同礦粉的同化性差異.

按上述實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)，從試驗(yàn)中獲得同化開始和結(jié)束的溫度、同化時(shí)間和升溫速率等參數(shù)，進(jìn)而來表征鐵礦粉的同化反應(yīng)特性.同化起始點(diǎn)定義為鐵礦粉試樣與CaO試樣接觸面出現(xiàn)潤濕角那一刻；同化終點(diǎn)定義為鐵礦粉試樣在CaO試樣上方完全攤平且形態(tài)不再發(fā)生變化，圖2給出了鐵礦粉試樣在試驗(yàn)過程中的形態(tài)變化.

圖2 鐵礦粉粉同化過程圖

如圖2所示，D3鐵礦粉試樣與CaO試樣接觸面出現(xiàn)潤濕角，定義為同化起始點(diǎn)，D4鐵礦粉試樣在CaO試樣上方完全攤平且形態(tài)不再發(fā)生變化，定義為同化終點(diǎn)[10-12].

通過試驗(yàn)確定出鐵礦粉試樣與CaO同化反應(yīng)過程的重要信息后，為了描述鐵礦粉本身的同化性能，給出了同化反應(yīng)參數(shù)R：

式(1)中：R為同化反應(yīng)參數(shù)，它的量綱為1；V為同化反應(yīng)的量，%；t為同化反應(yīng)時(shí)間，T為平均同化溫度，即鐵礦粉開始同化反應(yīng)的溫度到反應(yīng)結(jié)束的溫度的平均值(TD3+TD4)/2，℃；H為升溫速率（指試驗(yàn)中在1 200℃以上的升溫速率），℃/s.

同化反應(yīng)參數(shù)包括了鐵礦粉自身同化過程的信息及其影響因素.如同化反應(yīng)的溫度、速度、與同化的量和升溫速度.式（1）中，同化反應(yīng)的量與同化反應(yīng)時(shí)間之比為自身同化反應(yīng)速度，即：

式（2）中：υZ為自身同化反應(yīng)速度，1/t.

由于溫度對同化反應(yīng)速度影響較大，僅用鐵礦粉自身同化反應(yīng)參數(shù)不能比較不同鐵礦粉同化性的差異，為了表示溫度對同化反應(yīng)速度的影響，需要建立溫度對反應(yīng)速度的關(guān)系.物理化學(xué)中范特霍夫規(guī)則認(rèn)為：溫度每升高10 K，反應(yīng)速率會增加到原來的2～4倍[13].由于同化反應(yīng)是在相對較低的高溫下進(jìn)行，所以取范特霍夫規(guī)則中溫度變化引起的反應(yīng)速率變化的值為2倍.燒結(jié)生產(chǎn)中的溫度大部分認(rèn)為在1 290℃，而鐵礦粉同化反應(yīng)溫度會與之有一定的差別，以生產(chǎn)現(xiàn)場燒結(jié)溫度作為比較的標(biāo)準(zhǔn)，對不同鐵礦粉的自身同化反應(yīng)速度進(jìn)行修正，得到了既考慮溫度變化對同化反應(yīng)速度的影響，又考慮了實(shí)際生產(chǎn)中燒結(jié)溫度的同化反應(yīng)特征數(shù)，其計(jì)算公式如下：

式（3）中：NTH為同化反應(yīng)特征數(shù)，其量綱為 1；υR為修正的同化反應(yīng)速度，其值為υZ×2n，n為同化溫度與燒結(jié)溫度比較所得，每大于10℃增加1，不足10℃的部分取分?jǐn)?shù)，同化溫度小于燒結(jié)溫度取正值，大于燒結(jié)溫度取負(fù)值；T為平均同化溫度，℃；H為升溫速率（指試驗(yàn)中在1 200℃以上的升溫速率），℃/s.

同化反應(yīng)參數(shù)的量綱為1，對式(1)進(jìn)行量綱分析

可以寫為

其Q'和Q”可分別為同化反應(yīng)所需的熱量和外部提供的熱量，t'和t”可分別為同化反應(yīng)的時(shí)間和供熱的時(shí)間.同化反應(yīng)參數(shù)也表示了單位時(shí)間同化消耗的熱量與單位時(shí)間供熱的比值.同化反應(yīng)特征數(shù)的量綱也為1，但還包含了鐵礦粉自身同化反應(yīng)溫度與燒結(jié)生產(chǎn)溫度相差對同化反應(yīng)相對速度的影響.

如上所述，采用“同化性特征數(shù)”表征鐵礦粉的同化性能的方法，用可視設(shè)備全程觀測記錄鐵礦粉同化過程，并綜合考慮了同化過程的全部參數(shù)，結(jié)合了燒結(jié)生產(chǎn)的實(shí)際溫度，因而具有更高的準(zhǔn)確性與操作性.

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 關(guān)于配炭粒徑的討論

由于在燒結(jié)實(shí)際生產(chǎn)過程中，燒結(jié)混合料是需要配加燃料為燒結(jié)過程提供熱量，并且配加的碳素在一定程度上影響著燒結(jié)過程的氣氛與燒結(jié)料的還原性.而以往的研究鐵礦粉同化性的試驗(yàn)都沒有配加炭，因此不能準(zhǔn)確地模擬燒結(jié)的實(shí)際過程，得到的結(jié)果也缺乏可靠性.本試驗(yàn)正是考慮到燒結(jié)配加燃料這個(gè)重要因素，擬在礦粉中配加一定量的炭粒，從而更好地貼近燒結(jié)實(shí)際過程.

配加燃料的比例為3%～4%，本試驗(yàn)中配炭量為4%.為了確定配加炭粒的合適粒徑，現(xiàn)選擇3種粒徑（即0.15～0.3 mm ，0.3～0.6 mm ，0.6～1.18 mm）分別配加到礦粉A、B和C中，并與不配炭礦粉作對比，分別測定其同化性特征數(shù)如圖3所示.

圖3 不同配碳粒徑對鐵礦粉同化性特征數(shù)的影響

由圖3可見，通過配炭，鐵礦粉的同化性特征數(shù)在一定程度上升高，并且隨著配炭目數(shù)的增大，同化性特征數(shù)也隨之增大.配加0.15～0.3 mm（50～100目）的炭粒時(shí)，同化性特征數(shù)增大并不明顯，而配加0.6～1.18 mm（16～30目）的炭粒時(shí)，同化性特征數(shù)增大的幅度又過大.事實(shí)上，在燒結(jié)配料環(huán)節(jié)，粒徑過小的燃料由于影響燒結(jié)料層透氣性而被篩除，而粒徑過大的燃料會導(dǎo)致燒結(jié)料層供熱不均勻?qū)е戮植窟^熔也被篩除，因此試驗(yàn)選擇配碳適宜粒徑為0.3～0.6 mm（30～50目）.

3.2 同化性特征數(shù)測量結(jié)果

以上10種鐵礦粉的同化性特征數(shù)（NTH）經(jīng)測定記錄在表2中.

由表2可知，不同的鐵礦粉同化反應(yīng)參數(shù)R與同化性特征數(shù)NTH各不相同，甚至差別很大.其中礦粉E與G同化性特征數(shù)較大，分別為10.26與8.78；礦粉D、F和H同化性特征數(shù)很小，分別為0.01、0.34和0.50；其余礦粉同化性特征數(shù)居中.由燒結(jié)生產(chǎn)實(shí)踐得知[14-15]，若鐵礦粉同化性能較差，則生成液相能力弱，使得燒結(jié)礦強(qiáng)度不足；若鐵礦粉同化性過強(qiáng)，則容易生成過多液相，使得具有固結(jié)骨架作用的核礦石減少并造成燒結(jié)料層透氣性惡化，從而影響燒結(jié)礦的質(zhì)量和產(chǎn)量.

表2 10種鐵礦粉同化性特征數(shù)

3.3 同化性能的影響因素

通常，影響鐵礦粉同化性能的因素有鐵礦粉種類，礦粉化學(xué)成分，燒損以及鐵礦粉微觀形貌等，下面逐一分析.

3.3.1 鐵礦粉種類

不同種類的鐵礦粉同化性差別很大，一般來說，褐鐵礦的同化性能大于赤鐵礦，赤鐵礦的同化性能大于磁鐵礦[16].褐鐵礦同化性能最好是因?yàn)槠渚哂卸嗫捉Y(jié)構(gòu)，燒結(jié)過程的化學(xué)反應(yīng)具有良好的動力學(xué)條件.磁鐵礦同化性能較差，是因?yàn)榇盆F礦有Fe3O4構(gòu)成，在燒結(jié)中，F(xiàn)e3O4需要先氧化成Fe2O3才能與CaO發(fā)生反應(yīng).上述礦粉中，礦粉E，G由褐鐵礦與赤鐵礦構(gòu)成，因此其同化性特征數(shù)很高，而礦粉D、F、J、H是磁鐵礦，因此同化性特征數(shù)較低，礦粉A、B、C、I為赤鐵礦，其同化特征數(shù)介于褐鐵礦和磁鐵礦之間.因此同化性特征數(shù)較低.

3.3.2鐵礦粉化學(xué)成分

鐵礦粉的化學(xué)成分中SiO2，Al2O3，MgO的含量對其同化性能的影響很大，現(xiàn)逐一分析如下.

1）SiO2.SiO2的含量對于鐵礦粉的同化性能的影響如圖4所示.在相同的堿度下，高SiO2的鐵礦粉配加的CaO量大，因此可以生成更多的液相，對同化有促進(jìn)作用.但鐵礦粉中鐵氧化物的數(shù)量遠(yuǎn)大于SiO2，鐵氧化物與CaO的反應(yīng)是主要的同化反應(yīng)，因此SiO2的含量對于鐵礦粉的同化性能的影響很有限[16]，因此在圖4中，二者無明顯規(guī)律.

圖4 SiO2的含量對鐵礦粉NTH值的影響

2）Al2O3.Al2O3含量對鐵礦粉同化性特征數(shù)的影響如圖5所示，由圖5可見，鐵礦粉NTH值隨著Al2O3的升高呈先增高后降低的趨勢，以Al2O3含量為自變量，NTH值為因變量，可得到趨勢線方程為y=-0.933 9x2+4.702 6x+0.251 9，并在Al2O3含量為2.63%時(shí)NTH值達(dá)到最大.當(dāng)燒結(jié)料中含Al2O3較高時(shí)，可生成含Al2O3硅酸鹽，促進(jìn)鐵酸鈣的生成，減少硅酸鈣的生成，提高其同化性能.并且Al2O3能加寬針狀鐵酸鈣存在的溫度范圍，針狀鐵酸鈣的生成量也與Al2O3/SiO2值有關(guān).因此，有適當(dāng)含量的Al2O3會增強(qiáng)鐵礦粉同化性能.Al2O3含量也應(yīng)控制，若Al2O3含量過高，爐渣難熔而不易流動，從而降低同化性能.值得提出的是，SiO2與Al2O3在鐵礦粉中的賦存狀態(tài)也會影響鐵礦粉的同化性能，當(dāng)以石英或三水鋁石形式存在時(shí)，對同化性能有抑制作用.

圖5 Al2O3的含量對鐵礦粉NTH值的影響

3）MgO.MgO含量對鐵礦粉同化性特征數(shù)的影響如圖6所示.

圖6 MgO的含量對鐵礦粉NTH值的影響

由圖6可見，鐵礦粉NTH值隨著MgO的升高呈先增高后降低的趨勢，以MgO含量為自變量，NTH值為因變量，可得到趨勢線方程為y=-4.560 2x2+13.565x-1.821 2，并在MgO含量為1.50%時(shí)NTH值達(dá)到最大.鐵礦粉中含有適量的MgO，由于燒結(jié)時(shí)出現(xiàn)新的含鎂礦物可使硅酸鹽熔化溫度降低，其低熔點(diǎn)化合物可以完全熔融，因此增加了燒結(jié)料層中的液相數(shù)量，這相當(dāng)于提高了鐵礦粉的同化性能.但是若鐵礦粉中MgO含量過高，會阻礙了鐵酸鈣的生成，反而降低了同化性能.

3.3.3 燒損

燒損指鐵礦粉在燒結(jié)過程中水分的蒸發(fā)、結(jié)晶水的逸出和氧化物的分解等，導(dǎo)致礦石重量損失，有時(shí)也會因?yàn)榈V物的氧化而導(dǎo)致質(zhì)量的增加.以減少為正值，以增加為負(fù)值.經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，鐵礦粉的燒損與其氣孔率有著正相關(guān)關(guān)系.氣孔率較大時(shí)，燒結(jié)同化反應(yīng)的反應(yīng)界面大，因此對同化性有促進(jìn)作用；另外，其結(jié)晶水含量往往也較大，當(dāng)結(jié)晶水分解揮發(fā)后，留下更多的氣孔和裂紋會進(jìn)一步增強(qiáng)其同化性能.圖7為10種礦粉的燒損率與其同化性特征數(shù)的變化曲線，以燒損率為自變量，NTH值為因變量，可得趨勢線方程為y=1.490 5x+0.334 3.由圖7可見鐵礦粉的同化性能隨著燒損率的增大呈上升趨勢.

圖7 10種礦粉的燒損率與NTH值的關(guān)系曲線

3.3.4 鐵礦粉微觀形貌

鐵礦粉的微觀形貌是影響其自身同化性能的重要因素，其微觀形貌的不同，決定了其燒結(jié)微觀反應(yīng)的動力學(xué)條件，從而很大程度地影響著同化性能.一般來說，晶粒細(xì)小，且呈疏松豆?fàn)畹奈⒂^結(jié)構(gòu)反應(yīng)比表面積大，反應(yīng)物與生成物的傳輸動力學(xué)條件良好，因?yàn)橥暂^強(qiáng)；微觀結(jié)構(gòu)致密，且呈大塊狀的微觀結(jié)構(gòu)同化性相應(yīng)較小.以下給出了4種礦粉的微觀結(jié)構(gòu)圖.

如圖8所示，礦粉E微觀結(jié)構(gòu)呈疏松小豆?fàn)?，故其同化性特征?shù)很大，為10.26，礦粉D與礦粉H皆為致密大塊狀，因此其同化性特征數(shù)很小，為0.01與0.5，而礦粉I為疏松小顆粒與致密大塊的結(jié)合體，故其同化性特征數(shù)居中，為3.57.

圖8 4種礦粉的微觀形貌

4 結(jié) 論

1）采用“同化性特征數(shù)”表征鐵礦粉的同化性能的方法，綜合考慮了同化過程的全部參數(shù)，并結(jié)合了燒結(jié)生產(chǎn)的實(shí)際溫度，因而具有更高的準(zhǔn)確性與操作性.通過配炭，在鐵礦粉中加入4%的0.3～0.6 mm（30～50目）的景德焦炭，使得試驗(yàn)氣氛環(huán)境更加貼近燒結(jié)實(shí)際，所得結(jié)果也更加準(zhǔn)確.

2）不同種類的鐵礦粉同化性差別很大，一般來說，褐鐵礦的同化性能大于赤鐵礦，赤鐵礦的同化性能大于磁鐵礦.

3）鐵礦粉的化學(xué)成分中 SiO2，Al2O3，MgO 的含量對其同化性能的影響很大，鐵礦粉同化性能隨著3種成分的增多均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，可見，3種成分含量適宜時(shí)鐵礦粉同化性強(qiáng).

4）鐵礦粉的燒損與其同化性能有著正相關(guān)關(guān)系，燒損大時(shí)同化性強(qiáng)，燒損小時(shí)同化性弱.

5）鐵礦粉的微觀形貌是影響其自身同化性能的重要因素，一般地，鐵礦粉微觀形貌為疏松豆?fàn)罱M織時(shí)同化性較強(qiáng)，為致密塊狀組織時(shí)同化性較弱.

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