鐵礦粉同化性與流動(dòng)性試驗(yàn)研究

(1.首鋼水城鋼鐵(集團(tuán))有限責(zé)任公司，貴州 六盤(pán)水 553028； 2.河鋼集團(tuán)鋼研總院，河北 石家莊 050023；3.中國(guó)鋼研科技集團(tuán)有限公司鋼鐵研究總院，北京 100081； 4.中鐵現(xiàn)代物流科技有限公司，北京 100080；5.北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院，北京 100083； 6.河鋼股份有限公司承德分公司，河北 承德 067102)

針對(duì)鋼鐵企業(yè)對(duì)鐵礦石資源的巨大需求以及進(jìn)口優(yōu)質(zhì)鐵礦石價(jià)格大幅上漲的現(xiàn)狀，如何在保證燒結(jié)礦產(chǎn)量、質(zhì)量的前提下做到劣質(zhì)礦和優(yōu)質(zhì)礦的合理搭配，降低優(yōu)質(zhì)礦的使用消耗，控制燒結(jié)成本，對(duì)于各大鋼企的可持續(xù)發(fā)展具有重大的經(jīng)濟(jì)與戰(zhàn)略意義。同化性、液相流動(dòng)性作為鐵礦粉燒結(jié)階段重要的基礎(chǔ)特性，分別表征了生成液相及“有效液相”的難易程度[1]。熟知鐵礦粉的基礎(chǔ)特性，可以為合理配礦提供理論指導(dǎo)與數(shù)據(jù)支撐。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得首鋼水鋼燒結(jié)用鐵礦粉的基礎(chǔ)特性，并提出根據(jù)鐵礦粉高溫特性的配礦方案，為燒結(jié)階段合理配礦提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)原料與研究方法

試驗(yàn)材料來(lái)源于首鋼水鋼現(xiàn)場(chǎng)配礦采用的鐵礦粉，分別為：62巴西、61澳粉、57澳粉、南非粉、焙燒粉、48粉、鐵精粉、菱鐵粉，文中的代碼分別為：62BX、61AF、57AF、NFF、BSF、48F、TJF、LTF；將鐵礦粉烘干后磨至200目送化學(xué)分析。

用同化性說(shuō)明鐵礦粉與CaO間的反應(yīng)能力，鐵礦粉形成黏結(jié)周?chē)慈畚锏挠行б合嗔坑昧鲃?dòng)性進(jìn)行表征，通過(guò)微型燒結(jié)試驗(yàn)研究不同鐵礦粉高溫特性間的差異(見(jiàn)圖1～圖2)。

圖1 鐵礦粉同化性實(shí)驗(yàn)流程圖

圖2 鐵礦粉液相流動(dòng)性實(shí)驗(yàn)流程圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)化學(xué)法得到的鐵礦粉基本成分，如表1所示；本文以楊迪礦為參照，獲得了鐵礦粉的同化溫度，如表2所示，液相流動(dòng)性的檢測(cè)結(jié)果如表3所示。

表1 水鋼燒結(jié)常用鐵礦粉化學(xué)成分 %

表2 鐵礦粉的最低同化溫度測(cè)試結(jié)果

表3 鐵礦粉的液相流動(dòng)性測(cè)試結(jié)果

基于檢測(cè)結(jié)果，鐵礦粉同化性間具有顯著的差別，同化性溫度從高到低的順序?yàn)椋築SF>LTF>61AF>TJF>48F>62BX>NFF>57AF(見(jiàn)圖3)。

圖3 礦粉液相流動(dòng)性指數(shù)隨溫度變化示意圖

在溫度分別為1 240、1 280、1 320時(shí)，鐵礦粉的液相流動(dòng)性由大到小的順序分別為：62BX>TJF>48F>NFF>LTF>61AF>BSF>57AF、62BX>48F>TJF>NFF>57AF>61AF>LTF>BSF、62BX>TJF>48F>NFF>57AF>61AF>LTF>BSF。

3 影響鐵礦粉高溫特性的因素分析

3.1 鐵礦粉的同化性與流動(dòng)性的關(guān)系

鐵礦粉同化性與液相流動(dòng)性間的關(guān)系如圖4所示。

由圖4可知，同化性與流動(dòng)性間呈倒“V”的關(guān)系，鐵礦粉的液相流動(dòng)性隨同化溫度的升高表現(xiàn)出先增加后降低的規(guī)律[2]。雖然鐵礦粉同化性提高可以促進(jìn)液相流動(dòng)性，但若同化性過(guò)高后液相流動(dòng)性可能因液相量增加、黏度的提高而降低。

圖4 鐵礦粉同化性與液相流動(dòng)性關(guān)系圖

3.2 鐵礦粉同化性影響因素分析

3.2.1 鐵礦粉的鐵礦物類(lèi)型

鐵礦粉的礦物類(lèi)型與其在燒結(jié)過(guò)程中的行為直接相關(guān)，也決定了同化性反應(yīng)的強(qiáng)弱。褐鐵礦物和赤鐵礦物易發(fā)生同化反應(yīng)，磁鐵礦物卻難以發(fā)生同化反應(yīng)，而褐鐵礦粉最易同化，赤鐵礦在氧化性氣氛下也易于同化[3]。62BX、TJF作為典型的赤鐵礦，61AF為半褐鐵礦，62BX、57AF、LTF以及48F均為磁鐵礦。水鋼所用鐵礦粉的高溫特性表明了礦物類(lèi)型與同化性間的關(guān)系。

3.2.2 鐵礦粉化學(xué)成分

鐵礦粉同化性與SiO2、Al2O3、MgO和堿度R的關(guān)系如圖5～圖8所示。

圖5 鐵礦粉SiO2含量與最低同化溫度關(guān)系圖

圖6 鐵礦粉Al2O3含量與最低同化溫度關(guān)系圖

圖7 實(shí)驗(yàn)所用鐵礦粉中MgO含量與最低同化溫度之間關(guān)系

圖8 實(shí)驗(yàn)所用鐵礦粉的二元堿度R與最低同化溫度之間關(guān)系

根據(jù)圖5和圖6可知，同化溫度與SiO2、Al2O3含量表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)性。燒結(jié)過(guò)程中CaO與SiO2、Al2O3可形成多種形式的二元或是三元化合物，促進(jìn)了復(fù)合鐵酸鈣的形成；高堿度條件下，自由SiO2含量隨Al2O3含量的增加而增加，有利于復(fù)合鐵酸鈣的生成；且在鐵礦粉中以粘土形式存在的SiO2、Al2O3具有高的反應(yīng)活性，降低了鐵礦粉的同化性；因此，鐵礦粉中SiO2和Al2O3具有降低同化溫度的效果[4-5]。

如圖7所示，同化溫度與鐵礦粉中MgO含量成正比關(guān)系。由于MgO本身屬于高熔點(diǎn)氧化物且會(huì)生成難熔的高熔點(diǎn)化合物[6]，因此提高了鐵礦粉的同化溫度，降低鐵礦粉的同化特性，當(dāng)w(MgO)<5.0%時(shí)，同化溫度與MgO含量間的正相關(guān)性非常明顯。

根據(jù)圖8可知，鐵礦粉堿度與同化溫度間具有正相關(guān)性。堿度R較高會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)界面CaO過(guò)量，抑制兩相界面液相的生成[7-8]。因此，要達(dá)到相同同化特征的液相比例就需要更高的燒結(jié)溫度，導(dǎo)致鐵礦粉的同化溫度的增加。

3.2.3 鐵礦粉中結(jié)晶水的含量

鐵礦粉的燒損量與同化溫度間的關(guān)系如圖9所示。從圖中可以看出鐵礦粉燒損量與同化溫度成反比關(guān)系。在高溫作用下，由于結(jié)晶水的分解揮發(fā)，鐵礦粉中形成了大量殘余氣孔，使其結(jié)構(gòu)變得非常疏松[9]，有利于增大CaO在鐵礦粉中的有效擴(kuò)散系數(shù)，進(jìn)而提高高溫工況下燒結(jié)礦黏結(jié)液相內(nèi)渣系組元間的傳質(zhì)速率，另外，鐵礦粉內(nèi)大量殘余氣孔的形成加大了各類(lèi)氧化物之間的反應(yīng)接觸面積，增加各類(lèi)氧化物分子間的碰撞機(jī)會(huì)，從而提高鐵礦粉的同化性[10]。

圖9 鐵礦粉燒損與最低同化溫度之間關(guān)系

3.3 鐵礦粉流動(dòng)性影響因素分析

鐵礦粉在1 280 ℃時(shí)的液相流動(dòng)性與SiO2、Al2O3、MgO含量間關(guān)系如圖10～圖12所示。

圖10 鐵礦粉中SiO2含量與液相流動(dòng)性之間關(guān)系圖

圖11 鐵礦粉中Al2O3含量與液相流動(dòng)性關(guān)系圖

圖12 鐵礦粉中MgO含量與液相流動(dòng)性關(guān)系

根據(jù)圖10可知，當(dāng)SiO2含量<9%時(shí)，液相流動(dòng)性隨SiO2含量的增加而增大，當(dāng)SiO2含量>9%時(shí)，液相流動(dòng)性隨SiO2含量的增加而降低。SiO2作為燒結(jié)液相的基礎(chǔ)，可促進(jìn)液相的生成[11-12]，但是SiO2也會(huì)形成硅酸鹽網(wǎng)絡(luò)化合物，液相生成物的黏度隨其含量的增加而增加，因此過(guò)高的SiO2含量會(huì)對(duì)鐵礦粉的液相流動(dòng)性帶來(lái)負(fù)面作用。

由圖11可知，Al2O3對(duì)液相流動(dòng)性同樣具有兩面性作用。Al2O3有助于SFCA的生成，SFCA是燒結(jié)過(guò)程形成液相的基礎(chǔ)，因此液相流動(dòng)性隨鐵礦粉Al2O3含量的增加而增大[13]。但Al2O3同樣屬于高熔點(diǎn)氧化物，還可促進(jìn)硅酸鹽網(wǎng)絡(luò)化合物的形成，導(dǎo)致液相黏度增大，因此過(guò)高的Al2O3含量對(duì)液相流動(dòng)性產(chǎn)生不利影響[14]。

MgO含量與鐵礦粉液相流動(dòng)性間的關(guān)系如圖12所示。液相流動(dòng)性隨MgO含量的升高而逐漸降低。MgO屬高熔點(diǎn)氧化物，隨MgO含量的增加，燒結(jié)液相的形成溫度必定升高，液相的黏度也會(huì)相應(yīng)增大，因此造成燒結(jié)礦粉的液相流動(dòng)性降低[15-16]。

上述所有圖中的擬合方點(diǎn)曲線意義不大，且不同種類(lèi)鐵礦石的各項(xiàng)數(shù)據(jù)差異都很大，因此不宜進(jìn)行擬合，散點(diǎn)圖說(shuō)明即可。

4 燒結(jié)優(yōu)化配礦方案設(shè)計(jì)

燒結(jié)過(guò)程中需要燒結(jié)原料具有合適的同化性、液相流動(dòng)性等高溫特性，但是燒結(jié)原料的基礎(chǔ)特性均存在差異，因此本文通過(guò)互補(bǔ)搭配，合理利用各種鐵礦粉。本方案基于鐵礦粉的高溫特性，采用取長(zhǎng)補(bǔ)短的方式進(jìn)行燒結(jié)優(yōu)化配礦，最大限度地發(fā)揮各種鐵礦粉的優(yōu)勢(shì)。水鋼用鐵礦粉的優(yōu)化搭配示意圖如圖13所示，圖13中陰影部分為適宜的搭配范圍，按不同比例混勻后的鐵礦粉的高溫特性若處于這個(gè)區(qū)域，即表示該種混勻可形成質(zhì)量較好的燒結(jié)礦。

圖13 鐵礦粉優(yōu)化搭配示意圖

對(duì)于本實(shí)驗(yàn)中的8種鐵礦粉，從同化性角度而言，57AF、NFF均可與LTF、BSF互補(bǔ)搭配，62BX、48F可分別與61AF、TJF互補(bǔ)搭配；從液相流動(dòng)性角度分析而言，62BX、48F、TJF、NFF可分別與BSF、LTF、57AF、61AF互補(bǔ)搭配。綜合考慮鐵礦粉同化性和液相流動(dòng)性，若確定某一礦粉為主要燒結(jié)礦種，則應(yīng)從同化性和流動(dòng)性方面綜合選取與其相搭配的鐵礦粉，基于鐵礦粉高溫特性所確定的優(yōu)化配礦搭配方案如表4所示。

表4 基于鐵礦粉高溫特性所確定的優(yōu)化配礦推薦表

5 結(jié) 論

(1)按鐵礦粉同化性從低到高的順序如下：BSF>LTF>61AF>TJF>48F>62BX>NFF>57AF；T=1 280 ℃時(shí)，鐵礦粉的液相流動(dòng)性由大到小的順序分別為：62BX>48F>TJF>NFF>57AF>61AF>LTF>BSF。

(2)而鐵礦粉的同化性與液相流動(dòng)性間存在倒“V”型關(guān)系；鐵礦粉成分中的SiO2、Al2O3以及結(jié)晶水含量與鐵礦粉的同化性呈正相關(guān)關(guān)系，而MgO和堿度R與鐵礦粉的同化性呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；SiO2和Al2O3含量與液相流動(dòng)性之間存在先正相關(guān)后負(fù)相關(guān)的關(guān)系，而MgO含量與液相流動(dòng)性呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

(3)基于鐵礦粉優(yōu)化配礦原則，同化性角度而言，57AF、NFF均可與LTF、BSF互補(bǔ)搭配，62BX、48F可分別與61AF、TJF互補(bǔ)搭配；從液相流動(dòng)性角度分析而言，62BX、48F、TJF、NFF可分別與BSF、LTF、57AF、61AF互補(bǔ)搭配。

(4)綜合考慮鐵礦粉同化性和液相流動(dòng)性，基于鐵礦粉高溫特性確定了燒結(jié)過(guò)程中優(yōu)化配礦搭配方案。