燒結礦低溫還原粉化指數影響因素的研究

孫 寧，王建鵬，王軼韜，李文雅，鄧 波

（陜鋼集團漢中鋼鐵有限責任公司，陜西 勉縣 724200）

隨著節(jié)能降耗、低碳環(huán)保理念的推廣，綠色成為鋼鐵冶煉的必經之路。隨著冶煉技術的進步，大多數高爐采用燒結礦+球團礦/塊礦的爐料結構，實施精料方針，高爐精料對燒結礦的要求不單是品位高、化學成分穩(wěn)定，還要求冶金性能好。燒結礦RDI是評判燒結礦冶金性能的一個重要依據，燒結礦RDI的好壞及是否穩(wěn)定，直接影響到高爐中上部的透氣性，并制約著經濟技術指標的提升。

根據相關實踐數據表明，燒結礦RDI+3.15每提高5%，產量可提高1.5%，焦比可降低1.55%。因此，對大比例配加燒結礦的大中型高爐而言，要求燒結礦低溫還原粉化指數（RDI+3.15）較高且穩(wěn)定。因此，提高燒結礦低溫還原粉化指數（RDI+3.15）對高爐生產節(jié)能減排、降耗增效意義重大。

1 分析研究燒結礦實物

本研究通過隨即抽取燒結機生產出的燒結礦實物，采用GT/T 13242—2017標準在實驗室進行燒結礦低溫粉化指數測試，通過大量的數據總結分析，探索出如何通過調控燒結礦化學成分、優(yōu)化原料結構來提升燒結礦低溫還原粉化指數，對燒結生產具有一定的指導意義。

研究方法：在成品帶取20 kg粒度＞5 mm的燒結礦，破碎后取500g粒度為10.0～12.5mm的燒結礦，在特定設備中，在500℃溫度下，用20%φ（CO2）、20%φ（CO）、60%φ（N2）組成的混合還原氣體進行還原1 h，然后將試樣冷卻到規(guī)定溫度，用在鼓轉機中轉300 r/min，然后用6.30 mm、3.15 mm和0.50 mm的方孔篩進行篩分，篩分后分別計算出+6.3 mm、+3.15 mm和+0.5 mm的質量分數，陜鋼集團漢中鋼鐵有限責任公司（全文簡稱漢鋼）以+3.15 mm質量分數評判燒結礦低溫還原粉化指標。

2 不同原料結構對燒結礦低溫還原粉化指數的影響

漢鋼常用配礦結構為20%～60%赤鐵礦+30%～65%赤鐵礦+5%～35%的磁鐵礦+5%～10%的工序循環(huán)物料，根據礦粉性價比及采購節(jié)奏決定赤鐵礦、褐鐵礦、磁鐵礦的配加比例。在這樣的配礦模式下，經過長期的生產實踐及大量數據的總結分析，同時也查閱了相關文獻資料，發(fā)現褐鐵礦、磁鐵礦配加比例的變化對燒結礦RDI+3.15的影響較大。對此，漢鋼在實踐中摸索出一套適宜燒結礦RDI+3.15提升的配礦模式，漢鋼常用礦粉化學成分如表1所示。

表1 漢鋼常用礦粉化學成分 %

2.1 不同褐鐵礦比例對燒結礦低溫還原粉化指數的影響

配加不同比例的褐鐵礦生產以后，隨著褐鐵礦配比的增加，未熔核顆粒固結強度降低，燒結礦RDI+3.15指標變化無明顯線性關系，但當褐鐵礦配加比例穩(wěn)定在一個配比時，燒結礦RDI+3.15指標受到的影響較小；當褐鐵礦配加比例超出一定范圍后，燒結礦RDI+3.15指標下降趨勢明顯，不同褐鐵礦配加比例下燒結礦RDI+3.15指標如表2所示。

表2 不同褐鐵礦配加比例時燒結礦RDI+3.15

由表2分析可知，褐鐵礦配加比例穩(wěn)定在35%時，燒結礦低溫還原粉化指數較為理想，均＞73%，處于高位階段。配加比例＞35%時，燒結礦RDI+3.15隨著配加比例的提升呈下降趨勢，均＜70%。

2.2 不同國內礦比例對燒結礦低溫還原粉化指數的影響

漢鋼使用的磁鐵礦大多為國內主流精礦粉，故稱國內礦。磁鐵礦粉高堿度燒結，礦物組成一般以鈣鐵橄欖石為主，只有在氧化性氣氛下Fe3O4經氧化生成Fe2O3后，才有機會形成少量鐵酸一鈣液相且顯微結構主要以板狀和柱狀為主，固結強度及還原性都不及針狀鐵酸一鈣，燒結礦的斷裂韌性有所降低,因此影響了燒結礦RDI+3.15指標。不同磁鐵礦配加比例下燒結礦RDI+3.15表3所示。

表3 不同國內礦配加比例時燒結礦RDI+3.15

由表3分析可知，國內礦配加比例＜15%或＞25%，燒結礦低溫還原粉化指數較為理想，滿足高爐高強度冶煉爐要求；15%≤磁鐵礦配加比例≤25%，燒結礦RDI+3.15均在68%左右，影響高爐透氣性。

3 不同燒結礦化學成分對燒結礦低溫還原粉化指數的影響

燒結礦是由熔融液相黏結未熔礦石而形成，熔融區(qū)化學成分對燒結礦熔融區(qū)液相和物相起著極為重要的作用，隨著n（CaO）/n（Fe2O3）的提高，液相黏結能力先升后降，隨著SiO2、Al2O3含量的增加，黏結指數降低；隨著MgO含量的提高，黏結指數先略有增加后降低。

3.1 燒結礦w（FeO）對燒結礦低溫還原粉化指數的影響

燒結礦FeO含量反映了燒結過程的動態(tài)控制狀態(tài)，其含量不僅受原始FeO含量及水碳配加的影響，還受燒結料層厚度、工藝參數控制及風量匹配等因素的共同影響。燒結礦FeO含量的降低有利于改善其還原性，但從礦相結構分析，燒結礦FeO過低，礦相中次生赤鐵礦區(qū)域增加較為明顯，次生赤鐵礦區(qū)域的增加會提升燒結礦低溫還原粉化率，并且大量的硅酸二鈣會在次生赤鐵礦晶粒間形成，促使燒結礦因相變而粉化。

通過分析數據，將燒結礦w（FeO）與RDI（+3.15）關系繪制成散點圖（圖1）。由圖1分析可知：隨著燒結礦w（FeO）的升高，燒結礦低溫還原粉化指數隨之升高，用線性關系式表示低溫還原粉化指數RDI與w（FeO）的關系：RDI=1.926w（FeO）+51.095。通過線性關系測算，低溫還原粉化指數≥68%時，對應的w（FeO）應達到8.8%。

圖1 RDI與w（FeO）關系

3.2 燒結礦w（MgO）對燒結礦低溫還原粉化指數的影響

MgO的含量對燒結礦熔融區(qū)液相和鐵酸鈣的生成影響較大。液相生成溫度隨著MgO含量的提高而增加，液相生成速度降低。隨著MgO含量的提高，液相生成量呈下降趨勢。隨著MgO含量的提高，提速暗鈣含量降低，主要是由于Mg2+離子進入磁鐵礦晶格，形成鎂尖晶石[（Fe，Mg）O·Fe2O3]，穩(wěn)定了磁鐵礦晶格，使得磁鐵礦氧化為赤鐵礦的反應受阻而抑制了鐵酸鈣的生成，從而提升了燒結礦的低溫還原粉化率。

燒結礦w（MgO）與RDI+3.15關系如下頁圖2所示，由圖2分析可知：隨著燒結礦w（MgO）的升高，燒結礦低溫還原粉化指數隨之升高，用線性關系式表示低溫還原粉化指數RDI與w（MgO））的關系：RDI=9.533 5w（MgO）+52.055。通過線性關系測算，低溫還原粉化指數70%時，對應的w（MgO））應達到1.88%。

圖2 RDI與w（MgO）關系

3.3 燒結礦w（SiO2）對燒結礦低溫還原粉化指數的影響

隨著混合料中SiO2含量的增加，液相生成溫度提高，液相生成速度減慢，液相生成量也相應減少。由于SiO2直接參與復合鐵酸鈣的形成，其含量關系著鐵酸鈣結構。同時，SiO2反應生成硅酸鹽將消耗CaO，這也將影響著鐵酸鈣的生成。當SiO2含量較高時,燒結礦在冷卻過程中粉化現象較為明顯。燒結礦w（SiO2）與RDI+3.15關系如圖3所示。

由圖3分析可以看出，燒結礦w（SiO2）與燒結礦低溫還原粉化指數無明顯線性關系，但當5.0%＜燒結礦w（SiO2）＜5.6%時，燒結礦低溫還原粉化指數整體處于高位，燒結礦w（SiO2）＜5.1%或燒結礦w（SiO2）＞5.6%，燒結礦低溫還原粉化指數整體偏低。

圖3 RDI與w（SiO2）關系

3.4 燒結礦w（Al2O3）對燒結礦低溫還原粉化指數的影響

根據相關資料顯示，隨著w（Al2O3）的增加，液相開始生成溫度呈上升趨勢，同時液相生產量隨著w（Al2O3）的增加總體呈下降趨勢，鐵酸鈣總量呈上升趨勢。但w（Al2O3）不僅影響鐵酸鈣的生產量，而且對鐵酸鈣的結構也有影響，隨著w（Al2O3）的增加，鐵酸鈣由針狀逐漸減少并向板塊狀結構發(fā)展，引起晶面收縮，被還原時容易產生裂紋，同時裂紋逐步擴展，促使膨脹激烈化，使燒結礦的強度降低，低溫還原粉化率提升。

燒結礦w（Al2O3）與低溫還原粉化指數關系如圖4所示，由圖4分析可知，燒結礦w（Al2O3）升高與燒結礦低溫還原粉化指數出現下滑，燒結礦w（Al2O3）＞2.1%后，低溫還原粉化指數低于70%的機率增大，w（Al2O3）＞2.2%后，燒結礦低溫還原粉化指數難以達到70%以上。

圖4 RDI與w（Al2O3）關系

3.5 燒結礦堿度對燒結礦低溫還原粉化指數的影響

據相關實驗表明，當燒結礦堿度較低時，燒結礦液相主要由大量的鈣鐵橄欖石及少量的硅酸鐵酸鈣、骸晶體組成，燒結礦強度較差，低溫還原粉化率較高。隨著燒結礦堿度控制標準的逐漸提高，液相中鐵酸鈣增多，鈣鐵橄欖石和玻璃體下降較為明顯，在提高燒結礦強度強度的同時也減少了Fe2O3、Fe3O4的分解還原，鐵橄欖石的生成量相應減少，也進一步改善了燒結礦的還原性能。燒結礦堿度與RDI+3.15關系如圖5所示。

由圖5可分析知，隨著燒結礦堿度的升高，燒結礦低溫還原粉化指數隨之升高，用線性關系式表示低溫還原粉化指數RDI與堿度的關系：RDI=15.527×堿度+39.224。通過線性關系測算，低溫還原粉化指數70%時，對應的堿度應達到1.98。

圖5 RDI與堿度關系

4 結論

通過本研究，結合漢鋼生產實際，為保證燒結礦低溫還原粉化指數達到理想目標，要不斷通過配礦優(yōu)化，使褐鐵礦配加比例穩(wěn)定在35%，磁鐵礦配加比例穩(wěn)定＜15%或＞25%，w（SiO2）應穩(wěn)定在5.1%～5.6%之間，w（Al2O3）應＜2.1%。同時也要將燒結礦化學成分控制在合理的范圍內：燒結礦w（FeO）應控制8.5%～9.5%之間；燒結礦堿度應控制在2.0倍；燒結礦w（MgO）應控制在1.8%～2.0%之間。