褐鐵礦的燒結(jié)特性試驗研究

侯雯希，梁斌珺

近年來，隨著鋼鐵行業(yè)在全球快速發(fā)展，日趨緊張的鐵礦資源，已經(jīng)成為制約鋼鐵企業(yè)發(fā)展的重要因素。高配比褐鐵礦生產(chǎn)，已經(jīng)成為各大鋼廠降本的主要手段，也是鋼鐵行業(yè)的必然趨勢。褐鐵礦燒損大、硅含量高、鐵品位低，燒結(jié)性能不佳，因此有必要解決大量配入褐鐵礦對燒結(jié)經(jīng)濟技術(shù)指標帶來的不利影響。通過燒結(jié)優(yōu)化配礦技術(shù)可使燒結(jié)性能相對比較差的褐鐵礦的配比增加到60%以上。鐵礦石的應(yīng)用開始進入褐鐵礦時代，許多科技工作者已開展了高結(jié)晶水褐鐵礦的燒結(jié)基礎(chǔ)特性研究，以期通過褐鐵礦燒結(jié)的基本特性來研究褐鐵礦石在燒結(jié)過程中的變化。研究發(fā)現(xiàn)，褐鐵礦的燒結(jié)難度較大，褐鐵礦的同化反應(yīng)在降低燒結(jié)礦產(chǎn)質(zhì)量的同時，提高了燒結(jié)過程的燃耗。針對上述問題進行了一系列研究，結(jié)果表明可通過優(yōu)化配礦和操作，改善燒結(jié)料層的透氣性，同時利用其產(chǎn)生的大量液相來提高燒結(jié)速度，從而可降低褐鐵礦自身所帶來的劣勢。

新鋼公司旗下子公司鐵坑生產(chǎn)的褐鐵礦輸送困難，燒結(jié)性能差，燒結(jié)廠消化量小于鐵坑產(chǎn)量，致使場地上囤積了大量鐵坑褐鐵礦。針對這種情況，進行了褐鐵礦燒結(jié)特性試驗研究，以期為現(xiàn)場高配比褐鐵礦的生產(chǎn)提供技術(shù)支撐。

1 原料性質(zhì)及研究方法

1.1 原料性質(zhì)

1.1.1 鐵礦粉化學(xué)成分及粒度組成

本次試驗用的鐵礦粉有楊迪礦、麥克粉、鐵坑褐鐵礦及PB粉等四種，從化學(xué)分析結(jié)果來看，試驗的幾種褐鐵礦的鐵品位均較低，燒損偏大。其中鐵坑褐鐵礦的全鐵品位最低，硅含量和燒損最高，分別為52.56%、12.46%、11.5%。麥克礦粉燒損最低，為5.28%，PB礦粉的全鐵品位最高，為61.52%。PB礦粉和麥克礦粉屬于半褐鐵礦。

由于礦石粒度較粗，試驗時采用干篩法測定原料的粒度組成，篩分時間為15min，從試驗結(jié)果來看，楊迪礦的粒度較粗，其+8mm的顆粒占19.13%，遠多于其它三種粉礦，而0.1-1mm的中間粒子的含量相對較少，且-0.1mm粒級部分只有很少的含量。鐵坑+8mm粒級含量最少，只有6.50%。麥克礦粉和Pb礦粉的+8mm粒級含量相差并不大，分別為9.26%和8.31%；Pb礦在0.5mm以上各粒級部分的含量均不同程度低于麥克礦，但-0.5mm部分的含量高于麥克礦，其中-0.1mm粒級更是以高達18.09%的含量與麥克礦的3.79%形成很明顯的差距。綜合來看，四種粉礦的粒度粗細順序為：揚迪礦＞麥克礦＞鐵坑褐鐵礦＞Pb礦。

1.1.2 溶劑、原料的化學(xué)成分及粒度組成

鎂石灰，生石灰，白云石，石灰石是新鋼燒結(jié)廠常用4種熔劑，燃料是焦煤混合物。由化學(xué)成分結(jié)果分析來看，若熔劑的含鈣量越高，則燒損越低，四種熔劑中生石灰含鈣量最高，達到了83.65%，則燒損最低，為7.01%；其次分別為石灰石、鎂石灰和白云石，含鈣量為51.33%、46.31%和31.92%，燒損為43.99%、45.39%和21.83%。另外，在鎂石灰和白云石中含有較高的鎂，分別達到了27.51%和19.45%。

同時對熔劑和燃料等按粗粒料進行測定粒度組成，結(jié)果表明(焦粉由于來樣粒度過粗，試驗時對其+3mm部分進行了破碎處理)，幾種熔劑的粒度組成相差不是很大，在1-5mm范圍內(nèi)的粒度占比均在50%左右，其次為0.1-1mm范圍內(nèi)粒度占比，約為35%左右，粒度較粗和較細的占比均非常少。

1.2 研究方法

1.2.1 試驗設(shè)備

新鋼燒結(jié)廠實驗室由重慶市安全生產(chǎn)科學(xué)研究有限公司承建，實驗室分設(shè)燒結(jié)杯試驗系統(tǒng)和冶金性能檢測系統(tǒng)。

燒結(jié)杯試驗系統(tǒng)由混合機、布料器、點火器、燒結(jié)杯、除塵器、抽風(fēng)機、單輥破碎機、落下強度試驗裝置、篩分裝置、轉(zhuǎn)鼓裝置等組成。該系統(tǒng)采用中間有保溫層的雙層高溫鋼杯體，可以減少料層中心與邊緣的溫差；點火器采用集點火、空煤比調(diào)節(jié)、空氣供給、火長調(diào)節(jié)、點火溫度調(diào)節(jié)、故障保護、煤氣不足保護等功能的一體化裝置；落下裝置和往復(fù)篩全封閉工作，防塵、降噪性能好。

冶金性能檢測設(shè)備為三段式還原爐，采用全開式還原爐體結(jié)構(gòu)，操作、維護方便；爐膛材料為碳化硅，使用壽命在30年以上；反應(yīng)器采用專門冶煉而成的航天材料GH44，使用壽命在500次以上。爐溫控制波動值不超過±1℃，能準確檢測出燒結(jié)礦、球團礦和塊礦的還原性及其低溫還原粉化指數(shù)。

1.2.2 試驗流程

燒結(jié)試驗常規(guī)流程包括：配料→混合→制?！b料→點火→燒結(jié)→冷卻→破碎→落下試驗→篩分→取樣→轉(zhuǎn)鼓試驗，具體如圖1所示。

各步驟的詳細操作如下：

（1）配料：試驗配料采用混勻礦、石灰石、生石灰、焦粉、白云山內(nèi)配，返礦按38%外配。確保符合正常的燒結(jié)礦化學(xué)成分。

（2）混合：混合包括一次混合和二次混合。試驗一次混合是采用人工堆錐，混勻3-5min，實際操作以將料混勻為準；試驗二次混合主要目的是制粒，在圓筒混合機內(nèi)進行，圓筒混合機規(guī)格為Ф600*1200mm，轉(zhuǎn)速16r/min，向混合機內(nèi)噴加霧狀水，原則上加水量為混合總加水的20%左右，制粒5min。隨后取試樣分別進行混合料水分、粒度組成和透氣性指數(shù)測定。

（3）裝料：試驗使用規(guī)格為Ф170×700mm的燒結(jié)杯，鋪底料20-30mm，試驗布料時先將料裝到圓錐布料器中，再用圓錐布料器布料的方法進行布料，壓料高度20mm。

（4）點火：試驗點火使用石油液化氣，點火負壓和溫度分別為6kPa和1050±50℃，點火時間1.5min。

（5）保溫：試驗保溫時間1min，采用點火后不移點火罩。

（6）燒結(jié)：試驗燒結(jié)過程，保溫完畢后，將負壓調(diào)至12KPa進入燒結(jié)過程，當(dāng)廢氣溫度達到最高點時，其所對應(yīng)的溫度為燒結(jié)終點，達到燒結(jié)終點即燒結(jié)反應(yīng)結(jié)束。

（7）冷卻：燒結(jié)到達終點后，冷卻3min，在此階段將負壓調(diào)回并保持6KPa。

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 褐鐵礦的燒結(jié)試驗研究

在進行褐鐵礦燒結(jié)特性試驗時，分別以上述四種褐鐵礦粉為原料研究了不同操作條件對燒結(jié)礦產(chǎn)品性能的影響。

2.1.1 楊迪礦粉

分別研究了不同燒結(jié)水分及配碳比對楊迪礦燒結(jié)性能的影響，從試驗結(jié)果來看，當(dāng)焦粉配比為4.7%，混合料的水分在8.5%-10%范圍內(nèi)變化時，燒結(jié)速度、利用系數(shù)、成品率和轉(zhuǎn)鼓指數(shù)都隨混合料水分增加而先增加后開始降低。轉(zhuǎn)鼓指數(shù)存在最大值，當(dāng)水分為9.5%時，轉(zhuǎn)鼓強度最好，為57.51%，繼續(xù)增加混合料水分，轉(zhuǎn)鼓強度反而降低。綜合考慮燒結(jié)礦的利用系數(shù)和轉(zhuǎn)鼓強度，水分在9.5%左右為宜。當(dāng)水分在9.5%時，隨著焦粉配比的提高，燒結(jié)礦成品率逐步提高，從試驗結(jié)果來看，楊迪礦適宜的焦粉配比在5.3%左右。

2.1.2 鐵坑礦粉

鐵坑礦粉是新鋼公司自產(chǎn)的褐鐵礦粉，它的TFe含量低、SiO2含量高，燒損高。試驗時，分別研究了不同燒結(jié)水分及配碳比對鐵坑礦粉燒結(jié)性能的影響，從試驗結(jié)果來看，鐵坑礦粉是一種單燒非常難燒的礦，單燒指標很不理想，存在燒結(jié)速度快、利用系數(shù)低、成品率和轉(zhuǎn)鼓強度差等一系列問題。究其原因在于鐵坑礦粉在單燒過程中缺少成核粒子，球很容易被破壞，雖強化點火，但仍點不著。在燒結(jié)時，必須強化制粒，同時還需添加返礦才能較順利的完成燒結(jié)。

細者，小也；節(jié)者，單位或要點也?！稘h語大詞典》對“細節(jié)”釋為“細小的環(huán)節(jié)和情節(jié)”。教學(xué)細節(jié)，顧名思義，是指教學(xué)中一些不易察覺的細末之處、關(guān)鍵之點，它不僅指教學(xué)行為的最小單位，還要求教學(xué)行為處于教學(xué)過程的關(guān)節(jié)點上，對教學(xué)具有重要的推動和聯(lián)接作用。因而，并不是所有的教學(xué)行為都具有教學(xué)細節(jié)的作用，只有處于教學(xué)關(guān)節(jié)點、聯(lián)接點上的教學(xué)行為，才具有細節(jié)——關(guān)節(jié)的作用，才具有推動、激活、聯(lián)接和延續(xù)教學(xué)過程的作用。

2.1.3 麥克礦粉

麥克粉具有初始粒度好，再成球能力強的特性。試驗時，分別研究了不同燒結(jié)水分及配碳比對麥克礦粉燒結(jié)性能的影響，從試驗結(jié)果來看，通過對燒結(jié)水分和焦粉配比的優(yōu)化，麥克粉單燒最佳條件為：混合料水分在10.5%左右、焦粉配比在5.5%左右。在此條件下，燒結(jié)礦綜合產(chǎn)、質(zhì)量指標較好，利用系數(shù)和轉(zhuǎn)鼓強度分別達到1.05t/m2·h和62.0%。

需要注意的是，麥克粉含有一定的結(jié)晶水，雖然以Fe2O3狀態(tài)存在的礦物有利于使其在燒結(jié)過程中形成以鐵酸鈣為主的粘接相，但從化學(xué)分析結(jié)果來看，礦粉中含有較高的Al2O3，配加過多麥克粉會使燒結(jié)礦中的Al2O3含量升高。

2.1.4 PB礦粉

PB礦粉雖然具有造球性好的優(yōu)點，但是也存在點火表面松散粗糙、燒結(jié)礦液相度中等偏下的缺點。試驗時，分別研究了不同燒結(jié)水分及配碳比對PB礦粉燒結(jié)性能的影響，從試驗結(jié)果來看，在水分和焦粉配比調(diào)整優(yōu)化下，PB粉單燒混合料水分在10.5%左右，焦粉配比在5.4%左右時，燒結(jié)礦綜合產(chǎn)、質(zhì)量指標最好，此時的利用系數(shù)和轉(zhuǎn)鼓強度分別為1.41t/m2·h和56.53%。

2.2 褐鐵礦燒結(jié)產(chǎn)品性能研究

分別詳細研究了上述四種褐鐵礦燒結(jié)產(chǎn)品的化學(xué)成分、微觀結(jié)構(gòu)、低溫還原粉化性能及還原性能。

2.2.1 化學(xué)成分分析

2.2.2 微觀結(jié)構(gòu)分析

分別對上述四種燒結(jié)礦的微觀結(jié)構(gòu)進行了分析，可以得出如下結(jié)論：

（1）楊迪礦燒結(jié)礦的部分微區(qū)有熔蝕狀和短條狀的四維復(fù)合鐵酸鈣結(jié)晶。在有鐵酸鈣膠結(jié)的區(qū)域，結(jié)構(gòu)強度都比較高，沒有液相膠結(jié)的微區(qū)，結(jié)構(gòu)強度都較低，尤其是有硅酸鈣結(jié)晶或者有裂紋的區(qū)域，均屬強度差的范圍；楊迪燒結(jié)礦中部分鎂與鐵結(jié)合，形成了鐵酸鎂，流動性好，與其它鐵礦膠結(jié)緊密；橄欖石絕大部分為鈣鐵橄欖石，呈板狀或塊狀結(jié)晶，膠結(jié)力較強。總之，從微觀結(jié)構(gòu)來看，楊迪粉燒結(jié)礦液相量不足，膠結(jié)力不夠，固相互連差，多孔薄壁，粗裂，硅酸鈣形成的破壞現(xiàn)象和低強度區(qū)域較多，燒結(jié)礦質(zhì)量不佳。

（2）鐵坑褐鐵礦燒結(jié)礦的橄欖石的結(jié)晶呈板狀，且粒晶粗大，將Fe3O4等礦物緊密膠結(jié)，掃描電鏡能譜圖證實，這些橄欖石均為鈣鐵橄欖石；同時發(fā)現(xiàn)鐵坑褐鐵礦燒結(jié)礦中黑色線條狀的硅酸鈣十分明顯，常嵌布在硅酸鹽橄欖石中，易產(chǎn)生低溫粉化膨脹，也消弱了橄欖石的膠結(jié)力，影響整體結(jié)構(gòu)強度；而且燒結(jié)礦中鐵酸鎂較多，燒結(jié)礦中各種紅、綠、黃彩色的鐵酸鎂晶粒明顯增多，與其它鐵礦物膠結(jié)良好，對提高燒結(jié)礦強度有利；同時鐵坑褐鐵礦燒結(jié)礦仍然存在局部粗裂，這些不利礦物和破壞現(xiàn)象對燒結(jié)礦質(zhì)量影響很大，其燒結(jié)礦質(zhì)量有待改善和提高。

（3）麥克礦粉的燒結(jié)礦大部分屬含鈣很高的硅酸鈣，在燒結(jié)礦中存在鈣鐵橄欖石大量結(jié)晶體，且大多數(shù)嵌布在Fe3O4和Fe2O3的間隙中，膠結(jié)比較緊密，這對提高整體微觀強度有利，但燒結(jié)礦中硅酸鹽遠不及鐵酸鹽液相好，致使燒結(jié)礦固相連接較差；同時麥克礦粉的燒結(jié)礦局部高溫區(qū)Fe3O4結(jié)晶發(fā)育及互連較好，但燒結(jié)礦中有較粗的長條裂紋，存在許多多孔薄壁結(jié)構(gòu)，對燒結(jié)礦強度很不利。

（4）Pb粉燒結(jié)礦最大特點是堿度高，鐵酸鈣形成又多又好，結(jié)晶比較完善，呈條狀和熔蝕狀很清晰。鐵酸鈣是燒結(jié)礦中強度最高，還原性最好的第一位礦物，數(shù)量越多，質(zhì)量越好。部分微區(qū)可以清楚地看到鐵酸鈣包圍了固相，加強了燒結(jié)礦整體結(jié)構(gòu)強度。燒結(jié)礦Fe3O4再結(jié)晶良好，大部分能發(fā)育長大，互連，常常被鈣鐵橄欖石膠結(jié)在一起，但也有不少的被鐵酸鈣滲透、溶蝕。凡屬被液相膠結(jié)的礦物，都有較高的強度。鐵酸鎂結(jié)晶較好，呈長條狀，與其它礦物膠結(jié)緊密。燒結(jié)礦中也存在一些不理想的地方，比如有不少大孔薄壁區(qū)域和粗長裂紋存在。少量區(qū)域還可以見到黑色短條狀的硅酸鈣及骸晶Fe2O3。統(tǒng)觀燒結(jié)礦礦物組成和微觀結(jié)構(gòu)，其質(zhì)量良好。

2.2.3 低溫還原粉化性能

對幾種燒結(jié)礦的低溫還原粉化性能進行了分析，結(jié)果表明：各燒結(jié)礦具有較好的抗低溫還原粉化性能，除楊迪燒結(jié)礦RDI-0.5為3.72%，其余褐鐵礦的燒結(jié)礦RDI-0.5均在4.0%以上。從RDI+3.15來看，鐵坑褐鐵礦、楊迪礦以及麥克粉的燒結(jié)礦均具有較高水平，分別達78.55%、78.87%和77.89%。因此，相比之下，鐵坑褐鐵礦、楊迪礦以及麥克粉燒結(jié)礦具有較好的低溫還原粉化性能，而Pb粉燒結(jié)礦的低溫還原粉化性能相對較差。

2.2.4 還原性能

對幾種燒結(jié)礦的還原度進行了分析，結(jié)果表明：幾種褐鐵礦的燒結(jié)礦均具有較好的還原性能，還原度均在70%以上。相較之下，麥克粉的還原度高最好，優(yōu)于其他三種褐鐵礦粉燒結(jié)礦的還原度。

3 高配比褐鐵礦燒結(jié)強化措施

3.1 高配比褐鐵礦燒結(jié)存在問題

通過對褐鐵礦的燒結(jié)試驗研究，不難發(fā)現(xiàn)，高配比褐鐵礦燒結(jié)存在如下問題：

（1）成品率低，強度差。高配比褐鐵礦燒結(jié)產(chǎn)生了大量的液相，液相中更多的Fe2O3會導(dǎo)致液相粘度升高，影響燒結(jié)過程中氣孔的生成及排除。過高粘度的液相夾雜著大量的氣孔，使得粘結(jié)相的強度降低；最終就降低了燒結(jié)礦的強度和燒結(jié)成品率。同時，高同化作用破壞了燒結(jié)料層的透氣性，使得燃料燃燒不均，最終就降低了燒結(jié)礦的強度和燒結(jié)成品率。

（2）料層透氣性差。褐鐵礦擁有疏松多孔、結(jié)晶水含量高及混合制粒易過濕等特性，導(dǎo)致其在燒結(jié)過程中透氣性變差；同時褐鐵礦在燒結(jié)過程產(chǎn)生的液相會充滿料層的間隙，使料層阻力增大，進一步惡化了料層的透氣性。

（3）固體燃耗高。褐鐵礦自身含結(jié)晶水高，燒結(jié)過程中需要配加更多的燃料來脫除這一部分水，因此，高配比褐鐵礦燒結(jié)固體燃耗高。

3.2 強化措施

針對高配比褐鐵礦燒結(jié)存在的問題，提出如下強化措施：

（1）優(yōu)化配礦。燒結(jié)配礦實際上是一個尋優(yōu)過程，它是在已知約束范圍內(nèi)的多種鐵礦中尋找滿足技術(shù)指標要求，且成本最低的所有配礦方案。最優(yōu)方案需滿足下列條件：①燒結(jié)礦化學(xué)成分的要求；②原料供應(yīng)的條件；③燒結(jié)礦產(chǎn)量和質(zhì)量指標的要求；④燒結(jié)礦成本和能耗指標的最優(yōu)。所謂優(yōu)化配礦，就是找到滿足上述要求的多種含鐵原料的合適配比。要尋找到最優(yōu)配比，單純依靠理論計算或線性規(guī)劃是無法做到的，必須采取模型計算、燒結(jié)杯試驗、生產(chǎn)試驗三者相結(jié)合的方法。

（2）厚料燒結(jié)。將料層提高到700mm，厚料燒結(jié)可作為解決褐鐵礦增加導(dǎo)致燃耗上升及成礦率降低等問題的核心手段。因為厚料燒結(jié)不僅可以改善燒結(jié)礦強度，提高成品率，還可以降低固體燃耗，同時降低FeO的含量，提高燒結(jié)礦還原性。

（3）強化生石灰消化。改進加水方式和加水點，適當(dāng)加大生石灰加水量，改善生石灰消化過程，使生石灰充分消化，以提供更多熱量。

（4）合理使用熱返礦。一方面，使用熱返礦可以提高混合料料溫度，改善燒結(jié)過程；另一方面，加入的熱返礦吸附褐鐵礦粉中的水分，防止了褐鐵礦粉結(jié)團、結(jié)塊，改善了混合料的粒度組成，提高料層的透氣性。

（5）蒸汽預(yù)熱混合料。通過余熱鍋爐將環(huán)冷熱礦的熱量回收加以利用，產(chǎn)生的蒸汽用管道接入混合圓筒和混合料斗，將料溫從40℃提高到65℃，減少過濕現(xiàn)象，改善燒結(jié)過程。

（6）提高混合料水分，強化制粒。在混合過程中，控制合理的二次加水量，將水分控制從7%-8%提高到7.5-8.5%，改善混合料成球性，從而可提高料層透氣性。

4 結(jié)論

通過對幾種褐鐵礦的性質(zhì)、燒結(jié)特性和燒結(jié)礦產(chǎn)品性能研究可以得到如下結(jié)論：

（1）褐鐵礦的全鐵品位均較低，燒損偏大。其中新鋼自產(chǎn)的鐵坑褐鐵礦的全鐵品位最低，硅含量和燒損最高，分別為52.56%、12.46%、11.5%；麥克礦粉燒損最低，為5.28%；PB礦粉的全鐵品位最高，為61.52%。

（2）對褐鐵礦的燒結(jié)試驗研究發(fā)現(xiàn)，褐鐵礦燒結(jié)均有成品率低、強度差、料層透氣性差和固體燃耗高的缺陷，但褐鐵礦的燒結(jié)礦卻均具有較優(yōu)的低溫還原粉化性能和還原性能。

（3）高配比褐鐵礦的燒結(jié)可以通過優(yōu)化配礦、厚料燒結(jié)、強化生石灰消化、合理使用熱返礦、蒸汽預(yù)熱混合料、提高混合料水分和強化制粒等措施進行強化，而改善燒結(jié)礦的產(chǎn)品性能。