Al2O3对铁矿烧结质量的影响

郭小龙

（河钢宣钢炼铁厂，河北 张家口 075100）

随着中国经济的快速发展，带来的是国内钢铁工业狂飙式发展，相比于全球钢铁工业，中国钢铁工业流程特点是仍以高炉-转炉为主，尽管技术上在不断的进步，但高炉炼铁仍是不可替代的主流工艺。烧结矿是我国高炉冶炼的重要原料，然而随着钢铁产能的不断增加，铁矿石供应紧张的局面，迫使一些钢铁企业增加了高Al2O3铁矿石的使用。然而仅仅是少量的Al2O3增加就会使烧结矿的强度，影响高炉软熔带液相形成的组成和性质，引起烧结和高炉冶炼的诸多问题。本文就结合实际工作，并从一些文献理论出发，对Al2O3的存在对铁矿烧结质量产生的影响进行分析。

1 烧结矿矿物原料组成和烧结特性

1.1 烧结矿矿物组成

烧结矿主要包括含铁矿物及烧结过程中产生的液态粘结相。含铁矿物主要涵盖了磁铁矿、赤铁矿、浮士体，粘结相主要包括铁橄榄石、钙铁橄榄石、铁酸钙、硅灰石、玻璃质、少量游离石英等[1]。

烧结铁矿的矿物结构包括宏观、微观两种类型的结构。宏观结构由于受烧结平衡液相特性的作用，如粗孔蜂窝状结构还原性和强度较差，石头状结构还原性差、强度好。微观结构指的是显微镜下的铁矿物和粘结相，粒状结构和粘结相矿物晶体颗粒组合形成粒状结构，其强度较好；骸晶结构常被硅酸盐液相粘结相所填补；交织-熔蚀结构在高碱度烧结铁矿中是多见的；斑状结构强度较好。

1.2 烧结的基础特性

烧结特性很好地反映了铁矿石在烧结过程中的作用和行为，也是评价铁矿石烧结质量的指标。如同化性能，同化能力好，说明在烧结过程中容易生成液相反之同化能力弱，液相不易生成将影响烧结质量。液相流动性能对于烧结矿的强度有着十分重要的影响，不能过大也不能太小，应控制在有效粘结范围[2]。粘结相强度，对烧结矿的强度有着十分重要的影响。铁酸钙生成特性能是铁矿粉生成以复合铁酸钙为主的粘结相能力。

2 AL2O3对烧结性能的影响和机理

2.1 对矿物组成与显微结构的影响

烧结过程原料条件是决定烧结矿组成与结构的内在因素，决定了烧结矿质量与冶金性能。

首先是对铁酸钙的影响，烧结矿中以铁酸钙与磁铁矿形成的交织熔蚀结构为主要矿相。烧结矿Al2O3含量提高时,铁酸钙中Al伴随着烧结矿Al2O3含量的增加而提高。一些工艺实验研究表明为Al2O3含量1.0%时，矿化作用良好，矿相结构较为均匀。含量为2.0%时，铁酸钙大量出现，将赤铁矿包围在中间，形成良好的矿相结构。含量为3.5%时，局部区域出现了较多孔洞，不利于提高烧结矿的强度。

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烧结液相的流动范围小时，不利于液相对核矿石颗粒的粘结降低强度。但如果流动性过大，较宽的液相流动范围会使粘结液相在烧结矿表层的铺展厚度变薄。因此合理的控制流动特性对于烧结质量影响较大。从铁矿组成结构来看，其是由Si、O四面体与Al、O八面体形成的层状结构，层间由氢键相连接，当Al2O3含量增加，氢键破裂，促使网络状结构的形成，恶化了铁矿粉烧结的液相流动性。从工艺的生产实践来看，2.0%的含量是一个分水岭，在超过这个趋势后各指标变化趋势明显。

三是对赤铁矿的影响，赤铁矿主要以大块的板状为主，Al2O3低含量时，硅酸盐填充于大块赤铁矿和铁酸钙之间，形成高强度微区，增加了烧结矿的强度。随着含量的提升，赤铁矿、磁铁矿、铁酸钙三者两两相互胶结作用提升，含量为3.0%、3.5%时，少量赤铁矿与铁酸钙粘结在一起，出现在铁酸钙的表层，恶化烧结矿的强度。

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四是对硅酸盐的影响。硅酸盐粘结相分散填充在板状赤铁矿、磁铁矿、铁酸钙之间，当含量升高，硅酸盐中Mg、Al、Fe比例呈现下降趋势，含量为3.0%时，赤铁矿呈斑点状嵌布于铁酸钙上。含量为3.5%时相结构中也出现了对烧结矿强度有巨大危害的大孔洞，影响烧结质量[4]。

2.2 对液相特性的影响

生成特性包括液相开始形成温度、区间、时间、生成量等指标。Al2O3含量增加，使得铁矿中莫来石（铝硅酸盐组成的矿物统称）和方石英含量增加，莫来石不存在游离的Al2O3，而方石英本身熔点较高，这会在整体上使液相熔点升高。而且这也会产生更多比例的高熔点液相粘结相，烧结混合料层中液相生成的范围变小、烧结液相生成温度的可控性变差。

其次是对磁铁矿的影响，磁铁矿主要呈板状，并存在少量的粒状、块状磁铁矿。Al2O3含量提高时磁铁矿含量的减少,局部磁铁矿连晶现象大量发展，这源自与铁酸钙交织熔蚀结构中的磁铁矿比例的下降，尤其是Al2O3含量为3.0%时，连晶现象持续增多，并且矿相结构中出现了对烧结矿强度不利的粗长裂纹；当含量为3.5%时，矿相结构中也出现了对烧结矿强度不利的较大孔洞[3]。

从以上的工艺分析来看，Al2O3含量在1.8～2.0%之间是一个分水岭，对于液相特性将产生极大的影响，总体来看随着Al2O3含量的提升，生成特性、流动特性、湿润特性都会受到一定的影响，继而影响烧结质量。因此在工艺控制中对于Al2O3的含量控制尤为关键。

基于以上分析，Al2O3的存在会影响到矿物组成，同时对液相特性也将带来显著的影响，这些影响都会造成强度的波动。

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从工艺的生产实践来看，1.8%的含量是一个分水岭，在超过这个趋势后各指标变化趋势明显。

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2.3 对烧结矿强度影响

流动特性表示烧结液相的有效粘结区域大小，对烧结矿的强度有重要影响。

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有实验研究表明，铝酸盐与铁酸盐可以形成固溶体,从现代熔渣结构的观点出发,这类复杂稳定的离子团结合能较高,排列有序。当Al2O3含量增加时，液相生成温度提高、液相生成量减少，液相中质点从一个平衡位置转移到另一个位置时较为困难。液相粘度的提高,致使质点扩散速率下降，较小的晶体微粒因曲率较大而溶解到周围的介质中，致使析出的铁酸钙向板片状发展，晶粒发育较大。板片状铁酸钙的强度和抵御裂纹扩展的能力极差,当Al2O3含量增加时，抵御裂纹扩展的能力也较差，对烧结矿强度和低温还原粉化十分不利。

3 结语

从烧结工艺特点出发，Al2O3含量对烧结质量的影响主要是通过对矿物组成结构的影响以及对液相特性的影响，从而进一步对烧结强度产生影响。

结合工艺实践以及理论文献的综述探讨，本文分析的结论认为Al2O3含量的提升时，1.8%～2.0%是一个分水岭，在超过这一数值水平时，烧结矿产量、质量明显恶化。其原理是当Al2O3含量增加时，混合料液相生成温度和熔化温度区间上升,液相生成量和平均生成速度减少,连晶形式大量发展，增加的Al大部分都进入铁酸钙，同时也使得游离的Ca、Si汇集在铁酸钙中。

从理论上看，铁酸钙总量的增加对烧结矿质量有利，但是在液相以及熔点的变化情况下，大量的板片状铁酸钙的生成也导致了烧结强度的降低，最终烧结矿强度的下降和低温还原粉化性的恶化，形成低质量的烧结成品。当然也要注意的是，本文讨论的是基于工艺实践以及理论上的单一指标探讨，实际上烧结质量过程中有大量的工艺参数的影响，所以具体的生产还是要结合不同的原材料来进行针对性的分析，确定具体的关键参数。