国外铁矿粉烧结基础特性及优化配矿研究

田铁磊， 刘金涛， 董复明

（华北理工大学冶金与能源学院， 河北 唐山 063009）

烧结矿是我国高炉炼铁的主要含铁原料之一，入炉比例70%～80%左右，所以优化烧结配矿及提高烧结矿质量是高炉降本增效的重要措施[1-3]。长期以来，对铁矿粉的烧结特性的认识仅是局限在铁矿粉粒度组成、化学成分及制粒特点等常温特性方面，对铁矿粉在烧结过程中所表现的高温物理化学反应了解较少，而烧结特性更大程度上依赖于高温状态下铁矿粉的烧结行为和性能[4-5]。因此，铁矿粉的烧结基础特性对烧结过程及烧结矿质量有非常重要的影响。

利用铁矿粉烧结基础特性的差异不仅可以快速有效地分析铁矿粉在高温条件下的优缺点，还可以互补性优化配矿方案，从而实现高效低成本烧结配矿[6]。所以针对河北某钢厂常用的6 种铁矿粉烧结基础特性进行研究，分析了各种铁矿粉之间差异，并在此基础上进行了烧结杯试验，优化了配矿方案，为优选矿种和生产实践提供初步的技术数据。

1 实验原料及方法

1.1 实验原料及特性

河北某钢厂常用的6 种铁矿粉的化学成分见表1。化学成分特点为：

1）TFe 品位。除了澳粉、印粉及塞拉里昂的品位低于58.00%，其余的均高于61.00%。

2）SiO2含量。澳粉和印粉的SiO2的质量分数较高，分别为9.48%、7.05%，其他的矿粉均低于6.00%。

3）Al2O3含量。澳粉、印粉、PB 粉及塞拉里昂的Al2O3质量分数较高，分别为3.80%、4.42%、2.27%及7.14%，其他的矿粉均低于1.80%。

4）结晶水。印粉、PB 粉及塞拉利昂粉的结晶水含量较高，不低于4.36%，其余的在1.60～3.00%左右。

表1 原料化学成分 %

1.2 实验方法

1）采用TSJ-2 型红外线快速高温炉对6 种铁矿粉进行了烧结基础特性研究，分析这6 种铁矿粉的的同化性能、流动性能及黏结性强度。

2）同化温度测定方法。将铁矿粉和纯试剂CaO分别制成不同直径的小饼，放入试验炉内升温烧结测定同化温度。

3）流动性能测定方法。按照一定的比例将6 种矿粉分别和纯试剂CaO 混合，使两者的碱度为4，然后在温度1 250 ℃时进行了流动性检测。

4）黏结性强度测定方法。按照一定的比例将6种矿粉分别和纯试剂CaO 混合，使两者的碱度为2，然后在温度1 280 ℃时进行了粘结相强度检测。

根据6 种矿粉烧结基础特性的差异，进行优化配矿，并采用烧结杯对其进行验证，分析烧结矿的冶金性能及微观形貌。

2 结果与讨论

2.1 烧结基础特性分析

铁矿石同化特性用同化温度 (即铁矿石与氧化钙刚开始反应的温度)来表示。根据实验测得的各种铁矿粉同化温度的高低，来确定其同化性的强弱。根据经验一般认为同化温度1 260 ℃附近较为合适。

图1 不同铁矿粉同化温度

由图1 可知，铁矿粉的同化特性有较大差别，其中PB 粉同化温度最低，为1 150 ℃，印粉的同化温度最高，为1 320 ℃。铁矿粉同化能力由高到低的排列顺序为：PB 粉＞南非粉＞塞拉利昂＞澳粉>巴粗＞印粉。

一般情况下，褐铁矿同化能力比赤铁矿和磁铁矿的同化能力都强。主要是因为褐铁矿中结晶水含量较高，分解后有利于钙离子在气孔中扩散，从而加速了低熔点物质生成，进而增强了褐铁矿同化性能，所以PB 粉较其他种类的矿粉的同化温度低。而褐铁矿赛拉利昂粉的同化温度比赤铁矿南非粉高的原因主要是赛拉利昂粉Al2O3含量较高，抑制了铁酸钙生成，因此南非粉同化能力较塞拉利昂高。

南非粉、澳粉、巴粗均为赤铁矿，而南非粉同化能力最强，澳粉、巴粗同化温度相当，主要是因为南非粉中SiO2比较适中，利于铁酸钙的生成，而澳粉及巴粗中SiO2含量过高，将会使SiO2与CaO·Fe2O3中发生反应，把Fe2O3置换出来，生成高熔点硅酸二钙，抑制铁酸钙的生成，从而使澳粉和巴粗同化性变差。对于澳粉和巴粗而言，主要是因为巴粗铁矿粉中MgO 含量较高，促进赤铁矿分解成磁铁矿，不利于铁酸钙生成，从而相应地提高了同化温度。因此，南非粉、澳粉、巴粗三种粉同化能力的高低为：南非粉＞澳粉>巴粗。

印粉属于净铁矿，同化温度较高约为1 320 ℃，主要是因为印粉致密，不利于反应物的扩散，反应进行缓慢，导致矿石的反应性较差，从而使同化能力变差。

不同矿粉的液相流动性差别较大，铁矿粉液相流动能力由高到低的排列顺序：南非粉＞巴粗＞印粉＞澳矿＞PB>塞拉利昂（见图2）。

一般情况下，同化温度较低的铁矿粉流动性较好。PB 粉、南非粉及赛拉利昂粉同化温度均较低，但PB 粉和赛拉利昂粉流动性均较差；PB 粉和赛拉利昂粉流动性较差的主要为两种粉结晶水含量较高，残留的气孔会影响液相的黏度，降低了液相的流动性，另外赛拉利昂粉中Al2O3过高，形成了大量的硅酸盐网络物，进一步增大了液相的黏度，所以塞拉利昂较PB 粉液相流动性更差。

图2 不同铁矿粉流动性指数

对于同化温度较高的巴粗、印粉及澳粉而言，巴粗较澳粉及印粉流动性好，主要是因为巴粗中SiO2含量适中，且Al2O3含量低，降低了液相的黏度，所以巴粗粉流动性较好；而澳粉及印粉，主要是因为Al2O3含量过高，促进液相变黏，导致流动性变差，而澳粉SiO2含量过高，有硅酸盐网络物生成，从而进一步恶化了液相流动性，因此，澳粉的流动性更差。

黏结相强度性能是指铁矿石在烧结过程中形成的液相对其周围的核矿石进行固结的能力。它对烧结矿的强度有着至关重要的影响。根据经验一般认为黏结性强度最低大于2.0 kN（见图3）。

图3 不同铁矿粉黏结性强度

由图3 可知，黏结相强度较高的矿粉有澳粉、南非粉、印粉及PB 粉4 种矿粉，其中最高的是印粉为5.38 kN/个。塞拉利昂粉的黏结强度最差，为1.20 kN/个。铁矿粉黏结相强度由高到低的排列顺序为：印粉＞澳粉＞PB 粉＞南非粉>巴粗＞塞拉利昂粉。

澳粉、印粉及PB 粉黏结相强度均较高，而南非粉强度一般，主要因为澳粉和印粉为赤铁矿，Fe2O3含量较多，铁酸钙生成能力较强。因此，两种矿的黏结相强度较高。另外，两种矿的SiO2含量较高，与在N2条件下Fe2O3分解产生的FeO 发生反应，形成低熔点的铁橄榄石，进一步提高了两种矿的强度。PB粉是赤铁矿和褐铁矿的混合矿种，而结晶水分解易使黏结相产生裂纹，所以PB 粉黏结相强度稍低。而对于南非矿强度一般的原因主要是南非粉产生了大量的液相，并且液相黏度较低，从而使强度有所降低。

塞拉利昂粉和巴粗粉黏结相强度较低，分别为1.20 kN/个、1.65 kN/个；主要因为赛拉利昂粉为褐铁矿，Fe2O3含量较多，铁酸钙生成能力较强，但是该粉烧结时产生的孔洞较多，且孔洞大小不均，形状各异，从而使烧结饼强度降低；而巴粗黏结相强度较低，主要是因为流动性太高，使黏结相黏度降低，易生成薄壁大孔的结构，降低烧结饼强度。

2.2 烧结杯验证试验

试验固定烧结矿碱度为1.95，w（MgO）为2.3%，优化前后矿粉配比见表2。优化前巴粗、南非粉配比较高，而这2 种矿粉的流动性较高，且黏结相强度偏低，可适当降低这2 种矿粉的比例；澳粉和印粉的液相流动性较差，但黏结相强度较高，可适当提高这两种矿粉比例，用于弥补巴粗和南非粉烧结性能的不足；PB 粉的同化温度低，适当提高可改善混合矿粉的矿化能力。优化前后配比烧结杯试验结果见表3、表4。优化后烧结矿指标有显著改善，转鼓强度、成品率及低温还原粉化性能有所提高，而荷重软化性能变化不大。

表2 优化前后铁矿粉质量配比 %

表3 优化前后烧结杯试验结果 %

表4 优化前后冶金性能对比

由图4 可知，该烧结矿矿相结构不均匀，主要为他形磁铁矿、铁酸钙及硅酸二钙胶结形成交织熔蚀结构交织熔蚀结构，部分为斑状、熔蚀结构，局部粒状结构；气孔大小不一，分布不均匀，大气孔较多且形态不规则，小气孔多集中分布，气孔率为55%～60%。因此，该烧结矿的质量稍差。

由图5 可知，烧结矿矿相结构均匀，主要为磁铁矿、铁酸钙、硅酸二钙胶结形成交织熔蚀结构，局部由半自形磁铁矿被玻璃质、硅酸二钙胶结形成斑状粒状结构；且气孔率较低为20%～25%。因此该烧结矿质量较调整前烧结矿好。

图4 调整前烧结矿显微形貌

图5 调整后烧结矿显微形貌

3 结论

1）6 种铁矿粉同化能力由高到低的排列顺序为：PB 粉＞南非粉＞塞拉利昂＞澳粉＞巴粗＞印粉；液相流动能力由高到低的排列顺序：南非粉＞巴粗＞印粉＞澳矿＞PB＞塞拉利昂；黏结相强度由高到低的排列顺序为：印粉＞澳粉＞PB 粉＞南非粉＞巴粗＞塞拉利昂粉。

2）采用铁矿粉的烧结基础特性能够指导烧结优化配矿后，烧结矿的转鼓强度、成品率、冶金性能及显微形貌有明显改善，因此，可通过铁矿粉基础特性互补来指导烧结配矿。