铁矿粉粒度对烧结基础性能的影响

付壮壮 ，韩秀丽，刘磊，司天航，李国旺

(1. 华北理工大学 冶金与能源学院，河北 唐山 063210；2. 华北理工大学 矿业工程学院，河北 唐山 063210)

近几年，随着我国钢铁产量的增加，铁矿石的需求量也大大增多，但由于铁矿石的种类较为复杂且来源不稳，故烧结原料在结构上也发生了较大的改变，且铁矿粉的性能会直接影响烧结矿质量。烧结基础性能作为一项衡量铁矿粉性能的指标已被广泛应用[1]，研究铁矿粉的烧结基础性能对优化烧结配矿、改善烧结矿质量、增加烧结矿产量、控制生产稳定和降低成本具有重要意义[2-6]。

铁矿粉的烧结基础性能有诸多影响因素，比如铁矿粉的化学成分、粒度组成和表面形态等。国内外学者针对铁矿粉的化学成分对烧结基础性能的影响已有很多研究[7-13]，如王永红[7]研究了不同SiO2含量对烧结基础性能的影响，认为随SiO2含量的增多，液相流动性明显降低，黏结相的生成量减少，不利于各矿物的黏结；Oyama N[8]等研究了评价铁矿粉流动性的的试验标准；Li[9]研究了Al2O3的含量对铁矿粉的液相流动性的影响，认为少量的Al2O3增加了铁酸钙的含量，使液相形成更加容易，随着Al2O3含量的增加，流动性指数不断下降，当铁矿粉中Al2O3含量为2%时，烧结矿质量最佳；伊凤永[10]等研究了烧结基础性能与化学成份之间的关系，认为最低同化温度随MgO、CaO含量的增多而升高，随着Al2O3含量的增多而降低。吕庆[11]等通过微型烧结试验研究了铁矿粉中TiO2对铁矿粉的烧结基础性能的影响，结果表明，随着铁矿粉中TiO2含量的升高，不利于液相的生成。李和平[12]等通过Factsage软件模拟研究了不同含量的SiO2对烧结过程中液相量生成的影响，当铁矿粉中SiO2的含量在4%左右，其烧结基础性能最佳。亢庆峰[13]等研究了几种进口铁矿粉的烧结基础性能，认为不同种类的铁矿粉其烧结基础性能有所差异。铁矿粉粒度对其烧结基础性能的影响还鲜少有人研究，该项目则主要研究在化学成分配比相同的情况下，铁矿粉的粒度组成对其烧结基础性能的影响。

1试验原料

1.1 化学成分

以邯钢生产现场烧结常用含铁原料：巴西混合粉、杨迪粉、南非精粉、PB粉为试验原料，其化学成分如表1所示。

表1 邯钢生产现场含铁原料化学成分/%

由表1可知：杨迪粉中TFe的质量分数较低，巴西混合粉中TFe的含量较高，为65.62%，表明在烧结过程中配加巴西混合粉有利于提高烧结矿的铁品位；杨迪粉的SiO2含量相对较高，为6.5%，属于高硅铁矿粉，主要是为了平衡烧结矿中SiO2的含量；PB粉中Al2O3含量较高，为2.3%。

1.2 粒度组成

用筛子对4种铁矿粉进行粒度分析，其粒度组成分析结果见表2。

表2 邯钢烧结原料的粒度组成/%

根据烧结制粒和铁矿粉矿化的要求，粒度较细的铁矿粉，易于制粒，且容易与CaO发生反应生成铁酸钙和硅酸盐液相，有利于改善铁矿粉的烧结基础性能。故南非精粉<0.42 mm的含量较高，制粒效果良好，且容易与熔剂发生反应，烧结性能较好；巴西混合粉和杨迪粉的粒度较粗，与CaO的反应能力较弱，不利于烧结过程中液相的产生；PB粉粒度居中，矿化反应能力中等。

2试验配料及方法

2.1 试验配料

表3、表4分别是实验室内自制烧结矿的原料配比和化学成分。

表3 原料配比/%

表4 混合矿粉的化学成分/%

分别将混合矿粉按照3种粒级：0.074～0.42 mm、0.42～3 mm、+3 mm筛分，以邯钢现场混匀矿粉的粒度分布作为对照组记为1#，实验室内通过改变不同粒度的占比，来研究不同粒度含量对烧结性能的影响，具体粒度占比如表5所示。

表5 自制烧结矿的铁矿粉粒度及占比/%

2.2 试验方法

根据上述配料方案，采用AK-LZ-001微型烧结特性装置，根据国家标准试验测定混匀矿粉的同化性能、液相流动性、粘结相强度、连晶强度和铁酸钙生成特性。

3试验结果与分析

3.1 同化性能测定结果

图1所示为混合矿粉的最低同化温度。

图1 混合矿粉的最低同化温度

由图1试验结果可知：随着铁矿粉粒级为0.074～0.42 mm占比的增加，最低同化温度逐渐升高，代表其同化性能逐渐变好，1#中作为对照组，0.074～0.42 mm占比为30%，2#中当铁矿粉粒级为0.074～0.42 mm占比25%时，相对与对照组其最低同化温度升高，说明同化性能变差；3#中当0.074～0.42 mm占比30%时，其同化性能变差，当0.074～0.42 mm占比增加到40%和50%时，同化性能逐渐变好，因为随着混匀矿粉细粒级含量的增多，其与CaO发生反应的机会增多，也加大了各类氧化物之间的反应接触面积，增加了各类氧化物分子间的碰撞机会，从而提高混匀铁矿粉的同化性能[14]。

3.2 液相流动性测定结果

图2所示为混合矿粉的液相流动性指数。

图2 混合矿粉的液相流动性指数

液相流动性结果如图2所示。1#中作为对照组，0.074～0.42 mm占比为30%，2#中当铁矿粉粒级为0.074～0.42 mm占比25%时，相对与对照组其液相流动性能变差；3#中当0.074～0.42 mm占比30%时，其液相流动性变差，当0.074～0.42 mm占比增加到40%和50%时，其液相流动性逐渐变好，因为细粒级(0.074～0.42 mm)的占比增高时，平均粒度减小，铁矿粉与熔剂反应的接触面积变大，这样可以在烧结过程中使得物料之间能够充分反应，有利于液相的生成，且铁矿粉的同化性能越好，其液相流动性越好[6]。由2#、3#可知粗粒级(0.42～3 mm、+3 mm)变多，但其液相流动性指数却变小，说明随着粗粒级占比变大，不利于混匀铁矿粉的液相流动性。

3.3 粘结相强度测定结果

不同粒度占比的混匀铁矿粉的粘结相强度的试验数据如图3所示。

图3 混合矿粉的粘结相强度

由试验结果可以得出当粒级5#中当0.074～0.42 mm的占比为50%时，其粘结相强度最高，4#中当粒级0.074～0.42 mm的占比为40%时次之，3#的平均粒度最大，粘结相强度最低，这说明随着细粒级(0.074～0.42 mm)占比的增加，对其粘结相强度会产生有利的影响，因为细粒级有利于增加铁矿粉与熔剂的接触面积，使其致密性增加，且生成强度较高的铁酸钙粘结相，故随着细粒级含量增加，粘结相强度增加。

图4 混合矿粉的连晶强度

3.4 连晶性能测定结果

在烧结时间和升温速率一定的条件下，烧结温度为1 280 ℃下混匀铁矿粉的连晶强度特性的试验结果如图4所示。

由图4所示的试验数据可以得出，当3#中0.074～0.42 mm的占比为25%时，连晶强度最大，其次是2#中0.074～0.42 mm的占比为30%，再其次是对照组1#、4#、5#。因为，当铁矿粉的细粒级0.074～0.42 mm的占比增多时，铁矿粉内部之间的连晶发展受限，不易于在颗粒之间产生连晶[14]，故细粒级的铁矿粉占比越大，其连晶强度越低，反之则越高。随着铁矿粉粗粒度的占比增多，其在反应过程中更容易产生连晶，故连晶强度较高。

3.5 铁酸钙生成特性测定结果

铁酸钙生成特性是指在高温烧结过程中生成复合铁酸钙的能力。在德国蔡司透/反两用Axioskop 40A pol研究型偏光显微镜下对4组烧结矿的矿物组成进行观察，并且利用线测法，测出具体矿物的含量，结果见表6。

表6 自制烧结矿的铁酸钙含量/%

混匀矿中大、小颗粒矿粉与熔剂反应的比例和生成液相量不同[15]，由表6可看出铁酸钙含量由多到少依次是5#、4#、1#、2#、3#。其中1#是根据现场粒度占比配料，作为对照组，4#、5#相对与1#增加了细粒级的含量,而铁酸钙的含量大大增多，说明粒度细的铁矿粉有利于促进铁酸钙的生成[16]；2#、3#分别是增加了中间粒级和粗粒级的含量占比，可以看出其中铁酸钙含量比1#明显降低，说明中间粒级和粗粒级的铁矿粉不利于铁酸钙的生成，因为铁矿粉粒度太大，不利于铁矿粉与熔剂的接触，使得接触面积变小，导致反应生成的铁酸钙粘结相减少。

图5～图9分别是实验室自制烧结矿1#～5#矿相的显微结构图，铁酸钙是高碱度烧结矿的主要粘结相，铁酸钙含量和形态直接影响烧结矿的质量，铁酸钙按其形态划分为板状、片状、柱状和针状，其强度由高到低为：针状>柱状>片状>板状。

图5 1#矿相结构图

图6 2#矿相结构图

图7 3#矿相结构图

图8 4#矿相结构图

图9 5#矿相结构图

由图5～图9可以看出，图5作为对照组结构较为均匀，铁酸钙多与磁铁矿形成交织熔蚀结构，铁酸钙部分呈板柱状结构，有少量针状铁酸钙生成；图6、7分别是2#、3#是增加了(0.42～3 mm)、(+3 mm)的含量，铁酸钙含量相对与1#明显降低，有少量板柱状铁酸钙，但基本无针状铁酸钙生成，说明随着(0.42～3 mm)、(+3 mm)的含量增多，会使得其铁酸钙含量降低，板柱状铁酸钙和针状铁酸钙含量降低，使得烧结矿强度变差；图8、9是增加(0.074～0.42 mm)的含量，可看出结构较为均匀，铁酸钙多与磁铁矿形成交织熔蚀结构，铁酸钙含量相对于1#明显增加，铁酸钙形态结构也多以板柱状结构为主，针状铁酸钙相对于1#也明显增加，说明此粒级含量增加，其铁酸钙含量会增多，且针状铁酸钙明显增多，使得其烧结矿强度变好。

4结论

(1)邯钢生产现场常用的铁矿粉的粒度各有特点，南非精粉粒度较细，易于制粒；杨迪粉粒度较粗，可以改善透气性。

(2)铁矿粉的粒度组成对其烧结基础性能有着显著的影响，随着细粒级(0.074～0.42 mm)铁矿粉的含量由30%增加到50%时，其同化性能、液相流动性能、粘结相强度会增强，但是其连晶强度会降低。

(3)随着细粒级(0.074～0.42 mm)铁矿粉含量由30%增加到50%时，其矿相结构也会发生显著变化，其铁酸钙含量和形态均发生变化，铁酸钙会随着细粒级铁矿粉含量的增加而增加，其中针状铁酸钙也会明显增多。