張新建，朱博洪，牛德良，楊 劍，徐敏人，肖揚武

(1.首鋼水城鋼鐵(集團)有限責任公司，貴州 六盤水 553000;2.重慶大學，重慶 400044)

目前，首鋼水城鋼鐵(集團)有限責任公司(以下簡稱水鋼)入爐綜合爐料中燒結(jié)礦占75%左右，其余均用塊礦和球團礦進行補充。水鋼因無自己的礦山和球團廠，所有塊礦和球團礦均需外購，故來源多樣，品種較復(fù)雜。因Al2O3/SiO2的熔化性溫度較高，在高爐冶煉過程中會引起高爐渣黏度增加和產(chǎn)生流動性變化，導(dǎo)致焦比升高、脫硫能力降低、渣鐵分離困難，以及鐵損失率增加等問題。有少量的研究表明:一定的Al2O3/SiO2質(zhì)量比值是燒結(jié)生產(chǎn)獲得鐵酸鈣礦物組成的必要條件，但當Al2O3/SiO2質(zhì)量比值過高將會促進燒結(jié)礦中玻璃體的形成，抑制結(jié)晶程度，使燒結(jié)礦的冷強度迅速惡化，低溫還原粉化加劇。適量的二氧化硅和氧化鋁有利于降低鐵酸鈣液相熔點，從而促使鐵酸鈣液相的形成，但是會生成尺寸較大酸性離子團，提高液相的黏度，降低粘結(jié)相流動性［1－2］。此外，很多針對鋁元素對燒結(jié)礦性能和質(zhì)量的影響研究表明［3－6］:對于不同原料條件的高堿度燒結(jié)礦，當Al2O3/SiO2質(zhì)量比值控制在0.40～0.45以下時，Al2O3/SiO2質(zhì)量比值的增加可以顯著地促進鐵酸鈣物相的生成，降低燒結(jié)礦混合料的初熔溫度;當Al2O3/SiO2質(zhì)量比值大于0.40～0.45時，Al2O3/SiO2質(zhì)量比值的增加會使燒結(jié)礦性能惡化。

針對以上問題可以看出:燒結(jié)礦中鋁元素的分布和硅元素密切相關(guān)，而且這種分布的差異是影響燒結(jié)礦強度和冶金性能的重要因素，而單獨研究這2種元素對燒結(jié)礦性能的影響是有失偏頗的。因此，本文通過燒結(jié)試驗及冶金性能測試方法，研究了Al2O3/SiO2質(zhì)量比值對燒結(jié)礦冷強度性能、還原性能和低溫粉化性能的影響，以及與燒結(jié)礦中FeO含量的關(guān)系。

1 實驗

1.1 實驗原料特性

本實驗根據(jù)水鋼現(xiàn)有燒結(jié)原燃料條件進行研究，其燒結(jié)使用的原料其化學成分如表1所示，燒結(jié)所使用的熔劑及其成分如表2所示。實驗中所使用的原料取自水鋼高爐原料場。

表1 燒結(jié)原料化學成分(質(zhì)量分數(shù))%

表2 燒結(jié)熔劑化學成分(質(zhì)量分數(shù))%

1.2 實驗方案

1.2.1 燒結(jié)實驗

燒結(jié)使用的燃料組成為焦粉∶煤粉(質(zhì)量比)=3∶1，燃料固定碳質(zhì)量分數(shù)為84.15%，揮發(fā)成分質(zhì)量分數(shù)為2.6%，灰分質(zhì)量分數(shù)為13.24%，灰分成分和燒結(jié)所用溶劑成分如表2所示。燒結(jié)實驗過程的參數(shù):點火溫度為1 100℃，點火時間為1 min，燒結(jié)礦料層厚度為700 mm。

1.2.1 Al2O3/SiO2質(zhì)量比值對燒結(jié)礦冷態(tài)強度的影響

固定堿度為 2.0，燃料配比為 6.5%，測得Al2O3/SiO2質(zhì)量比值在0.25～0.4間變化時燒結(jié)礦的落下強度和轉(zhuǎn)鼓強度特性。落下強度實驗采用日本標準(JIS－M8711－7)規(guī)定的參數(shù)，轉(zhuǎn)鼓強度實驗根據(jù)國家標準(GB8209—87)進行。

1.2.2 Al2O3/SiO2對燒結(jié)礦還原性能和低溫還原粉化性能的影響

固定堿度為 2.0，燃料配比為 6.5%，測定Al2O3/SiO2質(zhì)量比值在0.25～0.4間變化時燒結(jié)礦的還原性、還原粉化率及與燒結(jié)礦中FeO含量的關(guān)系。燒結(jié)礦還原性的測定按照國標(GB/T13241—91)檢測方法進行實驗，而鐵礦石低溫還原粉化指數(shù)根據(jù)國標(GB/T13242—91)采用靜態(tài)法測定。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 Al2O3/SiO2對燒結(jié)礦冷態(tài)強度的影響

在固定堿度為2.0，燃料配比為6.5%的條件下，測得Al2O3/SiO2質(zhì)量比值從0.25變化到0.4時與燒結(jié)礦冷態(tài)強度的關(guān)系，如圖1所示。

燒結(jié)礦的主要粘結(jié)相為復(fù)合鐵酸鈣相。當Al2O3/SiO2質(zhì)量比值較低時，鋁元素過少，而鋁元素是形成復(fù)合多元鐵酸鈣的必須元素，這導(dǎo)致多元復(fù)合鐵酸鈣的形成受阻，燒結(jié)礦液相減少，因而強度下降;當 Al2O3/SiO2比為 0.3 ～0.35 時，燒結(jié)礦的冷強度較好，可達84%;而當Al2O3/SiO2比大于0.35后(此時氧化鋁含量大于2.0%)，多元復(fù)合鐵酸鈣中的鋁元素過多，會使它的流動性變差，粘結(jié)效果變差，強度明顯下降。另外，由于此時鐵酸鈣中固熔的鋁已經(jīng)飽和，鋁元素開始向玻璃相中富集并促進玻璃相的生成，而玻璃相是燒結(jié)礦中強度最差的相，它的增加勢必會導(dǎo)致燒結(jié)礦的強度下降［7－9］。

圖1 Al2O3/SiO2質(zhì)量比值與燒結(jié)礦冷態(tài)強度的關(guān)系

2.2 Al2O3/SiO2質(zhì)量比值對燒結(jié)礦還原性能和低溫還原粉化性能的影響

堿度為2.0，燃料配比為6.5%，Al2O3/SiO2質(zhì)量比值在0.25～0.4間變化時，燒結(jié)礦還原指數(shù)結(jié)果如表3所示。Al2O3/SiO2質(zhì)量比值與燒結(jié)礦還原性能的關(guān)系如圖2所示。

表3 還原指數(shù)結(jié)果

圖2 Al2O3/SiO2與燒結(jié)礦還原性能的關(guān)系

從圖2中可以看出:Al2O3/SiO2質(zhì)量比值對燒結(jié)礦還原性能有較大影響。當Al2O3/SiO2質(zhì)量比值小于0.35時，隨著Al2O3/SiO2質(zhì)量比值的提高燒結(jié)礦的還原性能也在提高。其原因是Al2O3/SiO2質(zhì)量比值的提高有利于多元復(fù)合鐵酸鈣的形成，而鐵酸鈣特別是多元復(fù)合鐵酸鈣還原性強于磁鐵礦，當Al2O3/SiO2質(zhì)量比值高于0.40后，隨著Al2O3/SiO2比值的提高，燒結(jié)礦的還原性能出現(xiàn)了較快的下降。由此表明:在本實驗條件下，當燒結(jié)礦原料組成中Al2O3/SiO2質(zhì)量比值為0.35～0.40時，燒結(jié)礦具有較高的還原指數(shù)。還原指數(shù)達到92%時，還原性能最好。

表4 低溫還原粉化結(jié)果

圖3 Al2O3/SiO2質(zhì)量比值與燒結(jié)礦低溫還原粉化性能的關(guān)系

從圖 3中可以看出:燒結(jié)礦的 RDI+3.15隨Al2O3/SiO2質(zhì)量比值的增加而增加。當 Al2O3/SiO2質(zhì)量比值為 0.35 時，還原粉化 RDI+3.15為67%;在Al2O3/SiO2質(zhì)量比值大于0.35后，燒結(jié)礦的RDI+3.15的增加速度減緩。鋁元素在燒結(jié)礦中并不是均勻分布的，而是富集在鐵酸鈣相和玻璃相中。當鋁硅值比較低時(小于0.2)，鋁元素的增加主要促進了復(fù)合多元鐵酸鈣的形成，而對玻璃相的影響較小。由于鐵酸鈣相強度和冶金性能優(yōu)良，而玻璃相強度最差，因此有利于提高燒結(jié)礦的低溫還原指數(shù) RDI+3.15。而隨著Al2O3/SiO2質(zhì)量比值的提高，鐵酸鈣中可以固熔的鋁元素達到極限，鋁元素開始大量存在于玻璃相中促進玻璃相的形成，并使得玻璃相的斷裂韌性降低，而玻璃相是燒結(jié)礦中強度最差的相，這個變化伴隨著燒結(jié)礦綜合斷裂韌性的降低，勢必導(dǎo)致燒結(jié)礦的還原粉化性能變差［10－12］。

2.3 Al2O3/SiO2質(zhì)量比值與燒結(jié)礦FeO含量的關(guān)系

固定堿度為 2.0，燃料配比為 6.5%，Al2O3/SiO2質(zhì)量比值在0.25～0.45間變化時與燒結(jié)礦FeO含量關(guān)系如圖4所示。

圖4 Al2O3/SiO2與燒結(jié)礦中FeO含量的關(guān)系

從圖4可以看出:就水鋼燒結(jié)目前的工藝和原料條件而言，Al2O3/SiO2和FeO含量之間并不存在明顯的相關(guān)性。當Al2O3/SiO2質(zhì)量比值在0.25～0.45間變化時，燒結(jié)礦中FeO的含量并沒有出現(xiàn)有規(guī)律的變化，只是在8% ～10%間波動。但是為了保持合理的燒結(jié)礦還原性和強度的關(guān)系，F(xiàn)eO的含量控制仍十分關(guān)鍵。在保證燒結(jié)礦合理的強度和低溫還原粉化性能的前提下，最經(jīng)濟的控制FeO含量的方法就是減少燃料的配比，用盡量少的燃料消耗達到產(chǎn)生滿足燒結(jié)礦強度所需的FeO量［13］。通過對燒結(jié)礦冷強度、還原性和還原粉化等性能的研究分析，在水鋼目前的原料條件下，Al2O3/SiO2質(zhì)量比值在0.35左右時，燒結(jié)礦具有較好的強度和冶金性能。因此，在目前的原料條件下，應(yīng)保持燒結(jié)礦Al2O3/SiO2在0.35左右時，通過控制配碳量保證燒結(jié)礦中FeO的含量為8%左右。

3 結(jié)論

1)當Al2O3/SiO2質(zhì)量比值為0.3～0.35時，燒結(jié)礦的冷強度較好，可達84%;當Al2O3/SiO2大于0.35后，落下強度隨Al2O3/SiO2的升高而顯著下降。

2)Al2O3/SiO2質(zhì)量比值對燒結(jié)礦的還原性和低溫還原粉化的影響十分明顯，當燒結(jié)礦原料組成中 Al2O3/SiO2質(zhì)量比值為0.35～0.40，燒結(jié)礦具有較高的還原指數(shù)，還原性能好;燒結(jié)礦堿度為2.0，燃料配為6.5%，Al2O3/SiO2質(zhì)量比值為0.35左右時，還原指數(shù)達到92%，還原粉化 RDI+3.15為67%。

3)Al2O3/SiO2質(zhì)量比值和燒結(jié)礦中FeO的含量之間并不存在明顯的相關(guān)性。當Al2O3/SiO2質(zhì)量比值在0.25～0.45間變化時，燒結(jié)礦中FeO的含量并沒有出現(xiàn)有規(guī)律的變化，只是在8% ～10%間波動。

［1］李光森，金明芳，姜鑫，等.燒結(jié)礦粘結(jié)相流動的研究［J］.中國冶金，2008(5):20 －23.

［2］Kasai E，Sakano Y，Kawaguchi T，et al.Influence of properties of fluxing materials on the flow of melt formed in the sintering process［J］.ISIJ International，2000，40(9):857－862.

［3］Patrick T R C，Pownceby M I.Stability of silico-ferrite of calcium and aluminum(SFCA)in air-solid solution limits between 1240 degrees C and 1390 degrees C and phase relationships within the Fe2O3-CaO-Al2O2-SiO2(FCAS)system［J］.Metallurgical and Materials Transactions B-Process Metallurgy and Materials Processing Science，2002，33(1):79 －89.

［4］Pownceby M I，Clout J M F.Phase relations in the Ferich part of the system Fe2O3(-Fe3O4)-CaO-SiO2at 1240～1300 degrees C and oxygen partial pressure of 5×10－3atm:implications for iron ore sinter［J］.Transactions of the Institution of Mining and Metallurgy Section C-Mineral Processing and Extractive Metallurgy，2000，109:C36 －C48.

［5］李光森.粘結(jié)相對燒結(jié)礦強度的影響機理及其合理組分的探討［D］.沈陽:東北大學，2008.

［6］劉旭望，郭興敏.添加劑對燒結(jié)過程中鐵酸鈣形成的影響［C］//第八屆中國鋼鐵年會.中國:［出版者不詳］，2011:41 －42.

［7］習乃文.三氧化二鋁對澳礦燒結(jié)性能的影響［J］.武鋼技術(shù)，1995(12):8－13.

［8］劉繼彬，李遼沙.Al2O3含量對燒結(jié)礦平衡相組成及特性的影響［J］.安徽工業(yè)大學學報:自然科學版，2009(4):333－337.

［9］武軼.高鋁燒結(jié)礦性能的研究［C］//2005中國鋼鐵年會.中國:［出版者不詳］，2005:214－217.

［10］Sugiyama K，Monkawa A，Sugiyama T.Crystal structure of the SFCAM phase Ca2(Ca，F(xiàn)e，Mg，Al)6(Fe，Al，Si)6O20［J］.ISIJ International，2005，45(4):560 －568.

［11］楊華明，邱冠周，唐愛東.CaCl2對燒結(jié)礦 RDI的影響［J］.中南工業(yè)大學學報，1998(3):28 －31.

［12］Scarlett N V Y，Pownceby M I，Madsen I C，et al.Reaction sequences in the formation of silico-ferrites of calcium and aluminum in iron ore sinter［J］.Metallurgical and Materials Transactions B-Process Metallurgy and Materials Processing Science，2004，35(5):929 －936.

［13］WU Sheng-li，WANG Qing-feng，BIAN Miao-lian，et al.Influence of Iron Ore Characteristics on FeO Formation During Sintering［J］.Journal of Iron and Steel Research International，2011，18(5):5 －10.