劉小杰 田 野 李建鵬 呂 慶 馬榮雪

(1.華北理工大學(xué) 冶金與能源學(xué)院教育部現(xiàn)代冶金技術(shù)重點實驗室，河北唐山 063009；2.包鋼稀土鋼煉鐵廠，內(nèi)蒙古包頭 014010)

目前，中國鋼鐵行業(yè)承受著較大的環(huán)保和能源壓力，而且自2009年后，逐漸進入微利甚至局部虧損的時代，因此，節(jié)能降耗成了鋼鐵行業(yè)關(guān)注的話題[1- 5]。作為高爐原料供應(yīng)的燒結(jié)工序能耗較大，降低燒結(jié)工序能耗，能夠降低鋼鐵生產(chǎn)的綜合能耗、節(jié)約生產(chǎn)成本。目前外礦市場價格降低，使用全外礦燒結(jié)可以降低燒結(jié)能耗，同時根據(jù)國外富礦粉性質(zhì)，增大富礦粉使用量能進一步降低燒結(jié)過程成本。因此研究富礦粉配礦比例對燒結(jié)礦質(zhì)量及礦相結(jié)構(gòu)的影響，以最大限度地利用富礦粉具有重要意義。燒結(jié)礦的礦物組成及其顯微結(jié)構(gòu)對燒結(jié)礦的質(zhì)量具有重要影響，任佩珊等[6]研究指出，熔融形磁鐵礦和板狀鐵酸鈣對提高燒結(jié)礦強度有利，赤鐵礦以及針狀鐵酸鈣對燒結(jié)礦的還原有利，骸晶狀菱形赤鐵礦和致密型殘存赤鐵礦則對燒結(jié)礦的低溫還原粉化不利。本文通過改變坦巴津比、PMC尾礦、PMC0.044 mm和巴卡礦粉4種礦粉配比研究燒結(jié)礦的微觀結(jié)構(gòu)，找到使燒結(jié)礦強度達到最佳狀態(tài)的配礦比例，以達到充分利用富礦粉的目的。

1 試驗用礦粉性質(zhì)

1.1 鐵礦粉粒度組成

坦巴津比、巴卡礦粉粒度組成如表1所示。PMC尾礦和PMC0.044 mm礦粉的粒度組成見表2。

表1 坦巴津比、巴卡礦粉粒度組成(質(zhì)量分數(shù))Table 1 Particle- size compositions of Tamba iron ore and SFCJ (mass fraction) %

表2 PMC礦粉的粒度組成Table 2 Particle- size compositions of PMC

1.2 鐵礦粉成分及XRD圖譜

PMC尾礦、PMC0.044 mm、巴卡和坦巴津比的成分和XRD圖譜分別如表3和圖1所示。結(jié)合表3和圖1可知，4種礦的鐵品位均較高，且PMC尾礦和PMC0.044 mm礦粉主要為磁鐵礦，巴卡礦和坦巴津比礦主要為赤鐵礦。

表3 燒結(jié)試驗用礦粉成分(質(zhì)量分數(shù))Table 3 Compositions of iron ore for sintering (mass fraction) %

1.3 鐵礦粉基礎(chǔ)特性

在相同燒結(jié)條件下，鐵礦粉與CaO的同化性過低，燒結(jié)過程中生成的液相量減少，不利于燒結(jié)混合料的熔化粘結(jié)，從而影響燒結(jié)礦的固結(jié)強度。此外，鐵礦粉的同化性低，燒結(jié)過程中同化反應(yīng)不完全，燒結(jié)礦中易形成CaO殘余物，其遇水后形成Ca(OH)2進而體積膨脹，燒結(jié)礦的強度降低。反之，鐵礦粉的同化性過高，燒結(jié)料層中液相生成過多，燒結(jié)過程中起固結(jié)作用的核礦石減少，燒結(jié)料層透氣性惡化，影響燒結(jié)礦的質(zhì)量和產(chǎn)量。因此，燒結(jié)一般要求鐵礦粉的同化溫度在1 275～1 315 ℃比較合適。鐵礦粉的同化溫度結(jié)果如表4所示。

由表4可知，坦巴津比粉和巴卡粉的同化溫度較低，沒有達到要求的下限值，但巴卡的同化溫度與要求僅差5 ℃； PMC尾礦和PMC0.044 mm的同化溫度遠超要求的上限。4種礦粉中同化溫度相對較好的為巴卡粉。因此，配礦過程中將同化性能較好的礦粉與較差的礦種搭配使用，使燒結(jié)過程中的生成液相量適中，改善燒結(jié)過程和燒結(jié)礦的質(zhì)量。

圖1 PMC尾礦(a)、PMC0.044 mm(b)、巴卡礦(c)和坦巴津比礦(d)的XRD圖譜Fig.1 XRD patterns of PMC tailings(a), PMC0.044 mm(b),SFCJ iron ore(c) and Tamba ore iron (d)

表4 鐵礦粉基礎(chǔ)特性Table 4 Basic characteristics of iron ore

1.4 鐵礦粉礦物組成及微觀結(jié)構(gòu)

PMC尾礦、PMC0.044 mm和坦巴津比礦的礦相組成及含量見表5，其礦相結(jié)構(gòu)見圖2。

由圖2(a)～2(d)可知，PMC尾礦和PMC0.044 mm精礦以磁鐵礦為主，赤鐵礦夾雜在磁鐵礦中呈網(wǎng)格狀分布。兩種礦粉脈石礦物含量較少，主要成分為石英和角閃石。在透射單偏光下，石英呈無色粒狀，角閃石呈淡淺褐色和淡褐綠色粒柱狀分布。

表5 鐵精粉礦相組成及含量(體積分數(shù))Table 5 Content and composition of iron ore phase (volume fraction) %

由圖2(e)～2(f)可知，坦巴津比礦主要成分為赤鐵礦和磁鐵礦。赤鐵礦占85%～90%，磁鐵礦為5%～8%，磁鐵礦呈灰色帶棕色，赤鐵礦呈亮灰白色，赤鐵礦表面分布有片狀磁鐵礦。脈石含量很少，在5%～7%左右，主要為長石、石英、角閃石和碳酸鹽礦物，呈粒狀分布。

2 燒結(jié)杯試驗條件與方案

試驗采用傳統(tǒng)燒結(jié)杯試驗研究方法，燒結(jié)杯內(nèi)徑為210 mm。試驗時，按照燒結(jié)混合料配比準確地稱量配料，每次試驗的原料總量為40 kg，混合料水分控制為4.5%～5.0%， 燒結(jié)杯底層放置2.0 kg粒度大于10 mm的成品燒結(jié)礦作為鋪底料，將混好的燒結(jié)料裝入燒結(jié)杯，并壓料，采用石油液化氣進行燒結(jié)點火，點火溫度為1 150 ℃，點火時間為2.0 min，點火負壓為8 000 Pa，將燒結(jié)廢氣溫度開始下降時定為燒結(jié)終點。

圖2 PMC尾礦(a,b)、PMC 0.044 mm精粉(c,d)和坦巴津比礦(e,f)的礦相結(jié)構(gòu)Fig.2 Iron ore phase of PMC tailings (a,b), PMC 0.044 mm (c,d) and Tamba iron ore (e,f)

堿度1.9，燃料配比5.0%，混合料水分控制在6.2%左右，選擇PMC尾礦、坦巴津比和巴卡三種礦粉進行燒結(jié)配礦試驗研究。以給定的最高燒結(jié)礦堿金屬、TiO2含量為標準，計算得到5種配礦方案即3號～7號。為研究PMC精粉(經(jīng)選礦、細磨粒度為0.044 mm)對燒結(jié)的影響，設(shè)計兩組配加PMC0.044 mm的燒結(jié)試驗即1號、2號方案。燒結(jié)配礦具體方案如表6所示。燒結(jié)礦理論成分如表7所示。巴∶坦∶尾∶精為巴卡粉∶坦巴津比礦粉∶PMC尾礦粉∶PMC0.044 mm精粉。

表6 燒結(jié)配礦方案 Table 6 Scheme of ore blending for sintering %

表7 燒結(jié)礦理論成分(質(zhì)量分數(shù)) Table 7 Theoretical composition of sinter (mass fraction) %

3 結(jié)果與分析

3.1 礦物組成及含量

燒結(jié)礦礦物組成及含量如表8所示。

表8 燒結(jié)礦礦物組成及含量(體積分數(shù))Table 8 Mineral compositions and their contents for sinter (volume fraction) %

磁鐵礦燒結(jié)相對于赤鐵礦燒結(jié)而言，具有氧化亞鐵含量較高、透氣性差、強度低、利用系數(shù)和生產(chǎn)率低等缺點，且其主要粘結(jié)相為硅酸鹽，赤鐵礦在燒結(jié)過程中可形成大量有利于提高燒結(jié)礦強度與還原性的針狀鐵酸鈣，但其燒結(jié)能耗較磁鐵礦高。由表8可知，將PMC0.044 mm礦粉代替PMC尾礦的試驗中發(fā)現(xiàn)，隨著PMC0.044 mm礦粉的增加，燒結(jié)礦的粘結(jié)相中鐵酸鈣體積分數(shù)增加了5%；降低巴卡、提高坦巴津比礦配比(4號、5號)，鐵酸鈣體積分數(shù)降低5%，赤鐵礦含量增加；隨著PMC尾礦配比降低，巴卡礦配比的升高，鐵酸鈣含量呈升高趨勢，當(dāng)配礦方案PMC尾礦配比最低為9.71%時，鐵酸鈣體積分數(shù)達到最高40%～45%。7號PMC尾礦配比最高為16.33%，鐵酸鈣體積分數(shù)為30%～35%。5號、7號玻璃質(zhì)含量較高。硅酸二鈣的變化規(guī)律基本相同。

3.2 燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓強度

燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓指數(shù)與配礦方案的關(guān)系如圖3所示。燒結(jié)礦的轉(zhuǎn)鼓指數(shù)是衡量燒結(jié)礦質(zhì)量的重要指標之一。一般大型高爐要求轉(zhuǎn)鼓指數(shù)80%以上，中小型高爐轉(zhuǎn)鼓指數(shù)75%以上。由圖3可知：1～7號燒結(jié)礦的轉(zhuǎn)鼓指數(shù)相差較小，基本在62%左右。5號最高為62.50%，2號最低為61.91%，相差0.76%。

圖3 燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓指數(shù)與配礦方案的關(guān)系Fig.3 Relationship between drum index and program of iron blending

3.3 燒結(jié)礦顯微結(jié)構(gòu)

燒結(jié)礦的礦物組成復(fù)雜時，在冷卻過程中會產(chǎn)生各種應(yīng)力，從而產(chǎn)生裂紋，降低其強度，所以燒結(jié)礦與粘結(jié)相的礦物組成越簡單，顯微結(jié)構(gòu)越均勻，燒結(jié)礦的質(zhì)量越好[7- 8]。目前燒結(jié)礦的顯微結(jié)構(gòu)一般發(fā)展針狀鐵酸鈣，針狀鐵酸鈣有更好的強度和還原性能。

圖4為不同配比PMC0.044 mm精粉燒結(jié)礦的礦相結(jié)構(gòu)。由圖4可知，1～3號礦相結(jié)構(gòu)較均勻，主要為交織熔蝕結(jié)構(gòu)，氣孔大小不一，分布較均勻，形態(tài)不規(guī)則，氣孔率由25%～30%增加到30%～35%。1號礦相結(jié)構(gòu)的鐵酸鈣主要以柱狀、針狀和他形晶為主，硅酸二鈣主要呈他形粒狀，部分針狀。2號礦相結(jié)構(gòu)的鐵酸鈣主要以他形晶為主，少量呈針狀和柱狀，硅酸二鈣主要呈他形粒狀，部分呈柳葉狀。3號礦相結(jié)構(gòu)的鐵酸鈣主要呈針狀、柱狀和他形晶，針狀、柱狀多分布于玻璃質(zhì)中；他形晶粒度較粗，多集中成片，硅酸二鈣多呈他形粒狀。即隨著PMC0.044 mm精粉的減少，燒結(jié)礦中針狀鐵酸鈣有所減少，氣孔率呈增加趨勢。

結(jié)合圖3和圖4可知，隨著PMC0.044 mm精粉的增加，1～3號的轉(zhuǎn)鼓強度先減小后增大，對應(yīng)的燒結(jié)礦的礦相結(jié)構(gòu)是：1號燒結(jié)礦結(jié)構(gòu)最均勻，鐵酸鈣主要呈柱狀、針狀和他形晶，與磁鐵礦、赤鐵礦形成了均勻的交織熔蝕結(jié)構(gòu)，燒結(jié)礦的強度大幅度提高[8]；2號燒結(jié)礦的針狀鐵酸鈣分布較集中，未能與磁鐵礦、赤鐵礦均勻交織熔蝕在一起，在燒結(jié)礦冷卻過程中由于受到不同應(yīng)力而發(fā)生斷裂[7]，進而降低燒結(jié)礦強度；3號礦相結(jié)構(gòu)整體較均勻，但較1號燒結(jié)礦的針狀鐵酸鈣含量減少，故強度低于1號，且1號燒結(jié)礦中的磁鐵礦和赤鐵礦晶粒細小，還原性能較好[7]。

圖4 不同配比PMC0.044 mm精粉燒結(jié)礦的礦相結(jié)構(gòu)Fig.4 Mineral structures of sinter with different ratios of PMC0.044 mm ore

圖5為不同配比PMC尾礦燒結(jié)礦的礦相結(jié)構(gòu)。其中3號礦相結(jié)構(gòu)的鐵酸鈣主要呈針狀、柱狀和他形晶，針狀、柱狀多分布于玻璃質(zhì)中，他形晶粒度較粗，多集中成片，硅酸二鈣多呈他形粒狀。4號礦相結(jié)構(gòu)的鐵酸鈣主要呈針狀和他形晶，且針狀鐵酸鈣分布較集中，整體粘結(jié)相較少，主要為鐵酸鈣、硅酸二鈣和微量的玻璃質(zhì)，氣孔大小不一且形態(tài)不規(guī)則。5號礦相結(jié)構(gòu)較均勻，主要為交織熔蝕結(jié)構(gòu)，鐵酸鈣主要呈他形晶，硅酸二鈣多呈他形粒狀；氣孔大小不一，大氣孔較多且形態(tài)不規(guī)則，分布較均勻，氣孔率為35%～40%。隨著坦巴津比礦配比的增加，燒結(jié)礦的強度先略微減小后增加，當(dāng)坦巴津比礦配比達到最大值70%時，燒結(jié)礦的強度達到最大，礦相結(jié)構(gòu)為最均勻的鐵的氧化物與鐵酸鈣的交織熔蝕結(jié)構(gòu)。原因是，隨著坦巴津比礦配比的增加，SiO2含量增加，適量的SiO2可以保證燒結(jié)礦中有足量的液相，從而有利于提高燒結(jié)礦的強度[9]，且坦巴津比礦的連晶強度非常高，也有利于提高燒結(jié)礦的強度。

圖6為不同配比巴卡粉燒結(jié)礦的礦相結(jié)構(gòu)。5號礦相結(jié)構(gòu)較均勻，主要為交織熔蝕結(jié)構(gòu)，部分粒狀結(jié)構(gòu)；氣孔形態(tài)不規(guī)則，分布較均勻，氣孔率為35%～40%。鐵酸鈣為主要粘結(jié)相，多呈柱狀、他形晶，部分呈針狀。硅酸二鈣多呈他形粒狀，部分柳葉狀，其間膠結(jié)赤鐵礦和少量磁鐵礦形成粒狀結(jié)構(gòu)。6號礦相結(jié)構(gòu)中鐵酸鈣主要呈柱狀、他形晶，部分呈針狀與硅酸二鈣共同分布，硅酸二鈣主要呈他形粒狀、針狀；氣孔大小不一，小氣孔較多，氣孔率為30%～35%。7號礦相結(jié)構(gòu)中鐵酸鈣主要呈柱狀、他形晶，粒度較粗大，與硅酸二鈣共同膠結(jié)磁鐵礦形成交織熔蝕結(jié)構(gòu)；氣孔大小不一，形態(tài)不規(guī)則，分布不均勻，氣孔率為35%～40%。整體粘結(jié)相較多，主要為鐵酸鈣、硅酸二鈣和少量玻璃質(zhì)。硅酸二鈣主要呈他形粒狀，粒度較其他樣粗。

隨著巴卡粉配比的增加，PMC尾礦配比的減少，燒結(jié)礦的強度先增加后減小，當(dāng)巴∶坦∶尾∶精配比為10∶70∶20∶0時，燒結(jié)礦的礦相結(jié)構(gòu)最理想。

4 結(jié)論

圖5 不同配比PMC尾礦燒結(jié)礦的礦相結(jié)構(gòu)Fig.5 Mineral structures of sinter with different ratios of PMC tail iron ore

圖6 不同配比巴卡粉燒結(jié)礦的礦相結(jié)構(gòu)Fig.6 Mineral structures of sinter with different ratios of SFCJ iron ore

(1)PMC0.044 mm精粉配比對燒結(jié)礦鐵酸鈣形態(tài)及分布的影響較大。隨著PMC0.044 mm精粉配比的增加，燒結(jié)礦的轉(zhuǎn)鼓強度先減小后增大，燒結(jié)礦中鐵酸鈣的含量有所減少，其分布形態(tài)由均勻的交織熔蝕結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榧蟹植嫉尼槧铊F酸鈣，而后又轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆蚍植嫉慕豢椚畚g結(jié)構(gòu)。

(2)隨著坦巴津比礦配比的增加，燒結(jié)礦的轉(zhuǎn)鼓強度先略有減小后增大，鐵酸鈣的含量也有所減少，鐵酸鈣的分布形態(tài)由均勻的交織熔蝕結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榧蟹植嫉尼槧铊F酸鈣，而后又轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆蚍植嫉慕豢椚畚g結(jié)構(gòu)。

(3)隨著巴卡礦配比的減少，燒結(jié)礦的轉(zhuǎn)鼓強度先增大后減少，鐵酸鈣的含量先減少后增加，鐵酸鈣的形態(tài)先由集中分布的柱狀轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆虻慕豢椚畚g結(jié)構(gòu)，而后又轉(zhuǎn)變?yōu)榉植驾^為集中的柱狀。

(4)當(dāng)巴卡∶坦巴津比∶PMC尾礦∶PMC0.044 mm配比為10∶70∶20∶0時，燒結(jié)礦的冷強度及礦相結(jié)構(gòu)最理想。

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