支建明，馬朋飛，張治杰，韓陽,3

(1.華北理工大學 冶金與能源學院，河北 唐山 063210；2.唐山市工程計算重點實驗室，華北理工大學理學院，河北 唐山 063210；3.華北理工大學 學科建設處，河北 唐山 063210)

燒結礦的轉鼓強度是燒結礦質量評價指標中最重要的因素之一，直接影響燒結礦成品率的高低，高強度的燒結礦對煉鐵過程高爐的布料結構以及料層上部透氣性等各項經濟指標都有著重要影響[1,2]。對于生產高強度燒結礦，國內外進行了大量實踐，研究不同實驗條件下的改善燒結礦轉鼓強度的方法[3-14]。M.I.Pownceby[15]在提高燒結礦強度的研究上采用控制粘結相化學性質的關鍵成分以及熱力學參數等方式去改善燒結礦的強度指標。韓闖闖等人[16]則通過研究堿度對轉鼓強度的影響得出堿度在1.6左右出現強度急劇下降的結果，主要原因在于此堿度下的礦相結構不均勻，礦物組成多且復雜，同時燒結礦在冷卻過程中出現的內應力使其出現大量裂紋，最終導致強度的降低。T.Umadevi[17]更是在影響燒結礦強度的眾多參數中采用人工神經網絡模擬燒結廠的過程機制進行強度參數預測和改進，最終預測結果與燒結廠實際數據相比誤差<3.5%。綜上所述，發(fā)現前人在研究燒結礦強度問題方面方法新穎但是可控參數不全面，不能更好地改善其強度指標，該研究依托國內某鋼廠的基本原料進行燒結杯實驗，研究不同配碳水平下，出現燒結礦轉鼓強度急劇下降的區(qū)域以及原因，根據礦相分析得出結果并最終提出優(yōu)化方案，達到企業(yè)生產要求，進而提高經濟效益。

1 原料性能及實驗方法

1.1 原料化學成分

本次實驗原料由國內某鋼鐵廠提供，其成分詳見表1、表2。

表1 燒結用原燃料化學成分/%

表2 燒結用燃料工業(yè)分析/%

由表1可知，作為主要原料的B粉和本地精粉中TFe品位均較高分別為62.92%、63.68%，熔劑中生石灰的堿度最高為17.37，其次是白云石14.34，熔劑堿度整體較高，可以在配料過程中適當調節(jié)熔劑的量來改變燒結堿度。

由表2可知，對燃料(焦炭)進行固定碳含量工業(yè)分析，在焦炭中固定碳含量為82.16%，揮發(fā)分為1.67%，灰分14.17%，燃料熱值29.52 MJ/kg，發(fā)現焦炭中固定碳含量較高，熱值較好，揮發(fā)分含量也較低，易于燃燒。

1.2 實驗方法

以某燒結廠燒結用原燃料條件與配比為基礎，通過改變配碳量來測定燒結礦轉鼓強度的燒結杯實驗。實驗用MgO含量固定為2.3%；以生石灰來調整堿度(1.3～2.4)；配碳量則用焦炭加以調整，共設3.25%、3.50%、3.75% 3個梯度水平。圖1所示為燒結生產實驗流程。

圖1 燒結生產實驗流程

經圖1燒結生產流程將完成落下強度測試的燒結礦進行篩分，把10～40 mm的燒結礦按其粒度組成的比例取樣，采用1/5ISO標準轉鼓，按國標GB8209-87進行冷態(tài)強度指標測定。隨后將燒結礦樣品分別制成光薄片，在德國蔡司Axioskop40偏/反兩用研究型顯微鏡下進行微觀結構分析。

2結果與分析

2.1 轉鼓強度降低范圍分析

(1)根據燒結廠燒結杯實驗實際所得數據，得出如圖2所示堿度為1.3～2.4 時3個配碳水平的轉鼓指數變化的趨勢。

圖2 燒結礦轉鼓指數變化趨勢圖

由圖2可知，當配碳量為3.25%時，隨著堿度的升高，轉鼓指數以1.3～1.8為第一階段上升大約3%，第二階段在1.9之后大幅提高到2.0達到64%，繼續(xù)提高堿度2.0～2.4之間呈現緩慢增加的趨勢，這是因為鐵酸鈣形成速度快，熔體一旦形成，熔體中CaO與SiO2互熔性和SiO2與FeO的互熔性都比CaO與FeO的互熔性程度高的多，而最早形成的鐵酸鈣也容易分解成鈣鐵橄欖石，進而影響燒結礦強度[18]，因此堿度小于2.4時，燒結礦強度隨堿度升高緩慢增加。對于配碳量分別為3.50%、3.75%時，在堿度逐漸提高的過程中，燒結礦轉鼓強度在1.5～1.7范圍出現全部堿度范圍的強度下降區(qū)。

綜上整體分析，3個配碳水平下堿度在2.0～2.4的轉鼓指數呈現升高趨勢，這一結論與M.I.Pownceby[15]的研究中燒結礦的強度在高配碳-高堿度影響的機制中高于2.0時燒結礦的強度是逐漸提高的實驗結果基本相同。

(2)通過對轉鼓指數趨勢圖的分析，可以得到強度下降區(qū)域即堿度1.5～1.7范圍，根據圖3配碳量與轉鼓指數的關系圖可知，隨著配碳量的增加，堿度1.5、1.6和1.7的轉鼓指數均是在降低，而3.25%的配碳量是3個堿度轉鼓指數的最高值，說明此堿度條件下，配碳3.25%是達到強度要求的最優(yōu)值。堿度1.7在配碳量大于3.75之后轉鼓指數有所上升，說明以1.7為起點，隨著配碳量和堿度的同時升高，燒結礦的轉鼓強度是提高的[19]。

圖3 配碳量與轉鼓指數的關系

2.2 轉鼓強度下降原因分析

燒結礦在形成過程中強度較高的是鐵酸鈣、磁鐵礦、赤鐵礦和鐵橄欖石，其次是鈣鐵橄欖石和鐵酸二鈣，玻璃質強度最差[20]。因此在燒結礦形成過程中鐵酸鈣和赤鐵礦生成越多，燒結礦強度越好。相反礦物組成中鐵酸鈣生成越少，玻璃質和鐵酸二鈣等生成越多就會影響燒結礦強度和成品率。

將配碳水平為3.50%和3.75%的燒結礦在堿度1.5和1.6時的樣品分別制成光薄片，采用德國蔡司Axioskop 40偏/反兩用研究型顯微鏡觀察其礦相結構如圖4～圖11所示。

圖4 交織熔蝕結構(R=1.5) 圖5 熔蝕結構(R=1.5)

(1)配碳量為3.50%的礦相結構圖

由圖4和圖5可知，當配碳量為3.50%，堿度在1.5時，此時為自熔性燒結礦，礦物組成多，并且復雜，礦相結構表現得很不均勻，主要為交織熔蝕結構，部分為熔蝕結構。此時燒結礦以鐵酸鈣為主要粘結相，柱狀與他形晶相互固結，并且還可以清晰地觀察到分布較多、大小不一的氣孔，有趨勢形成疏松多孔的薄壁結構，還伴有少量裂隙裂紋，故而轉鼓強度降低。

由圖6和圖7可知，當堿度提高到1.6時，此時礦相結構極不均勻，主要以交織熔蝕結構、局部粒狀結構為主，主要粘結相為鐵酸鈣、硅酸二鈣和玻璃質相。較堿度1.5時的氣孔率低，多呈形狀不規(guī)則大氣孔分布，同時燒結礦中伴有明顯的裂隙裂紋存在，但因堿度的提高，鐵酸鈣相增多，玻璃質相減少，故而轉鼓強度較1.5有所提高，但仍降低明顯。

圖6 交織熔蝕結構(R=1.6) 圖7 局部粒狀結構(R=1.6)

(2)配碳量為3.75%的礦相結構圖

由圖8和圖9可知，當配碳量升高至3.75%，堿度為1.5時，此時礦相結構主要是熔蝕結構，部分為交織熔蝕和斑狀結構，其粘結相主要為鐵酸鈣、硅酸二鈣和玻璃質，其中鐵酸鈣主要以他形晶、柱狀與硅酸二鈣集中分布在玻璃質相中。由于配碳量的提高，燃料用量高，液相量明顯增多，因此導致燒結礦大小氣孔交叉分布，并出現裂紋，由此燒結礦強度急劇下降。

圖8 熔蝕結構(R=1.5) 圖9 交織熔蝕結構(R=1.5)

由圖10和圖11可知，當堿度提高到1.6時，此時礦相結構呈現以熔蝕結構為主，局部斑狀結構的極不均勻現象，且鐵酸鈣為主要粘結相，多以他形晶和柱狀呈現，與1.5相比較可以發(fā)現，此時燒結礦的氣孔率明顯降低，大氣孔較多且形態(tài)不規(guī)則，同時斑狀結構使得燒結礦脆性增加，還有大量裂紋出現，雖然堿度的提高使得玻璃質相、鈣鐵橄欖石等明顯減少，但是燒結礦轉鼓強度依舊降低明顯。

因此，在堿度為1.5～1.7區(qū)域時，配碳量3.50%～3.75%這個過渡階段，使得燒結過程所需燃料趨于飽和，此時燒結產生過量液相，形成大孔薄壁且氣孔率低的燒結礦[21]，同時冷卻時伴有內應力的作用，產生大量裂紋，使得燒結礦強度明顯下降。

3優(yōu)化方案

在實際生產過程中，燒結礦轉鼓強度在高爐煉鐵入爐要求中占有很重要的一環(huán)，針對此鋼鐵廠的原料水平，要想保持燒結礦強度穩(wěn)定在一定的范圍，就必須避免強度急劇下降的情況出現，因此，對配碳為3.25%、3.50%和3.75%在堿度1.8以后的燒結礦樣品分別做了礦相分析并提出優(yōu)化措施。

3.1 優(yōu)化堿度

針對采用配碳為3.50%和3.75%時，根據燒結實驗可以清晰地得到燒結礦轉鼓強度隨堿度的變化趨勢，即總體呈現上升趨勢[22]。在出現強度下降的堿度1.5～1.7范圍內，1.6和1.7時的轉鼓強度均比1.5時要有所提高，因此對堿度為1.8時2個配碳水平的燒結礦進行礦相分析如圖12和圖13所示，此時燒結礦中強度較好的鐵酸鈣和磁鐵礦居多，僅含有少量的硅酸二鈣，因此鐵酸鈣和磁鐵礦等主要粘結相與粘結相礦物結晶過程中相互之間彼此發(fā)展形成強度較好的交織熔蝕結構，由此可以說明提高堿度使得燒結礦中有效粘結相鐵酸鈣等增多，玻璃質等相應減少，同時強度得到提升。因此，適當提高堿度是有效避免強度急劇下降的最優(yōu)措施，具體可以適當增加生石灰和白云石的配加量來提高堿度，改善燒結礦強度指標。

圖12 R1.8C3.50交織熔蝕結構 圖13 R1.8C3.75交織熔蝕結構

3.2 優(yōu)化配碳量

本著優(yōu)化能源結構，減少資源浪費的原則，在做配加3.50%～3.75%的燃料的實驗時，出現強度下降的情況，原因均為在低堿度條件下燃料過剩，引起的燒結杯內燃燒帶溫度超標，過量液相生成，影響燒結氣氛，燒結料層透氣性變差，氣流分布不均，直接影響垂直燒結速度，出現燒不透的現象，不利于鐵酸鈣的生成，造成燒結礦強度指標未能達到生產要求，因此如圖14和圖16所示，配碳為3.25%在高堿度的情況下，燒結礦各礦相結構均主要為交織熔蝕結構，且堿度2.0～2.2時礦相組分最好，主要粘結相為鐵酸鈣和磁鐵礦，均不見氣孔和裂紋的出現，在堿度為2.4時卻出現少量大氣孔和裂紋，因此在保持配碳量在3.25%左右的水平時，堿度最高可配至2.4(≤2.4)，這樣既降低了能源成本又可使燒結礦質量達到最優(yōu)。

圖14 R2.0C3.25交織熔蝕結構 圖15 R2.2C3.25交織熔蝕結構

圖16 R2.4C3.25交織熔蝕結構

4 結論

(1)配碳3.50%和3.75%出現強度急劇下降的樣本礦相圖研究表明：堿度1.5和1.6時礦相結構的不均勻性達到峰值，且多以交織、熔蝕結構為主，部分斑狀、粒狀結構為輔。隨著配碳量的提高，燃燒帶過厚溫度高，液相流動性大而產生了大孔薄壁結構的燒結礦，因此礦物組分中鐵酸鈣含量明顯減少，玻璃質顯著增多。這也是強度急劇下降出現在此堿度范圍的主要原因。

(2)企業(yè)生產過程中，要避免此區(qū)域轉鼓強度急劇下降的現象出現，一方面采用配碳3.50%和3.75%時，應在配料過程中適量增加堿性熔劑的配比份額來達到提高堿度的目的，進而提高燒結礦轉鼓強度；另一方面在堿度≤2.4的條件下，采用3.25%的配碳，減少燃料的使用，在降低成本的同時保證燒結礦高質量生產。