不同溫度下鋁硅含量對南非礦燒結(jié)性能影響的研究

黃軍　崔廣信　竇勝濤　尹青　孫中偉

(江陰興澄特種鋼鐵有限公司)

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不同溫度下鋁硅含量對南非礦燒結(jié)性能影響的研究

黃軍崔廣信竇勝濤尹青孫中偉

(江陰興澄特種鋼鐵有限公司)

采用微型燒結(jié)試驗，在兩種溫度下，研究了SiO2，Al2O3含量對南非礦燒結(jié)性能影響。分析結(jié)果表明：當(dāng)溫度控制在1325 ℃時，燒結(jié)試樣體積收縮率和抗壓強度較好。隨SiO2和Al2O3含量的增加，燒結(jié)礦抗壓強度呈先升高后降低趨勢，當(dāng)SiO2含量為5.6%時抗壓強度最大，當(dāng)Al2O3含量為2.5%時抗壓強度最大。

燒結(jié)南非礦收縮率抗壓強度

0　前言

燒結(jié)礦是我國高爐冶煉的主要入爐原料，其質(zhì)量的好壞直接影響高爐冶煉的效果，企業(yè)的效益。燒結(jié)是一個將礦粉轉(zhuǎn)化為適當(dāng)顆粒的產(chǎn)品以滿足高爐生產(chǎn)的過程，燒結(jié)過程中液相的形成是燒結(jié)礦固結(jié)的基礎(chǔ)，而液相的形成又主要取決于鐵礦粉中的化學(xué)成分[1-3]。

迄今為止，有關(guān)不同溫度下鐵礦石成分對燒結(jié)礦性能影響的研究有很多報道[4-6]，研究表明：適宜的溫度是燒結(jié)礦液相形成的基本條件，適量的SiO2、Al2O3含量有利于復(fù)合鐵酸鈣的形成，有助于燒結(jié)礦各項性能指標(biāo)的提高。當(dāng)SiO2含量過高時會引起燒結(jié)礦體積膨脹導(dǎo)致抗壓強度降低，當(dāng)Al2O3含量大于2.5%時，會導(dǎo)致燒結(jié)礦抗壓強度降低。筆者在前人的研究基礎(chǔ)上采用微型燒結(jié)法，在兩種溫度下，考察了Al2O3，SiO2對南非礦燒結(jié)試樣顯微組織結(jié)構(gòu)和抗壓強度的影響，為優(yōu)化原料結(jié)構(gòu)和燒結(jié)工藝參數(shù)提供理論和實驗基礎(chǔ)，對充分利用鐵礦資源、減少能耗具有理論指導(dǎo)意義。

1　試驗材料與研究方法

南非礦以赤鐵礦為主，其赤鐵礦約占90%～91%，磁鐵礦約占4%～5%，存在少量的褐鐵礦小于2%，其鐵含量在65%以上，SiO2含量約占4.58%，其他有害元素都較低。堿度固定為2.0，在南非礦中添加化學(xué)純SiO2、Al2O3，調(diào)整SiO2含量分別為5.3%，5.6%，5.9%；Al2O3含量分別為2.2%，2.5%，2.8%，堿度通過添加Ca(OH)2調(diào)整。分別在1300 ℃和1325 ℃條件下進行微型燒結(jié)。

對南非礦粉進行研磨，取200目以上礦粉按實驗方案配加Ca(OH)2，Al2O3，SiO2后取粒度小于1.0 mm的混勻原料50 g左右，在鋼模具內(nèi)壓制成Φ10 mm×10±0.5 mm的試樣。自然干燥一天，在干燥箱中50 ℃下干燥1 h，100 ℃下再干燥1 h。用管式爐在空氣(氧化)氣氛下進行單礦燒結(jié)，將試樣在兩種溫度條將下放置在爐內(nèi)嚴(yán)格按照燒結(jié)溫度制度升溫和冷卻(見表1)，記錄試樣燒結(jié)前后的體積，計算出體積收縮率(或膨脹率)；試樣采用電子拉伸試驗機(壓速5 mm/min)，由試樣正中壓下測定試樣抗壓強度。將成品試樣從上端磨去3 mm～4 mm，進行礦相處理，在顯微鏡下觀察其顯微組織結(jié)構(gòu)。

2　結(jié)果與討論

2.11300 ℃下燒結(jié)試樣的體積膨脹率和抗壓強度

1300 ℃試樣在管式電阻爐中的加熱溫度和加熱時間見表1。

表1　1300 ℃試樣在管式電阻爐中的加熱溫度和加熱時間

注：1.以送樣一端爐體加熱區(qū)的管口位置為0 mm處。

根據(jù)游標(biāo)卡尺測定同組分試樣的三組平行數(shù)據(jù)計算燒結(jié)試樣的體積變化，應(yīng)用WDW3100電子萬能拉伸試驗機對同組分燒結(jié)試樣測定的三組抗壓強度平行數(shù)據(jù)計算平均值得到燒結(jié)試樣抗壓強度。1300 ℃時隨著SiO2、Al2O3含量增加試樣體積和強度的變化關(guān)系曲線如圖1所示。

(a) SiO2含量對試樣體積和強度的影響

(b) Al2O3含量對試樣體積和強度的影響

圖11300 ℃時隨著SiO2、Al2O3含量增加試樣體積和強度的變化

從圖1可以看出，隨著SiO2含量的增加，燒結(jié)試樣體積膨脹率逐漸減小，試樣的抗壓強度逐漸升高；隨著Al2O3含量的升高，燒結(jié)試樣體積膨脹率逐漸降低，抗壓強度逐漸升高。在1300 ℃下，隨著SiO2和Al2O3含量的增加，燒結(jié)試樣的體積都呈膨脹趨勢，且燒結(jié)試樣的抗壓強度都較低，最大強度僅為7.2 MPa。

2.21325 ℃下燒結(jié)試樣的體積收縮率和抗壓強度

應(yīng)用同樣的方法測定1325 ℃下燒結(jié)試樣的體積收縮率和抗壓強度，曲線如圖2所示。

(a) SiO2含量對試樣體積和強度的影響

(b) Al2O3含量對試樣體積和強度的影響

從圖2可以看出，隨著SiO2含量的增加，燒結(jié)試樣體積收縮率呈先增大后減小趨勢，試樣的抗壓強度也呈先升高后降低趨勢，燒結(jié)試樣的最大收縮率為6.32%，最大抗壓強度為32.99 MPa；隨著Al2O3含量的升高，燒結(jié)試樣體積呈先升高后降低趨勢，抗壓強度也呈先升高后降低趨勢，燒結(jié)試樣的最大收縮率為6.52%，最大抗壓強度為31.67 MPa。在1325 ℃下，燒結(jié)試樣體積都呈收縮趨勢，且強度都較高。

2.31300 ℃和1325 ℃下燒結(jié)試樣的組織結(jié)構(gòu)

通過光學(xué)顯微鏡對燒結(jié)試樣的礦物結(jié)構(gòu)進行觀察，發(fā)現(xiàn)其顯微組織主要由磁鐵礦、赤鐵礦、鐵酸鈣和復(fù)合鐵酸鈣組成，部分燒結(jié)試樣的顯微組織如圖1所示。圖中淺灰色組織為磁鐵礦或赤鐵礦，灰色組織為鐵酸鈣或復(fù)合鐵酸鈣，深灰色組織為硅酸鹽，黑色組織為孔洞。

SiO2含量為5.6%時兩種溫度下燒結(jié)試樣的顯微組織如圖3所示(圖中，淺灰色—磁鐵礦或赤鐵礦，灰色—鐵酸鈣或復(fù)合鐵酸鈣，深灰色—硅酸鹽，黑色—孔洞)。

(a) 1300 ℃，堿度2.0

(b) 1325 ℃，堿度2.0

從如圖3(a)可以看出，1300 ℃燒結(jié)試樣結(jié)構(gòu)比較疏松，在制樣過程中剝落的粉末量相對較多，與試樣中有較多的孔洞相關(guān)；磁鐵礦和赤鐵礦較少。從如圖3(b)可以看出，1325 ℃燒結(jié)試樣因礦粉剝落而形成的空洞顯著減少，呈淺灰色組織的磁鐵礦或赤鐵礦明顯增多，表明鐵酸鈣與磁鐵礦或赤鐵礦之間有較好的熔蝕作用，組織結(jié)構(gòu)比較致密。

Al2O3含量為2.5%時兩種溫度下燒結(jié)試樣的顯微組織如圖4所示(圖中，淺灰色—磁鐵礦或赤鐵礦，灰色—鐵酸鈣或復(fù)合鐵酸鈣，深灰色—硅酸鹽，黑色—孔洞)。

(a) 1300 ℃，堿度2.0

(b) 1325 ℃，堿度2.0

從圖4(a)可以看出，1300 ℃燒結(jié)試樣中磁鐵礦和赤鐵礦較少，試樣結(jié)構(gòu)比較疏松，黑色孔洞較多，組織結(jié)構(gòu)不致密。從圖4(b)可以看出，1325 ℃燒結(jié)試樣中呈淺灰色組織的磁鐵礦或赤鐵礦明顯增多，因礦粉剝落而形成的空洞顯著減少，鐵酸鈣與磁鐵礦或赤鐵礦之間有較好的熔蝕作用，組織結(jié)構(gòu)比較致密。

2.4溫度對燒結(jié)性能的影響

燒結(jié)過程中產(chǎn)生的液相是燒結(jié)礦固結(jié)成型的基礎(chǔ)，液相的數(shù)量、質(zhì)量和性質(zhì)在很大程度了決定了燒結(jié)礦的還原性和強度。而液相的形成與燒結(jié)溫度有著很大的關(guān)系，燒結(jié)過程開始時，試樣的體積開始劇烈收縮，氣孔率會明顯減少，隨著溫度的繼續(xù)升高，液相量增加，氣孔率降至最低。通過試樣微觀組織結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，南非礦粉在1300 ℃的燒結(jié)試樣組織結(jié)構(gòu)比較疏松，孔洞普遍較多，液相生成量比較少，抗壓強度普遍較低，且體積都成膨脹趨勢。溫度是鐵酸鈣生產(chǎn)的重要因素，1325 ℃的燒結(jié)試樣組織結(jié)構(gòu)嚴(yán)密，復(fù)合鐵酸鈣量較多且與赤鐵礦交織在一起，抗壓強度普遍較高，且體積收縮明顯。試驗表明：1325 ℃適合南非礦燒結(jié)，而1300 ℃下的燒結(jié)產(chǎn)物不具有生產(chǎn)價值。

2.5鋁硅含量對燒結(jié)性能的影響

SiO2含量從5.3%增加到5.6%，燒結(jié)試樣抗壓強度呈上升趨勢，燒結(jié)試樣體積收縮率也減小，這是因為在堿度一定時，增加SiO2含量會使得CaO的配入量相應(yīng)增加，燒結(jié)過程中形成的硅酸鹽的量也會隨之增加，而硅酸鹽易與鐵酸鈣的形成共熔混合物或復(fù)合鐵酸鈣，并且能與固相顆粒形成熔蝕結(jié)構(gòu)，進而提高燒結(jié)試驗的抗壓強度。當(dāng)SiO2含量從5.6%增加到5.9%時，燒結(jié)試樣的抗壓強度又呈下降趨勢，這是因為SiO2含量偏高時，2CaO·SiO2易于形成，冷卻時可發(fā)生α′→γ型和β→γ型的晶型轉(zhuǎn)變，燒結(jié)試樣體積增大，晶型轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力使得燒結(jié)試樣形成微裂紋，導(dǎo)致燒結(jié)試樣的抗壓強度有所降低[7]。

Al2O3含量從2.2%增加到2.5%，燒結(jié)試樣的抗壓強度呈上升趨勢，Al2O3是生成SFCA的基本條件，適宜的Al2O3含量有利于針狀鐵酸鈣的形成，進而提高燒結(jié)礦的強度。當(dāng)Al2O3含量從2.5%增加到2.8%，燒結(jié)試樣的抗壓強度又呈下降趨勢，這是因為由于較高的Al2O3可與CaO生成高熔點化合物，不僅提高熔體的熔化溫度，還將導(dǎo)致液相的黏度增大，液相流動性降低[4,8]。

3　結(jié)論

1)當(dāng)南非礦燒結(jié)溫度為1300 ℃時，燒結(jié)試樣的體積發(fā)生膨脹，不具有實際生產(chǎn)意義，燒結(jié)溫度控制在1325 ℃，燒結(jié)試樣具有較好的體積收縮率和抗壓強度。

2)合適的SiO2含量有利于提高燒結(jié)礦的抗壓強度，SiO2含量過高導(dǎo)致燒結(jié)試樣冷卻過程中體積增大，抗壓強度降低。

3)適量的Al2O3含量有利于提高燒結(jié)礦抗壓強度，Al2O3含量控制在2.5%時，燒結(jié)試樣的抗壓強度最高。

[1]嚴(yán)幸,胡敏,馬西武.高TFe低SiO2燒結(jié)試驗研究及生產(chǎn)應(yīng)用[J].鋼鐵,2005, 40(4): 8.

[2]吳勝利,劉宇，杜建新，等.鐵礦粉與CaO同化能力的試驗研究[J].北京科技大學(xué)學(xué)報,2002, 24(3): 258-261.

[3]Takaho OTOMO, Yasushi TAKASAKI,Hideaki SATO. Granule Design for the Sintering with Less AmountofLiquidPhaseFormation[J].ISIJInternational,2009,49(5):659-666.

[4]金明芳,朱道飛,鄭忠,等.鐵礦石粉礦成分對燒結(jié)強度的影響[J].東北大學(xué)學(xué)報，2009. 30(1): 86-89.

[5]王文山,呂慶,李福民，等.堿度對釩鈦燒結(jié)礦強度和燒結(jié)過程的影響[J].燒結(jié)球團, 2006, 31(5) : 11-14.

[6]武軼.Al2O3含量對燒結(jié)礦性能的影響[J].鋼鐵研究,2005,147(6):5-8.

[7]趙文廣,董方,那樹人,等.高硅礦高堿度燒結(jié)特性的研究[J].包頭鋼鐵學(xué)院學(xué)報, 1999, 18(2): 147-150.

[8]甘勤,何群,黎建明，等. Al2O3在釩鈦燒結(jié)礦中的行為研究[J].鋼鐵,2003,38(1):1-4.

EXPERIMENTAL STUDY ON SINTERING PERFORMANCE OF SOUTH AFRICA IRON ORE WITH DIFFERENT PROPORTION OF ALUMINUM AND SILICON AT DIFFERENT TEMPERATURES

Huang JunCui GuangxinDou ShengtaoYin QingSun Zhongwei

(Jiangyin Xingcheng Special Steel Works Co., Ltd)

This study investigated the microstructure and compressive strength by method of Mini-sinterin under different aluminum and silicon content of South Africa iron ore. The results showed that there was a good result of the shrinkage and compressive strength at 1325 ℃.The compressive strength increased at first, then decreased with SiO2and Al2O3content increasing, the compressive strength has a maximum value when SiO2content is 5.6%, Al2O3content is 2.5%.

sinteringsouth africa iron oreshrinkagecompressive strength

聯(lián)系人：黃軍，工程師，江蘇.江陰(214400)，江陰興澄特種鋼鐵有限公司研究院；2016—4—20