河鋼燒結(jié)礦冶金性能和礦相的研究

陳 霄，馮 帥，劉小杰

(河鋼集團邯鋼公司邯寶煉鐵廠，河北 邯鄲 056000)

河北鋼鐵集團于2008年成立，子公司包括邯鋼、唐鋼、承鋼、宣鋼等。因地域差異，所用燒結(jié)原料不盡相同，冶金性能也差異明顯。承鋼釩鈦燒結(jié)礦與邯鋼燒結(jié)礦相比，除含TiO2和V2O5外，釩鈦燒結(jié)礦的化學成分具有“二低三高”的釩鈦特點，即鐵品位、SiO2含量低，TiO2、MgO、A12O3含量高。釩鈦磁鐵礦是一種重要的礦產(chǎn)資源，我國儲量達300多億噸，主要分布在攀西、承德、馬鞍山地區(qū)[1-4]。承鋼釩鈦燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓指數(shù)、低溫還原粉化率低，嚴重影響高爐料層的透氣性。TiO2對燒結(jié)礦的冶金性能、粘結(jié)相組成、礦相結(jié)構(gòu)有著密切關(guān)系，需進一步研究。

1 試驗研究

1.1 試驗原料

采用相同燒結(jié)工藝，使用邯鋼、承鋼的燒結(jié)原料進行燒結(jié)杯試驗，邯鋼燒結(jié)原料主要是邯邢精粉、司家營粉、紐曼粉、揚迪粉等；承鋼燒結(jié)原料主要是黑山釩粉、普通鐵精粉、含釩鐵精粉等。在相同堿度或含碳量的情況下，比較邯鋼燒結(jié)礦與承鋼燒結(jié)礦冶金性能差異，借助光學顯微鏡對燒結(jié)礦的礦相顯微結(jié)構(gòu)進行分析。

邯鋼、承鋼燒結(jié)原料的化學成分如表1所示。

由表1可知，燒結(jié)原料的含鐵品位相比邯鋼較高；邯鋼鐵精粉中TiO2含量較低，而SiO2含量高，而承鋼鐵精粉中SiO2含量低，屬于低硅燒結(jié)范圍；邯鋼鐵精粉中Al2O3含量較低，且不含V2O5。

表1 邯鋼和承鋼試驗原料化學成分(%)

1.2 試驗方案設(shè)計

1)固定燒結(jié)混勻料的含碳量為4.5%，堿度分別為1.8、2.0、2.2。邯鋼、承鋼燒結(jié)試驗方案如表2所示。

表2 邯鋼和承鋼燒結(jié)試驗配比(%)

含碳量固定，在不同堿度下，比較邯鋼燒結(jié)礦與承鋼釩鈦燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓指數(shù)，如圖1所示。

圖1 燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓指數(shù)對比Fig.1 Comparison of drum index of sinter

由圖1可知，含碳量固定在4.5%時，隨著燒結(jié)礦堿度的提高，邯鋼燒結(jié)礦的轉(zhuǎn)鼓指數(shù)提高，在堿度為2.2時，轉(zhuǎn)鼓指數(shù)最高，達到72.6%；承鋼釩鈦燒結(jié)礦隨著堿度的升高，轉(zhuǎn)鼓指數(shù)值有所降低，但是降低幅度不大，在堿度為1.8時，轉(zhuǎn)鼓指數(shù)最高，為56.3%。堿度1.8時，承鋼釩鈦燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓指數(shù)比邯鋼低12.4%；堿度為2.0時，低15.0%；堿度為2.2時，轉(zhuǎn)鼓指數(shù)相差18.4%，承鋼釩鈦燒結(jié)礦冷強度差。

2)固定燒結(jié)混勻料的堿度為2.0，含碳量分別為4.0，4.5，5.0時，邯鋼、承鋼燒結(jié)試驗方案如表3所示。

表3 邯鋼和承鋼燒結(jié)試驗配比(%)

堿度固定，在不同的含碳量條件下，比較邯鋼燒結(jié)礦與承鋼釩鈦燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓指數(shù)，如圖2所示。

由圖2可知，堿度固定，隨著含碳量的提高，邯鋼燒結(jié)礦和承鋼釩鈦燒結(jié)礦的轉(zhuǎn)鼓指數(shù)均先升高后降低，但是變化幅度不大。在堿度2.0時，轉(zhuǎn)鼓指數(shù)最高，分別是70.2%、55.2%。含碳量為4.0%和4.5%時，承鋼釩鈦燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓指數(shù)均比邯鋼低15%；含碳量為5.0%時，比邯鋼低16.7%，邯鋼燒結(jié)礦的冷強度更高。

圖2 燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓指數(shù)對比Fig.2 Comparison of drum index of sinter

2 燒結(jié)礦冶金性能和粘結(jié)性分析

2.1 冶金性能分析

在燒結(jié)礦堿度為2.0，含碳量為4.5%時，邯鋼燒結(jié)礦與承鋼釩鈦燒結(jié)礦還原性和低溫還原粉化性如表4所示。

表4 燒結(jié)礦冶金性能(%)

由表4可知：在相同的堿度和含碳量條件下進行比較，邯鋼燒結(jié)礦和承鋼釩鈦燒結(jié)礦的還原性基本持平，RI在74%～75%之間。邯鋼燒結(jié)礦RDI+3.15為74.65%，承鋼釩鈦燒結(jié)礦RDI+3.15僅24.92%，比邯鋼低50%；邯鋼燒結(jié)礦RDI-0.5為6.72%，承鋼釩鈦燒結(jié)礦RDI+3.15高達24.92%，比邯鋼燒結(jié)礦高24%，差異明顯。

承鋼燒結(jié)原料中TiO2含量高，在燒結(jié)過程中形成大量的鈣鈦礦，嚴重影響到鐵酸鈣的形成。鈣鈦礦無粘結(jié)作用，且妨礙鈦赤鐵礦和鈦磁鐵礦間的連晶作用，在低溫還原階段會導致大量微裂紋的形成，因而低溫還原粉化性率遠遠低于普通燒結(jié)礦。

2.2 粘結(jié)相分析

粘結(jié)相是燒結(jié)礦的重要組成部分，是在燒結(jié)過程中高溫條件下生成的液相冷卻凝結(jié)而成，其粘結(jié)相數(shù)量、礦物組成、形成機理和各項物理化學性質(zhì)都對燒結(jié)礦的質(zhì)量有重要影響。邯鋼燒結(jié)礦和承鋼釩鈦燒結(jié)礦礦物組成及體積百分含量如表5所示。

由表5可知，在堿度為2.0、含碳量為4.5%的條件下，對邯鋼燒結(jié)礦與承鋼釩鈦燒結(jié)礦粘結(jié)相數(shù)量進行對比，邯鋼燒結(jié)礦基本不含鈣鈦礦，承鋼釩鈦燒結(jié)礦中含有大量鈣鈦礦。邯鋼燒結(jié)礦中鐵酸鈣含量在30%～35%之間，承鋼釩鈦燒結(jié)礦中鐵酸鈣含量在10%～15%之間，相差20%。承鋼燒結(jié)礦的硅酸二鈣也略低。

表5 燒結(jié)礦礦物組成(%)

根據(jù)熱力學分析，CaO與Fe2O3、TiO2經(jīng)固相反應可以生成鐵酸鈣和鈣鈦礦。反應如式(1)、式(2)所示：

CaO+TiO2=CaO·TiO2

△GΘ=-19100-0.8T J/mol

(1)

CaO+Fe2O3=CaO·Fe2O3

△GΘ=-1700-1.15T J/mol

(2)

由式(1)、(2)可知，在燒結(jié)條件下，鈣鈦礦因熔點高(1970 ℃)最先析出，比鐵酸鈣先形成。 鈣鈦礦被其他低熔點硅酸鹽或玻璃相所包圍粘結(jié)。鈣鈦礦是燒結(jié)礦粘結(jié)相間的連接界面，本身無粘結(jié)作用，在外力作用下，此種連接界面易被破壞，這是承鋼釩鈦燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓指數(shù)和低溫還原粉化率低的原因。

3 燒結(jié)礦礦相顯微結(jié)構(gòu)分析

借助光學顯微鏡對燒結(jié)礦的礦相結(jié)構(gòu)進行分析，在堿度為2.0、含碳量為4.5%時，分析邯鋼燒結(jié)礦(邯-2)與承鋼釩鈦燒結(jié)礦(承-2)的礦相顯微結(jié)構(gòu)，并研究其微觀結(jié)構(gòu)的差異。

如圖3所示，邯鋼燒結(jié)礦礦相顯微結(jié)構(gòu)較均勻，主要以交織熔蝕結(jié)構(gòu)為主。氣孔率為20%～25%，氣孔分布不均，大小不一，大氣孔偏多，形態(tài)不規(guī)則。粘結(jié)相主要以鐵酸鈣為主，以他形板柱狀為主，部分呈針狀，分布不均勻，且結(jié)晶粒度較粗。硅酸二鈣主要以他形粒狀、針狀為主，部分為柳葉狀，并與鐵酸鈣共同膠結(jié)與磁鐵礦形成交織熔蝕結(jié)構(gòu)。

如圖4所示，承鋼釩鈦燒結(jié)礦礦相顯微結(jié)構(gòu)不均勻，以骸晶結(jié)構(gòu)、粒狀結(jié)構(gòu)為主，局部呈交織熔蝕結(jié)構(gòu)。氣孔率為40%～45%，氣孔分布不均，大小不一，氣孔之間多相互連通，大氣孔偏多，且形態(tài)不規(guī)則。鈣鈦礦多呈不定形、他形晶充填于磁鐵礦晶粒間與硅酸二鈣共同膠結(jié)磁鐵礦形成粒狀結(jié)構(gòu)，部分呈樹枝狀集中分布。

1-磁鐵礦；2-鐵酸鈣；3-硅酸二鈣 1-赤鐵礦；2-磁鐵礦；3-玻璃質(zhì)(a)交織熔蝕結(jié)構(gòu) (b)赤鐵礦的骸晶結(jié)構(gòu)圖3 邯鋼燒結(jié)礦的礦相結(jié)構(gòu)Fig.3 Mineral structure of Han Steel sinter

(a)粒狀結(jié)構(gòu) (b)集中分布的鈣鈦礦圖4 承鋼燒結(jié)礦的礦相結(jié)構(gòu)Fig.4 Mineral structure of Cheng Steel sinter

綜上所述比較可知：在固定碳含量為4.5%、堿度為2.0時，承鋼釩鈦燒結(jié)礦比邯鋼普通燒結(jié)礦氣孔率增加近20%。并且邯鋼燒結(jié)礦礦相顯微結(jié)構(gòu)均勻，以交織熔蝕結(jié)構(gòu)為主，而承鋼燒結(jié)礦礦相顯微結(jié)構(gòu)不均勻，主要以粒狀結(jié)構(gòu)、骸晶結(jié)構(gòu)為主，并且赤鐵礦多被熔蝕形成骸晶結(jié)構(gòu)，多分布于氣孔和礦塊邊緣，結(jié)晶粒度不均。

4 結(jié)論

(1)隨著燒結(jié)礦堿度的提高，邯鋼燒結(jié)礦的轉(zhuǎn)鼓指數(shù)提高明顯，承鋼釩鈦燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓指數(shù)值有所降低，但降低幅度不大。承鋼釩鈦燒結(jié)礦的轉(zhuǎn)鼓指數(shù)比邯鋼低12%～18%，冷強度差。

(2)在相同的堿度和含碳量條件下，邯鋼燒結(jié)礦和承鋼釩鈦燒結(jié)礦的還原性基本持平，RI在74%～75%之間。承鋼釩鈦燒結(jié)礦RDI+3.15僅24.92%，比邯鋼低50%。

(3)粘結(jié)相研究分析，承鋼釩鈦燒結(jié)礦中含20%～23%鈣鈦礦，邯鋼燒結(jié)礦基本不含鈣鈦礦。承鋼釩鈦燒結(jié)礦中鐵酸鈣含量在10%～15%之間，比邯鋼低20%。

(4)礦相顯微結(jié)構(gòu)分析，邯鋼燒結(jié)礦礦相顯微結(jié)構(gòu)均勻，以交織熔蝕結(jié)構(gòu)為主。承鋼燒結(jié)礦礦相顯微結(jié)構(gòu)不均勻，主要以粒狀結(jié)構(gòu)、骸晶結(jié)構(gòu)為主。承鋼釩鈦燒結(jié)礦比邯鋼燒結(jié)礦氣孔率多20%。