SiO2 對鐵礦燒結(jié)質(zhì)量的影響

郭小龍

（河鋼宣鋼煉鐵廠，河北 張家口 075100）

燒結(jié)是現(xiàn)代大型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)中必不可少的一道工序，在我國的高爐含鐵爐料中，燒結(jié)礦所占比例達到80%以上。燒結(jié)工藝復雜、影響因素眾多。原材料是燒結(jié)質(zhì)量的一個最主要的因素，目前我國的生產(chǎn)中以進口礦為主，目前我國也成為世界上最主要的鐵礦石進口國，尤其是2019 年鐵礦進口額在度創(chuàng)新高，累計進口鐵礦石10.7 億噸，進口金額1014.6 億美元。隨著鐵礦石進口量的遞增，優(yōu)質(zhì)鐵礦石出現(xiàn)明顯劣質(zhì)化的同時，部分低劣的新礦種也開始投入市場，由于成本限制低價物料的大量使用，使燒結(jié)礦SiO2含量整體呈升高趨勢。本文基于燒結(jié)礦微觀結(jié)構(gòu)結(jié)合生產(chǎn)實際，探討SiO2對燒結(jié)礦性能質(zhì)量的影響。

1 SiO2對燒結(jié)礦微觀結(jié)構(gòu)的影響

相關(guān)實驗研究通過取配礦燒結(jié)試驗成品礦進行礦相鑒定和能譜分析，探究了SiO2含量對燒結(jié)礦微觀結(jié)構(gòu)的影響。當SiO2含量從4.83%逐步增加到5.77%的過程中，燒結(jié)礦微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著的變化。當SiO2含量為4.83%時，顯微結(jié)構(gòu)較為不均勻，黏結(jié)相主要為片狀赤鐵礦，伴隨著少量的熔蝕狀與條狀鐵酸鈣。隨著含量的提升，鐵酸鈣與赤鐵礦的交織熔蝕結(jié)構(gòu)的均勻性得到一定的提升，并且伴隨著針狀鐵酸鈣的逐步發(fā)展。SiO2含量的進一步增加，熔蝕狀與針狀均勻交織，鐵酸鈣、硅酸鹽比例大幅增加，伴隨著赤鐵礦的減少。對具體的微觀結(jié)構(gòu)的影響如下。

1.1 SiO2 對鐵酸鈣的影響

首先是對鐵酸鈣的影響，燒結(jié)礦中以鐵酸鈣與磁鐵礦形成的交織熔蝕結(jié)構(gòu)為主要礦相。工藝實踐表明SiO2的含量提高，針柱板狀和板片狀的鐵酸鈣含量均產(chǎn)生顯著的降低現(xiàn)象，但粒裝的鐵酸鈣含量沒有顯著的變化，保持穩(wěn)定。在筆者實踐的工藝中，從數(shù)據(jù)來看，SiO2的含量一般在4-6%之間，在逐步的提升過程中，針柱板狀的比例從20%降低到13%，而對應的板片裝從15%降低到8%左右，粒裝的鐵酸鈣維持穩(wěn)定，有小幅度的波動，在8.8-10.4%之間。從原理上解釋，SiO2含量對鐵酸鈣生成量的影響比較大，但工藝生產(chǎn)中有些不同的分歧，但是從共識來看，鐵礦粒度較粗時SiO2含量越高越能夠促進鐵酸鈣的含量生成，但是到一定趨勢后就會隨之減少。而如果鐵礦粒度較細時，SiO2含量越高，則鐵酸鈣的含量就越少。SiO2能夠和低價鐵氧化物發(fā)生固相反應生成低熔點化合物，這也是影響鐵酸鈣含量的原因。

1.2 SiO2 對磁鐵礦的影響

其次是對磁鐵礦的影響，磁鐵礦，是指氧化物類礦物磁鐵礦的礦石，屬等軸晶系。磁鐵礦主要呈板狀，并存在少量的粒狀、塊狀磁鐵礦。在筆者實踐的工藝中，SiO2的含量提升下，局部磁鐵礦連晶現(xiàn)象明顯，與鐵酸鈣熔蝕發(fā)展為板片狀。從原理解釋來看，SiO2的含量提升下，促進鐵酸鈣與磁鐵礦交織熔蝕結(jié)構(gòu)的形成，針狀鐵酸鈣熔蝕交織以及與粒狀鐵酸鈣粘結(jié)部分中的磁鐵礦晶粒都有所發(fā)展，并且在燒結(jié)的過程中發(fā)育良好，這也是磁鐵礦含量增加的主要原因。

1.3 SiO2 對赤鐵礦的影響

三是對赤鐵礦的影響，赤鐵礦主要以大塊的板狀為主，在筆者實踐的工藝中，赤鐵礦在SiO2的含量從4-6%的含量提升過程中有顯著的含量提升現(xiàn)象，但是有一定波動，從15.9%-17.2%，總體的幅度也不大。在實踐工藝中，SiO2對赤鐵礦的含量的影響機制尚不明確，對微細粒赤鐵礦還原過程的影響規(guī)律仍然不清楚。一些研究實驗表明，SiO2的存在對赤鐵礦還原-分選有著顯著的不利影響，采用反應活性較好的煙煤作還原劑，可以降低SiO2對還原-分選指標的影響。

1.4 SiO2 對硅酸鹽的影響

四是對硅酸鹽的影響。硅酸鹽粘結(jié)相分散填充在板狀赤鐵礦、磁鐵礦、鐵酸鈣之間，硅酸鹽仍以鈣鐵橄欖石為主，各結(jié)構(gòu)類型均有發(fā)展。在本文的實踐工藝中，SiO2含量從4-6%的增加過程中，硅酸鹽的含量從8.3-15.3%。，燒結(jié)礦堿度較低，硅酸鹽含量增加，硅酸鹽形成帶走了部分CaO，使得參與生成鐵酸鈣的CaO 減少，因此鐵酸鈣生成量減少，轉(zhuǎn)鼓強度大幅度降低。

綜上，SiO2含量在4.83%～5.77%的提升過程中，微觀結(jié)構(gòu)的均勻性有很好的改善，赤鐵礦結(jié)構(gòu)由片狀向熔蝕狀變化，鐵酸鈣結(jié)構(gòu)由熔蝕狀向針柱狀改善，這是一個黏結(jié)相由赤鐵礦向鐵酸鈣發(fā)展的過程。

2 SiO2對燒結(jié)強度和還原性能的影響

2.1 對燒結(jié)強度的影響

燒結(jié)礦是一種由多種礦物組成的復合體，礦物組成成分不盡相同，影響燒結(jié)礦強度的因素主要是其液相組成，理論上在生產(chǎn)普通燒結(jié)礦時主要的液相組織對燒結(jié)礦強度最好的還是鐵酸鈣液相，而SiO2含量對于微觀結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的影響自然會使得強度上受到影響，在燒結(jié)時混合料的SiO2含量如果低于5.0%那么這樣的燒結(jié)就是低硅燒結(jié)。但考慮到我國的國情實際，在生產(chǎn)中的鐵精粉的硅普遍含量較高，冶煉成本大幅度上升，企業(yè)效益明顯下降。

北京科技大學的一項實驗研究表明，當SiO2含量在4.8%、5.0%、5.4%和5.7%的逐步提升過程中，在1.8、1.9 和2.0 三個堿度水平下，著SiO2含量的增加及二元堿度的縱向變化，SiO2含量對燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓強度的影響逐步提升，在更高的SiO2含量下，液相量增多，通過足夠的液相可將其鄰近的鐵精粉黏結(jié)起來。粘結(jié)相強度，對燒結(jié)礦的強度有著十分重要的影響。粘結(jié)相的量增多，使得燒結(jié)礦強度升高。因此SiO2含量在4.8%～5.7%范圍內(nèi)，適當提高燒結(jié)礦堿度有利與燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓強度的提高.SiO2含量提升促進其在鐵酸鹽中溶解，對鐵酸鹽液相流動性的影響因鐵酸鹽組成而異，在高硅低堿度下仍具有較高的流動性，原因是SiO2含量提升導致CaO 配入量的增加，使得燒結(jié)礦中CaO 與Fe2O3的摩爾比增加，摩爾比為1.5 倍認為是最佳流動性的狀態(tài)，在沒有雜質(zhì)的情況下，生成流動性最佳，有利于促進燒結(jié)液相的生成，降低液相流動溫度。另外一項實驗表明，隨著SiO2含量持續(xù)提升，摩爾比變化下，鐵酸鹽液相流動性出現(xiàn)轉(zhuǎn)變。其原理是：較高的鐵礦粉生產(chǎn)自熔性燒結(jié)礦時，雖然液相量和粘相都不少，但SiO2就會與熔劑中的CaO 結(jié)合生成正硅酸鈣，存在相變問題，使體積膨脹10%，燒結(jié)礦內(nèi)產(chǎn)生的很大的內(nèi)應力，反而會造成強度的降低。這一結(jié)果表明，此類鐵酸鹽需要適當控制其中的SiO2含量。

2.2 對還原性能的影響

燒燒結(jié)礦的轉(zhuǎn)鼓強度和低溫還原粉化性總體呈降低趨勢，但燒燒結(jié)礦SiO2含量超過5%時低溫還原粉化性有所提高。但其總體的機理表現(xiàn)是十分復雜的。當鐵礦粉中含有一定數(shù)量的SiO2時，當SiO2的提升硅酸鹽提升、鐵酸鈣減少，在燒結(jié)過程中會產(chǎn)生足夠數(shù)量的液相，實際上是有利于促進燒結(jié)強度的提升。當含量持續(xù)提升，極易與熔劑中的CaO 在燒結(jié)時形成2CaO·SiO2，另一方面使得液相中質(zhì)點擴散的速度減慢，惡化了硅酸鹽析晶的環(huán)境，致使玻璃相含量增加，影響燒結(jié)強度。同時，SiO2將發(fā)生α →γ 型和β →γ 型的晶型轉(zhuǎn)變，晶型轉(zhuǎn)變后，密度減小，體積增加，使得內(nèi)部存在較大的空隙結(jié)構(gòu)，在燒結(jié)礦內(nèi)引起很大的內(nèi)應力，從而使得燒結(jié)礦強度降低。當SiO2的含量＞3%時，鐵酸鈣明顯地由塊狀向針狀發(fā)展。一般認為:精礦中的SiO2的含量以4%—5%為宜。高SiO2含量條件下礦物組成與顯微結(jié)構(gòu)的變化較為復雜，大量磁鐵礦發(fā)展為連晶形式，硅酸鹽中玻璃相的比重明顯增加。同時，板狀鐵酸鈣作為抵御裂紋擴展能力最差的結(jié)構(gòu)之一，其裂紋生成情況在還原過程中顯著發(fā)展，高含量條件下該結(jié)構(gòu)比例的大幅減少對改善低溫還原粉化有著積極意義。另外，討論SiO2也需要考慮到材料之間的交互作用，有研究和工藝實踐表明通過控制Al2O3/SiO2的比值，可以有助于針狀鐵酸鈣的生成，這提示了在工藝生成過程中，有針對性的控制Al2O3/SiO2的比值，可以提升燒結(jié)效率和強度。

2.3 對低溫還原粉化性的影響

高還原性的爐料是高爐冶煉的理想精料，還原性作為一項重要的指標，在SiO2含量的變化下，燒結(jié)礦的還原性也會受到一定的影響。自熔性燒結(jié)礦和高堿度燒結(jié)礦的生產(chǎn)技術(shù)可以保障保證燒結(jié)礦擁有良好的還原性，燒結(jié)礦中的SiO2可以和Al2O3一起固熔到鐵酸鈣相中，形成還原性較好的復合鐵酸鈣系礦物，更有利于高爐順行和增產(chǎn)。研究表明，SiO2含量的增加，燒結(jié)礦的還原性在4.8%、5.0%、5.4%和5.7%的逐步提升過程中有顯著的降低趨勢，解釋原因在于當SiO2的含量提升，在燒結(jié)過程中會生成低熔點的硅酸鹽類液相，影響燒結(jié)礦的軟熔性能，使燒結(jié)礦過早的軟熔，堵塞氣孔，降低燒結(jié)礦的中、高溫還原性。同時也要注意到，堿度在1.8 ～2.0 時，燒結(jié)礦還原性能隨堿度的增加是提高的。這是因為高堿度燒結(jié)礦的熔體表面張力較大，不會形成薄壁大孔結(jié)構(gòu)，因而有更好的還原性。

3 結(jié)語

綜上，近年來，隨著我國煉鐵生產(chǎn)能力大幅度提高，中國已逐漸成為全球最大的鋼鐵生產(chǎn)國、消費國。原料是高爐煉鐵工藝的重中之重，由于近年來高品質(zhì)鐵礦石資源日益匱乏，國內(nèi)鋼廠由于成本壓力大，增加低品質(zhì)低價礦粉比例，燒結(jié)礦SiO2是整體升高的趨勢。適當含量的SiO2有助于提高燒結(jié)成效，但具體的工藝過程中還有一些不明之處。從研究成效來看，SiO2對燒結(jié)強度等影響表明，在含量從4.8-6.0%的增加過程中，燒結(jié)礦微觀結(jié)構(gòu)的均勻性逐漸改善，燒結(jié)強度有所提升，但還原性有所降低，低溫粉化性得到一定的改善。這四項指標對燒結(jié)質(zhì)量都會產(chǎn)生影響，而要做出取舍和最優(yōu)平衡的搭配，在具體參數(shù)上還需要更多的工藝實踐來確定。