不同含量SiO2 對(duì)邯鄲球團(tuán)質(zhì)量的影響

孫健寧，劉小杰，嚴(yán)照照，盧建光，呂慶

（1.華北理工大學(xué)冶金與能源學(xué)院，華北理工大學(xué)現(xiàn)代冶金技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 唐山 063009；2.河鋼集團(tuán)邯鄲公司，河北 邯鄲 056009）

生產(chǎn)高品位的球團(tuán)礦不僅能使生鐵成本得到更好的控制，同時(shí)也對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了積極的影響。我國(guó)大部分鋼鐵企業(yè)所生產(chǎn)的球團(tuán)礦SiO2含量都較高，過高SiO2含量會(huì)嚴(yán)重影響高爐的順行[1]。適宜的SiO2含量能極大的提高球團(tuán)礦的冶金性能，而良好的冶金性能也是評(píng)價(jià)球團(tuán)礦質(zhì)量的重要指標(biāo)。青格勒等人對(duì)低硅含鎂球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度及冶金性能的研究表明：SiO2含量低于2%時(shí)會(huì)使球團(tuán)礦的還原膨脹率急劇增加，從而嚴(yán)重破壞球團(tuán)礦的冶金性能[2]。李杰等對(duì)SiO2對(duì)鎂質(zhì)酸性球團(tuán)性能的影響研究表明：隨著SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高，低溫還原粉化率上升，還原性和還原膨脹率呈直線下降趨勢(shì)[3]。Bahgat 等對(duì)含SiO2 的浮氏體小餅研究表明：隨著SiO2含量的上升，在金屬鐵表面會(huì)產(chǎn)生絮狀結(jié)構(gòu)阻礙了通過空隙的還原氣體，使其還原程度下降[4]。王曉哲等人對(duì)低硅含鎂球團(tuán)礦還原行為研究表明：過高的SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)會(huì)使球團(tuán)礦的空隙分不均勻從而使球團(tuán)礦內(nèi)外部還原不完全[5]。宋健麗等人對(duì)降低酸性球團(tuán)SiO2含量的措施及效果研究表明：球團(tuán)礦中SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加會(huì)提高石灰石的用量且產(chǎn)生的渣量也明顯增多，同時(shí)焦比上升[6]。崔智鑫等對(duì)巴西卡拉加斯赤鐵礦球團(tuán)還原膨脹性能研究表明，SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的上升明顯使球團(tuán)礦的還原膨脹率下降[7]。王兆才等對(duì)還原氣氛和脈石成分對(duì)氧化球團(tuán)還原膨脹的影響研究表明：適當(dāng)?shù)腟iO2含量有助于降低還原膨脹率[8]。適宜的SiO2 含量不僅提高球團(tuán)礦的抗壓強(qiáng)度這一重要指標(biāo)，還能對(duì)于企業(yè)的一系列經(jīng)濟(jì)指標(biāo)起到良好的控制作用，同時(shí)對(duì)環(huán)境的保護(hù)和清潔也有積極的影響[9]。本試驗(yàn)是通過對(duì)不同礦粉的配比調(diào)節(jié)球團(tuán)礦不同SiO2含量，研究其抗壓強(qiáng)度、還原性、低溫還原粉化率等冶金性能，從而進(jìn)一步為邯鋼企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)提供參考依據(jù)。

1 原料及方法

1.1 原料及化學(xué)成份

采用四種邯鋼現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)使用的高品位鐵精粉為原料，鐵品位均達(dá)到60%左右，粘結(jié)劑為邯鋼現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)使用的膨潤(rùn)土，四種礦粉和膨潤(rùn)土成份見表1。

1.2 配礦方案

表1 礦粉的主要化學(xué)成分/%Table 1 Main chemical composition of mineral power

根據(jù)邯鋼實(shí)際生產(chǎn)所使用的四種鐵精粉來控制球團(tuán)礦的SiO2 含量變化，此次試驗(yàn)采用2%配比的膨潤(rùn)土。五組不同SiO2含量的球團(tuán)礦具體配比見表2。

1.3 試驗(yàn)方法

表2 配礦試驗(yàn)方案/%Table 2 Ore matching test plan

根據(jù)表2 方案，在直徑為1000 mm 的圓盤造球機(jī)上制造生球，然后將制備好的生球在10～ 12.5 mm的篩子上進(jìn)行篩分，其中生球水分為8%。選取粒度為10～ 12.5 mm的五組生球在溫度為950℃和1250℃的高溫爐中進(jìn)行預(yù)熱和焙燒，其中預(yù)熱時(shí)間為15 min，焙燒時(shí)間為20 min。將焙燒好的五組球團(tuán)礦根據(jù)GB/T 14201-93 進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試；根據(jù)國(guó)標(biāo)GB13241-91 進(jìn)行球團(tuán)礦的還原性測(cè)定；根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO4696 進(jìn)行球團(tuán)礦的低溫還原粉化性；以及根據(jù)GB/T 34211-2017進(jìn)行球團(tuán)礦的熔滴性的實(shí)驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同含量的SiO2對(duì)球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度的影響

圖1 不同SiO2含量球團(tuán)礦的抗壓強(qiáng)度Fig.1 Compressive strength of different content of SiO2pellets

從圖1 可以看出隨著SiO2含量的增加，球團(tuán)礦的抗壓強(qiáng)度和生球的抗壓強(qiáng)度都是逐漸降低的。SiO2 含量為3%時(shí)球團(tuán)礦的抗壓強(qiáng)度最高，同時(shí)生球的抗壓強(qiáng)度也是最大的，當(dāng)SiO2含量為7%時(shí)球團(tuán)礦的抗壓強(qiáng)度和生球的抗壓強(qiáng)度最差，球團(tuán)礦的抗壓強(qiáng)度降低了27.6%，生球強(qiáng)度降低了16.3%，但五組球團(tuán)礦的抗壓強(qiáng)度均在2000 N以上。

根據(jù)球團(tuán)礦的礦相圖分析可知，隨著SiO2 含量的增加赤鐵礦晶粒尺寸越來越小，且赤鐵礦晶粒周圍的鈣鐵橄欖石越來越多，阻礙了赤鐵礦晶粒連晶發(fā)育，同時(shí)赤鐵礦晶粒結(jié)晶與再結(jié)晶所形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜。當(dāng)SiO2含量的為3%時(shí)，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)密集同時(shí)赤鐵礦晶粒發(fā)育很好且尺寸很大，少部分的鈣鐵橄欖石渣相出現(xiàn)在赤鐵礦晶粒周圍，造成球團(tuán)礦此時(shí)強(qiáng)度最強(qiáng)的原因：首先由于鈣鐵橄欖石阻礙了赤鐵礦的發(fā)育與再結(jié)晶，而SiO2含量為3%時(shí)鈣鐵橄欖石產(chǎn)生較少，球團(tuán)礦強(qiáng)度很強(qiáng)，其次由于少量的鈣鐵橄欖石所形成的液相量較少，而少量的液相量起到粘結(jié)作用，有利于提高球團(tuán)礦的抗壓強(qiáng)度。

圖2 FactSage 模擬球團(tuán)礦液相量結(jié)果Fig.2 Liquid phase results of FactSage simulated pellets

從圖2 的Fctsage 模擬球團(tuán)礦液相量的圖中可以得到SiO2 含量為3%時(shí)液相量較少，所以當(dāng)SiO2 含量為3%時(shí)球團(tuán)礦的強(qiáng)度最強(qiáng)。當(dāng)SiO2 含量為7%時(shí)，從圖中看到赤鐵礦晶粒的粒徑較小且周圍的鈣鐵橄欖石也較多，過多的鈣鐵橄欖石嚴(yán)重阻礙了赤鐵礦的結(jié)晶與再結(jié)晶，所以組織形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)也比SiO2 含量為3%時(shí)形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，同時(shí)看出液相量明顯增加，過多的鈣鐵橄欖石的的出現(xiàn)會(huì)使球團(tuán)礦中的液相量明顯增加，但過多的液相量嚴(yán)重影響了球團(tuán)礦的抗壓強(qiáng)度，同時(shí)球團(tuán)礦中出現(xiàn)了氣孔和石英，這也影響了球團(tuán)礦的抗壓強(qiáng)度，所以當(dāng)SiO2含量為7%時(shí)球團(tuán)礦的強(qiáng)度最差。

2.2 不同含量的SiO2的球團(tuán)礦還原性能分析

圖3 不同SiO2含量球團(tuán)礦還原度曲線Fig.3 Pellet reduction degree curve of different content of SiO2

從圖3可以明顯看出，隨著SiO2含量的增加，球團(tuán)礦的還原度逐漸下降。SiO2含量為3%時(shí)球團(tuán)礦的還原度最高，達(dá)到了83%；SiO2含量增加到5%時(shí)，還原度下降了9.64%；當(dāng)SiO2含量從5%增加到7%時(shí)，還原度下降了8%；同時(shí)SiO2 含量從3%增加到7%時(shí)，還原度下降了大約16.87%?？梢缘玫诫S著SiO2含量的增加球團(tuán)礦的還原度下降幅度很明顯，這是由于隨著SiO2含量的增加，球團(tuán)礦中鈣鐵橄欖石也隨之增加。根據(jù)不同SiO2含量球團(tuán)礦EDS 圖可以清楚看到赤鐵礦晶粒周圍的難被還原的鈣鐵橄欖石逐漸增多，同時(shí)SiO2 含量為3%時(shí)，從之前礦相圖可以得到球團(tuán)礦的赤鐵礦晶粒尺寸較大且赤鐵礦晶粒連晶所形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)很密集，所以導(dǎo)致球團(tuán)礦在SiO2含量為3%時(shí)還原度最高，在SiO2含量為7%還原度很低。

2.3 不同含量的SiO2的球團(tuán)礦低溫還原粉化性

圖4 不同SiO2含量球團(tuán)礦低溫還原粉化率Fig.4 Low-temperature reduction pulverization rate of pellets with different content of SiO2

從圖4 可以得到，球團(tuán)礦的低溫還原粉化率逐漸下降但總體下降幅度較小，SiO2 含量從3%增加到7%時(shí)，低溫還原粉化率下降1.51%，SiO2含量從3%增加到5%時(shí)，低溫還原粉化率基本保持不變。造成粉化率稍有降低的一部分原因是由于SiO2 含量的增加，球團(tuán)礦中的鈣鐵橄欖石形成的液相量明顯增多，在低溫還原過程中過多的液相量會(huì)影響到赤鐵礦晶粒的發(fā)育，同時(shí)發(fā)育不完整的赤鐵礦會(huì)被其他低熔點(diǎn)的物相所補(bǔ)充（β-C2S 相轉(zhuǎn)變成γ-C2S 時(shí)體積發(fā)生膨脹），這樣會(huì)產(chǎn)生過大的應(yīng)力，而過大的應(yīng)力在一起累加使得低溫還原粉化率降低[11]，所以當(dāng)球團(tuán)礦中的SiO2的含量增加到7%時(shí)低溫還原粉化率最低。

2.4 不同含量的SiO2的球團(tuán)礦熔滴性

從表3 中可以看到，隨著SiO2含量的增加球團(tuán)礦的T 10 逐漸降低，SiO2含量為3%時(shí)T10 溫度最高，軟化性能最好，達(dá)到了1217℃，SiO2含量為7%時(shí)T 10 溫度最低，達(dá)到1170℃，相比SiO2 含量為3%時(shí)下降了3.86%，軟化性能最差，但五組球團(tuán)礦的T10 溫度都達(dá)到了1120℃以上；隨著SiO2含量的增加球團(tuán)礦的T40 也仍然降低但基本都維持在1320～ 1305℃之間，從圖5 明顯看到球團(tuán)礦的軟化溫度區(qū)間變寬，區(qū)間值在103～135℃之間。隨著SiO2 含量的增加球團(tuán)礦的Ts 和Td 逐漸升高，SiO2 含量為3%時(shí)Ts 和Td 最低，達(dá)到1379℃和1396℃，SiO2含量為7%時(shí)Ts 和Td 最高，達(dá)到1417℃和1447℃，相比SiO2含量為3%時(shí)升高了2.76%和3.65%。

表3 不同SiO2含量球團(tuán)礦熔滴性結(jié)果Table 3 Dropping results of pellets of different content of SiO2

圖5 不同SiO2含量球團(tuán)礦冶金性能對(duì)比Fig.5 Comparison of metallurgical properties of pellets with different contents of SiO2

從圖5 得到球團(tuán)礦的熔滴溫度區(qū)間的寬度（17～ 30℃）和ΔPm 逐漸增加。SiO2含量為3%時(shí)球團(tuán)礦的熔滴區(qū)間寬度最窄（區(qū)間為17℃）、ΔPm 最小，此時(shí)球團(tuán)礦的熔滴性能最好，當(dāng)SiO2含量為7%時(shí)球團(tuán)礦的熔滴區(qū)間寬度最寬（區(qū)間為30℃）、ΔPm 最大，球團(tuán)礦的熔滴性能最差；隨著SiO2 含量的增加球團(tuán)礦的熔滴性能總特征值S逐漸增加，SiO2 含量為3%時(shí)球團(tuán)礦的S 值最低，達(dá)到60，而SiO2含量為7%時(shí)球團(tuán)礦的S 值最大，達(dá)到121，增加了50.42%，從熔滴性能總特征值來分析SiO2含量為3%時(shí)球團(tuán)礦的熔滴性能最好也越有利于高爐的透氣性。造成軟化開始溫度降低的原因一方面是由于隨著SiO2 含量的增加，球團(tuán)礦的鈣鐵橄欖石的增多，而鈣鐵橄欖石的熔點(diǎn)相對(duì)較低，這樣球團(tuán)礦的軟化開始溫度變低[12]；另一方面隨著SiO2含量的增加，球團(tuán)礦的還原度逐漸下降，這使得球團(tuán)礦的孔隙結(jié)構(gòu)變得較差，而孔隙結(jié)構(gòu)也影響著軟化開始溫度。造成ΔPm 逐漸增加的原因是由于熔滴帶厚度從12 mm 增加到21 mm使得氣體受阻造成料上下壓差變大[13]。

3 結(jié) 論

（1）隨著SiO2含量的增加，球團(tuán)礦的抗壓強(qiáng)度和生球的抗壓強(qiáng)度逐漸降低，SiO2含量為3%時(shí)生球的抗壓強(qiáng)度和球團(tuán)礦的抗壓強(qiáng)度最強(qiáng)，分別達(dá)到了11.6 N 和3255 N。通過礦相分析主要是由于鈣鐵橄欖石的增加阻礙了赤鐵礦晶粒的發(fā)育與連晶，從而使得球團(tuán)礦的抗壓強(qiáng)度下降，同時(shí)通過Fctsage 模擬液相量發(fā)現(xiàn)：隨著SiO2含量的增加，液相量上升。而過量的液相也影響了球團(tuán)礦的抗壓強(qiáng)度。

（2）隨著SiO2含量的增加，球團(tuán)礦的還原度逐漸下降，SiO2 含量為3%時(shí)還原度最高，達(dá)到了83%。通過EDS 分析，造成還原度下降的主要原因是由于SiO2含量的增加使得球團(tuán)礦內(nèi)難被還原的鈣鐵橄欖石增加，所以球團(tuán)礦的還原度下降。

（3）隨著SiO2含量的增加，球團(tuán)礦的低溫還原粉化率下降，但總體下降趨勢(shì)不是太大。

（4）隨著SiO2 含量的增加，球團(tuán)礦的軟化開始溫度降低，其原因一方面是低熔點(diǎn)的鈣鐵橄欖石增多，另一方面由于球團(tuán)礦的還原度下降使得球團(tuán)礦的孔隙結(jié)構(gòu)變差。同時(shí)隨著SiO2含量的增加軟化溫度區(qū)間、熔滴溫度區(qū)間變寬，使得球團(tuán)礦的軟化性能、熔滴性能變差，熔滴性能總特征值S 降低。