燒結(jié)礦在高爐內(nèi)熔滴性能新方法表征與預(yù)測的研究

陳小敏 湛文龍 杜曉東 高景棟 王中奇 吳 鏗

(1. 中冶京誠工程技術(shù)有限公司，2. 遼寧科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院，3.北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院)

高爐內(nèi)軟熔帶料柱是高爐爐床透氣性限制環(huán)節(jié)，其形成及位置對爐內(nèi)煤氣流分布和還原過程都會產(chǎn)生明顯的影響，進(jìn)而影響焦比[1]；同時也是高爐下部順行的限制性環(huán)節(jié)，高爐操作理念由過去上部調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)變?yōu)橄虏空{(diào)節(jié)為主的原因所在。現(xiàn)階段我國高爐爐料結(jié)構(gòu)中燒結(jié)礦占比在65%以上[2]，高爐軟熔帶性質(zhì)由燒結(jié)礦和其他含鐵原料共同決定，而不能由單一爐料軟熔性能預(yù)測，但是燒結(jié)礦所占比例說明燒結(jié)礦對軟熔帶影響較大，需要更加全面地研究燒結(jié)礦的高溫冶金性能[3-4]。現(xiàn)階段燒結(jié)礦配礦參考高溫指標(biāo)主要有同化性能、流動性能和粘結(jié)相強(qiáng)度等[5]，一方面這些高溫特性之間有重疊，另一方面沒有在配礦階段考慮燒結(jié)礦熔滴性能。目前首先通過燒結(jié)杯實驗研究燒結(jié)礦基礎(chǔ)特性，然后對成品燒結(jié)礦進(jìn)行熔滴實驗檢測其軟熔性能。熔滴實驗復(fù)雜且耗時長，所以有必要通過較為簡單的實驗提前預(yù)判燒結(jié)礦熔滴性能以指導(dǎo)燒結(jié)配礦。熔滴特性指燒結(jié)礦在模擬高爐冶煉條件下的滴落特性，鐵礦粉同化性能指鐵礦粉中鐵氧化物與CaO的反應(yīng)能力，鐵礦粉流動性能指燒結(jié)過程中鐵礦粉與CaO反應(yīng)生成液相的流動能力[5]，三者存在關(guān)聯(lián)性。為了明確鐵礦粉的燒結(jié)基礎(chǔ)特性與熔滴性能之間的聯(lián)系，降低配礦方面工作量，文章對國外幾種常見的鐵礦粉進(jìn)行了研究，以期對實際燒結(jié)生產(chǎn)配礦提供指導(dǎo)。

1 同化性能及流動性能實驗

1.1 實驗原理及方法

文章擬定測量表1中配礦方案的同化性能和流動性能，鐵礦粉的化學(xué)成分見表2，不同配礦方案的主要化學(xué)成分見表3。

表1 配礦方案成分表(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

表2 鐵礦粉的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

表3 不同配礦方案的主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

實驗設(shè)備：可視臥式高溫爐(型號：CI16-DIL，額定功率為8 kW)、攝像及記錄系統(tǒng)、壓片機(jī)和供氣系統(tǒng)。裝置系統(tǒng)見圖1。

實驗用CaO粒度<149 μm分析純，鐵礦粉粒度<149 μm，配入粒度<149 μm的焦粉以模擬熔滴實驗過程中還原性氣氛。

圖1 實驗裝置系統(tǒng)

用壓片機(jī)在壓力10 MPa下，制成質(zhì)量0.8 g直徑8 mm×(5～6)mm的圓柱形試樣和質(zhì)量3.0 g直徑24 mm×4 mm的圓餅形墊片，如圖2所示。流動性能試驗中，考慮高堿度且液相數(shù)量約占1/3的燒結(jié)礦的粘結(jié)相特點，其中圓柱試樣二元堿度取4.0[5]。將圓柱置于墊片上，放置爐中按設(shè)定升溫制度(室溫～600 ℃，15 ℃/min；600～1 150 ℃，10 ℃/min；1 150 ℃以上，5 ℃/min)及相應(yīng)的實驗氣氛(室溫～1 150 ℃，氮氣，3 L/min；1 150 ℃～實驗結(jié)束，3 L/min，空氣)進(jìn)行焙燒，圖像和數(shù)據(jù)信息由計算機(jī)系統(tǒng)在升溫過程中采集，同化性能實驗和流動性能實驗過程特征分別如圖3和圖4。

圖2 實驗試樣

1.2 配碳量的確定

由于CO還原作用，熔滴實驗中渣相主要成分是FeO、CaO和SiO2。同化性能和流動性能實驗不配碳情況下，渣相的主要成分為Fe2O3、Fe3O4、CaO和SiO2，為了準(zhǔn)確獲得燒結(jié)基礎(chǔ)特性與熔滴性能之間的聯(lián)系，力求同化性能、流動性能實驗和熔滴實驗中的熔體成分接近，向圓柱試樣中添加焦粉。這是由于C能將Fe3O4和Fe2O3還原成FeO甚至Fe。

圖3 同化性能實驗過程特征

圖4 流動性能實驗過程特征

根據(jù)還原過程鐵氧化物是由高級氧化物轉(zhuǎn)化為低級氧化物的變化規(guī)律[6]：

>570 ℃時 Fe2O3→Fe3O4→FexO(FeO)→Fe

(1)

<570 ℃時 Fe2O3→Fe3O4→Fe

(2)

假設(shè)圓柱試樣中Fe元素全部以三價態(tài)，即赤鐵礦形式存在，此種情況下全部轉(zhuǎn)化為FeO時需要最多的焦粉配加量，由反應(yīng)式：

3.相對濕度。豬舍內(nèi)要保持合適的濕度，假如過大，可以減弱機(jī)體的抵抗力，使發(fā)病率提高。濕有利于各種病原菌的繁殖，仔豬副傷寒、丹毒、仔豬黃白痢、疥癬和其他寄生蟲都很容易蔓延。一般60%～70%即可，但肥育豬相對高點應(yīng)在70%～75%。

2C+O2=2CO

(3)

Fe2O3+CO=2FeO+CO2

(4)

1 150 ℃后改通空氣，C的還原反應(yīng)按照式(1)、(3)、(4)進(jìn)行，根據(jù)圓柱試樣重量和含量可求得焦炭百分比為5.6%左右時，F(xiàn)e元素將全部轉(zhuǎn)化為FeO?？紤]混料時的偏析及損失，實驗采用6%配碳量進(jìn)行。

1.3 試驗結(jié)果

五種方案礦粉同化性能和流動性能采用新的方法進(jìn)行測定，新方法能夠更加準(zhǔn)確地反映實驗的過程信息[7-9]。同化性能實驗數(shù)據(jù)如表4所示，開始同化時刻時間記為t1，溫度記為T同1；同化反應(yīng)終點時刻時間記為t2，溫度記為T同2。所以同化反應(yīng)時間t=(t2-t1)；同化反應(yīng)溫度T同=(T同2+T同1)/2，其中反應(yīng)開始和反應(yīng)結(jié)束點由圖3確定。

表4 同化性能實驗數(shù)據(jù)

對鐵礦粉流動性能評價采用以實際生產(chǎn)溫度為基準(zhǔn)的量綱為1的流動性特征數(shù)模型[9]，表達(dá)式為：

(5)

式中：η為面積增長率，η=(S2-S1)/S1，%，其中S1和S2分別為液相流動起點和終點時的試樣面積；T為流動溫度，即流動起點與終點溫度平均值，T=(T流2+T流1)/2，K，其中T流1和T流2分別為液相流動起點和終點時的溫度；H為升溫速率(實驗過程1 150 ℃以上的升溫速率)，K/s；t為液相流動時間，即流動起點到終點所需時間，t=(t2-t1)，s，其中t1和t2分別為液相流動起點和終點時刻；T標(biāo)是標(biāo)準(zhǔn)燒結(jié)溫度。

在此基礎(chǔ)上所測得的流動性能實驗結(jié)果如表5所示。

2 熔滴實驗

2.1 實驗結(jié)果及分析

按照表1中的配礦方案進(jìn)行燒結(jié)杯實驗，對所得到的燒結(jié)礦進(jìn)行熔滴實驗，實驗結(jié)果主要指標(biāo)如表6所示。

熔滴實驗結(jié)果顯示，隨著毅星粉配比逐漸增加，軟熔溫度區(qū)間ΔT2、最大壓差值ΔPm及熔滴性能總特性值S增大，而開始熔融溫度TS基本上沒有大的變化。分析其原因可能是由于毅星粉與巴卡粉中FeO的含量幾乎相當(dāng)，而熔融開始溫度TS取決于FeO低熔點渣的熔點；同時由于毅星粉中TiO2含量較高，TiO2在高溫反應(yīng)中易形成高熔點化合物，使得燒結(jié)液相粘度增加[5]，由此造成了開始滴落溫度Td升高、最大壓差值ΔPm增大。

表5 流動性特征數(shù)實驗數(shù)據(jù)

表6 熔滴實驗數(shù)據(jù)

2.2 討論

(1)ΔP=(ΔPm-ΔPs)，ΔPs為定值，ΔPm取決于滴落帶的厚度、渣相量及渣相粘度[12]。流動性特征數(shù)LD實際上反映的是燒結(jié)液相粘度的強(qiáng)弱，并且LD與粘度呈負(fù)相關(guān)；

(2)熔滴實驗中熔體成分和高爐初渣成分相似主要為FeO、CaO和SiO2[13]，并存在如下化學(xué)反應(yīng)：

2FeO+SiO2=2FeO·SiO2

(6)

2CaO+SiO2=β-2CaO·SiO2

(7)

CaO+FeO+SiO2=CaO·FeO·SiO2

(8)

根據(jù)相圖[14]可知，低熔點渣相為CaO·FeO·SiO2。開始熔融溫度(Ts)取決于含F(xiàn)eO的低熔點渣的熔點，所以Ts反映的是生成CaO·FeO·SiO2渣相溫度。在測定鐵礦粉同化性的實驗中，F(xiàn)eO和SiO2存在于圓柱形試樣中，CaO存在于圓餅形墊片中，所以CaO·FeO·SiO2在圓柱形試樣和圓餅形墊片的接觸面上生成。同化反應(yīng)起始溫度(T同1)反映的是試樣和墊片界面上開始生成液相(即渣相CaO·FeO·SiO2)的溫度，和Ts具有相同的含義；

(3)滴落溫度受試樣中渣、鐵相的數(shù)量的影響，既可取決于渣相的熔點，也可取決于鐵相熔點[15]，其含義是液相大量生成的起點。流動性實驗和熔滴實驗中熔體成分是接近的，液相流動起點溫度(T流1)反映的也是液相大量生成的起點；

(4)熔滴性能總特性值S=(ΔPm-ΔPs)×ΔT2=ΔP×(Td-Ts)；

基于以上討論提出熔融特性參數(shù)：

(9)

雖然K與S具有相近的含義，但是K考慮的因素不夠全面。升溫速率(H)和時間(t)是一對相互制約且影響熔融性能的參數(shù)，所以定義熔融性能特征數(shù)：

(10)

熔滴性能總特性值、熔融特性參數(shù)和熔融性能特征數(shù)這三者的變化趨勢和程度是很相近的，如圖5和圖6所示。但是熔融性能特征數(shù)包含信息是全面的，而且具有明確的物理含義，因此使用熔融性能特征數(shù)對燒結(jié)礦的軟熔性能進(jìn)行預(yù)測是可行的。

圖5 熔滴性能總特性值與熔融特性參數(shù)對比

圖6 熔滴性能總特性值與熔融性能特征數(shù)對比

3 結(jié)論

在測定鐵礦粉同化性能和流動性能的實驗中，文章使用了較以往不同的方法。該方法綜合考慮了反應(yīng)過程信息，即基于多因素考慮定義了評價指標(biāo)，因此對鐵礦粉描述更全面。

盡管目前有多種方法指導(dǎo)配礦，但是驗證配礦方案的燒結(jié)杯實驗任務(wù)量還是很大，文章所使用的測定鐵礦粉同化性和流動性的方法能對燒結(jié)礦的冶金性能提供初步的預(yù)判，減少一些不必要的燒結(jié)杯實驗和熔滴實驗。

文章所提出的熔融性能特征數(shù)與熔滴性能總特性值具有相近的含義，因此使用熔融性能特征數(shù)對燒結(jié)配礦方案進(jìn)行驗證，能為燒結(jié)礦質(zhì)量提供進(jìn)一步的預(yù)判，提高配礦質(zhì)量。