鐵礦粉粒度對燒結(jié)基礎(chǔ)性能的影響

付壯壯 ，韓秀麗，劉磊，司天航，李國旺

(1. 華北理工大學(xué) 冶金與能源學(xué)院，河北 唐山 063210；2. 華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063210)

近幾年，隨著我國鋼鐵產(chǎn)量的增加，鐵礦石的需求量也大大增多，但由于鐵礦石的種類較為復(fù)雜且來源不穩(wěn)，故燒結(jié)原料在結(jié)構(gòu)上也發(fā)生了較大的改變，且鐵礦粉的性能會直接影響燒結(jié)礦質(zhì)量。燒結(jié)基礎(chǔ)性能作為一項衡量鐵礦粉性能的指標(biāo)已被廣泛應(yīng)用[1]，研究鐵礦粉的燒結(jié)基礎(chǔ)性能對優(yōu)化燒結(jié)配礦、改善燒結(jié)礦質(zhì)量、增加燒結(jié)礦產(chǎn)量、控制生產(chǎn)穩(wěn)定和降低成本具有重要意義[2-6]。

鐵礦粉的燒結(jié)基礎(chǔ)性能有諸多影響因素，比如鐵礦粉的化學(xué)成分、粒度組成和表面形態(tài)等。國內(nèi)外學(xué)者針對鐵礦粉的化學(xué)成分對燒結(jié)基礎(chǔ)性能的影響已有很多研究[7-13]，如王永紅[7]研究了不同SiO2含量對燒結(jié)基礎(chǔ)性能的影響，認(rèn)為隨SiO2含量的增多，液相流動性明顯降低，黏結(jié)相的生成量減少，不利于各礦物的黏結(jié)；Oyama N[8]等研究了評價鐵礦粉流動性的的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)；Li[9]研究了Al2O3的含量對鐵礦粉的液相流動性的影響，認(rèn)為少量的Al2O3增加了鐵酸鈣的含量，使液相形成更加容易，隨著Al2O3含量的增加，流動性指數(shù)不斷下降，當(dāng)鐵礦粉中Al2O3含量為2%時，燒結(jié)礦質(zhì)量最佳；伊鳳永[10]等研究了燒結(jié)基礎(chǔ)性能與化學(xué)成份之間的關(guān)系，認(rèn)為最低同化溫度隨MgO、CaO含量的增多而升高，隨著Al2O3含量的增多而降低。呂慶[11]等通過微型燒結(jié)試驗(yàn)研究了鐵礦粉中TiO2對鐵礦粉的燒結(jié)基礎(chǔ)性能的影響，結(jié)果表明，隨著鐵礦粉中TiO2含量的升高，不利于液相的生成。李和平[12]等通過Factsage軟件模擬研究了不同含量的SiO2對燒結(jié)過程中液相量生成的影響，當(dāng)鐵礦粉中SiO2的含量在4%左右，其燒結(jié)基礎(chǔ)性能最佳?？簯c峰[13]等研究了幾種進(jìn)口鐵礦粉的燒結(jié)基礎(chǔ)性能，認(rèn)為不同種類的鐵礦粉其燒結(jié)基礎(chǔ)性能有所差異。鐵礦粉粒度對其燒結(jié)基礎(chǔ)性能的影響還鮮少有人研究，該項目則主要研究在化學(xué)成分配比相同的情況下，鐵礦粉的粒度組成對其燒結(jié)基礎(chǔ)性能的影響。

1試驗(yàn)原料

1.1 化學(xué)成分

以邯鋼生產(chǎn)現(xiàn)場燒結(jié)常用含鐵原料：巴西混合粉、楊迪粉、南非精粉、PB粉為試驗(yàn)原料，其化學(xué)成分如表1所示。

表1 邯鋼生產(chǎn)現(xiàn)場含鐵原料化學(xué)成分/%

由表1可知：楊迪粉中TFe的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，巴西混合粉中TFe的含量較高，為65.62%，表明在燒結(jié)過程中配加巴西混合粉有利于提高燒結(jié)礦的鐵品位；楊迪粉的SiO2含量相對較高，為6.5%，屬于高硅鐵礦粉，主要是為了平衡燒結(jié)礦中SiO2的含量；PB粉中Al2O3含量較高，為2.3%。

1.2 粒度組成

用篩子對4種鐵礦粉進(jìn)行粒度分析，其粒度組成分析結(jié)果見表2。

表2 邯鋼燒結(jié)原料的粒度組成/%

根據(jù)燒結(jié)制粒和鐵礦粉礦化的要求，粒度較細(xì)的鐵礦粉，易于制粒，且容易與CaO發(fā)生反應(yīng)生成鐵酸鈣和硅酸鹽液相，有利于改善鐵礦粉的燒結(jié)基礎(chǔ)性能。故南非精粉<0.42 mm的含量較高，制粒效果良好，且容易與熔劑發(fā)生反應(yīng)，燒結(jié)性能較好；巴西混合粉和楊迪粉的粒度較粗，與CaO的反應(yīng)能力較弱，不利于燒結(jié)過程中液相的產(chǎn)生；PB粉粒度居中，礦化反應(yīng)能力中等。

2試驗(yàn)配料及方法

2.1 試驗(yàn)配料

表3、表4分別是實(shí)驗(yàn)室內(nèi)自制燒結(jié)礦的原料配比和化學(xué)成分。

表3 原料配比/%

表4 混合礦粉的化學(xué)成分/%

分別將混合礦粉按照3種粒級：0.074～0.42 mm、0.42～3 mm、+3 mm篩分，以邯鋼現(xiàn)場混勻礦粉的粒度分布作為對照組記為1#，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)通過改變不同粒度的占比，來研究不同粒度含量對燒結(jié)性能的影響，具體粒度占比如表5所示。

表5 自制燒結(jié)礦的鐵礦粉粒度及占比/%

2.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)上述配料方案，采用AK-LZ-001微型燒結(jié)特性裝置，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)測定混勻礦粉的同化性能、液相流動性、粘結(jié)相強(qiáng)度、連晶強(qiáng)度和鐵酸鈣生成特性。

3試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 同化性能測定結(jié)果

圖1所示為混合礦粉的最低同化溫度。

圖1 混合礦粉的最低同化溫度

由圖1試驗(yàn)結(jié)果可知：隨著鐵礦粉粒級為0.074～0.42 mm占比的增加，最低同化溫度逐漸升高，代表其同化性能逐漸變好，1#中作為對照組，0.074～0.42 mm占比為30%，2#中當(dāng)鐵礦粉粒級為0.074～0.42 mm占比25%時，相對與對照組其最低同化溫度升高，說明同化性能變差；3#中當(dāng)0.074～0.42 mm占比30%時，其同化性能變差，當(dāng)0.074～0.42 mm占比增加到40%和50%時，同化性能逐漸變好，因?yàn)殡S著混勻礦粉細(xì)粒級含量的增多，其與CaO發(fā)生反應(yīng)的機(jī)會增多，也加大了各類氧化物之間的反應(yīng)接觸面積，增加了各類氧化物分子間的碰撞機(jī)會，從而提高混勻鐵礦粉的同化性能[14]。

3.2 液相流動性測定結(jié)果

圖2所示為混合礦粉的液相流動性指數(shù)。

圖2 混合礦粉的液相流動性指數(shù)

液相流動性結(jié)果如圖2所示。1#中作為對照組，0.074～0.42 mm占比為30%，2#中當(dāng)鐵礦粉粒級為0.074～0.42 mm占比25%時，相對與對照組其液相流動性能變差；3#中當(dāng)0.074～0.42 mm占比30%時，其液相流動性變差，當(dāng)0.074～0.42 mm占比增加到40%和50%時，其液相流動性逐漸變好，因?yàn)榧?xì)粒級(0.074～0.42 mm)的占比增高時，平均粒度減小，鐵礦粉與熔劑反應(yīng)的接觸面積變大，這樣可以在燒結(jié)過程中使得物料之間能夠充分反應(yīng)，有利于液相的生成，且鐵礦粉的同化性能越好，其液相流動性越好[6]。由2#、3#可知粗粒級(0.42～3 mm、+3 mm)變多，但其液相流動性指數(shù)卻變小，說明隨著粗粒級占比變大，不利于混勻鐵礦粉的液相流動性。

3.3 粘結(jié)相強(qiáng)度測定結(jié)果

不同粒度占比的混勻鐵礦粉的粘結(jié)相強(qiáng)度的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 混合礦粉的粘結(jié)相強(qiáng)度

由試驗(yàn)結(jié)果可以得出當(dāng)粒級5#中當(dāng)0.074～0.42 mm的占比為50%時，其粘結(jié)相強(qiáng)度最高，4#中當(dāng)粒級0.074～0.42 mm的占比為40%時次之，3#的平均粒度最大，粘結(jié)相強(qiáng)度最低，這說明隨著細(xì)粒級(0.074～0.42 mm)占比的增加，對其粘結(jié)相強(qiáng)度會產(chǎn)生有利的影響，因?yàn)榧?xì)粒級有利于增加鐵礦粉與熔劑的接觸面積，使其致密性增加，且生成強(qiáng)度較高的鐵酸鈣粘結(jié)相，故隨著細(xì)粒級含量增加，粘結(jié)相強(qiáng)度增加。

圖4 混合礦粉的連晶強(qiáng)度

3.4 連晶性能測定結(jié)果

在燒結(jié)時間和升溫速率一定的條件下，燒結(jié)溫度為1 280 ℃下混勻鐵礦粉的連晶強(qiáng)度特性的試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

由圖4所示的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出，當(dāng)3#中0.074～0.42 mm的占比為25%時，連晶強(qiáng)度最大，其次是2#中0.074～0.42 mm的占比為30%，再其次是對照組1#、4#、5#。因?yàn)?，?dāng)鐵礦粉的細(xì)粒級0.074～0.42 mm的占比增多時，鐵礦粉內(nèi)部之間的連晶發(fā)展受限，不易于在顆粒之間產(chǎn)生連晶[14]，故細(xì)粒級的鐵礦粉占比越大，其連晶強(qiáng)度越低，反之則越高。隨著鐵礦粉粗粒度的占比增多，其在反應(yīng)過程中更容易產(chǎn)生連晶，故連晶強(qiáng)度較高。

3.5 鐵酸鈣生成特性測定結(jié)果

鐵酸鈣生成特性是指在高溫?zé)Y(jié)過程中生成復(fù)合鐵酸鈣的能力。在德國蔡司透/反兩用Axioskop 40A pol研究型偏光顯微鏡下對4組燒結(jié)礦的礦物組成進(jìn)行觀察，并且利用線測法，測出具體礦物的含量，結(jié)果見表6。

表6 自制燒結(jié)礦的鐵酸鈣含量/%

混勻礦中大、小顆粒礦粉與熔劑反應(yīng)的比例和生成液相量不同[15]，由表6可看出鐵酸鈣含量由多到少依次是5#、4#、1#、2#、3#。其中1#是根據(jù)現(xiàn)場粒度占比配料，作為對照組，4#、5#相對與1#增加了細(xì)粒級的含量,而鐵酸鈣的含量大大增多，說明粒度細(xì)的鐵礦粉有利于促進(jìn)鐵酸鈣的生成[16]；2#、3#分別是增加了中間粒級和粗粒級的含量占比，可以看出其中鐵酸鈣含量比1#明顯降低，說明中間粒級和粗粒級的鐵礦粉不利于鐵酸鈣的生成，因?yàn)殍F礦粉粒度太大，不利于鐵礦粉與熔劑的接觸，使得接觸面積變小，導(dǎo)致反應(yīng)生成的鐵酸鈣粘結(jié)相減少。

圖5～圖9分別是實(shí)驗(yàn)室自制燒結(jié)礦1#～5#礦相的顯微結(jié)構(gòu)圖，鐵酸鈣是高堿度燒結(jié)礦的主要粘結(jié)相，鐵酸鈣含量和形態(tài)直接影響燒結(jié)礦的質(zhì)量，鐵酸鈣按其形態(tài)劃分為板狀、片狀、柱狀和針狀，其強(qiáng)度由高到低為：針狀>柱狀>片狀>板狀。

圖5 1#礦相結(jié)構(gòu)圖

圖6 2#礦相結(jié)構(gòu)圖

圖7 3#礦相結(jié)構(gòu)圖

圖8 4#礦相結(jié)構(gòu)圖

圖9 5#礦相結(jié)構(gòu)圖

由圖5～圖9可以看出，圖5作為對照組結(jié)構(gòu)較為均勻，鐵酸鈣多與磁鐵礦形成交織熔蝕結(jié)構(gòu)，鐵酸鈣部分呈板柱狀結(jié)構(gòu)，有少量針狀鐵酸鈣生成；圖6、7分別是2#、3#是增加了(0.42～3 mm)、(+3 mm)的含量，鐵酸鈣含量相對與1#明顯降低，有少量板柱狀鐵酸鈣，但基本無針狀鐵酸鈣生成，說明隨著(0.42～3 mm)、(+3 mm)的含量增多，會使得其鐵酸鈣含量降低，板柱狀鐵酸鈣和針狀鐵酸鈣含量降低，使得燒結(jié)礦強(qiáng)度變差；圖8、9是增加(0.074～0.42 mm)的含量，可看出結(jié)構(gòu)較為均勻，鐵酸鈣多與磁鐵礦形成交織熔蝕結(jié)構(gòu)，鐵酸鈣含量相對于1#明顯增加，鐵酸鈣形態(tài)結(jié)構(gòu)也多以板柱狀結(jié)構(gòu)為主，針狀鐵酸鈣相對于1#也明顯增加，說明此粒級含量增加，其鐵酸鈣含量會增多，且針狀鐵酸鈣明顯增多，使得其燒結(jié)礦強(qiáng)度變好。

4結(jié)論

(1)邯鋼生產(chǎn)現(xiàn)場常用的鐵礦粉的粒度各有特點(diǎn)，南非精粉粒度較細(xì)，易于制粒；楊迪粉粒度較粗，可以改善透氣性。

(2)鐵礦粉的粒度組成對其燒結(jié)基礎(chǔ)性能有著顯著的影響，隨著細(xì)粒級(0.074～0.42 mm)鐵礦粉的含量由30%增加到50%時，其同化性能、液相流動性能、粘結(jié)相強(qiáng)度會增強(qiáng)，但是其連晶強(qiáng)度會降低。

(3)隨著細(xì)粒級(0.074～0.42 mm)鐵礦粉含量由30%增加到50%時，其礦相結(jié)構(gòu)也會發(fā)生顯著變化，其鐵酸鈣含量和形態(tài)均發(fā)生變化，鐵酸鈣會隨著細(xì)粒級鐵礦粉含量的增加而增加，其中針狀鐵酸鈣也會明顯增多。