李雪松

（唐山瑞豐鋼鐵有限公司 河北唐山063303）

1 前言

燒結(jié)工藝［1－2］是現(xiàn)代高爐冶煉高產(chǎn)降耗的有效手段之一，經(jīng)該工藝生產(chǎn)的燒結(jié)礦是高爐生產(chǎn)最主要的原料，其質(zhì)量和冶金性能對(duì)高爐強(qiáng)化冶煉，降低焦比，提高高爐煉鐵系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益起著至關(guān)重要的作用［3］。要確保高爐的高效穩(wěn)定運(yùn)行，就必須對(duì)燒結(jié)礦質(zhì)量提出更高的要求，保證還原性、強(qiáng)度、低溫還原粉化等重要的燒結(jié)質(zhì)量指標(biāo)較優(yōu)，任何一項(xiàng)出現(xiàn)問(wèn)題，就會(huì)對(duì)燒結(jié)礦的質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重影響，影響高爐順行，進(jìn)而影響經(jīng)濟(jì)效益。優(yōu)化燒結(jié)配礦［4－5］是改善燒結(jié)礦質(zhì)量的主要途徑，是綜合考慮其化學(xué)成分，粒度組成，冶金性能等因素，將多種鐵礦粉與熔劑、燃料一起混合均勻，同時(shí)考慮各原料成本因素，按照符合燒結(jié)工藝指標(biāo)和燒結(jié)質(zhì)量要求進(jìn)行配料和燒結(jié)，以生產(chǎn)出滿足高爐冶煉的高質(zhì)量燒結(jié)礦［6－10］。

熔劑配比作為強(qiáng)化燒結(jié)生產(chǎn)，顯著影響燒結(jié)質(zhì)量的指標(biāo)，其提高能有效改善混合料的粒度組成、提高料溫、促進(jìn)液相生成和降低固體消耗。熔劑要求質(zhì)量穩(wěn)定、粒度較小，在燒結(jié)過(guò)程中才能充分完全分解和有利于礦化反應(yīng)的發(fā)生，否則會(huì)導(dǎo)致CaO以游離狀態(tài)殘留在燒結(jié)礦中，形成俗稱的“白點(diǎn)”。含有白點(diǎn)的燒結(jié)礦在貯存、運(yùn)輸過(guò)程中，一旦與空氣接觸，就會(huì)與空氣中的水分發(fā)生消化反應(yīng)生成Ca（OH）2，從而改變形態(tài)，破壞原有礦相結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致燒結(jié)礦體積膨脹，強(qiáng)度降低，進(jìn)而惡化燒結(jié)礦低溫還原粉化性能。針對(duì)某鋼廠現(xiàn)場(chǎng)燒結(jié)礦低溫還原粉化率低，高爐冶煉技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)不優(yōu)的問(wèn)題，從熔劑結(jié)構(gòu)優(yōu)化角度研究生石灰配比對(duì)燒結(jié)的影響，探討生石灰配比對(duì)燒結(jié)工藝指標(biāo)和燒結(jié)礦冶金性能的影響規(guī)律，以確定適宜的生石灰配比，以期為現(xiàn)場(chǎng)燒結(jié)提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持，為從事燒結(jié)配礦領(lǐng)域研究的科研工作者提供重要參考。

2 實(shí)驗(yàn)條件及方法

2.1 實(shí)驗(yàn)原料及配比

實(shí)驗(yàn)所用原料為某鋼廠現(xiàn)場(chǎng)燒結(jié)所用鐵礦粉，熔劑為生石灰、石灰石和白云石，燃料為焦粉和煤粉。其中燒結(jié)原燃料化學(xué)成分及基準(zhǔn)配比如表1所示。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，在保證燒結(jié)礦堿度1.9，MgO含量為2.32%的前提下，生石灰由4.0%增加至5.5%，配料方案列于表2。

表1 原燃料化學(xué)成分及基準(zhǔn)配比（%）

表2 生石灰配比燒結(jié)實(shí)驗(yàn)方案

2.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及方法

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)燒結(jié)杯實(shí)驗(yàn)來(lái)模擬該鋼鐵企業(yè)的現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)情況。燒結(jié)杯實(shí)驗(yàn)工藝流程如圖1所示。本燒結(jié)杯實(shí)驗(yàn)?zāi)M現(xiàn)場(chǎng)條件，一混時(shí)間4min，二混時(shí)間3min，水分控制在7%左右，當(dāng)混勻造球結(jié)束后，在圓筒混料機(jī)的底部、中間和入口處分別取料進(jìn)行粒度篩分測(cè)定，要求最終制粒后的粒徑分布為3mm～5mm的生球占比70～80%。

圖1 燒結(jié)杯工藝流程圖

實(shí)驗(yàn)采用φ300mm×600mm燒結(jié)杯，點(diǎn)火溫度1000℃，點(diǎn)火時(shí)間90s，點(diǎn)火負(fù)壓8kPa，燒結(jié)負(fù)壓12kPa，料層厚度600mm。燒結(jié)杯頂部放置約60g的焦炭以助燃加熱，以燒結(jié)廢氣溫度達(dá)到最高點(diǎn)并開(kāi)始下降時(shí)定為燒結(jié)終點(diǎn)。之后進(jìn)行落下性能檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，將燒結(jié)礦置于2m高處自由落下至鐵板，共計(jì)3次。隨后進(jìn)行篩分（40mm、25mm、16mm、10mm、5mm的ISO3271標(biāo)準(zhǔn)方孔篩），以大于10mm的質(zhì)量百分比作為燒結(jié)礦的成品率指標(biāo)。取粒度10mm～25mm的燒結(jié)礦3kg置于φ1000mm×200mm的ISO標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)鼓（1／5轉(zhuǎn)鼓）做轉(zhuǎn)鼓實(shí)驗(yàn)。鼓后用6.3mm×6.3mm方孔篩篩分，以＋6.3mm的質(zhì)量百分比作為燒結(jié)礦的轉(zhuǎn)鼓指數(shù)。燒結(jié)礦低溫還原粉化性能按照中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB／T13241－91測(cè)定，以3.15mm×3.15mm標(biāo)準(zhǔn)篩篩上重量百分比作為燒結(jié)礦的低溫還原粉化指數(shù)指標(biāo)（RDI＋3.15）。為確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確和可靠，每個(gè)方案的燒結(jié)杯試驗(yàn)均進(jìn)行兩次。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

通過(guò)燒結(jié)杯實(shí)驗(yàn)，獲得熔劑配比分別為生石灰4.0%、4.3%（基準(zhǔn)含量）、4.5%、5.0%和5.5%條件下的燒結(jié)成品率、垂直燒結(jié)速度、轉(zhuǎn)鼓指數(shù)和低溫還原粉化指數(shù)RDI＋3.15等指標(biāo)。

3.1 成品率

生石灰含量對(duì)成品率的影響如圖2所示。隨著生石灰含量的增加，成品率呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢(shì)，生石灰含量在4.0%至4.5%時(shí)，成品率逐漸升高，由79.41%升高到82.40%，當(dāng)生石灰含量在4.5%至5.5%時(shí)，成品率逐漸降低，由82.40%降低到81.19%。

圖2 生石灰含量對(duì)成品率的影響

生石灰主要成分是CaO，隨著生石灰含量的增高，燒結(jié)混合料中游離CaO含量增加，CaO與水發(fā)生消化反應(yīng)，可以形成大量粒度極細(xì)的消石灰膠體顆粒，消石灰比表面積比消化前增大100倍左右，可以強(qiáng)化制粒效果，提高燒結(jié)混合料成球性能，改善并提高燒結(jié)原始料層透氣性，增加燒結(jié)礦產(chǎn)量；生石灰配加量增加，燒結(jié)混合料中游離CaO增多，形成大量的消石灰顆粒，可以與混合料中其他成分能更好地接觸，Ca（OH）2顆粒較粒度比粗的石灰石顆粒更易與其他成分生成低熔點(diǎn)化合物，液相流動(dòng)好，更快發(fā)生固液相反應(yīng)，加速燒結(jié)過(guò)程，提高成品率。因此，生石灰含量在4.0%至4.5%時(shí)，成品率隨生石灰含量的增加而升高。但生石灰用量過(guò)多，生球強(qiáng)度反而會(huì)變壞，在燒結(jié)布料和燒結(jié)過(guò)程中極易破碎，惡化燒結(jié)料層透氣性，因此當(dāng)生石灰含量在4.5%至5.5%時(shí)，料層透氣性下降，導(dǎo)致成品率下降。

3.2 垂直燒結(jié)速度

生石灰含量對(duì)垂直燒結(jié)速度的影響如圖3所示。隨著生石灰含量的增加，垂直燒結(jié)速度呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢(shì)。生石灰含量在4.0%至4.3%，垂直燒結(jié)速度由19.88mm／min升高到20.58mm／min；當(dāng)超過(guò)生石灰含量4.3%時(shí)，垂直燒結(jié)速度開(kāi)始下降，由4.3%時(shí)的20.58mm／min降低至5.5%的19.49mm／min。

圖3 生石灰含量對(duì)垂直燒結(jié)速度的影響

當(dāng)生石灰含量在4.0%至4.3%時(shí)，垂直燒結(jié)速度增加是由于隨著生石灰含量的增加，遇水消化反應(yīng)后的消石灰比表面積增大，可以更好地接觸混合料中的其他成分，且Ca（OH）2顆粒比粒度較粗的石灰石顆粒更易與其他成分生成低熔點(diǎn)化合物，固液相反應(yīng)更快地進(jìn)行，加快垂直燒結(jié)速度。但當(dāng)生石灰含量4.3%至5.5%時(shí)，垂直燒結(jié)速度逐漸下降。這是由于生石灰發(fā)生消化反應(yīng)后生成消石灰Ca（OH）2，Ca（OH）2極易吸收CO2生成CaCO3，釋放出水分。該反應(yīng)過(guò)程發(fā)生在原始混合料帶，脫出來(lái)的水分隨著抽風(fēng)又凝結(jié)在混合料中，增加過(guò)濕層厚度，降低垂直燒結(jié)速度。

3.3 轉(zhuǎn)鼓指數(shù)

生石灰含量對(duì)轉(zhuǎn)鼓指數(shù)的影響如圖4所示。隨著生石灰含量的增加，轉(zhuǎn)鼓指數(shù)呈現(xiàn)先升高后平穩(wěn)再下降的趨勢(shì)，生石灰含量在4.0%至4.3%，轉(zhuǎn)鼓指數(shù)由64.79%升高到66.17%，當(dāng)生石灰含量在4.3%至5.0%時(shí)，轉(zhuǎn)鼓指數(shù)維持在66.20%的水平波動(dòng)，當(dāng)生石灰含量由5.0%至5.5%時(shí)，轉(zhuǎn)鼓指數(shù)開(kāi)始下降，由66.20%降低至64.43%。

圖4 生石灰含量對(duì)轉(zhuǎn)鼓指數(shù)的影響

配加一定量的石灰石可以提高燒結(jié)礦強(qiáng)度，改善燒結(jié)礦質(zhì)量，這是因?yàn)槭沂纸猱a(chǎn)生CaO，其分解后產(chǎn)生的CaO活性高于生石灰中CaO活性，更易于鐵酸鈣液相的生成，改善了過(guò)高的透氣性，有利于反應(yīng)的充分進(jìn)行。但當(dāng)生石灰含量4.0%時(shí)，石灰石含量（6.76%）較高，成球性能差，礦物結(jié)晶不完全，導(dǎo)致強(qiáng)度下降，轉(zhuǎn)鼓指數(shù)較低。隨著生石灰含量由4.0%增加至4.3%時(shí)，促進(jìn)了液相反應(yīng)進(jìn)行，使燒結(jié)過(guò)程在較低溫度下獲得更多流動(dòng)性好、粘結(jié)性高的液相，礦相更加均勻，有利于轉(zhuǎn)股指數(shù)的提高。繼續(xù)增加生石灰效果不太明顯。但是生石灰配比過(guò)高時(shí)，燒結(jié)速度過(guò)快，燒結(jié)過(guò)程中高溫保持時(shí)間過(guò)短，影響燒結(jié)礦強(qiáng)度，轉(zhuǎn)股指數(shù)下降。

3.4 低溫還原粉化指數(shù)RDI＋3.15

生石灰含量對(duì)低溫還原粉化指數(shù)RDI＋3.15的影響如圖5所示。隨著生石灰含量的增加，低溫還原粉化指數(shù)RDI＋3.15逐漸上升，低溫粉化性能得到明顯改善，RDI＋3.15由生石灰含量4.0%時(shí)的58.94%升高到5.5%時(shí)的67.72%。

圖5 生石灰含量對(duì)RDI＋3.15的影響

隨著生石灰含量的增加，燒結(jié)混合料中游離CaO增多，燒結(jié)礦時(shí)鐵酸鈣生成量增多，硅酸鹽含量相對(duì)減少，有利于降低硅酸鈣低溫還原時(shí)因γ－2CaO·SiO2轉(zhuǎn)變?yōu)棣拢?CaO·SiO2相變引起體積膨脹，從而改善燒結(jié)礦粉化的問(wèn)題；CaO與Fe2O3反應(yīng)生成鐵酸鈣，導(dǎo)致赤鐵礦含量降低，減少了赤鐵礦還原為磁鐵礦時(shí)產(chǎn)生地體積膨脹；同時(shí)，石灰石分解產(chǎn)生更多高活性的CaO，易與其他礦物發(fā)生礦化反應(yīng)，生成低熔點(diǎn)物質(zhì)，使得燒結(jié)礦中粘結(jié)相數(shù)量增加，從而抑制還原過(guò)程中體積膨脹，低溫還原粉化性能得到改善，RDI＋3.15指數(shù)升高。

3.5 機(jī)理分析

為了充分探究不同生石灰含量對(duì)燒結(jié)礦冶金性能的影響，利用SEM對(duì)燒結(jié)礦進(jìn)行礦相分析，圖6是生石灰含量分別為4.0%、4.5%和5.5%的SEM－EDS分析結(jié)果，其中a點(diǎn)白色為鐵氧化物相，b點(diǎn)灰色為鐵酸鈣和復(fù)合鐵酸鈣相，c點(diǎn)黑色為硅酸鹽相。

圖6 不同生石灰含量的SEM－EDS圖

由圖可知，當(dāng)生石灰含量4.0%時(shí)，固液相反應(yīng)不充分，礦相結(jié)構(gòu)不均勻。礦相中大量存在鐵的氧化物，赤鐵礦含量高，在高爐低溫區(qū)被還原成磁鐵礦體積膨脹，造成低溫還原粉化率高。少量分布不均勻熔蝕結(jié)構(gòu)的鐵酸鈣在鐵氧化物周圍生成，使燒結(jié)礦強(qiáng)度受到影響，轉(zhuǎn)鼓指數(shù)低。當(dāng)生石灰含量4.5%和5.5%時(shí)，礦相結(jié)構(gòu)較均勻，以斑狀結(jié)構(gòu)為主，CaO的增多粘結(jié)相中鐵酸鈣相含量逐漸增加，赤鐵礦含量降低，硅酸鹽含量降低，有利于減少低溫還原時(shí)赤鐵礦被還原造成的體積膨脹，同時(shí)也有利于降低硅酸鈣因γ－2CaO·SiO2轉(zhuǎn)變?yōu)棣拢?CaO·SiO2相變引起體積膨脹從而導(dǎo)致燒結(jié)礦粉化的現(xiàn)象，燒結(jié)礦的低溫還原粉化性能得到改善。

4 結(jié)論

1）生石灰和石灰石對(duì)燒結(jié)有不同的影響，在不同原料條件下合理使用，可以有效提高燒結(jié)礦質(zhì)量，降低原料成本；

2）混合料中生石灰配比4.5%為最佳配比量，在生石灰含量4.5%條件下，成品率為82.40%，垂直燒結(jié)速度為20.02mm／min，轉(zhuǎn)鼓指數(shù)為66.10%，低溫還原粉化指數(shù)RDI＋3.15為64.48%；

3）生石灰配加量過(guò)多，消化反應(yīng)劇烈進(jìn)行，燒結(jié)料水分不易控制，影響燒結(jié)礦質(zhì)量，原料成本也增加。