余 駿 孟 飛 陳生利 萬 新

(1.廣東韶關(guān)鋼鐵公司煉鐵廠，廣東 韶關(guān) 512123；2.重慶科技學(xué)院，冶金與材料工程學(xué)院，重慶 401331)

0 引言

隨著鋼鐵工業(yè)的發(fā)展，高爐對(duì)入爐原料質(zhì)量要求越來越高，不僅要求入爐料含鐵品位高、冷態(tài)強(qiáng)度好、化學(xué)成分穩(wěn)定，粒度均勻、有害雜質(zhì)少，而且還要具有良好的高溫冶金性能，保證礦石原料在高爐爐身預(yù)熱及爐腰還原等過程中不因強(qiáng)度劣化而影響高爐順行與生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)[1]。燒結(jié)礦作為高爐生產(chǎn)的最主要原料之一，其冶金性能的好壞直接決定著高爐是否順行與優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)。燒結(jié)礦的冶金性能包括還原性(RI)、低溫還原粉化率(RDI)、荷重還原軟化性能和熔融滴落性能。

FeO作為燒結(jié)礦的一種重要成分，其含量是燒結(jié)礦性能最重要評(píng)價(jià)指標(biāo)之一[2-6]。國內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)于FeO對(duì)燒結(jié)礦性能的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：FeO 對(duì)燒結(jié)礦性能有雙重影響，F(xiàn)eO含量過高或過低均不利于燒結(jié)礦產(chǎn)質(zhì)量及冶金性能，在原、燃料及燒結(jié)生產(chǎn)工藝不變的條件下，燒結(jié)礦中FeO含量應(yīng)保持在一個(gè)合理范圍[2-4]。當(dāng)FeO含量較高時(shí)，燒結(jié)礦低溫還原粉化性能較好，但還原性變差；當(dāng)FeO含量較低時(shí)，燒結(jié)礦還原性變好，但會(huì)惡化低溫還原粉化性能，不利于高爐生產(chǎn)與順行[5-8]。為此，基于某鋼鐵公司現(xiàn)場(chǎng)所生產(chǎn)的燒結(jié)礦，研究分析FeO含量對(duì)燒結(jié)礦還原性(RI)、低溫還原粉化率(RDI)、荷重還原軟化性等冶金性能的影響，探討了韶鋼目前燒結(jié)原、燃料及工藝條件下燒結(jié)礦適宜FeO含量。

1 實(shí)驗(yàn)原料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)中所用燒結(jié)礦均取自于某鋼鐵公司5#燒結(jié)機(jī)連續(xù)一個(gè)月所生產(chǎn)的燒結(jié)礦，且分別取自于機(jī)頭、機(jī)中和機(jī)尾三個(gè)位置。由于該公司每半個(gè)月進(jìn)行一次換堆作業(yè)，故該批燒結(jié)礦均來自于兩種不同配礦結(jié)構(gòu)的混勻鐵礦粉，其中1～9號(hào)燒結(jié)礦所用鐵礦粉為混勻鐵礦粉1，10～16號(hào)燒結(jié)礦所用鐵礦粉為混勻鐵礦粉2，配礦結(jié)構(gòu)如表1所示。兩組不同混勻鐵礦粉所配熔劑、燃料以及5#燒結(jié)相關(guān)參數(shù)如表2所示。實(shí)驗(yàn)中所用16組燒結(jié)礦成分如表3所示，由于燒結(jié)過程中配料存在一定波動(dòng)，且取樣位置不同會(huì)導(dǎo)致燒結(jié)礦成分有所變化。

表1 混勻鐵礦粉配礦結(jié)構(gòu)(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

表2 5#燒結(jié)機(jī)主要參數(shù)及配料方案

表3 5#燒結(jié)機(jī)不同取樣時(shí)間和位置的燒結(jié)礦成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 還原性測(cè)定

燒結(jié)礦的還原性主要按照國標(biāo)(GB/T13241-2017)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。稱取500±1 g 粒徑為10.0～12.5 mm燒結(jié)礦試樣。在900±10 ℃下還原3 h。實(shí)驗(yàn)過程中，通入的還原氣體成分為30%±0.5% CO和70%±0.5% N2，還原性氣體的流量為15±1 L/min。實(shí)驗(yàn)完成后稱量試樣質(zhì)量，利用減重法測(cè)定燒結(jié)礦還原度。同一批試樣分兩組測(cè)定取平均值，并保證兩次結(jié)果誤差絕對(duì)值不超過5%。

續(xù)表

1.2.2 低溫還原粉化率測(cè)定

按照國標(biāo)(GB/T13242-2017)稱取10～12.5 mm燒結(jié)礦試樣500±1 g，在500±10 ℃下還原1 h。實(shí)驗(yàn)中，還原氣體的成分為CO(20%±0.5%)和N2(60%±0.5%)，保持氣體流量為15±1 L/min。還原完成后，將試樣全部裝入轉(zhuǎn)鼓(Φ130 mm×200mm，轉(zhuǎn)鼓內(nèi)有兩個(gè)高20 mm的擋板)，并以30 r/min的速度旋轉(zhuǎn)10 min。隨后采用孔徑6.3 mm、3.15 mm、0.5 mm篩分轉(zhuǎn)鼓后試樣，以+6.3 mm、+3.15 mm、-0.5 mm級(jí)的試樣質(zhì)量與轉(zhuǎn)鼓前試樣的總質(zhì)量之比作為燒結(jié)礦低溫還原粉化性能的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

1.2.3 熔滴性能測(cè)定

在高鋁質(zhì)剛玉坩堝中先裝入20 mm焦炭(10.0～15.0 mm)，然后裝入50～60 mm粒度為6.3～10.0 mm的燒結(jié)礦，后再裝入20 mm 焦炭(10.0～15.0 mm)，進(jìn)行還原實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中，控制還原氣體流量為15 L/min，還原氣體成分為30% CO+70% N2。溫度小于900 ℃時(shí)，升溫速度為10 ℃/min，900 ℃時(shí)恒溫60 min，溫度大于900 ℃，升溫速度5 ℃/min；在400 ℃以下，通N2保護(hù)試樣，400 ℃通還原氣體。以試樣收縮4%時(shí)的溫度為開始軟化溫度，試樣收縮40%時(shí)的溫度為軟化終了溫度，兩者溫度差作為軟化區(qū)間。

2 結(jié)果與討論

2.1 FeO對(duì)燒結(jié)礦還原性的影響

由圖1和圖2可以看出，燒結(jié)礦的還原度與其中FeO含量成一定負(fù)相關(guān)關(guān)系。當(dāng)燒結(jié)礦中FeO含量越高則燒結(jié)礦還原性越差；當(dāng)燒結(jié)礦中FeO含量越低，則相反。這是因?yàn)闊Y(jié)礦中FeO含量越高，則還原性較好的Fe2O3含量越少，因此燒結(jié)礦還原性變差。燒結(jié)礦各物相的還原性由高到低依次為：赤鐵礦>鐵酸鈣>磁鐵礦>鈣鐵橄欖石>硅酸鐵。燒結(jié)礦中的FeO主要存在于磁鐵礦、鈣鐵橄欖石和硅酸鐵等還原性較差的物相中，F(xiàn)eO含量增加，則這類還原性較差的物相增多，會(huì)造成燒結(jié)礦還原性變差。此外，有研究表明：FeO含量增加，燒結(jié)礦的結(jié)構(gòu)會(huì)變得更為致密，也會(huì)致使燒結(jié)礦還原性降低[5,9]。

圖1 不同時(shí)間所取燒結(jié)礦的還原度RI與FeO含量

圖2 燒結(jié)礦中FeO含量與對(duì)應(yīng)還原度RI之間擬合圖

2.2 FeO對(duì)低溫還原粉化率的影響

燒結(jié)礦低溫還原粉化率反映著燒結(jié)礦在高爐上部還原強(qiáng)度，是高爐上部透氣性的限制性環(huán)節(jié)，對(duì)高爐生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)有著較大影響。而FeO含量是則燒結(jié)礦低溫還原粉化率的最主要影響因素之一。由圖3和圖4可知，燒結(jié)礦的RDI+3.15變化趨勢(shì)與燒結(jié)礦中FeO含量變化基本保持一致，即燒結(jié)礦的RDI+3.15與FeO成較明顯的正相關(guān)。當(dāng)燒結(jié)礦中FeO含量高時(shí)，則低溫還原粉化指數(shù)RDI+3.15較好。這是因?yàn)闊Y(jié)礦的粉化主要來源于還原過程中α-Fe2O3轉(zhuǎn)變成γ-Fe2O3和Fe3O4所引起的體積膨脹和晶格扭曲所帶來的內(nèi)應(yīng)力。燒結(jié)礦中FeO含量高時(shí)，表明礦物組成中Fe2O3含量低，可以減少因Fe2O3被還原而引起的體積膨脹和內(nèi)應(yīng)力變化所導(dǎo)致的粉碎。此外，F(xiàn)eO主要要來源于磁鐵礦、鈣鐵橄欖石、鈣鐵輝石等礦物，這幾類礦物冷強(qiáng)度均較好，在低溫還原條件下比較穩(wěn)定，具有較好的抗粉化性，也可以進(jìn)一步提高燒結(jié)礦的抗低溫還原粉化率[9]。

圖4 燒結(jié)礦中FeO含量與對(duì)應(yīng)低溫還原

由圖3可以看出，2號(hào)樣品中燒結(jié)礦FeO含量較高，但其低溫還原粉化指數(shù)RDI+3.15仍然低于其他樣品，僅為71.95%。這是因?yàn)樵摕Y(jié)礦中MgO含量高達(dá)2.37%，Mg2+和Fe2+的離子半徑比較接近，Mg2+容易進(jìn)入磁鐵礦晶格，賦存在磁鐵礦中形成鎂尖晶石[(Fe, Mg)O·Fe2O3]，穩(wěn)定磁鐵礦晶格，使得磁鐵礦氧化為赤鐵礦的反應(yīng)受阻，抑制了磁鐵礦中骸晶狀赤鐵礦的生成[10，11]，從而可以減少因赤鐵礦還原產(chǎn)生的體積膨脹而造成的燒結(jié)礦粉化。

圖3 不同時(shí)間所取燒結(jié)礦的低溫還原

2.3 FeO對(duì)軟熔性能的影響

燒結(jié)礦的軟熔性能是反映其在高爐爐身下部和爐腰部位軟化帶的透氣性，這部分的透氣阻力約占高爐總阻力損失的25%[2]，對(duì)高爐是否順行具有較大影響。由圖5可知，燒結(jié)礦的最低開始軟化溫度為1 032 ℃，最高開始軟化溫度為1 074 ℃，均低于一般燒結(jié)礦開始軟化溫度1 100 ℃，這表明5#燒結(jié)機(jī)所產(chǎn)生燒結(jié)礦軟熔溫度偏低。燒結(jié)礦軟化區(qū)間均大于150 ℃，高于燒結(jié)礦通常要求的軟化區(qū)間。這說明5#燒結(jié)機(jī)燒結(jié)礦軟化區(qū)間偏寬，容易導(dǎo)致高爐軟熔帶偏厚。這是因?yàn)闊Y(jié)礦含有較多的FeO，F(xiàn)eO 含量越高，生成的低熔點(diǎn)化合物量越多。因此，F(xiàn)eO含量較高的燒結(jié)礦軟化開始溫度和融化開始溫度會(huì)相對(duì)較低，燒結(jié)礦的軟化溫度偏低，導(dǎo)致軟熔帶上移，高爐上部塊狀帶體積偏小。此外，燒結(jié)礦軟熔區(qū)間偏寬，入爐后易導(dǎo)致高爐軟熔帶較厚，爐料透氣性變差，不利于高爐順行。

圖5 不同時(shí)間所取燒結(jié)礦的軟熔性能

3 結(jié)語

1)5#燒結(jié)機(jī)的燒結(jié)礦的還原度與FeO含量成一定負(fù)相關(guān)關(guān)系。當(dāng)燒結(jié)礦中FeO含量越高則燒結(jié)礦還原性越差；當(dāng)燒結(jié)礦中FeO含量越低，則相反。

2)5#燒結(jié)機(jī)的燒結(jié)礦低溫還原粉化指數(shù)RDI+3.15與FeO含量成較明顯的正相關(guān)。當(dāng)燒結(jié)礦中FeO含量高時(shí)，則低溫還原性粉化指數(shù)RDI+3.15較好。

3)燒結(jié)礦燒結(jié)礦的最低開始軟化溫度為1 032 ℃，最高開始軟化溫度為1 074 ℃，均低于一般燒結(jié)礦開始軟化溫度1 100 ℃。這是因?yàn)闊Y(jié)礦FeO含量越高，生成的低熔點(diǎn)化合物量越多，導(dǎo)致燒結(jié)礦軟化開始溫度和融化開始溫度會(huì)相對(duì)較低。