陳小敏 湛文龍 杜曉東 高景棟 王中奇 吳 鏗

(1. 中冶京誠(chéng)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(duì)爐內(nèi)煤氣流分布和還原過(guò)程都會(huì)產(chǎn)生明顯的影響，進(jìn)而影響焦比[1]；同時(shí)也是高爐下部順行的限制性環(huán)節(jié)，高爐操作理念由過(guò)去上部調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)變?yōu)橄虏空{(diào)節(jié)為主的原因所在?，F(xiàn)階段我國(guó)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(cè)，但是燒結(jié)礦所占比例說(shuō)明燒結(jié)礦對(duì)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]?，F(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(dòng)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(guò)燒結(jié)杯實(shí)驗(yàn)研究燒結(jié)礦基礎(chǔ)特性，然后對(duì)成品燒結(jié)礦進(jìn)行熔滴實(shí)驗(yàn)檢測(cè)其軟熔性能。熔滴實(shí)驗(yàn)復(fù)雜且耗時(shí)長(zhǎng)，所以有必要通過(guò)較為簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)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(dòng)性能指燒結(jié)過(guò)程中鐵礦粉與CaO反應(yīng)生成液相的流動(dòng)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(duì)國(guó)外幾種常見的鐵礦粉進(jìn)行了研究，以期對(duì)實(shí)際燒結(jié)生產(chǎn)配礦提供指導(dǎo)。

1 同化性能及流動(dòng)性能實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原理及方法

文章擬定測(cè)量表1中配礦方案的同化性能和流動(dòng)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(shí)驗(yàn)設(shè)備：可視臥式高溫爐(型號(hào)：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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)過(guò)程中還原性氣氛。

圖1 實(shí)驗(yàn)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(dòng)性能試驗(yàn)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(diǎn)，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(shí)驗(yàn)氣氛(室溫～1 150 ℃，氮?dú)猓? L/min；1 150 ℃～實(shí)驗(yàn)結(jié)束，3 L/min，空氣)進(jìn)行焙燒，圖像和數(shù)據(jù)信息由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在升溫過(guò)程中采集，同化性能實(shí)驗(yàn)和流動(dòng)性能實(shí)驗(yàn)過(guò)程特征分別如圖3和圖4。

圖2 實(shí)驗(yàn)試樣

1.2 配碳量的確定

由于CO還原作用，熔滴實(shí)驗(yàn)中渣相主要成分是FeO、CaO和SiO2。同化性能和流動(dòng)性能實(shí)驗(yàn)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(dòng)性能實(shí)驗(yàn)和熔滴實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)過(guò)程特征

圖4 流動(dòng)性能實(shí)驗(yàn)過(guò)程特征

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

>570 ℃時(shí) Fe2O3→Fe3O4→FexO(FeO)→Fe

(1)

<570 ℃時(shí) Fe2O3→Fe3O4→Fe

(2)

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

3.相對(duì)濕度。豬舍內(nèi)要保持合適的濕度，假如過(guò)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(duì)高點(diǎn)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(shí)，F(xiàn)e元素將全部轉(zhuǎn)化為FeO?？紤]混料時(shí)的偏析及損失，實(shí)驗(yàn)采用6%配碳量進(jìn)行。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果

五種方案礦粉同化性能和流動(dòng)性能采用新的方法進(jìn)行測(cè)定，新方法能夠更加準(zhǔn)確地反映實(shí)驗(yàn)的過(guò)程信息[7-9]。同化性能實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示，開始同化時(shí)刻時(shí)間記為t1，溫度記為T同1；同化反應(yīng)終點(diǎn)時(shí)刻時(shí)間記為t2，溫度記為T同2。所以同化反應(yīng)時(shí)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(diǎn)由圖3確定。

表4 同化性能實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

對(duì)鐵礦粉流動(dòng)性能評(píng)價(jià)采用以實(shí)際生產(chǎn)溫度為基準(zhǔn)的量綱為1的流動(dòng)性特征數(shù)模型[9]，表達(dá)式為：

(5)

式中：η為面積增長(zhǎng)率，η=(S2-S1)/S1，%，其中S1和S2分別為液相流動(dòng)起點(diǎn)和終點(diǎn)時(shí)的試樣面積；T為流動(dòng)溫度，即流動(dòng)起點(diǎn)與終點(diǎn)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(dòng)起點(diǎn)和終點(diǎn)時(shí)的溫度；H為升溫速率(實(shí)驗(yàn)過(guò)程1 150 ℃以上的升溫速率)，K/s；t為液相流動(dòng)時(shí)間，即流動(dòng)起點(diǎn)到終點(diǎn)所需時(shí)間，t=(t2-t1)，s，其中t1和t2分別為液相流動(dòng)起點(diǎn)和終點(diǎn)時(shí)刻；T標(biāo)是標(biāo)準(zhǔn)燒結(jié)溫度。

在此基礎(chǔ)上所測(cè)得的流動(dòng)性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

2 熔滴實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

按照表1中的配礦方案進(jìn)行燒結(jié)杯實(shí)驗(yàn)，對(duì)所得到的燒結(jié)礦進(jìn)行熔滴實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果主要指標(biāo)如表6所示。

熔滴實(shí)驗(yàn)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(diǎn)渣的熔點(diǎn)；同時(shí)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(diǎn)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(dòng)性特征數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表6 熔滴實(shí)驗(yàn)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(dòng)性特征數(shù)LD實(shí)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(shí)驗(yàn)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(diǎn)渣相為CaO·FeO·SiO2。開始熔融溫度(Ts)取決于含F(xiàn)eO的低熔點(diǎn)渣的熔點(diǎn)，所以Ts反映的是生成CaO·FeO·SiO2渣相溫度。在測(cè)定鐵礦粉同化性的實(shí)驗(yàn)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(diǎn)，也可取決于鐵相熔點(diǎn)[15]，其含義是液相大量生成的起點(diǎn)。流動(dòng)性實(shí)驗(yàn)和熔滴實(shí)驗(yàn)中熔體成分是接近的，液相流動(dòng)起點(diǎn)溫度(T流1)反映的也是液相大量生成的起點(diǎn)；

(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(shí)間(t)是一對(duì)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(shì)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(duì)燒結(jié)礦的軟熔性能進(jìn)行預(yù)測(cè)是可行的。

圖5 熔滴性能總特性值與熔融特性參數(shù)對(duì)比

圖6 熔滴性能總特性值與熔融性能特征數(shù)對(duì)比

3 結(jié)論

在測(cè)定鐵礦粉同化性能和流動(dòng)性能的實(shí)驗(yàn)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(guò)程信息，即基于多因素考慮定義了評(píng)價(jià)指標(biāo)，因此對(duì)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(yàn)證配礦方案的燒結(jié)杯實(shí)驗(yàn)任務(wù)量還是很大，文章所使用的測(cè)定鐵礦粉同化性和流動(dòng)性的方法能對(duì)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(shí)驗(yàn)和熔滴實(shí)驗(yàn)。

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(duì)燒結(jié)配礦方案進(jìn)行驗(yàn)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。