MgO對高堿度燒結礦強度的影響及機理

范曉慧，李文琦，甘敏，陳許玲，袁禮順，季志云，余志元，黃曉賢，蘇道

(中南大學 資源加工與生物工程學院，湖南 長沙，410083)

造渣是高爐優質高產低耗的重要環節，適宜的MgO質量分數可以改善爐渣的流動性、穩定性及冶金性能，提高爐渣的脫硫能力[1?6]。一般來說，單靠礦石中含有的 MgO難以提供爐渣所需的 MgO[7]，因此，通常在燒結造塊過程中加入含鎂熔劑。當生產高硅低鐵的燒結礦時，添加 MgO能夠改善燒結礦自然粉化和低溫還原粉化性能，且對提高燒結礦強度和高溫還原性能有一定的效果[8?12]。近年來，我國推行精料方針，鐵礦原料由高硅低鐵向高鐵低硅轉變，而低硅原料適合高堿度燒結。以往軟熔性能差、易粉化的情況隨著燒結礦 SiO2含量的降低而得到明顯改善，MgO在燒結礦中的負面影響逐漸顯現[13?15]，因此，研究 MgO對高堿度燒結礦強度的影響及其作用機理對指導燒結配礦和高爐造渣具有積極作用。本文作者采用燒結杯試驗的方法研究 MgO對高堿度燒結礦強度影響，運用錐形法研究燒結物料的液相生成特性，并采用掃描電鏡和光學顯微鏡分別研究燒結礦的礦物組成、顯微結構和熔劑成礦特征，分析 MgO影響高堿度燒結礦強度的機理。

1 原料性能與試驗方法

1.1 原料性能

試驗所用原料包括5種鐵礦石、3種熔劑以及燃料和返礦。各種原料化學成分及粒度組成如表1所示。秘魯礦粒度較小，平均粒徑只有0.25 mm；TFe質量分數高達65.75%，FeO的質量分數較高，達27.30%，屬于磁鐵礦精礦；其他4種鐵礦石粒度較小，均為粉礦。楊迪礦燒損和SiO2質量分數較高，分別為11.07%和 5.62%，為褐鐵礦。澳礦、印度礦和南非礦均為赤鐵礦，其 TFe的質量分數分別為 61.79%，62.80%和64.33%，其中澳礦中 SiO2的質量分數相對較低，為4.22%。

1.2 試驗方法

1.2.1 燒結杯實驗

首先，將鐵礦石、熔劑、焦粉、返礦等燒結物料按質量配比進行配料，基準配礦方案如表1所示，其中返礦為外配。燒結礦化學成分(質量分數)為：TFe 56.8%，SiO24.8%，R 2.0%，Al2O31.70%；MgO的質量分數通過改變白云石的配比進行控制。配料后，將混合料充分混勻并在圓筒混合機中制粒4 min，然后布料、點火、燒結。燒結試驗在直徑×高為 150 mm×700 mm的燒結杯中進行，在溫度(1 050±50)℃、負壓為5 kPa的條件下點火1 min，在燒結過程中負壓為10 kPa，當燒結廢氣溫度達到最高時即為燒結終點。將燒結礦冷卻后，進行落下、篩分、轉鼓強度等檢測。

1.2.2 錐形法測液相生成特性

將混合料中粒度小于0.5 mm的鐵礦石、石灰石、白云石、返礦、生石灰篩分分離，將其磨碎至粒度小于0.074 mm，然后，按比列混合均勻后壓制成三角錐。將三角錐放入加熱爐中焙燒，每隔10 s拍攝1組三角錐形狀圖片，由圖片處理軟件分析三角錐形狀的變化獲得液相生成特性，具體檢測方法見文獻[16]。

1.2.3 熔劑成礦的檢測方法

將粒度為2.0～3.0 mm的石灰石、白云石分別和鐵礦石、生石灰配料，混合均勻后將混合料壓制成長×寬為20 mm×20 mm的團塊，將團塊在1 300 ℃時焙燒10 min，冷卻后將燒結塊制成光片，在光學顯微鏡下觀察石灰石、白云石的成礦行為。

表1 燒結原料的化學成分和粒度Table 1 Chemical composition of materials and their size composition

2 試驗結果與分析

2.1 MgO對高堿度燒結礦的影響

在燒結礦堿度為2.0的條件下，通過調整白云石的配比改變燒結礦中的MgO的質量分數，MgO的質量分數提高對燒結礦轉鼓強度的影響如圖1所示。由圖1可見：燒結礦轉鼓強度隨著MgO的質量分數提高而逐漸降低，當 MgO的質量分數由 1.15%提高到3.50%時，轉鼓強度從71.33%降低到61.13%。由此可知：MgO的質量分數的提高對高堿度燒結礦強度不利。

圖1 MgO含量對轉鼓強度的影響Fig.1 Influence of MgO on tumble index of high basicity sinter

2.2 MgO降低燒結礦強度的機理分析

2.2.1 MgO的質量分數對燒結物料液相生成特性的影響

采用錐形法檢測燒結物料的液相生成特性，結果見表2。從表2可見：隨著MgO質量分數的增大，燒結物料開始形成液相的溫度變化不大，為1 236～1 249℃；但完全生成液相的溫度和液相自由流動的溫度隨MgO的增大而提高，特別是當MgO質量分數提高到2.0%以 后，提高幅度更加明顯；在1 300 ℃下，液相生成量隨著 MgO質量分數的提高而逐漸減小，當MgO質量分數低于2.0%時，液相生成量為100%；當MgO提高到3.5%時，液相量降低到67.24%。因此，MgO質量分數的提高不利于燒結物料生成液相，使得燒結礦強度變小。

表2 MgO對燒結物料液相生成特性的影響Table 2 Influence of MgO on property of liquid formation for sintering materials

2.2.2 MgO的質量分數對燒結礦礦物組成和微觀結構的影響

MgO的質量分數對燒結礦中磁鐵礦、鐵酸鈣質量分數的影響見圖2。從圖2可見：隨著MgO質量分數的提高，燒結礦中鐵酸鈣質量分數降低，磁鐵礦的質量分數增大；當MgO從1.15%提高到3.50%時，燒結礦中磁鐵礦的質量分數從 16.22%提高到 24.73%，鐵酸鈣從38.51%降低到30.46%。

對MgO質量分數為3%的燒結礦進行X線能譜分析，主要礦物磁鐵礦(A點)、鐵酸鈣(B點)、硅酸鹽(C點)的成分組成如圖3所示。由圖3可見：磁鐵礦中MgO質量分數最高，而鐵酸鈣和硅酸鹽中MgO質量分數都比較低，因此，Mg2+主要擴散進入磁鐵礦中。由于Mg2+和Fe2+的離子半徑比較接近，Mg2+容易進入磁鐵礦晶格，賦存在磁鐵礦中形成鎂尖晶石[(Fe,Mg)O·Fe2O3]，可穩定磁鐵礦晶格，使得磁鐵礦氧化為赤鐵礦的反應受阻，因而燒結礦中磁鐵礦含量增大；同時，由于赤鐵礦生成受阻抑制鐵酸鈣的生成。鐵酸鈣是高堿度燒結礦的主要粘結相，其含量降低不利于燒結礦強度的提高，這也造成燒結礦轉鼓強度降低。

圖2 MgO對燒結礦礦物組成的影響Fig.2 Influence of MgO on mineral composition of sinter

圖3 MgO在燒結礦中的主要賦存狀態Fig.3 Main deposit state of MgO in sinter

圖4 MgO對燒結礦微觀結構的影響Fig.4 Influence of MgO on microstructure of sinter

MgO質量分數對燒結礦微觀結構的影響見圖4。由圖4可見：當MgO質量分數較低時，Fe3O4與鐵酸鈣粘結相形成良好的交織結構，液相量較多，孔隙率小，針柱狀鐵酸鈣結構發達，因而燒結礦強度高。當MgO質量分數較高時，燒結礦中生成大塊再結晶磁鐵礦，針柱狀鐵酸鈣質量分數顯著降低，且向板塊狀發展，這些均不利于燒結礦強度的提高。

2.2.3 白云石的成礦特征

增加燒結礦中的 MgO質量分數的提高主要是通過提高白云石替代石灰石的添加量來實現，因此，研究白云石和石灰石的成礦行為，以比較兩者在成礦過程中參與化學反應的難易程度。研究粒度為 2～3 mm的石灰石、白云石的成礦行為，試驗結果見圖5。由圖5可見：粒度為2～3 mm的石灰石能夠完全參與成礦，且反應的產物被同化，微觀結構比較均一化；而粒度為2～3 mm的白云石有未反應完全的殘核，說明白云石的成礦能力比石灰石的弱。采用SEM-EDS對圖5(b)白云石成礦進行分析，結果見圖6。從圖6可知：位置點1的Ca和Mg質量分數高，而Fe的質量分數低，說明其為未礦化的白云石殘核。而在產物層中，由于Ca2+和Mg2+向外擴散，Ca和Mg質量分數逐漸降低；當堿度一定時，隨著MgO質量分數提高，白云石的配加量增多，而石灰石的配加量減少，由于白云石的反應能力比石灰石的弱，導致燒結物料中熔劑與鐵礦石的反應能力降低，使得燒結礦強度降低。

圖5 熔劑與鐵礦石反應的微觀結構圖Fig.5 Microstructure of reaction between flux and iron

圖6 白云石成礦特征Fig.6 Mineralization behavior of dolomite

3 結論

(1)隨著MgO質量分數的增大，燒結礦強度逐漸降低。當MgO質量分數由1.15%提高到3.5%時，轉鼓強度從71.33%降低到61.13%。

(2)隨著MgO質量分數的提高，燒結物料的液相開始生成溫度變化不大，液相完全生成溫度和液相自由流動溫度都明顯升高，液相生成量減少，因而，液相生成較困難。

(3)在燒結過程中，Mg2+進入磁鐵礦晶格，主要賦存于磁鐵礦中，形成鎂尖晶石[(Fe,Mg)O·Fe2O3]，穩定了磁鐵礦晶格，使得磁鐵礦氧化受阻。隨著 MgO質量分數增大，燒結礦礦物組成中的磁鐵礦質量分數增加，鐵酸鈣質量分數降低，從而使燒結強度降低。

(4)白云石與鐵礦石的反應能力和石灰石相比相對降低。MgO質量分數提高，使得白云石配入量增大，而石灰石配比降低，導致熔劑與鐵礦石的反應能力下降，反應不充分，有未反應核顆粒殘留，因而，燒結礦強度變小。

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