MgO以及裝料方式不同對燒結礦熔滴性能的影響

郭 賀，沈峰滿，柳明旭，張 櫪，鄭海燕，姜 鑫(東北大學冶金學院，沈陽110819)

MgO以及裝料方式不同對燒結礦熔滴性能的影響

郭 賀，沈峰滿，柳明旭，張 櫪，鄭海燕，姜 鑫
(東北大學冶金學院，沈陽110819)

本文主要以高、低MgO為原料，采取普通裝料和混裝焦炭兩種方式，系統地研究了MgO質量分數以及裝料方式不同對于熔滴性能的影響，并對一些實驗結果進行了理論分析.結果表明：隨著MgO質量分數提高，軟化區間tD-tS變寬，軟熔帶溫度區間tD-t10變寬,最大壓差ΔPmax上升.高MgO燒結礦與焦炭混合使用，軟化區間tD-tS變窄，軟熔帶溫度區間tD-t10變窄，最大壓差ΔPmax降低.因此，在MgO質量分數一定時，采用混裝焦炭方式進行生產，高爐內熔滴性能最好.

裝料方式；熔滴；混裝焦炭

高爐煉鐵入爐的主要原料是高堿度燒結礦配加少量酸性球團礦，因此燒結礦在入爐原料中的地位很重要.在眾多冶金性能中，燒結礦的熔滴性顯得尤其重要：熔滴性較好的爐料，會提高高爐透氣性，保證高爐順行，從而提高高爐生產率；還原性的差異也會對熔滴性造成影響，因此一般來說原料的熔滴性好還原性也較好，從而可以降低焦比,節省原料，產生更好的經濟效益.

國內外的研究人員對于冶煉原料的熔滴性能做了大量的研究.Loo等人[1]曾經研究塊礦和燒結礦的熔滴行為.他們指出20%塊礦與80%燒結礦混合使用，混合爐料熔滴性與單獨使用燒結礦的性質一致，因此世界上大多數鋼鐵企業使用這種配比.Matsumura等人[2]研究了化學成分對燒結礦軟熔性的影響：Al2O3對燒結礦軟熔性影響較小，低含量的SiO2和CaO有很好的熔滴性，白云石代替蛇紋石作為添加劑的高MgO燒結礦熔滴性較好.Kemppainen等人[3]研究了酸性球團礦以及橄欖石熔劑性球團礦對熔滴性的影響：酸性球團礦和橄欖石熔劑性球團礦都是在 1 150 ℃ 時快速軟化，酸性球團礦在 1 200 ℃ 時收縮率為40%，但是橄欖石熔劑性球團礦在 1 350 ℃ 時收縮率僅僅為30%～35%.Guo等人[4]研究了還原度與熔滴性的關系，他們指出：與低還原度相比，燒結礦在高還原度下，會發生明顯的微觀結構改變，浮氏體減少以及金屬鐵增加，抵抗變形的能力加強，從而軟化性能加強.燒結礦的還原度較高時，渣相被金屬鐵分割，這種特定的結構以及2FeO·SiO2的減少使熔化溫度提高.

前人對于熔滴性已經做了很多的研究，本文主要在原來的基礎上，通過比較MgO以及裝料方式的不同，探究影響熔滴性能因素，以期對實際生產起到指導作用.

1 實驗內容及步驟

1.1 實驗儀器以及實驗原料

采用東北大學RSZ-03型礦石冶金性能綜合測定儀進行實驗，其設備如圖1所示.該實驗設備由計算機測控系統控制，可測定鐵礦石高溫軟化滴落性能，通過設置在底部的攝像頭可看到滴落時的影像.

實驗原料采用國內某大型鋼鐵廠制備的燒結礦，其化學成分如表1所示.

圖1 熔滴實驗裝置Fig.1 Experimental device for the sintering ore softening 1—壓力檢測； 2—位移檢測； 3—爐溫和樣溫檢測; 4—實驗原料； 5—氣體入口；6—滴落物質量檢測； 7—電腦控制系統; 8—氣體罐

表1 燒結礦成分(質量分數)

圖2 焦炭混裝裝料方式Fig.2 Burden charging pattern of the sintering ore mixed with coke

表1中，1號為高MgO燒結礦，2號為低MgO燒結礦，3號采用焦炭混裝(具體裝料方式如圖2所示)但是使用高MgO燒結礦.為減少實驗誤差，我們需將燒結礦的粒度統一，即將燒結礦的粒度篩分到10～12 mm粒級.混裝到燒結礦中的焦炭粒度為3～5 mm，上下層焦炭粒度為10～12 mm.

1.2 實驗步驟

(1)裝料

將30 g焦炭作為底焦均勻地鋪在石墨坩堝的下部，然后再將烘干好的燒結礦500 g放在底焦的上面(如果采用混裝焦炭的方式裝料，需要將25 g焦炭混入500 g燒結礦中)，最后在燒結礦上面均勻地鋪90 g焦炭，裝料完成以后，將坩堝連同壓桿平穩地放入還原爐管內，接好熱電偶，密封實驗裝置，即可開始實驗.

(2)升溫及氣氛條件(見表2)

(3)實驗結束以及數據的分析

熔滴爐的溫度達到1 570 ℃時，需在1 570 ℃恒溫10 min，然后將CO和加壓氮氣關閉，使熔滴爐內沒有殘余的加壓氮氣和CO,最終保存實驗數據.通0.3 m3/h的N2作為保護氣體，直至爐溫下降到500 ℃以下，然后關閉實驗儀器、保護氣體以及冷卻水.我們需要將最終的滴落物和未滴落物收集，然后進行一系列檢測，如XRD，化學分析等.

表2 礦石軟化及熔滴實驗條件[5]

2 實驗結果

在進行討論前，需對以下溫度進行定義.t10：軟化開始溫度，即收縮率為10%時的溫度；t40：軟化終了溫度，即收縮率為40%時的溫度；tS： 熔化開始溫度，即壓差為2 kPa的溫度；tD:熔化終了溫度(滴落溫度)，即出現滴落物時的溫度.t40-t10：軟化溫度區間；tD-tS：熔化溫度區間；tD-t10:軟熔帶溫度區間.如圖3所示.

圖3 樣品溫度定義Fig.3 Definition of the melting and dropping temperature

圖4 不同試樣對軟化區間、熔化區間、以及軟熔帶溫度區間的影響Fig.4 Effects of burden structure on softening zone, melting zone and dropping zone

實驗結束后，得到的結果如表如圖4和表3所示.通過圖4，可明顯得出三組實驗的軟化區間變化不大.對于熔化區間，MgO質量分數為0.9%時，熔化區間為191 ℃；2.0%時，熔化區間 207 ℃，熔化區間會在原來基礎上提高了8.3%，MgO質量分數降低會使熔化區間變窄，從而提高

透氣性，有利于高爐生產.當采用焦炭混裝的方式進行實驗時，熔化區間會進一步降低，其溫度為156 ℃，說明混裝方式是一種有益的裝料方式，在用料相同時，熔化區間會降低.通過對比軟熔帶溫度區間，可知：混裝焦炭時，軟熔帶溫度區間最小，即軟熔帶最窄，其余兩種方式的軟熔帶溫度區間基本上沒有太大的區別.由于在實驗室條件下，高、低MgO差異性不明顯，需在實際生產條件下進一步探究兩者的關系.

通過表3，可得出MgO含量不同時，tS沒有差別，但是采用焦炭混裝時，tS略微上升，由 1 312 ℃ 提高到1 324 ℃.高MgO時tD較高，為 1 519 ℃，低MgO時tD為1503 ℃，如果采用焦炭混裝時，tD溫度會進一步降低，低于 1 500 ℃，為1 480 ℃.

表3 各個代表性的溫度

圖5 溫度與收縮率關系Fig.5 Relationship between contraction ratio and temperature

圖6 溫度與壓差關系Fig.6 Relationship between pressure drop and temperature

圖5和圖6分別表示溫度與收縮率以及與壓差的關系.通過圖5，可看出混裝焦炭時收縮率的變化速度略微比普通裝料慢，三者基本都是在 1 000 ℃ 開始收縮，高、低MgO時收縮率變化的規律基本一致，最終的收縮率也一致，收縮率達到66%，采用焦炭混裝時的最終收縮率要比普通裝料方式高，最終收縮率為71%.由于實驗過程中氣氛、溫度等實驗條件波動會對收縮率造成影響，故溫度-收縮率曲線出現一定范圍的波動.

由圖6可明顯看出高MgO時的最大壓差最高，其次為低MgO，焦炭混裝時的最大壓差最低.w(MgO)=2.0%時，最高為11 kPa;采用焦炭混裝時，最大壓差為7 kPa；w(MgO)=0.9%時，最大壓差為10 kPa.

3 結果分析

w(MgO)=0.9%以及w(MgO)=2.0%時，tS沒有差別，為 1 312 ℃.實驗過程中，溫度達到tS時，停止實驗，得到的樣品如圖7所示，將樣品進行化學成分分析，如表4所示.

圖7 tS時的實驗樣品Fig.7 Experimental specimens at tS(a)—w(MgO)=0.9%; (b)—w(MgO)=2.0%)

表4 tS時化學成分(質量分數)

通過實驗樣品，可明顯看出使用高、低MgO燒結礦時，樣品外觀上基本沒有變化，由表4可知：樣品中的Fe都是以FeO形式存在，還沒有出現Fe.假設初始礦石中Fe都以Fe2O3形式存在，則還原到FeO時還原度約為33%，MgO含量不同時還原性的差異沒有體現出來.

圖8為CaO-SiO2-FeO三元相圖，可看出w(FeO) 為80%時，渣的熔點大約為 1 300 ℃，且在此區域時，為爐渣的最低熔點，高于或低于此含量，熔化溫度都要高于 1 300 ℃，如圖9所示，因此試樣在此階段最容易熔化.實驗中的實際溫度為 1 312 ℃，由于試樣中的FeO質量分數高于80%，為86%，且燒結礦內不可能只由CaO-SiO2-FeO三元系組成，還含有Al2O3、MgO等其他組分，會組成其他復雜的化合物，因此熔化開始溫度比 1 300 ℃ 略高，實際熔化溫度為 1 312 ℃.

如果采用焦炭混裝的方式進行熔滴實驗，tS略微上升，可能是由于焦炭混入燒結礦中，會發生C的熔損反應，即產生的CO2和焦炭發生反應，產生更多的CO，加劇還原，FeO含量降低.通過圖8以及圖9，可看出FeO含量降低，渣的熔點提高，從而tS上升.

當燒結礦中混入焦丁后，即采用焦炭混裝的方式進行熔滴實驗，焦炭中的灰分會以SiO2形式進入初渣中，具體成分如表5所示.

圖8 CaO-SiO2-FeO三元相圖(圓點為堿度1.7時，高、低MgO中FeO成分點)Fig.8 Phase diagram of CaO-SiO2-FeO

圖9 R=1.7時，渣的熔點變化圖Fig.9 Melting point of the slag when R is equal to 1.7

表5 未混焦丁和混入焦丁成分表(質量分數)

通過表5，可知：混入焦炭以后通過改變SiO2含量從而改變爐渣堿度，使得堿度降低，從1.7降低到1.52，在相圖中，隨著堿度降低，爐渣成分會從兩相區向液相區移動，如圖10所示，從而熔點降低，即tD會降低.

滴落溫度主要是由鐵相和渣相兩者共同決定.MgO的添加會使初渣中產生高熔點的物質，如鎂黃長石、鈣鎂橄欖石等；鐵相中MgO含量升高，會提高其熔點，兩方面原因造成了熔點變化，從而添加MgO后，tD會上升[6].

由于滴落溫度的差異，高MgO時的tD要比低MgO時高，tD會影響軟熔帶下沿的溫度；tS會決定著軟熔帶上沿溫度，但是tS基本上沒有差異.因此w(MgO)=2.0%時的軟熔帶會比w(MgO)=0.9%時的寬，造成透氣性變差，從而使料柱壓差變大.

如果采取混裝焦炭的實驗方法，tS略微上升，提高軟熔帶上沿溫度；tD下降，降低軟熔帶下沿溫度，從而軟熔帶變薄，為三組實驗中軟熔帶最薄的，透氣性最好，料柱壓差最小.

圖10 CaO-SiO2-FeO三元相圖(1 500 ℃等溫界面圖)Fig.10 Phase diagram of CaO-SiO2-FeO(1 500 ℃ isothermal section)

4 結 論

(1)燒結礦中MgO含量升高，熔化區間提高(tD-tS:191 ℃→207 ℃)，軟熔帶溫度區間變寬(tD-t10:375 ℃→377 ℃)，最大壓差變大(ΔPmax:10 kPa→11 kPa)

(2)礦焦混裝可有效改善高MgO燒結礦的軟熔性能.MgO質量分數為2.0%混入5%的焦丁后，熔化區間降低(tD-tS:207 ℃→156 ℃)，軟熔帶溫度變窄(tD-t10:377 ℃→310 ℃)，最大壓差降低(△Pmax:11 kPa→7 kPa)

[1]Loo C E, Matthews LT, O'Dea DP. Lump ore and sinter behaviour during softening and melting[J]. ISIJ International, 2011, 51(6): 930-938.

[2]Matsumura M, Hoshi M, Kawaguchi T. Improvement of sinter softening property and reducibility by controlling chemical compositions[J]. ISIJ International, 2005, 45(4): 594-602.

[3]Kemppainen A, Ohno K, Iljana M,etal. Softening behaviors of acid and olivine fluxed iron ore pellets in the cohesive zone of a blast furnace[J]. ISIJ International, 2015, 55(10): 2039-2046.

[4]Guo WT, Xue QG, Liu YL,etal. Microstructure evolution during softening and melting process in different reduction degrees[J]. Ironmaking & Steelmaking, 2016, 43(1): 22-30.

[5]姜鑫. 高爐爐料中合理利用含MgO原料的基礎理論研究[D]. 沈陽：東北大學，2008. (Jiang Xin. Fundamental study on reasonable utilizating of raw material containing MgO in the burden of BF[D]. Shenyang: Northestern University, 2008.)

[6]柳政根, 儲滿生, 陳立杰, 等. 燒結礦中MgO對釩鈦礦綜合爐料軟熔滴落的影響[J]. 東北大學學報(自然科學版), 2015, 36(05): 655-659. (Liu Zhenggen, Chu Mansheng, Chen Lijie,etal. Effects of MgO content in sainter on softening-dripping behavior of vanadium-titanium magnetite composite burdens[J].Journal of Northeastern University (Natural Science), 2015, 36(05): 655-659.)

Effects of MgO and burden charging pattern of the sinter ore on melting and dropping

Guo He, Sheng Fengman, Liu Mingxu, Zhang Li, Zhen Haiyan, Jiang Xin

(School of Metallurgy, Northestern University, Shenyang 110819, China)

Effects of MgO content and burden charging pattern in sintering ore on softening-dropping behavior were studied. The results showed that with MgO content increase, the melting temperature intervaltD-tSbecomes wide, cohesive zone temperature intervaltD-t10becomes wide, the maximum pressure drop ΔPmaxincreases. When the high MgO sintering ore is mixed with coke, the melting temperature intervaltD-tSbecomes narrow, cohesive zone temperature intervaltD-t10becomes narrow, the maximum pressure drop ΔPmaxdecreases. It was found that when MgO content is constant, the burden charging pattern of sintering ore mixed with coke can get a better dropping behavior.

burden charge pattern; melting-dropping; mixed coke

10.14186/j.cnki.1671-6620.2017.01.003

TF 513

A

1671-6620(2017)01-0013-06