不同含量SiO2 對邯鄲球團質量的影響

孫健寧，劉小杰，嚴照照，盧建光，呂慶

（1.華北理工大學冶金與能源學院，華北理工大學現代冶金技術重點實驗室，河北 唐山 063009；2.河鋼集團邯鄲公司，河北 邯鄲 056009）

生產高品位的球團礦不僅能使生鐵成本得到更好的控制，同時也對生態環境產生了積極的影響。我國大部分鋼鐵企業所生產的球團礦SiO2含量都較高，過高SiO2含量會嚴重影響高爐的順行[1]。適宜的SiO2含量能極大的提高球團礦的冶金性能，而良好的冶金性能也是評價球團礦質量的重要指標。青格勒等人對低硅含鎂球團礦抗壓強度及冶金性能的研究表明：SiO2含量低于2%時會使球團礦的還原膨脹率急劇增加，從而嚴重破壞球團礦的冶金性能[2]。李杰等對SiO2對鎂質酸性球團性能的影響研究表明：隨著SiO2質量分數升高，低溫還原粉化率上升，還原性和還原膨脹率呈直線下降趨勢[3]。Bahgat 等對含SiO2 的浮氏體小餅研究表明：隨著SiO2含量的上升，在金屬鐵表面會產生絮狀結構阻礙了通過空隙的還原氣體，使其還原程度下降[4]。王曉哲等人對低硅含鎂球團礦還原行為研究表明：過高的SiO2質量分數會使球團礦的空隙分不均勻從而使球團礦內外部還原不完全[5]。宋健麗等人對降低酸性球團SiO2含量的措施及效果研究表明：球團礦中SiO2質量分數的增加會提高石灰石的用量且產生的渣量也明顯增多，同時焦比上升[6]。崔智鑫等對巴西卡拉加斯赤鐵礦球團還原膨脹性能研究表明，SiO2質量分數的上升明顯使球團礦的還原膨脹率下降[7]。王兆才等對還原氣氛和脈石成分對氧化球團還原膨脹的影響研究表明：適當的SiO2含量有助于降低還原膨脹率[8]。適宜的SiO2 含量不僅提高球團礦的抗壓強度這一重要指標，還能對于企業的一系列經濟指標起到良好的控制作用，同時對環境的保護和清潔也有積極的影響[9]。本試驗是通過對不同礦粉的配比調節球團礦不同SiO2含量，研究其抗壓強度、還原性、低溫還原粉化率等冶金性能，從而進一步為邯鋼企業的實際生產提供參考依據。

1 原料及方法

1.1 原料及化學成份

采用四種邯鋼現場生產使用的高品位鐵精粉為原料，鐵品位均達到60%左右，粘結劑為邯鋼現場生產使用的膨潤土，四種礦粉和膨潤土成份見表1。

1.2 配礦方案

表1 礦粉的主要化學成分/%Table 1 Main chemical composition of mineral power

根據邯鋼實際生產所使用的四種鐵精粉來控制球團礦的SiO2 含量變化，此次試驗采用2%配比的膨潤土。五組不同SiO2含量的球團礦具體配比見表2。

1.3 試驗方法

表2 配礦試驗方案/%Table 2 Ore matching test plan

根據表2 方案，在直徑為1000 mm 的圓盤造球機上制造生球，然后將制備好的生球在10～ 12.5 mm的篩子上進行篩分，其中生球水分為8%。選取粒度為10～ 12.5 mm的五組生球在溫度為950℃和1250℃的高溫爐中進行預熱和焙燒，其中預熱時間為15 min，焙燒時間為20 min。將焙燒好的五組球團礦根據GB/T 14201-93 進行抗壓強度測試；根據國標GB13241-91 進行球團礦的還原性測定；根據國際標準ISO4696 進行球團礦的低溫還原粉化性；以及根據GB/T 34211-2017進行球團礦的熔滴性的實驗。

2 結果與分析

2.1 不同含量的SiO2對球團礦抗壓強度的影響

圖1 不同SiO2含量球團礦的抗壓強度Fig.1 Compressive strength of different content of SiO2pellets

從圖1 可以看出隨著SiO2含量的增加，球團礦的抗壓強度和生球的抗壓強度都是逐漸降低的。SiO2 含量為3%時球團礦的抗壓強度最高，同時生球的抗壓強度也是最大的，當SiO2含量為7%時球團礦的抗壓強度和生球的抗壓強度最差，球團礦的抗壓強度降低了27.6%，生球強度降低了16.3%，但五組球團礦的抗壓強度均在2000 N以上。

根據球團礦的礦相圖分析可知，隨著SiO2 含量的增加赤鐵礦晶粒尺寸越來越小，且赤鐵礦晶粒周圍的鈣鐵橄欖石越來越多，阻礙了赤鐵礦晶粒連晶發育，同時赤鐵礦晶粒結晶與再結晶所形成的網狀結構越來越復雜。當SiO2含量的為3%時，網狀結構聯結密集同時赤鐵礦晶粒發育很好且尺寸很大，少部分的鈣鐵橄欖石渣相出現在赤鐵礦晶粒周圍，造成球團礦此時強度最強的原因：首先由于鈣鐵橄欖石阻礙了赤鐵礦的發育與再結晶，而SiO2含量為3%時鈣鐵橄欖石產生較少，球團礦強度很強，其次由于少量的鈣鐵橄欖石所形成的液相量較少，而少量的液相量起到粘結作用，有利于提高球團礦的抗壓強度。

圖2 FactSage 模擬球團礦液相量結果Fig.2 Liquid phase results of FactSage simulated pellets

從圖2 的Fctsage 模擬球團礦液相量的圖中可以得到SiO2 含量為3%時液相量較少，所以當SiO2 含量為3%時球團礦的強度最強。當SiO2 含量為7%時，從圖中看到赤鐵礦晶粒的粒徑較小且周圍的鈣鐵橄欖石也較多，過多的鈣鐵橄欖石嚴重阻礙了赤鐵礦的結晶與再結晶，所以組織形成的網狀結構也比SiO2 含量為3%時形成的網狀結構更復雜，同時看出液相量明顯增加，過多的鈣鐵橄欖石的的出現會使球團礦中的液相量明顯增加，但過多的液相量嚴重影響了球團礦的抗壓強度，同時球團礦中出現了氣孔和石英，這也影響了球團礦的抗壓強度，所以當SiO2含量為7%時球團礦的強度最差。

2.2 不同含量的SiO2的球團礦還原性能分析

圖3 不同SiO2含量球團礦還原度曲線Fig.3 Pellet reduction degree curve of different content of SiO2

從圖3可以明顯看出，隨著SiO2含量的增加，球團礦的還原度逐漸下降。SiO2含量為3%時球團礦的還原度最高，達到了83%；SiO2含量增加到5%時，還原度下降了9.64%；當SiO2含量從5%增加到7%時，還原度下降了8%；同時SiO2 含量從3%增加到7%時，還原度下降了大約16.87%。可以得到隨著SiO2含量的增加球團礦的還原度下降幅度很明顯，這是由于隨著SiO2含量的增加，球團礦中鈣鐵橄欖石也隨之增加。根據不同SiO2含量球團礦EDS 圖可以清楚看到赤鐵礦晶粒周圍的難被還原的鈣鐵橄欖石逐漸增多，同時SiO2 含量為3%時，從之前礦相圖可以得到球團礦的赤鐵礦晶粒尺寸較大且赤鐵礦晶粒連晶所形成的網狀結構很密集，所以導致球團礦在SiO2含量為3%時還原度最高，在SiO2含量為7%還原度很低。

2.3 不同含量的SiO2的球團礦低溫還原粉化性

圖4 不同SiO2含量球團礦低溫還原粉化率Fig.4 Low-temperature reduction pulverization rate of pellets with different content of SiO2

從圖4 可以得到，球團礦的低溫還原粉化率逐漸下降但總體下降幅度較小，SiO2 含量從3%增加到7%時，低溫還原粉化率下降1.51%，SiO2含量從3%增加到5%時，低溫還原粉化率基本保持不變。造成粉化率稍有降低的一部分原因是由于SiO2 含量的增加，球團礦中的鈣鐵橄欖石形成的液相量明顯增多，在低溫還原過程中過多的液相量會影響到赤鐵礦晶粒的發育，同時發育不完整的赤鐵礦會被其他低熔點的物相所補充（β-C2S 相轉變成γ-C2S 時體積發生膨脹），這樣會產生過大的應力，而過大的應力在一起累加使得低溫還原粉化率降低[11]，所以當球團礦中的SiO2的含量增加到7%時低溫還原粉化率最低。

2.4 不同含量的SiO2的球團礦熔滴性

從表3 中可以看到，隨著SiO2含量的增加球團礦的T 10 逐漸降低，SiO2含量為3%時T10 溫度最高，軟化性能最好，達到了1217℃，SiO2含量為7%時T 10 溫度最低，達到1170℃，相比SiO2 含量為3%時下降了3.86%，軟化性能最差，但五組球團礦的T10 溫度都達到了1120℃以上；隨著SiO2含量的增加球團礦的T40 也仍然降低但基本都維持在1320～ 1305℃之間，從圖5 明顯看到球團礦的軟化溫度區間變寬，區間值在103～135℃之間。隨著SiO2 含量的增加球團礦的Ts 和Td 逐漸升高，SiO2 含量為3%時Ts 和Td 最低，達到1379℃和1396℃，SiO2含量為7%時Ts 和Td 最高，達到1417℃和1447℃，相比SiO2含量為3%時升高了2.76%和3.65%。

表3 不同SiO2含量球團礦熔滴性結果Table 3 Dropping results of pellets of different content of SiO2

圖5 不同SiO2含量球團礦冶金性能對比Fig.5 Comparison of metallurgical properties of pellets with different contents of SiO2

從圖5 得到球團礦的熔滴溫度區間的寬度（17～ 30℃）和ΔPm 逐漸增加。SiO2含量為3%時球團礦的熔滴區間寬度最窄（區間為17℃）、ΔPm 最小，此時球團礦的熔滴性能最好，當SiO2含量為7%時球團礦的熔滴區間寬度最寬（區間為30℃）、ΔPm 最大，球團礦的熔滴性能最差；隨著SiO2 含量的增加球團礦的熔滴性能總特征值S逐漸增加，SiO2 含量為3%時球團礦的S 值最低，達到60，而SiO2含量為7%時球團礦的S 值最大，達到121，增加了50.42%，從熔滴性能總特征值來分析SiO2含量為3%時球團礦的熔滴性能最好也越有利于高爐的透氣性。造成軟化開始溫度降低的原因一方面是由于隨著SiO2 含量的增加，球團礦的鈣鐵橄欖石的增多，而鈣鐵橄欖石的熔點相對較低，這樣球團礦的軟化開始溫度變低[12]；另一方面隨著SiO2含量的增加，球團礦的還原度逐漸下降，這使得球團礦的孔隙結構變得較差，而孔隙結構也影響著軟化開始溫度。造成ΔPm 逐漸增加的原因是由于熔滴帶厚度從12 mm 增加到21 mm使得氣體受阻造成料上下壓差變大[13]。

3 結 論

（1）隨著SiO2含量的增加，球團礦的抗壓強度和生球的抗壓強度逐漸降低，SiO2含量為3%時生球的抗壓強度和球團礦的抗壓強度最強，分別達到了11.6 N 和3255 N。通過礦相分析主要是由于鈣鐵橄欖石的增加阻礙了赤鐵礦晶粒的發育與連晶，從而使得球團礦的抗壓強度下降，同時通過Fctsage 模擬液相量發現：隨著SiO2含量的增加，液相量上升。而過量的液相也影響了球團礦的抗壓強度。

（2）隨著SiO2含量的增加，球團礦的還原度逐漸下降，SiO2 含量為3%時還原度最高，達到了83%。通過EDS 分析，造成還原度下降的主要原因是由于SiO2含量的增加使得球團礦內難被還原的鈣鐵橄欖石增加，所以球團礦的還原度下降。

（3）隨著SiO2含量的增加，球團礦的低溫還原粉化率下降，但總體下降趨勢不是太大。

（4）隨著SiO2 含量的增加，球團礦的軟化開始溫度降低，其原因一方面是低熔點的鈣鐵橄欖石增多，另一方面由于球團礦的還原度下降使得球團礦的孔隙結構變差。同時隨著SiO2含量的增加軟化溫度區間、熔滴溫度區間變寬，使得球團礦的軟化性能、熔滴性能變差，熔滴性能總特征值S 降低。