鐵礦粉同化性與流動性試驗研究

2021-07-15 06:19:46

工業加熱 2021年6期

(1.首鋼水城鋼鐵(集團)有限責任公司，貴州六盤水 553028； 2.河鋼集團鋼研總院，河北石家莊 050023；3.中國鋼研科技集團有限公司鋼鐵研究總院，北京 100081； 4.中鐵現代物流科技有限公司，北京 100080；5.北京科技大學冶金與生態工程學院，北京 100083； 6.河鋼股份有限公司承德分公司，河北承德 067102)

針對鋼鐵企業對鐵礦石資源的巨大需求以及進口優質鐵礦石價格大幅上漲的現狀，如何在保證燒結礦產量、質量的前提下做到劣質礦和優質礦的合理搭配，降低優質礦的使用消耗，控制燒結成本，對于各大鋼企的可持續發展具有重大的經濟與戰略意義。同化性、液相流動性作為鐵礦粉燒結階段重要的基礎特性，分別表征了生成液相及“有效液相”的難易程度[1]。熟知鐵礦粉的基礎特性，可以為合理配礦提供理論指導與數據支撐。本文通過實驗獲得首鋼水鋼燒結用鐵礦粉的基礎特性，并提出根據鐵礦粉高溫特性的配礦方案，為燒結階段合理配礦提供強有力的技術支撐。

1 試驗原料與研究方法

試驗材料來源于首鋼水鋼現場配礦采用的鐵礦粉，分別為：62巴西、61澳粉、57澳粉、南非粉、焙燒粉、48粉、鐵精粉、菱鐵粉，文中的代碼分別為：62BX、61AF、57AF、NFF、BSF、48F、TJF、LTF；將鐵礦粉烘干后磨至200目送化學分析。

用同化性說明鐵礦粉與CaO間的反應能力，鐵礦粉形成黏結周圍未熔物的有效液相量用流動性進行表征，通過微型燒結試驗研究不同鐵礦粉高溫特性間的差異(見圖1～圖2)。

圖1 鐵礦粉同化性實驗流程圖

圖2 鐵礦粉液相流動性實驗流程圖

2 實驗結果

經化學法得到的鐵礦粉基本成分，如表1所示；本文以楊迪礦為參照，獲得了鐵礦粉的同化溫度，如表2所示，液相流動性的檢測結果如表3所示。

表1 水鋼燒結常用鐵礦粉化學成分 %

表2 鐵礦粉的最低同化溫度測試結果

表3 鐵礦粉的液相流動性測試結果

基于檢測結果，鐵礦粉同化性間具有顯著的差別，同化性溫度從高到低的順序為：BSF>LTF>61AF>TJF>48F>62BX>NFF>57AF(見圖3)。

圖3 礦粉液相流動性指數隨溫度變化示意圖

在溫度分別為1 240、1 280、1 320時，鐵礦粉的液相流動性由大到小的順序分別為：62BX>TJF>48F>NFF>LTF>61AF>BSF>57AF、62BX>48F>TJF>NFF>57AF>61AF>LTF>BSF、62BX>TJF>48F>NFF>57AF>61AF>LTF>BSF。

3 影響鐵礦粉高溫特性的因素分析

3.1 鐵礦粉的同化性與流動性的關系

鐵礦粉同化性與液相流動性間的關系如圖4所示。

由圖4可知，同化性與流動性間呈倒“V”的關系，鐵礦粉的液相流動性隨同化溫度的升高表現出先增加后降低的規律[2]。雖然鐵礦粉同化性提高可以促進液相流動性，但若同化性過高后液相流動性可能因液相量增加、黏度的提高而降低。

圖4 鐵礦粉同化性與液相流動性關系圖

3.2 鐵礦粉同化性影響因素分析

3.2.1 鐵礦粉的鐵礦物類型

鐵礦粉的礦物類型與其在燒結過程中的行為直接相關，也決定了同化性反應的強弱。褐鐵礦物和赤鐵礦物易發生同化反應，磁鐵礦物卻難以發生同化反應，而褐鐵礦粉最易同化，赤鐵礦在氧化性氣氛下也易于同化[3]。62BX、TJF作為典型的赤鐵礦，61AF為半褐鐵礦，62BX、57AF、LTF以及48F均為磁鐵礦。水鋼所用鐵礦粉的高溫特性表明了礦物類型與同化性間的關系。

3.2.2 鐵礦粉化學成分

鐵礦粉同化性與SiO2、Al2O3、MgO和堿度R的關系如圖5～圖8所示。

圖5 鐵礦粉SiO2含量與最低同化溫度關系圖

圖6 鐵礦粉Al2O3含量與最低同化溫度關系圖

圖7 實驗所用鐵礦粉中MgO含量與最低同化溫度之間關系

圖8 實驗所用鐵礦粉的二元堿度R與最低同化溫度之間關系

根據圖5和圖6可知，同化溫度與SiO2、Al2O3含量表現出負相關性。燒結過程中CaO與SiO2、Al2O3可形成多種形式的二元或是三元化合物，促進了復合鐵酸鈣的形成；高堿度條件下，自由SiO2含量隨Al2O3含量的增加而增加，有利于復合鐵酸鈣的生成；且在鐵礦粉中以粘土形式存在的SiO2、Al2O3具有高的反應活性，降低了鐵礦粉的同化性；因此，鐵礦粉中SiO2和Al2O3具有降低同化溫度的效果[4-5]。

如圖7所示，同化溫度與鐵礦粉中MgO含量成正比關系。由于MgO本身屬于高熔點氧化物且會生成難熔的高熔點化合物[6]，因此提高了鐵礦粉的同化溫度，降低鐵礦粉的同化特性，當w(MgO)<5.0%時，同化溫度與MgO含量間的正相關性非常明顯。

根據圖8可知，鐵礦粉堿度與同化溫度間具有正相關性。堿度R較高會導致反應界面CaO過量，抑制兩相界面液相的生成[7-8]。因此，要達到相同同化特征的液相比例就需要更高的燒結溫度，導致鐵礦粉的同化溫度的增加。

3.2.3 鐵礦粉中結晶水的含量

鐵礦粉的燒損量與同化溫度間的關系如圖9所示。從圖中可以看出鐵礦粉燒損量與同化溫度成反比關系。在高溫作用下，由于結晶水的分解揮發，鐵礦粉中形成了大量殘余氣孔，使其結構變得非常疏松[9]，有利于增大CaO在鐵礦粉中的有效擴散系數，進而提高高溫工況下燒結礦黏結液相內渣系組元間的傳質速率，另外，鐵礦粉內大量殘余氣孔的形成加大了各類氧化物之間的反應接觸面積，增加各類氧化物分子間的碰撞機會，從而提高鐵礦粉的同化性[10]。

圖9 鐵礦粉燒損與最低同化溫度之間關系

3.3 鐵礦粉流動性影響因素分析

鐵礦粉在1 280 ℃時的液相流動性與SiO2、Al2O3、MgO含量間關系如圖10～圖12所示。

圖10 鐵礦粉中SiO2含量與液相流動性之間關系圖

圖11 鐵礦粉中Al2O3含量與液相流動性關系圖

圖12 鐵礦粉中MgO含量與液相流動性關系

根據圖10可知，當SiO2含量<9%時，液相流動性隨SiO2含量的增加而增大，當SiO2含量>9%時，液相流動性隨SiO2含量的增加而降低。SiO2作為燒結液相的基礎，可促進液相的生成[11-12]，但是SiO2也會形成硅酸鹽網絡化合物，液相生成物的黏度隨其含量的增加而增加，因此過高的SiO2含量會對鐵礦粉的液相流動性帶來負面作用。

由圖11可知，Al2O3對液相流動性同樣具有兩面性作用。Al2O3有助于SFCA的生成，SFCA是燒結過程形成液相的基礎，因此液相流動性隨鐵礦粉Al2O3含量的增加而增大[13]。但Al2O3同樣屬于高熔點氧化物，還可促進硅酸鹽網絡化合物的形成，導致液相黏度增大，因此過高的Al2O3含量對液相流動性產生不利影響[14]。

MgO含量與鐵礦粉液相流動性間的關系如圖12所示。液相流動性隨MgO含量的升高而逐漸降低。MgO屬高熔點氧化物，隨MgO含量的增加，燒結液相的形成溫度必定升高，液相的黏度也會相應增大，因此造成燒結礦粉的液相流動性降低[15-16]。

上述所有圖中的擬合方點曲線意義不大，且不同種類鐵礦石的各項數據差異都很大，因此不宜進行擬合，散點圖說明即可。

4 燒結優化配礦方案設計

燒結過程中需要燒結原料具有合適的同化性、液相流動性等高溫特性，但是燒結原料的基礎特性均存在差異，因此本文通過互補搭配，合理利用各種鐵礦粉。本方案基于鐵礦粉的高溫特性，采用取長補短的方式進行燒結優化配礦，最大限度地發揮各種鐵礦粉的優勢。水鋼用鐵礦粉的優化搭配示意圖如圖13所示，圖13中陰影部分為適宜的搭配范圍，按不同比例混勻后的鐵礦粉的高溫特性若處于這個區域，即表示該種混勻可形成質量較好的燒結礦。

圖13 鐵礦粉優化搭配示意圖

對于本實驗中的8種鐵礦粉，從同化性角度而言，57AF、NFF均可與LTF、BSF互補搭配，62BX、48F可分別與61AF、TJF互補搭配；從液相流動性角度分析而言，62BX、48F、TJF、NFF可分別與BSF、LTF、57AF、61AF互補搭配。綜合考慮鐵礦粉同化性和液相流動性，若確定某一礦粉為主要燒結礦種，則應從同化性和流動性方面綜合選取與其相搭配的鐵礦粉，基于鐵礦粉高溫特性所確定的優化配礦搭配方案如表4所示。