含鐵原料性能對燒結礦質量的影響研究

姬生玉

（山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司煉鐵廠，山東 萊蕪 271104）

0 引言

我國學者候三亞等人將褐鐵礦型紅土鎳礦中的m（MgO）/m（Al2O3）作為研究因素，分析了m（MgO）/m（Al2O3）對礦物燒結的影響。實驗結果顯示，當燒結溫度為1 300 ℃、燒結氣氛為5%CO+95%N2（其中百分數分別為對應氣體物質的體積分數）、二元堿度m（CaO）/m（SiO2）=1.3 的條件下，m（MgO）/m（Al2O3）=0.5～0.8 范圍內，黏結相主要由鈣鎂黃長石和鈣鎂橄欖石構成，此時礦物強度最高。該研究成果對提高紅土鎳礦燒結礦的產、質量具有重要借鑒意義[1]。楊聰聰等人則概述了國外關于鐵礦石高溫燒結基礎特性評價方法的研究進展，在分析了國內外研究成果之后，研究提出把握“鐵礦石-制粒物料-燒結礦”不同階段物料性質的傳遞規律是鐵礦燒結的重要切入點[2]。本次研究將不同配比和工藝參數的含鐵原料進行燒結性能分析，期望可以通過實驗了解含鐵原料的礦物組成以及化學成分對其燒結的影響。

1 含鐵原料的礦物性能對燒結質量的影響

1.1 燒結基礎性能及冶金性能分析

燒結法是一種將礦物粉末狀的燒結物變成高密度塊體的工序，燒結法常常應用在冶金、陶瓷和超高熱物質鍛造中。一般情況下，通過對粉末進行燒結，最終會獲得一種新型的、以礦物或晶體、玻璃質和空洞為主的礦物或晶體的礦相結構[3-4]。燒結工藝會對微觀組織中的晶粒特征、氣孔大小和各種礦物質的含量產生影響，從而對相應的原材料本身的性質產生影響。從宏觀角度來看，在不超過熔點的高溫條件下，由于固態晶粒持續增大，孔隙率降低，物質之間相互轉移，顆粒間的總體積向內收縮，從而使整體密度逐漸增大，最終生產出具有致密多晶型微觀組織的燒結塊體[5]。

作為戰略性物質，鐵礦是全球最重要的礦物資源之一。不僅在國家建設和工業制造中占據重要地位，同時在民生發展、經濟效益發展中扮演重要角色。在燒結造塊的全過程中，除了鐵礦粉以外，還含有高爐返礦等其他含鐵單質或含鐵化合物的原料。將這些原料在燒結物料中加入，一方面是為了增強燒結混合料的核心，改善其透氣性，同時還能提升整個燒結礦的質量，保證熔煉過程中的順流性，減少燒結礦的成本[6]。由于該返礦體具有多孔結構和包含低熔點成分等特征，有利于液態形成，同時可提高其燒結體的硬度，進而實現優化燒結體尺寸和提升燒結體品質。因此，對于含鐵原料燒結過程來說，鐵礦粉自身特性以及摻入的其他含鐵單質或含鐵化合物量都會影響到燒結質量。

含鐵原料在燒結中一般按照本礦比例將不同材料混合，因此單一或各種配比含鐵原料的燒結能力和效果成為了其燒結基礎性能的直接表現。首先是同化性能，融合特性是指在高溫燒結法中，含鐵質材料與熔劑CaO 的結合特性，研究通常用觀測和測量的方法來衡量該含鐵質材料在與CaO 的接觸面上起作用，并進行熔融變形時所達到的最低融合溫度，也就是在高溫燒結法中形成液態物質的能力。其次為液相流動性能，表示在將含鐵原料與熔劑CaO 充分混合之后，在進行高溫燒結生產時，所形成的液相量的多少的能力[7-8]。液相量越多，其膠結周圍的礦石小顆粒的能力就越強，可以用液相流動性指數來表達它的強弱。其三為黏結強度性能，指在燒結時含鐵原材料將會產生一種液體，這種液體與其周邊的物質起到固結的作用。與含鐵原料等相比，其本身的黏結相強度比較低，一般而言在燒結工藝參數條件不變的情況下，由于黏結相礦物組成和結構的差異，其本身的強度差異會很大，并且從本質上決定了燒結礦的強度。最后是連晶性能，指在含鐵組分在燒結過程中，當含鐵組分彼此之間的晶鍵相互交錯時，能夠獲得強度的能力。目前，國際上普遍將鐵質材料的燒結體歸類為液態燒結體，而液態燒結體的形成必須有大量液態燒結體。在燒結法生產時，由于生鐵與氧化鈣的混合不夠充分或不夠均勻，造成了局部地區出現了大量的鐵酸鈣液相。由于礦物間存在著結晶結合，從而使礦物的自強變得更加牢固。

1.2 含鐵原料的礦物性能研究

燒結配料優化是一種科學的方法，其科學含義不僅是依據鐵礦形成的原材料，與對應的供應條件相匹配，還要達到所需的燒結礦化學組成和配礦條件，并在保證了燒結原材料具有比較好的粒度和成礦性能的前提下，采用燒結優化配料的方法，獲得高質量、低消耗、具有比較好的冶金性能的燒結，最后將一切條件結合起來，獲得比較適合的經濟效益指標。

首先要清楚決定燒結體工藝及燒結體性質的關鍵因子，找出燒結體的形成機理及各種燒結體的礦質性質。在此基礎上，建立了鐵礦各項指數與燒結礦品質之間的內在關系，確定了最優的燒結體品質指數及最優的配比方案。通過對燒結物料成分、燒結礦物成分、燒結過程中使用的化學助劑、燒結工藝的控制、燒結過程的生產成本與產出的經濟性等因素分析，實現燒結工藝的優化。只有把配比環節與燒結工藝有機聯系起來，從工藝、經濟等方面來看，才能制定出一套合適的配比體系，最終獲得一個比較好的整體配比體系。

含鐵原料中，常見的含鐵品位較高的原料包括紐曼粉、巴西粗粉、JMB 粉、超特粉四種。其燒結原料的化學成分以及礦物組成如表1 所示。

表1 含鐵原料的化學成分以及礦物組成

從表1 中可以看出，四種含鐵原料中，紐曼粉的含鐵品位最高，為61.83%，超特粉的含鐵品位最低，為56.31%。在w（SiO2）中，四種原料中最高和最低的分別是JMB 粉和超特粉，JMB 粉為6.24%，超特粉為4.06。w（MgO）中，紐曼粉和JMB 粉較高，分別為0.31%和0.17%。而含鐵原料的w（Al2O3）中，超特粉最高為3.09%，巴西粗粉最低為2.02%。此外，同礦物組成可以看出，紐曼粉和巴西粗粉屬于赤鐵礦，其赤鐵礦組成為60%和55%，而JMB 粉和超特粉屬于褐鐵礦，其褐鐵礦質量占比為44.7%和48.3%。

2 含鐵原料礦物樣本實驗

本次實驗中將四種含鐵原料按照不同配比進行燒結，分析不同材料配比和燒結工藝條件對燒結性能的影響。三種原料配比方案中，A 方案的紐曼粉質量占比為0，PB 粉為28%，超特粉為10%，JMB 粉為8%，巴西粗粉為10%，其余為雜料和返礦等原料。B方案的紐曼粉質量占比為20%，PB 粉為22%，超特粉為5%，JMB 粉為3%，巴西粗粉為5%，其余為雜料和返礦等原料。C 方案中紐曼粉質量占比為30%，PB 粉為18.5%，超特粉為2.5%，JMB 粉0.5%，巴西粗粉為2.5%，其余為雜料和返礦等原料。同時，針對三種配料方案，方案A 的燒結工藝條件是料批為400 t，推車機速為100 m/min，燒結負壓為-12.9 kPa，冷卻總管負壓為-6.8 kPa，前臺燒結廢棄溫度為165 ℃，前臺冷卻廢棄溫度為429 ℃，終點風箱位置為27 m，終點溫度為469 ℃，點火溫度為1 026 ℃，點火負壓為-5.6 kPa。方案B 和C 的工藝條件相同，燒結工藝條件是料批為380 t，推車機速為105 m/min，燒結負壓為-11.6 kPa，冷卻總管負壓為-4.3 kPa，前臺燒結廢棄溫度為159 ℃，前臺冷卻廢棄溫度為412 ℃，終點風箱位置為26 m，終點溫度為465 ℃，點火溫度為1 023 ℃，點火負壓為-5.2 kPa。根據以上材料配比和燒結工藝參數，實驗將燒結礦的性能采用綜合測定定量分析，結果圖表2 所示。

表2 不同配比及工藝下含鐵原料的燒結礦冶金性能分析

從表2 可以看出，三種方案中，B 方案的燒結性能最佳，其還原性和低溫還原粉化率最高，分別為81.14%和84.36%。

3 結論

本次實驗中，按照紐曼粉質量占比為0%、20%和30%將含鐵原料的燒結方案分為A、B、C 燒結原料三種，并對0%方案的燒結工藝進行調整。實驗結果顯示當紐曼粉質量占比20%，PB 粉為22%，超特粉為5%，JMB 粉為3%，巴西粗粉為5%，其余為雜料和返礦等原料時，含鐵原料的燒結性能最佳。實驗結果表明，在含鐵原料中，紐曼粉的比例對燒結礦的礦物相組織均勻性、赤鐵礦的含量以及相應的冶煉特性有顯著影響。礦物的相態比較一致，主要為溶蝕構造；在高溫條件下，燒結礦石具有良好的還原性。當紐曼粉末在含鐵材料中的質量占比由0～30%增大時，燒結礦的礦物相結構趨于均一，孔隙度增大。因此燒結石中的赤鐵元素的含量減少，熔融狀態的還原度和低溫下的粉化程度也隨之增大。