Al2O3/SiO2对烧结矿冶金性能的影响

张新建，朱博洪，牛德良，杨 剑，徐敏人，肖扬武

(1.首钢水城钢铁(集团)有限责任公司，贵州 六盘水 553000;2.重庆大学，重庆 400044)

目前，首钢水城钢铁(集团)有限责任公司(以下简称水钢)入炉综合炉料中烧结矿占75%左右，其余均用块矿和球团矿进行补充。水钢因无自己的矿山和球团厂，所有块矿和球团矿均需外购，故来源多样，品种较复杂。因Al2O3/SiO2的熔化性温度较高，在高炉冶炼过程中会引起高炉渣黏度增加和产生流动性变化，导致焦比升高、脱硫能力降低、渣铁分离困难，以及铁损失率增加等问题。有少量的研究表明:一定的Al2O3/SiO2质量比值是烧结生产获得铁酸钙矿物组成的必要条件，但当Al2O3/SiO2质量比值过高将会促进烧结矿中玻璃体的形成，抑制结晶程度，使烧结矿的冷强度迅速恶化，低温还原粉化加剧。适量的二氧化硅和氧化铝有利于降低铁酸钙液相熔点，从而促使铁酸钙液相的形成，但是会生成尺寸较大酸性离子团，提高液相的黏度，降低粘结相流动性［1－2］。此外，很多针对铝元素对烧结矿性能和质量的影响研究表明［3－6］:对于不同原料条件的高碱度烧结矿，当Al2O3/SiO2质量比值控制在0.40～0.45以下时，Al2O3/SiO2质量比值的增加可以显著地促进铁酸钙物相的生成，降低烧结矿混合料的初熔温度;当Al2O3/SiO2质量比值大于0.40～0.45时，Al2O3/SiO2质量比值的增加会使烧结矿性能恶化。

针对以上问题可以看出:烧结矿中铝元素的分布和硅元素密切相关，而且这种分布的差异是影响烧结矿强度和冶金性能的重要因素，而单独研究这2种元素对烧结矿性能的影响是有失偏颇的。因此，本文通过烧结试验及冶金性能测试方法，研究了Al2O3/SiO2质量比值对烧结矿冷强度性能、还原性能和低温粉化性能的影响，以及与烧结矿中FeO含量的关系。

1 实验

1.1 实验原料特性

本实验根据水钢现有烧结原燃料条件进行研究，其烧结使用的原料其化学成分如表1所示，烧结所使用的熔剂及其成分如表2所示。实验中所使用的原料取自水钢高炉原料场。

表1 烧结原料化学成分(质量分数)%

表2 烧结熔剂化学成分(质量分数)%

1.2 实验方案

1.2.1 烧结实验

烧结使用的燃料组成为焦粉∶煤粉(质量比)=3∶1，燃料固定碳质量分数为84.15%，挥发成分质量分数为2.6%，灰分质量分数为13.24%，灰分成分和烧结所用溶剂成分如表2所示。烧结实验过程的参数:点火温度为1 100℃，点火时间为1 min，烧结矿料层厚度为700 mm。

1.2.1 Al2O3/SiO2质量比值对烧结矿冷态强度的影响

固定碱度为 2.0，燃料配比为 6.5%，测得Al2O3/SiO2质量比值在0.25～0.4间变化时烧结矿的落下强度和转鼓强度特性。落下强度实验采用日本标准(JIS－M8711－7)规定的参数，转鼓强度实验根据国家标准(GB8209—87)进行。

1.2.2 Al2O3/SiO2对烧结矿还原性能和低温还原粉化性能的影响

固定碱度为 2.0，燃料配比为 6.5%，测定Al2O3/SiO2质量比值在0.25～0.4间变化时烧结矿的还原性、还原粉化率及与烧结矿中FeO含量的关系。烧结矿还原性的测定按照国标(GB/T13241—91)检测方法进行实验，而铁矿石低温还原粉化指数根据国标(GB/T13242—91)采用静态法测定。

2 实验结果及分析

2.1 Al2O3/SiO2对烧结矿冷态强度的影响

在固定碱度为2.0，燃料配比为6.5%的条件下，测得Al2O3/SiO2质量比值从0.25变化到0.4时与烧结矿冷态强度的关系，如图1所示。

烧结矿的主要粘结相为复合铁酸钙相。当Al2O3/SiO2质量比值较低时，铝元素过少，而铝元素是形成复合多元铁酸钙的必须元素，这导致多元复合铁酸钙的形成受阻，烧结矿液相减少，因而强度下降;当 Al2O3/SiO2比为 0.3 ～0.35 时，烧结矿的冷强度较好，可达84%;而当Al2O3/SiO2比大于0.35后(此时氧化铝含量大于2.0%)，多元复合铁酸钙中的铝元素过多，会使它的流动性变差，粘结效果变差，强度明显下降。另外，由于此时铁酸钙中固熔的铝已经饱和，铝元素开始向玻璃相中富集并促进玻璃相的生成，而玻璃相是烧结矿中强度最差的相，它的增加势必会导致烧结矿的强度下降［7－9］。

图1 Al2O3/SiO2质量比值与烧结矿冷态强度的关系

2.2 Al2O3/SiO2质量比值对烧结矿还原性能和低温还原粉化性能的影响

碱度为2.0，燃料配比为6.5%，Al2O3/SiO2质量比值在0.25～0.4间变化时，烧结矿还原指数结果如表3所示。Al2O3/SiO2质量比值与烧结矿还原性能的关系如图2所示。

表3 还原指数结果

图2 Al2O3/SiO2与烧结矿还原性能的关系

从图2中可以看出:Al2O3/SiO2质量比值对烧结矿还原性能有较大影响。当Al2O3/SiO2质量比值小于0.35时，随着Al2O3/SiO2质量比值的提高烧结矿的还原性能也在提高。其原因是Al2O3/SiO2质量比值的提高有利于多元复合铁酸钙的形成，而铁酸钙特别是多元复合铁酸钙还原性强于磁铁矿，当Al2O3/SiO2质量比值高于0.40后，随着Al2O3/SiO2比值的提高，烧结矿的还原性能出现了较快的下降。由此表明:在本实验条件下，当烧结矿原料组成中Al2O3/SiO2质量比值为0.35～0.40时，烧结矿具有较高的还原指数。还原指数达到92%时，还原性能最好。

表4 低温还原粉化结果

图3 Al2O3/SiO2质量比值与烧结矿低温还原粉化性能的关系

从图 3中可以看出:烧结矿的 RDI+3.15随Al2O3/SiO2质量比值的增加而增加。当 Al2O3/SiO2质量比值为 0.35 时，还原粉化 RDI+3.15为67%;在Al2O3/SiO2质量比值大于0.35后，烧结矿的RDI+3.15的增加速度减缓。铝元素在烧结矿中并不是均匀分布的，而是富集在铁酸钙相和玻璃相中。当铝硅值比较低时(小于0.2)，铝元素的增加主要促进了复合多元铁酸钙的形成，而对玻璃相的影响较小。由于铁酸钙相强度和冶金性能优良，而玻璃相强度最差，因此有利于提高烧结矿的低温还原指数 RDI+3.15。而随着Al2O3/SiO2质量比值的提高，铁酸钙中可以固熔的铝元素达到极限，铝元素开始大量存在于玻璃相中促进玻璃相的形成，并使得玻璃相的断裂韧性降低，而玻璃相是烧结矿中强度最差的相，这个变化伴随着烧结矿综合断裂韧性的降低，势必导致烧结矿的还原粉化性能变差［10－12］。

2.3 Al2O3/SiO2质量比值与烧结矿FeO含量的关系

固定碱度为 2.0，燃料配比为 6.5%，Al2O3/SiO2质量比值在0.25～0.45间变化时与烧结矿FeO含量关系如图4所示。

图4 Al2O3/SiO2与烧结矿中FeO含量的关系

从图4可以看出:就水钢烧结目前的工艺和原料条件而言，Al2O3/SiO2和FeO含量之间并不存在明显的相关性。当Al2O3/SiO2质量比值在0.25～0.45间变化时，烧结矿中FeO的含量并没有出现有规律的变化，只是在8% ～10%间波动。但是为了保持合理的烧结矿还原性和强度的关系，FeO的含量控制仍十分关键。在保证烧结矿合理的强度和低温还原粉化性能的前提下，最经济的控制FeO含量的方法就是减少燃料的配比，用尽量少的燃料消耗达到产生满足烧结矿强度所需的FeO量［13］。通过对烧结矿冷强度、还原性和还原粉化等性能的研究分析，在水钢目前的原料条件下，Al2O3/SiO2质量比值在0.35左右时，烧结矿具有较好的强度和冶金性能。因此，在目前的原料条件下，应保持烧结矿Al2O3/SiO2在0.35左右时，通过控制配碳量保证烧结矿中FeO的含量为8%左右。

3 结论

1)当Al2O3/SiO2质量比值为0.3～0.35时，烧结矿的冷强度较好，可达84%;当Al2O3/SiO2大于0.35后，落下强度随Al2O3/SiO2的升高而显著下降。

2)Al2O3/SiO2质量比值对烧结矿的还原性和低温还原粉化的影响十分明显，当烧结矿原料组成中 Al2O3/SiO2质量比值为0.35～0.40，烧结矿具有较高的还原指数，还原性能好;烧结矿碱度为2.0，燃料配为6.5%，Al2O3/SiO2质量比值为0.35左右时，还原指数达到92%，还原粉化 RDI+3.15为67%。

3)Al2O3/SiO2质量比值和烧结矿中FeO的含量之间并不存在明显的相关性。当Al2O3/SiO2质量比值在0.25～0.45间变化时，烧结矿中FeO的含量并没有出现有规律的变化，只是在8% ～10%间波动。

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