南非富矿粉配矿烧结矿相结构分析

刘小杰 田 野 李建鹏 吕 庆 马荣雪

(1.华北理工大学 冶金与能源学院教育部现代冶金技术重点实验室，河北唐山 063009；2.包钢稀土钢炼铁厂，内蒙古包头 014010)

目前，中国钢铁行业承受着较大的环保和能源压力，而且自2009年后，逐渐进入微利甚至局部亏损的时代，因此，节能降耗成了钢铁行业关注的话题[1- 5]。作为高炉原料供应的烧结工序能耗较大，降低烧结工序能耗，能够降低钢铁生产的综合能耗、节约生产成本。目前外矿市场价格降低，使用全外矿烧结可以降低烧结能耗，同时根据国外富矿粉性质，增大富矿粉使用量能进一步降低烧结过程成本。因此研究富矿粉配矿比例对烧结矿质量及矿相结构的影响，以最大限度地利用富矿粉具有重要意义。烧结矿的矿物组成及其显微结构对烧结矿的质量具有重要影响，任佩珊等[6]研究指出，熔融形磁铁矿和板状铁酸钙对提高烧结矿强度有利，赤铁矿以及针状铁酸钙对烧结矿的还原有利，骸晶状菱形赤铁矿和致密型残存赤铁矿则对烧结矿的低温还原粉化不利。本文通过改变坦巴津比、PMC尾矿、PMC0.044 mm和巴卡矿粉4种矿粉配比研究烧结矿的微观结构，找到使烧结矿强度达到最佳状态的配矿比例，以达到充分利用富矿粉的目的。

1 试验用矿粉性质

1.1 铁矿粉粒度组成

坦巴津比、巴卡矿粉粒度组成如表1所示。PMC尾矿和PMC0.044 mm矿粉的粒度组成见表2。

表1 坦巴津比、巴卡矿粉粒度组成(质量分数)Table 1 Particle- size compositions of Tamba iron ore and SFCJ (mass fraction) %

表2 PMC矿粉的粒度组成Table 2 Particle- size compositions of PMC

1.2 铁矿粉成分及XRD图谱

PMC尾矿、PMC0.044 mm、巴卡和坦巴津比的成分和XRD图谱分别如表3和图1所示。结合表3和图1可知，4种矿的铁品位均较高，且PMC尾矿和PMC0.044 mm矿粉主要为磁铁矿，巴卡矿和坦巴津比矿主要为赤铁矿。

表3 烧结试验用矿粉成分(质量分数)Table 3 Compositions of iron ore for sintering (mass fraction) %

1.3 铁矿粉基础特性

在相同烧结条件下，铁矿粉与CaO的同化性过低，烧结过程中生成的液相量减少，不利于烧结混合料的熔化粘结，从而影响烧结矿的固结强度。此外，铁矿粉的同化性低，烧结过程中同化反应不完全，烧结矿中易形成CaO残余物，其遇水后形成Ca(OH)2进而体积膨胀，烧结矿的强度降低。反之，铁矿粉的同化性过高，烧结料层中液相生成过多，烧结过程中起固结作用的核矿石减少，烧结料层透气性恶化，影响烧结矿的质量和产量。因此，烧结一般要求铁矿粉的同化温度在1 275～1 315 ℃比较合适。铁矿粉的同化温度结果如表4所示。

由表4可知，坦巴津比粉和巴卡粉的同化温度较低，没有达到要求的下限值，但巴卡的同化温度与要求仅差5 ℃； PMC尾矿和PMC0.044 mm的同化温度远超要求的上限。4种矿粉中同化温度相对较好的为巴卡粉。因此，配矿过程中将同化性能较好的矿粉与较差的矿种搭配使用，使烧结过程中的生成液相量适中，改善烧结过程和烧结矿的质量。

图1 PMC尾矿(a)、PMC0.044 mm(b)、巴卡矿(c)和坦巴津比矿(d)的XRD图谱Fig.1 XRD patterns of PMC tailings(a), PMC0.044 mm(b),SFCJ iron ore(c) and Tamba ore iron (d)

表4 铁矿粉基础特性Table 4 Basic characteristics of iron ore

1.4 铁矿粉矿物组成及微观结构

PMC尾矿、PMC0.044 mm和坦巴津比矿的矿相组成及含量见表5，其矿相结构见图2。

由图2(a)～2(d)可知，PMC尾矿和PMC0.044 mm精矿以磁铁矿为主，赤铁矿夹杂在磁铁矿中呈网格状分布。两种矿粉脉石矿物含量较少，主要成分为石英和角闪石。在透射单偏光下，石英呈无色粒状，角闪石呈淡浅褐色和淡褐绿色粒柱状分布。

表5 铁精粉矿相组成及含量(体积分数)Table 5 Content and composition of iron ore phase (volume fraction) %

由图2(e)～2(f)可知，坦巴津比矿主要成分为赤铁矿和磁铁矿。赤铁矿占85%～90%，磁铁矿为5%～8%，磁铁矿呈灰色带棕色，赤铁矿呈亮灰白色，赤铁矿表面分布有片状磁铁矿。脉石含量很少，在5%～7%左右，主要为长石、石英、角闪石和碳酸盐矿物，呈粒状分布。

2 烧结杯试验条件与方案

试验采用传统烧结杯试验研究方法，烧结杯内径为210 mm。试验时，按照烧结混合料配比准确地称量配料，每次试验的原料总量为40 kg，混合料水分控制为4.5%～5.0%， 烧结杯底层放置2.0 kg粒度大于10 mm的成品烧结矿作为铺底料，将混好的烧结料装入烧结杯，并压料，采用石油液化气进行烧结点火，点火温度为1 150 ℃，点火时间为2.0 min，点火负压为8 000 Pa，将烧结废气温度开始下降时定为烧结终点。

图2 PMC尾矿(a,b)、PMC 0.044 mm精粉(c,d)和坦巴津比矿(e,f)的矿相结构Fig.2 Iron ore phase of PMC tailings (a,b), PMC 0.044 mm (c,d) and Tamba iron ore (e,f)

碱度1.9，燃料配比5.0%，混合料水分控制在6.2%左右，选择PMC尾矿、坦巴津比和巴卡三种矿粉进行烧结配矿试验研究。以给定的最高烧结矿碱金属、TiO2含量为标准，计算得到5种配矿方案即3号～7号。为研究PMC精粉(经选矿、细磨粒度为0.044 mm)对烧结的影响，设计两组配加PMC0.044 mm的烧结试验即1号、2号方案。烧结配矿具体方案如表6所示。烧结矿理论成分如表7所示。巴∶坦∶尾∶精为巴卡粉∶坦巴津比矿粉∶PMC尾矿粉∶PMC0.044 mm精粉。

表6 烧结配矿方案 Table 6 Scheme of ore blending for sintering %

表7 烧结矿理论成分(质量分数) Table 7 Theoretical composition of sinter (mass fraction) %

3 结果与分析

3.1 矿物组成及含量

烧结矿矿物组成及含量如表8所示。

表8 烧结矿矿物组成及含量(体积分数)Table 8 Mineral compositions and their contents for sinter (volume fraction) %

磁铁矿烧结相对于赤铁矿烧结而言，具有氧化亚铁含量较高、透气性差、强度低、利用系数和生产率低等缺点，且其主要粘结相为硅酸盐，赤铁矿在烧结过程中可形成大量有利于提高烧结矿强度与还原性的针状铁酸钙，但其烧结能耗较磁铁矿高。由表8可知，将PMC0.044 mm矿粉代替PMC尾矿的试验中发现，随着PMC0.044 mm矿粉的增加，烧结矿的粘结相中铁酸钙体积分数增加了5%；降低巴卡、提高坦巴津比矿配比(4号、5号)，铁酸钙体积分数降低5%，赤铁矿含量增加；随着PMC尾矿配比降低，巴卡矿配比的升高，铁酸钙含量呈升高趋势，当配矿方案PMC尾矿配比最低为9.71%时，铁酸钙体积分数达到最高40%～45%。7号PMC尾矿配比最高为16.33%，铁酸钙体积分数为30%～35%。5号、7号玻璃质含量较高。硅酸二钙的变化规律基本相同。

3.2 烧结矿转鼓强度

烧结矿转鼓指数与配矿方案的关系如图3所示。烧结矿的转鼓指数是衡量烧结矿质量的重要指标之一。一般大型高炉要求转鼓指数80%以上，中小型高炉转鼓指数75%以上。由图3可知：1～7号烧结矿的转鼓指数相差较小，基本在62%左右。5号最高为62.50%，2号最低为61.91%，相差0.76%。

图3 烧结矿转鼓指数与配矿方案的关系Fig.3 Relationship between drum index and program of iron blending

3.3 烧结矿显微结构

烧结矿的矿物组成复杂时，在冷却过程中会产生各种应力，从而产生裂纹，降低其强度，所以烧结矿与粘结相的矿物组成越简单，显微结构越均匀，烧结矿的质量越好[7- 8]。目前烧结矿的显微结构一般发展针状铁酸钙，针状铁酸钙有更好的强度和还原性能。

图4为不同配比PMC0.044 mm精粉烧结矿的矿相结构。由图4可知，1～3号矿相结构较均匀，主要为交织熔蚀结构，气孔大小不一，分布较均匀，形态不规则，气孔率由25%～30%增加到30%～35%。1号矿相结构的铁酸钙主要以柱状、针状和他形晶为主，硅酸二钙主要呈他形粒状，部分针状。2号矿相结构的铁酸钙主要以他形晶为主，少量呈针状和柱状，硅酸二钙主要呈他形粒状，部分呈柳叶状。3号矿相结构的铁酸钙主要呈针状、柱状和他形晶，针状、柱状多分布于玻璃质中；他形晶粒度较粗，多集中成片，硅酸二钙多呈他形粒状。即随着PMC0.044 mm精粉的减少，烧结矿中针状铁酸钙有所减少，气孔率呈增加趋势。

结合图3和图4可知，随着PMC0.044 mm精粉的增加，1～3号的转鼓强度先减小后增大，对应的烧结矿的矿相结构是：1号烧结矿结构最均匀，铁酸钙主要呈柱状、针状和他形晶，与磁铁矿、赤铁矿形成了均匀的交织熔蚀结构，烧结矿的强度大幅度提高[8]；2号烧结矿的针状铁酸钙分布较集中，未能与磁铁矿、赤铁矿均匀交织熔蚀在一起，在烧结矿冷却过程中由于受到不同应力而发生断裂[7]，进而降低烧结矿强度；3号矿相结构整体较均匀，但较1号烧结矿的针状铁酸钙含量减少，故强度低于1号，且1号烧结矿中的磁铁矿和赤铁矿晶粒细小，还原性能较好[7]。

图4 不同配比PMC0.044 mm精粉烧结矿的矿相结构Fig.4 Mineral structures of sinter with different ratios of PMC0.044 mm ore

图5为不同配比PMC尾矿烧结矿的矿相结构。其中3号矿相结构的铁酸钙主要呈针状、柱状和他形晶，针状、柱状多分布于玻璃质中，他形晶粒度较粗，多集中成片，硅酸二钙多呈他形粒状。4号矿相结构的铁酸钙主要呈针状和他形晶，且针状铁酸钙分布较集中，整体粘结相较少，主要为铁酸钙、硅酸二钙和微量的玻璃质，气孔大小不一且形态不规则。5号矿相结构较均匀，主要为交织熔蚀结构，铁酸钙主要呈他形晶，硅酸二钙多呈他形粒状；气孔大小不一，大气孔较多且形态不规则，分布较均匀，气孔率为35%～40%。随着坦巴津比矿配比的增加，烧结矿的强度先略微减小后增加，当坦巴津比矿配比达到最大值70%时，烧结矿的强度达到最大，矿相结构为最均匀的铁的氧化物与铁酸钙的交织熔蚀结构。原因是，随着坦巴津比矿配比的增加，SiO2含量增加，适量的SiO2可以保证烧结矿中有足量的液相，从而有利于提高烧结矿的强度[9]，且坦巴津比矿的连晶强度非常高，也有利于提高烧结矿的强度。

图6为不同配比巴卡粉烧结矿的矿相结构。5号矿相结构较均匀，主要为交织熔蚀结构，部分粒状结构；气孔形态不规则，分布较均匀，气孔率为35%～40%。铁酸钙为主要粘结相，多呈柱状、他形晶，部分呈针状。硅酸二钙多呈他形粒状，部分柳叶状，其间胶结赤铁矿和少量磁铁矿形成粒状结构。6号矿相结构中铁酸钙主要呈柱状、他形晶，部分呈针状与硅酸二钙共同分布，硅酸二钙主要呈他形粒状、针状；气孔大小不一，小气孔较多，气孔率为30%～35%。7号矿相结构中铁酸钙主要呈柱状、他形晶，粒度较粗大，与硅酸二钙共同胶结磁铁矿形成交织熔蚀结构；气孔大小不一，形态不规则，分布不均匀，气孔率为35%～40%。整体粘结相较多，主要为铁酸钙、硅酸二钙和少量玻璃质。硅酸二钙主要呈他形粒状，粒度较其他样粗。

随着巴卡粉配比的增加，PMC尾矿配比的减少，烧结矿的强度先增加后减小，当巴∶坦∶尾∶精配比为10∶70∶20∶0时，烧结矿的矿相结构最理想。

4 结论

图5 不同配比PMC尾矿烧结矿的矿相结构Fig.5 Mineral structures of sinter with different ratios of PMC tail iron ore

图6 不同配比巴卡粉烧结矿的矿相结构Fig.6 Mineral structures of sinter with different ratios of SFCJ iron ore

(1)PMC0.044 mm精粉配比对烧结矿铁酸钙形态及分布的影响较大。随着PMC0.044 mm精粉配比的增加，烧结矿的转鼓强度先减小后增大，烧结矿中铁酸钙的含量有所减少，其分布形态由均匀的交织熔蚀结构转变为集中分布的针状铁酸钙，而后又转变为均匀分布的交织熔蚀结构。

(2)随着坦巴津比矿配比的增加，烧结矿的转鼓强度先略有减小后增大，铁酸钙的含量也有所减少，铁酸钙的分布形态由均匀的交织熔蚀结构转变为集中分布的针状铁酸钙，而后又转变为均匀分布的交织熔蚀结构。

(3)随着巴卡矿配比的减少，烧结矿的转鼓强度先增大后减少，铁酸钙的含量先减少后增加，铁酸钙的形态先由集中分布的柱状转变为均匀的交织熔蚀结构，而后又转变为分布较为集中的柱状。

(4)当巴卡∶坦巴津比∶PMC尾矿∶PMC0.044 mm配比为10∶70∶20∶0时，烧结矿的冷强度及矿相结构最理想。

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