河钢烧结矿冶金性能和矿相的研究

陈 霄，冯 帅，刘小杰

(河钢集团邯钢公司邯宝炼铁厂，河北 邯郸 056000)

河北钢铁集团于2008年成立，子公司包括邯钢、唐钢、承钢、宣钢等。因地域差异，所用烧结原料不尽相同，冶金性能也差异明显。承钢钒钛烧结矿与邯钢烧结矿相比，除含TiO2和V2O5外，钒钛烧结矿的化学成分具有“二低三高”的钒钛特点，即铁品位、SiO2含量低，TiO2、MgO、A12O3含量高。钒钛磁铁矿是一种重要的矿产资源，我国储量达300多亿吨，主要分布在攀西、承德、马鞍山地区[1-4]。承钢钒钛烧结矿转鼓指数、低温还原粉化率低，严重影响高炉料层的透气性。TiO2对烧结矿的冶金性能、粘结相组成、矿相结构有着密切关系，需进一步研究。

1 试验研究

1.1 试验原料

采用相同烧结工艺，使用邯钢、承钢的烧结原料进行烧结杯试验，邯钢烧结原料主要是邯邢精粉、司家营粉、纽曼粉、扬迪粉等；承钢烧结原料主要是黑山钒粉、普通铁精粉、含钒铁精粉等。在相同碱度或含碳量的情况下，比较邯钢烧结矿与承钢烧结矿冶金性能差异，借助光学显微镜对烧结矿的矿相显微结构进行分析。

邯钢、承钢烧结原料的化学成分如表1所示。

由表1可知，烧结原料的含铁品位相比邯钢较高；邯钢铁精粉中TiO2含量较低，而SiO2含量高，而承钢铁精粉中SiO2含量低，属于低硅烧结范围；邯钢铁精粉中Al2O3含量较低，且不含V2O5。

表1 邯钢和承钢试验原料化学成分(%)

1.2 试验方案设计

1)固定烧结混匀料的含碳量为4.5%，碱度分别为1.8、2.0、2.2。邯钢、承钢烧结试验方案如表2所示。

表2 邯钢和承钢烧结试验配比(%)

含碳量固定，在不同碱度下，比较邯钢烧结矿与承钢钒钛烧结矿转鼓指数，如图1所示。

图1 烧结矿转鼓指数对比Fig.1 Comparison of drum index of sinter

由图1可知，含碳量固定在4.5%时，随着烧结矿碱度的提高，邯钢烧结矿的转鼓指数提高，在碱度为2.2时，转鼓指数最高，达到72.6%；承钢钒钛烧结矿随着碱度的升高，转鼓指数值有所降低，但是降低幅度不大，在碱度为1.8时，转鼓指数最高，为56.3%。碱度1.8时，承钢钒钛烧结矿转鼓指数比邯钢低12.4%；碱度为2.0时，低15.0%；碱度为2.2时，转鼓指数相差18.4%，承钢钒钛烧结矿冷强度差。

2)固定烧结混匀料的碱度为2.0，含碳量分别为4.0，4.5，5.0时，邯钢、承钢烧结试验方案如表3所示。

表3 邯钢和承钢烧结试验配比(%)

碱度固定，在不同的含碳量条件下，比较邯钢烧结矿与承钢钒钛烧结矿转鼓指数，如图2所示。

由图2可知，碱度固定，随着含碳量的提高，邯钢烧结矿和承钢钒钛烧结矿的转鼓指数均先升高后降低，但是变化幅度不大。在碱度2.0时，转鼓指数最高，分别是70.2%、55.2%。含碳量为4.0%和4.5%时，承钢钒钛烧结矿转鼓指数均比邯钢低15%；含碳量为5.0%时，比邯钢低16.7%，邯钢烧结矿的冷强度更高。

图2 烧结矿转鼓指数对比Fig.2 Comparison of drum index of sinter

2 烧结矿冶金性能和粘结性分析

2.1 冶金性能分析

在烧结矿碱度为2.0，含碳量为4.5%时，邯钢烧结矿与承钢钒钛烧结矿还原性和低温还原粉化性如表4所示。

表4 烧结矿冶金性能(%)

由表4可知：在相同的碱度和含碳量条件下进行比较，邯钢烧结矿和承钢钒钛烧结矿的还原性基本持平，RI在74%～75%之间。邯钢烧结矿RDI+3.15为74.65%，承钢钒钛烧结矿RDI+3.15仅24.92%，比邯钢低50%；邯钢烧结矿RDI-0.5为6.72%，承钢钒钛烧结矿RDI+3.15高达24.92%，比邯钢烧结矿高24%，差异明显。

承钢烧结原料中TiO2含量高，在烧结过程中形成大量的钙钛矿，严重影响到铁酸钙的形成。钙钛矿无粘结作用，且妨碍钛赤铁矿和钛磁铁矿间的连晶作用，在低温还原阶段会导致大量微裂纹的形成，因而低温还原粉化性率远远低于普通烧结矿。

2.2 粘结相分析

粘结相是烧结矿的重要组成部分，是在烧结过程中高温条件下生成的液相冷却凝结而成，其粘结相数量、矿物组成、形成机理和各项物理化学性质都对烧结矿的质量有重要影响。邯钢烧结矿和承钢钒钛烧结矿矿物组成及体积百分含量如表5所示。

由表5可知，在碱度为2.0、含碳量为4.5%的条件下，对邯钢烧结矿与承钢钒钛烧结矿粘结相数量进行对比，邯钢烧结矿基本不含钙钛矿，承钢钒钛烧结矿中含有大量钙钛矿。邯钢烧结矿中铁酸钙含量在30%～35%之间，承钢钒钛烧结矿中铁酸钙含量在10%～15%之间，相差20%。承钢烧结矿的硅酸二钙也略低。

表5 烧结矿矿物组成(%)

根据热力学分析，CaO与Fe2O3、TiO2经固相反应可以生成铁酸钙和钙钛矿。反应如式(1)、式(2)所示：

CaO+TiO2=CaO·TiO2

△GΘ=-19100-0.8T J/mol

(1)

CaO+Fe2O3=CaO·Fe2O3

△GΘ=-1700-1.15T J/mol

(2)

由式(1)、(2)可知，在烧结条件下，钙钛矿因熔点高(1970 ℃)最先析出，比铁酸钙先形成。 钙钛矿被其他低熔点硅酸盐或玻璃相所包围粘结。钙钛矿是烧结矿粘结相间的连接界面，本身无粘结作用，在外力作用下，此种连接界面易被破坏，这是承钢钒钛烧结矿转鼓指数和低温还原粉化率低的原因。

3 烧结矿矿相显微结构分析

借助光学显微镜对烧结矿的矿相结构进行分析，在碱度为2.0、含碳量为4.5%时，分析邯钢烧结矿(邯-2)与承钢钒钛烧结矿(承-2)的矿相显微结构，并研究其微观结构的差异。

如图3所示，邯钢烧结矿矿相显微结构较均匀，主要以交织熔蚀结构为主。气孔率为20%～25%，气孔分布不均，大小不一，大气孔偏多，形态不规则。粘结相主要以铁酸钙为主，以他形板柱状为主，部分呈针状，分布不均匀，且结晶粒度较粗。硅酸二钙主要以他形粒状、针状为主，部分为柳叶状，并与铁酸钙共同胶结与磁铁矿形成交织熔蚀结构。

如图4所示，承钢钒钛烧结矿矿相显微结构不均匀，以骸晶结构、粒状结构为主，局部呈交织熔蚀结构。气孔率为40%～45%，气孔分布不均，大小不一，气孔之间多相互连通，大气孔偏多，且形态不规则。钙钛矿多呈不定形、他形晶充填于磁铁矿晶粒间与硅酸二钙共同胶结磁铁矿形成粒状结构，部分呈树枝状集中分布。

1-磁铁矿；2-铁酸钙；3-硅酸二钙 1-赤铁矿；2-磁铁矿；3-玻璃质(a)交织熔蚀结构 (b)赤铁矿的骸晶结构图3 邯钢烧结矿的矿相结构Fig.3 Mineral structure of Han Steel sinter

(a)粒状结构 (b)集中分布的钙钛矿图4 承钢烧结矿的矿相结构Fig.4 Mineral structure of Cheng Steel sinter

综上所述比较可知：在固定碳含量为4.5%、碱度为2.0时，承钢钒钛烧结矿比邯钢普通烧结矿气孔率增加近20%。并且邯钢烧结矿矿相显微结构均匀，以交织熔蚀结构为主，而承钢烧结矿矿相显微结构不均匀，主要以粒状结构、骸晶结构为主，并且赤铁矿多被熔蚀形成骸晶结构，多分布于气孔和矿块边缘，结晶粒度不均。

4 结论

(1)随着烧结矿碱度的提高，邯钢烧结矿的转鼓指数提高明显，承钢钒钛烧结矿转鼓指数值有所降低，但降低幅度不大。承钢钒钛烧结矿的转鼓指数比邯钢低12%～18%，冷强度差。

(2)在相同的碱度和含碳量条件下，邯钢烧结矿和承钢钒钛烧结矿的还原性基本持平，RI在74%～75%之间。承钢钒钛烧结矿RDI+3.15仅24.92%，比邯钢低50%。

(3)粘结相研究分析，承钢钒钛烧结矿中含20%～23%钙钛矿，邯钢烧结矿基本不含钙钛矿。承钢钒钛烧结矿中铁酸钙含量在10%～15%之间，比邯钢低20%。

(4)矿相显微结构分析，邯钢烧结矿矿相显微结构均匀，以交织熔蚀结构为主。承钢烧结矿矿相显微结构不均匀，主要以粒状结构、骸晶结构为主。承钢钒钛烧结矿比邯钢烧结矿气孔率多20%。