SiO2 对铁矿烧结质量的影响

郭小龙

（河钢宣钢炼铁厂，河北 张家口 075100）

烧结是现代大型钢铁联合企业中必不可少的一道工序，在我国的高炉含铁炉料中，烧结矿所占比例达到80%以上。烧结工艺复杂、影响因素众多。原材料是烧结质量的一个最主要的因素，目前我国的生产中以进口矿为主，目前我国也成为世界上最主要的铁矿石进口国，尤其是2019 年铁矿进口额在度创新高，累计进口铁矿石10.7 亿吨，进口金额1014.6 亿美元。随着铁矿石进口量的递增，优质铁矿石出现明显劣质化的同时，部分低劣的新矿种也开始投入市场，由于成本限制低价物料的大量使用，使烧结矿SiO2含量整体呈升高趋势。本文基于烧结矿微观结构结合生产实际，探讨SiO2对烧结矿性能质量的影响。

1 SiO2对烧结矿微观结构的影响

相关实验研究通过取配矿烧结试验成品矿进行矿相鉴定和能谱分析，探究了SiO2含量对烧结矿微观结构的影响。当SiO2含量从4.83%逐步增加到5.77%的过程中，烧结矿微观结构发生了显著的变化。当SiO2含量为4.83%时，显微结构较为不均匀，黏结相主要为片状赤铁矿，伴随着少量的熔蚀状与条状铁酸钙。随着含量的提升，铁酸钙与赤铁矿的交织熔蚀结构的均匀性得到一定的提升，并且伴随着针状铁酸钙的逐步发展。SiO2含量的进一步增加，熔蚀状与针状均匀交织，铁酸钙、硅酸盐比例大幅增加，伴随着赤铁矿的减少。对具体的微观结构的影响如下。

1.1 SiO2 对铁酸钙的影响

首先是对铁酸钙的影响，烧结矿中以铁酸钙与磁铁矿形成的交织熔蚀结构为主要矿相。工艺实践表明SiO2的含量提高，针柱板状和板片状的铁酸钙含量均产生显著的降低现象，但粒装的铁酸钙含量没有显著的变化，保持稳定。在笔者实践的工艺中，从数据来看，SiO2的含量一般在4-6%之间，在逐步的提升过程中，针柱板状的比例从20%降低到13%，而对应的板片装从15%降低到8%左右，粒装的铁酸钙维持稳定，有小幅度的波动，在8.8-10.4%之间。从原理上解释，SiO2含量对铁酸钙生成量的影响比较大，但工艺生产中有些不同的分歧，但是从共识来看，铁矿粒度较粗时SiO2含量越高越能够促进铁酸钙的含量生成，但是到一定趋势后就会随之减少。而如果铁矿粒度较细时，SiO2含量越高，则铁酸钙的含量就越少。SiO2能够和低价铁氧化物发生固相反应生成低熔点化合物，这也是影响铁酸钙含量的原因。

1.2 SiO2 对磁铁矿的影响

其次是对磁铁矿的影响，磁铁矿，是指氧化物类矿物磁铁矿的矿石，属等轴晶系。磁铁矿主要呈板状，并存在少量的粒状、块状磁铁矿。在笔者实践的工艺中，SiO2的含量提升下，局部磁铁矿连晶现象明显，与铁酸钙熔蚀发展为板片状。从原理解释来看，SiO2的含量提升下，促进铁酸钙与磁铁矿交织熔蚀结构的形成，针状铁酸钙熔蚀交织以及与粒状铁酸钙粘结部分中的磁铁矿晶粒都有所发展，并且在烧结的过程中发育良好，这也是磁铁矿含量增加的主要原因。

1.3 SiO2 对赤铁矿的影响

三是对赤铁矿的影响，赤铁矿主要以大块的板状为主，在笔者实践的工艺中，赤铁矿在SiO2的含量从4-6%的含量提升过程中有显著的含量提升现象，但是有一定波动，从15.9%-17.2%，总体的幅度也不大。在实践工艺中，SiO2对赤铁矿的含量的影响机制尚不明确，对微细粒赤铁矿还原过程的影响规律仍然不清楚。一些研究实验表明，SiO2的存在对赤铁矿还原-分选有着显著的不利影响，采用反应活性较好的烟煤作还原剂，可以降低SiO2对还原-分选指标的影响。

1.4 SiO2 对硅酸盐的影响

四是对硅酸盐的影响。硅酸盐粘结相分散填充在板状赤铁矿、磁铁矿、铁酸钙之间，硅酸盐仍以钙铁橄榄石为主，各结构类型均有发展。在本文的实践工艺中，SiO2含量从4-6%的增加过程中，硅酸盐的含量从8.3-15.3%。，烧结矿碱度较低，硅酸盐含量增加，硅酸盐形成带走了部分CaO，使得参与生成铁酸钙的CaO 减少，因此铁酸钙生成量减少，转鼓强度大幅度降低。

综上，SiO2含量在4.83%～5.77%的提升过程中，微观结构的均匀性有很好的改善，赤铁矿结构由片状向熔蚀状变化，铁酸钙结构由熔蚀状向针柱状改善，这是一个黏结相由赤铁矿向铁酸钙发展的过程。

2 SiO2对烧结强度和还原性能的影响

2.1 对烧结强度的影响

烧结矿是一种由多种矿物组成的复合体，矿物组成成分不尽相同，影响烧结矿强度的因素主要是其液相组成，理论上在生产普通烧结矿时主要的液相组织对烧结矿强度最好的还是铁酸钙液相，而SiO2含量对于微观结构所产生的影响自然会使得强度上受到影响，在烧结时混合料的SiO2含量如果低于5.0%那么这样的烧结就是低硅烧结。但考虑到我国的国情实际，在生产中的铁精粉的硅普遍含量较高，冶炼成本大幅度上升，企业效益明显下降。

北京科技大学的一项实验研究表明，当SiO2含量在4.8%、5.0%、5.4%和5.7%的逐步提升过程中，在1.8、1.9 和2.0 三个碱度水平下，着SiO2含量的增加及二元碱度的纵向变化，SiO2含量对烧结矿转鼓强度的影响逐步提升，在更高的SiO2含量下，液相量增多，通过足够的液相可将其邻近的铁精粉黏结起来。粘结相强度，对烧结矿的强度有着十分重要的影响。粘结相的量增多，使得烧结矿强度升高。因此SiO2含量在4.8%～5.7%范围内，适当提高烧结矿碱度有利与烧结矿转鼓强度的提高.SiO2含量提升促进其在铁酸盐中溶解，对铁酸盐液相流动性的影响因铁酸盐组成而异，在高硅低碱度下仍具有较高的流动性，原因是SiO2含量提升导致CaO 配入量的增加，使得烧结矿中CaO 与Fe2O3的摩尔比增加，摩尔比为1.5 倍认为是最佳流动性的状态，在没有杂质的情况下，生成流动性最佳，有利于促进烧结液相的生成，降低液相流动温度。另外一项实验表明，随着SiO2含量持续提升，摩尔比变化下，铁酸盐液相流动性出现转变。其原理是：较高的铁矿粉生产自熔性烧结矿时，虽然液相量和粘相都不少，但SiO2就会与熔剂中的CaO 结合生成正硅酸钙，存在相变问题，使体积膨胀10%，烧结矿内产生的很大的内应力，反而会造成强度的降低。这一结果表明，此类铁酸盐需要适当控制其中的SiO2含量。

2.2 对还原性能的影响

烧烧结矿的转鼓强度和低温还原粉化性总体呈降低趋势，但烧烧结矿SiO2含量超过5%时低温还原粉化性有所提高。但其总体的机理表现是十分复杂的。当铁矿粉中含有一定数量的SiO2时，当SiO2的提升硅酸盐提升、铁酸钙减少，在烧结过程中会产生足够数量的液相，实际上是有利于促进烧结强度的提升。当含量持续提升，极易与熔剂中的CaO 在烧结时形成2CaO·SiO2，另一方面使得液相中质点扩散的速度减慢，恶化了硅酸盐析晶的环境，致使玻璃相含量增加，影响烧结强度。同时，SiO2将发生α →γ 型和β →γ 型的晶型转变，晶型转变后，密度减小，体积增加，使得内部存在较大的空隙结构，在烧结矿内引起很大的内应力，从而使得烧结矿强度降低。当SiO2的含量＞3%时，铁酸钙明显地由块状向针状发展。一般认为:精矿中的SiO2的含量以4%—5%为宜。高SiO2含量条件下矿物组成与显微结构的变化较为复杂，大量磁铁矿发展为连晶形式，硅酸盐中玻璃相的比重明显增加。同时，板状铁酸钙作为抵御裂纹扩展能力最差的结构之一，其裂纹生成情况在还原过程中显著发展，高含量条件下该结构比例的大幅减少对改善低温还原粉化有着积极意义。另外，讨论SiO2也需要考虑到材料之间的交互作用，有研究和工艺实践表明通过控制Al2O3/SiO2的比值，可以有助于针状铁酸钙的生成，这提示了在工艺生成过程中，有针对性的控制Al2O3/SiO2的比值，可以提升烧结效率和强度。

2.3 对低温还原粉化性的影响

高还原性的炉料是高炉冶炼的理想精料，还原性作为一项重要的指标，在SiO2含量的变化下，烧结矿的还原性也会受到一定的影响。自熔性烧结矿和高碱度烧结矿的生产技术可以保障保证烧结矿拥有良好的还原性，烧结矿中的SiO2可以和Al2O3一起固熔到铁酸钙相中，形成还原性较好的复合铁酸钙系矿物，更有利于高炉顺行和增产。研究表明，SiO2含量的增加，烧结矿的还原性在4.8%、5.0%、5.4%和5.7%的逐步提升过程中有显著的降低趋势，解释原因在于当SiO2的含量提升，在烧结过程中会生成低熔点的硅酸盐类液相，影响烧结矿的软熔性能，使烧结矿过早的软熔，堵塞气孔，降低烧结矿的中、高温还原性。同时也要注意到，碱度在1.8 ～2.0 时，烧结矿还原性能随碱度的增加是提高的。这是因为高碱度烧结矿的熔体表面张力较大，不会形成薄壁大孔结构，因而有更好的还原性。

3 结语

综上，近年来，随着我国炼铁生产能力大幅度提高，中国已逐渐成为全球最大的钢铁生产国、消费国。原料是高炉炼铁工艺的重中之重，由于近年来高品质铁矿石资源日益匮乏，国内钢厂由于成本压力大，增加低品质低价矿粉比例，烧结矿SiO2是整体升高的趋势。适当含量的SiO2有助于提高烧结成效，但具体的工艺过程中还有一些不明之处。从研究成效来看，SiO2对烧结强度等影响表明，在含量从4.8-6.0%的增加过程中，烧结矿微观结构的均匀性逐渐改善，烧结强度有所提升，但还原性有所降低，低温粉化性得到一定的改善。这四项指标对烧结质量都会产生影响，而要做出取舍和最优平衡的搭配，在具体参数上还需要更多的工艺实践来确定。