铁矿粉同化性与流动性试验研究

(1.首钢水城钢铁(集团)有限责任公司，贵州 六盘水 553028； 2.河钢集团钢研总院，河北 石家庄 050023；3.中国钢研科技集团有限公司钢铁研究总院，北京 100081； 4.中铁现代物流科技有限公司，北京 100080；5.北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083； 6.河钢股份有限公司承德分公司，河北 承德 067102)

针对钢铁企业对铁矿石资源的巨大需求以及进口优质铁矿石价格大幅上涨的现状，如何在保证烧结矿产量、质量的前提下做到劣质矿和优质矿的合理搭配，降低优质矿的使用消耗，控制烧结成本，对于各大钢企的可持续发展具有重大的经济与战略意义。同化性、液相流动性作为铁矿粉烧结阶段重要的基础特性，分别表征了生成液相及“有效液相”的难易程度[1]。熟知铁矿粉的基础特性，可以为合理配矿提供理论指导与数据支撑。本文通过实验获得首钢水钢烧结用铁矿粉的基础特性，并提出根据铁矿粉高温特性的配矿方案，为烧结阶段合理配矿提供强有力的技术支撑。

1 试验原料与研究方法

试验材料来源于首钢水钢现场配矿采用的铁矿粉，分别为：62巴西、61澳粉、57澳粉、南非粉、焙烧粉、48粉、铁精粉、菱铁粉，文中的代码分别为：62BX、61AF、57AF、NFF、BSF、48F、TJF、LTF；将铁矿粉烘干后磨至200目送化学分析。

用同化性说明铁矿粉与CaO间的反应能力，铁矿粉形成黏结周围未熔物的有效液相量用流动性进行表征，通过微型烧结试验研究不同铁矿粉高温特性间的差异(见图1～图2)。

图1 铁矿粉同化性实验流程图

图2 铁矿粉液相流动性实验流程图

2 实验结果

经化学法得到的铁矿粉基本成分，如表1所示；本文以杨迪矿为参照，获得了铁矿粉的同化温度，如表2所示，液相流动性的检测结果如表3所示。

表1 水钢烧结常用铁矿粉化学成分 %

表2 铁矿粉的最低同化温度测试结果

表3 铁矿粉的液相流动性测试结果

基于检测结果，铁矿粉同化性间具有显著的差别，同化性温度从高到低的顺序为：BSF>LTF>61AF>TJF>48F>62BX>NFF>57AF(见图3)。

图3 矿粉液相流动性指数随温度变化示意图

在温度分别为1 240、1 280、1 320时，铁矿粉的液相流动性由大到小的顺序分别为：62BX>TJF>48F>NFF>LTF>61AF>BSF>57AF、62BX>48F>TJF>NFF>57AF>61AF>LTF>BSF、62BX>TJF>48F>NFF>57AF>61AF>LTF>BSF。

3 影响铁矿粉高温特性的因素分析

3.1 铁矿粉的同化性与流动性的关系

铁矿粉同化性与液相流动性间的关系如图4所示。

由图4可知，同化性与流动性间呈倒“V”的关系，铁矿粉的液相流动性随同化温度的升高表现出先增加后降低的规律[2]。虽然铁矿粉同化性提高可以促进液相流动性，但若同化性过高后液相流动性可能因液相量增加、黏度的提高而降低。

图4 铁矿粉同化性与液相流动性关系图

3.2 铁矿粉同化性影响因素分析

3.2.1 铁矿粉的铁矿物类型

铁矿粉的矿物类型与其在烧结过程中的行为直接相关，也决定了同化性反应的强弱。褐铁矿物和赤铁矿物易发生同化反应，磁铁矿物却难以发生同化反应，而褐铁矿粉最易同化，赤铁矿在氧化性气氛下也易于同化[3]。62BX、TJF作为典型的赤铁矿，61AF为半褐铁矿，62BX、57AF、LTF以及48F均为磁铁矿。水钢所用铁矿粉的高温特性表明了矿物类型与同化性间的关系。

3.2.2 铁矿粉化学成分

铁矿粉同化性与SiO2、Al2O3、MgO和碱度R的关系如图5～图8所示。

图5 铁矿粉SiO2含量与最低同化温度关系图

图6 铁矿粉Al2O3含量与最低同化温度关系图

图7 实验所用铁矿粉中MgO含量与最低同化温度之间关系

图8 实验所用铁矿粉的二元碱度R与最低同化温度之间关系

根据图5和图6可知，同化温度与SiO2、Al2O3含量表现出负相关性。烧结过程中CaO与SiO2、Al2O3可形成多种形式的二元或是三元化合物，促进了复合铁酸钙的形成；高碱度条件下，自由SiO2含量随Al2O3含量的增加而增加，有利于复合铁酸钙的生成；且在铁矿粉中以粘土形式存在的SiO2、Al2O3具有高的反应活性，降低了铁矿粉的同化性；因此，铁矿粉中SiO2和Al2O3具有降低同化温度的效果[4-5]。

如图7所示，同化温度与铁矿粉中MgO含量成正比关系。由于MgO本身属于高熔点氧化物且会生成难熔的高熔点化合物[6]，因此提高了铁矿粉的同化温度，降低铁矿粉的同化特性，当w(MgO)<5.0%时，同化温度与MgO含量间的正相关性非常明显。

根据图8可知，铁矿粉碱度与同化温度间具有正相关性。碱度R较高会导致反应界面CaO过量，抑制两相界面液相的生成[7-8]。因此，要达到相同同化特征的液相比例就需要更高的烧结温度，导致铁矿粉的同化温度的增加。

3.2.3 铁矿粉中结晶水的含量

铁矿粉的烧损量与同化温度间的关系如图9所示。从图中可以看出铁矿粉烧损量与同化温度成反比关系。在高温作用下，由于结晶水的分解挥发，铁矿粉中形成了大量残余气孔，使其结构变得非常疏松[9]，有利于增大CaO在铁矿粉中的有效扩散系数，进而提高高温工况下烧结矿黏结液相内渣系组元间的传质速率，另外，铁矿粉内大量残余气孔的形成加大了各类氧化物之间的反应接触面积，增加各类氧化物分子间的碰撞机会，从而提高铁矿粉的同化性[10]。

图9 铁矿粉烧损与最低同化温度之间关系

3.3 铁矿粉流动性影响因素分析

铁矿粉在1 280 ℃时的液相流动性与SiO2、Al2O3、MgO含量间关系如图10～图12所示。

图10 铁矿粉中SiO2含量与液相流动性之间关系图

图11 铁矿粉中Al2O3含量与液相流动性关系图

图12 铁矿粉中MgO含量与液相流动性关系

根据图10可知，当SiO2含量<9%时，液相流动性随SiO2含量的增加而增大，当SiO2含量>9%时，液相流动性随SiO2含量的增加而降低。SiO2作为烧结液相的基础，可促进液相的生成[11-12]，但是SiO2也会形成硅酸盐网络化合物，液相生成物的黏度随其含量的增加而增加，因此过高的SiO2含量会对铁矿粉的液相流动性带来负面作用。

由图11可知，Al2O3对液相流动性同样具有两面性作用。Al2O3有助于SFCA的生成，SFCA是烧结过程形成液相的基础，因此液相流动性随铁矿粉Al2O3含量的增加而增大[13]。但Al2O3同样属于高熔点氧化物，还可促进硅酸盐网络化合物的形成，导致液相黏度增大，因此过高的Al2O3含量对液相流动性产生不利影响[14]。

MgO含量与铁矿粉液相流动性间的关系如图12所示。液相流动性随MgO含量的升高而逐渐降低。MgO属高熔点氧化物，随MgO含量的增加，烧结液相的形成温度必定升高，液相的黏度也会相应增大，因此造成烧结矿粉的液相流动性降低[15-16]。

上述所有图中的拟合方点曲线意义不大，且不同种类铁矿石的各项数据差异都很大，因此不宜进行拟合，散点图说明即可。

4 烧结优化配矿方案设计

烧结过程中需要烧结原料具有合适的同化性、液相流动性等高温特性，但是烧结原料的基础特性均存在差异，因此本文通过互补搭配，合理利用各种铁矿粉。本方案基于铁矿粉的高温特性，采用取长补短的方式进行烧结优化配矿，最大限度地发挥各种铁矿粉的优势。水钢用铁矿粉的优化搭配示意图如图13所示，图13中阴影部分为适宜的搭配范围，按不同比例混匀后的铁矿粉的高温特性若处于这个区域，即表示该种混匀可形成质量较好的烧结矿。

图13 铁矿粉优化搭配示意图

对于本实验中的8种铁矿粉，从同化性角度而言，57AF、NFF均可与LTF、BSF互补搭配，62BX、48F可分别与61AF、TJF互补搭配；从液相流动性角度分析而言，62BX、48F、TJF、NFF可分别与BSF、LTF、57AF、61AF互补搭配。综合考虑铁矿粉同化性和液相流动性，若确定某一矿粉为主要烧结矿种，则应从同化性和流动性方面综合选取与其相搭配的铁矿粉，基于铁矿粉高温特性所确定的优化配矿搭配方案如表4所示。

表4 基于铁矿粉高温特性所确定的优化配矿推荐表

5 结 论

(1)按铁矿粉同化性从低到高的顺序如下：BSF>LTF>61AF>TJF>48F>62BX>NFF>57AF；T=1 280 ℃时，铁矿粉的液相流动性由大到小的顺序分别为：62BX>48F>TJF>NFF>57AF>61AF>LTF>BSF。

(2)而铁矿粉的同化性与液相流动性间存在倒“V”型关系；铁矿粉成分中的SiO2、Al2O3以及结晶水含量与铁矿粉的同化性呈正相关关系，而MgO和碱度R与铁矿粉的同化性呈负相关关系；SiO2和Al2O3含量与液相流动性之间存在先正相关后负相关的关系，而MgO含量与液相流动性呈负相关关系。

(3)基于铁矿粉优化配矿原则，同化性角度而言，57AF、NFF均可与LTF、BSF互补搭配，62BX、48F可分别与61AF、TJF互补搭配；从液相流动性角度分析而言，62BX、48F、TJF、NFF可分别与BSF、LTF、57AF、61AF互补搭配。

(4)综合考虑铁矿粉同化性和液相流动性，基于铁矿粉高温特性确定了烧结过程中优化配矿搭配方案。