烧结矿转鼓强度的优化研究

支建明，马朋飞，张治杰，韩阳,3

(1.华北理工大学 冶金与能源学院，河北 唐山 063210；2.唐山市工程计算重点实验室，华北理工大学理学院，河北 唐山 063210；3.华北理工大学 学科建设处，河北 唐山 063210)

烧结矿的转鼓强度是烧结矿质量评价指标中最重要的因素之一，直接影响烧结矿成品率的高低，高强度的烧结矿对炼铁过程高炉的布料结构以及料层上部透气性等各项经济指标都有着重要影响[1,2]。对于生产高强度烧结矿，国内外进行了大量实践，研究不同实验条件下的改善烧结矿转鼓强度的方法[3-14]。M.I.Pownceby[15]在提高烧结矿强度的研究上采用控制粘结相化学性质的关键成分以及热力学参数等方式去改善烧结矿的强度指标。韩闯闯等人[16]则通过研究碱度对转鼓强度的影响得出碱度在1.6左右出现强度急剧下降的结果，主要原因在于此碱度下的矿相结构不均匀，矿物组成多且复杂，同时烧结矿在冷却过程中出现的内应力使其出现大量裂纹，最终导致强度的降低。T.Umadevi[17]更是在影响烧结矿强度的众多参数中采用人工神经网络模拟烧结厂的过程机制进行强度参数预测和改进，最终预测结果与烧结厂实际数据相比误差<3.5%。综上所述，发现前人在研究烧结矿强度问题方面方法新颖但是可控参数不全面，不能更好地改善其强度指标，该研究依托国内某钢厂的基本原料进行烧结杯实验，研究不同配碳水平下，出现烧结矿转鼓强度急剧下降的区域以及原因，根据矿相分析得出结果并最终提出优化方案，达到企业生产要求，进而提高经济效益。

1 原料性能及实验方法

1.1 原料化学成分

本次实验原料由国内某钢铁厂提供，其成分详见表1、表2。

表1 烧结用原燃料化学成分/%

表2 烧结用燃料工业分析/%

由表1可知，作为主要原料的B粉和本地精粉中TFe品位均较高分别为62.92%、63.68%，熔剂中生石灰的碱度最高为17.37，其次是白云石14.34，熔剂碱度整体较高，可以在配料过程中适当调节熔剂的量来改变烧结碱度。

由表2可知，对燃料(焦炭)进行固定碳含量工业分析，在焦炭中固定碳含量为82.16%，挥发分为1.67%，灰分14.17%，燃料热值29.52 MJ/kg，发现焦炭中固定碳含量较高，热值较好，挥发分含量也较低，易于燃烧。

1.2 实验方法

以某烧结厂烧结用原燃料条件与配比为基础，通过改变配碳量来测定烧结矿转鼓强度的烧结杯实验。实验用MgO含量固定为2.3%；以生石灰来调整碱度(1.3～2.4)；配碳量则用焦炭加以调整，共设3.25%、3.50%、3.75% 3个梯度水平。图1所示为烧结生产实验流程。

图1 烧结生产实验流程

经图1烧结生产流程将完成落下强度测试的烧结矿进行筛分，把10～40 mm的烧结矿按其粒度组成的比例取样，采用1/5ISO标准转鼓，按国标GB8209-87进行冷态强度指标测定。随后将烧结矿样品分别制成光薄片，在德国蔡司Axioskop40偏/反两用研究型显微镜下进行微观结构分析。

2结果与分析

2.1 转鼓强度降低范围分析

(1)根据烧结厂烧结杯实验实际所得数据，得出如图2所示碱度为1.3～2.4 时3个配碳水平的转鼓指数变化的趋势。

图2 烧结矿转鼓指数变化趋势图

由图2可知，当配碳量为3.25%时，随着碱度的升高，转鼓指数以1.3～1.8为第一阶段上升大约3%，第二阶段在1.9之后大幅提高到2.0达到64%，继续提高碱度2.0～2.4之间呈现缓慢增加的趋势，这是因为铁酸钙形成速度快，熔体一旦形成，熔体中CaO与SiO2互熔性和SiO2与FeO的互熔性都比CaO与FeO的互熔性程度高的多，而最早形成的铁酸钙也容易分解成钙铁橄榄石，进而影响烧结矿强度[18]，因此碱度小于2.4时，烧结矿强度随碱度升高缓慢增加。对于配碳量分别为3.50%、3.75%时，在碱度逐渐提高的过程中，烧结矿转鼓强度在1.5～1.7范围出现全部碱度范围的强度下降区。

综上整体分析，3个配碳水平下碱度在2.0～2.4的转鼓指数呈现升高趋势，这一结论与M.I.Pownceby[15]的研究中烧结矿的强度在高配碳-高碱度影响的机制中高于2.0时烧结矿的强度是逐渐提高的实验结果基本相同。

(2)通过对转鼓指数趋势图的分析，可以得到强度下降区域即碱度1.5～1.7范围，根据图3配碳量与转鼓指数的关系图可知，随着配碳量的增加，碱度1.5、1.6和1.7的转鼓指数均是在降低，而3.25%的配碳量是3个碱度转鼓指数的最高值，说明此碱度条件下，配碳3.25%是达到强度要求的最优值。碱度1.7在配碳量大于3.75之后转鼓指数有所上升，说明以1.7为起点，随着配碳量和碱度的同时升高，烧结矿的转鼓强度是提高的[19]。

图3 配碳量与转鼓指数的关系

2.2 转鼓强度下降原因分析

烧结矿在形成过程中强度较高的是铁酸钙、磁铁矿、赤铁矿和铁橄榄石，其次是钙铁橄榄石和铁酸二钙，玻璃质强度最差[20]。因此在烧结矿形成过程中铁酸钙和赤铁矿生成越多，烧结矿强度越好。相反矿物组成中铁酸钙生成越少，玻璃质和铁酸二钙等生成越多就会影响烧结矿强度和成品率。

将配碳水平为3.50%和3.75%的烧结矿在碱度1.5和1.6时的样品分别制成光薄片，采用德国蔡司Axioskop 40偏/反两用研究型显微镜观察其矿相结构如图4～图11所示。

图4 交织熔蚀结构(R=1.5) 图5 熔蚀结构(R=1.5)

(1)配碳量为3.50%的矿相结构图

由图4和图5可知，当配碳量为3.50%，碱度在1.5时，此时为自熔性烧结矿，矿物组成多，并且复杂，矿相结构表现得很不均匀，主要为交织熔蚀结构，部分为熔蚀结构。此时烧结矿以铁酸钙为主要粘结相，柱状与他形晶相互固结，并且还可以清晰地观察到分布较多、大小不一的气孔，有趋势形成疏松多孔的薄壁结构，还伴有少量裂隙裂纹，故而转鼓强度降低。

由图6和图7可知，当碱度提高到1.6时，此时矿相结构极不均匀，主要以交织熔蚀结构、局部粒状结构为主，主要粘结相为铁酸钙、硅酸二钙和玻璃质相。较碱度1.5时的气孔率低，多呈形状不规则大气孔分布，同时烧结矿中伴有明显的裂隙裂纹存在，但因碱度的提高，铁酸钙相增多，玻璃质相减少，故而转鼓强度较1.5有所提高，但仍降低明显。

图6 交织熔蚀结构(R=1.6) 图7 局部粒状结构(R=1.6)

(2)配碳量为3.75%的矿相结构图

由图8和图9可知，当配碳量升高至3.75%，碱度为1.5时，此时矿相结构主要是熔蚀结构，部分为交织熔蚀和斑状结构，其粘结相主要为铁酸钙、硅酸二钙和玻璃质，其中铁酸钙主要以他形晶、柱状与硅酸二钙集中分布在玻璃质相中。由于配碳量的提高，燃料用量高，液相量明显增多，因此导致烧结矿大小气孔交叉分布，并出现裂纹，由此烧结矿强度急剧下降。

图8 熔蚀结构(R=1.5) 图9 交织熔蚀结构(R=1.5)

由图10和图11可知，当碱度提高到1.6时，此时矿相结构呈现以熔蚀结构为主，局部斑状结构的极不均匀现象，且铁酸钙为主要粘结相，多以他形晶和柱状呈现，与1.5相比较可以发现，此时烧结矿的气孔率明显降低，大气孔较多且形态不规则，同时斑状结构使得烧结矿脆性增加，还有大量裂纹出现，虽然碱度的提高使得玻璃质相、钙铁橄榄石等明显减少，但是烧结矿转鼓强度依旧降低明显。

因此，在碱度为1.5～1.7区域时，配碳量3.50%～3.75%这个过渡阶段，使得烧结过程所需燃料趋于饱和，此时烧结产生过量液相，形成大孔薄壁且气孔率低的烧结矿[21]，同时冷却时伴有内应力的作用，产生大量裂纹，使得烧结矿强度明显下降。

3优化方案

在实际生产过程中，烧结矿转鼓强度在高炉炼铁入炉要求中占有很重要的一环，针对此钢铁厂的原料水平，要想保持烧结矿强度稳定在一定的范围，就必须避免强度急剧下降的情况出现，因此，对配碳为3.25%、3.50%和3.75%在碱度1.8以后的烧结矿样品分别做了矿相分析并提出优化措施。

3.1 优化碱度

针对采用配碳为3.50%和3.75%时，根据烧结实验可以清晰地得到烧结矿转鼓强度随碱度的变化趋势，即总体呈现上升趋势[22]。在出现强度下降的碱度1.5～1.7范围内，1.6和1.7时的转鼓强度均比1.5时要有所提高，因此对碱度为1.8时2个配碳水平的烧结矿进行矿相分析如图12和图13所示，此时烧结矿中强度较好的铁酸钙和磁铁矿居多，仅含有少量的硅酸二钙，因此铁酸钙和磁铁矿等主要粘结相与粘结相矿物结晶过程中相互之间彼此发展形成强度较好的交织熔蚀结构，由此可以说明提高碱度使得烧结矿中有效粘结相铁酸钙等增多，玻璃质等相应减少，同时强度得到提升。因此，适当提高碱度是有效避免强度急剧下降的最优措施，具体可以适当增加生石灰和白云石的配加量来提高碱度，改善烧结矿强度指标。

图12 R1.8C3.50交织熔蚀结构 图13 R1.8C3.75交织熔蚀结构

3.2 优化配碳量

本着优化能源结构，减少资源浪费的原则，在做配加3.50%～3.75%的燃料的实验时，出现强度下降的情况，原因均为在低碱度条件下燃料过剩，引起的烧结杯内燃烧带温度超标，过量液相生成，影响烧结气氛，烧结料层透气性变差，气流分布不均，直接影响垂直烧结速度，出现烧不透的现象，不利于铁酸钙的生成，造成烧结矿强度指标未能达到生产要求，因此如图14和图16所示，配碳为3.25%在高碱度的情况下，烧结矿各矿相结构均主要为交织熔蚀结构，且碱度2.0～2.2时矿相组分最好，主要粘结相为铁酸钙和磁铁矿，均不见气孔和裂纹的出现，在碱度为2.4时却出现少量大气孔和裂纹，因此在保持配碳量在3.25%左右的水平时，碱度最高可配至2.4(≤2.4)，这样既降低了能源成本又可使烧结矿质量达到最优。

图14 R2.0C3.25交织熔蚀结构 图15 R2.2C3.25交织熔蚀结构

图16 R2.4C3.25交织熔蚀结构

4 结论

(1)配碳3.50%和3.75%出现强度急剧下降的样本矿相图研究表明：碱度1.5和1.6时矿相结构的不均匀性达到峰值，且多以交织、熔蚀结构为主，部分斑状、粒状结构为辅。随着配碳量的提高，燃烧带过厚温度高，液相流动性大而产生了大孔薄壁结构的烧结矿，因此矿物组分中铁酸钙含量明显减少，玻璃质显著增多。这也是强度急剧下降出现在此碱度范围的主要原因。

(2)企业生产过程中，要避免此区域转鼓强度急剧下降的现象出现，一方面采用配碳3.50%和3.75%时，应在配料过程中适量增加碱性熔剂的配比份额来达到提高碱度的目的，进而提高烧结矿转鼓强度；另一方面在碱度≤2.4的条件下，采用3.25%的配碳，减少燃料的使用，在降低成本的同时保证烧结矿高质量生产。