烧结矿在高炉内熔滴性能新方法表征与预测的研究

陈小敏 湛文龙 杜晓东 高景栋 王中奇 吴 铿

(1. 中冶京诚工程技术有限公司，2. 辽宁科技大学材料与冶金学院，3.北京科技大学冶金与生态工程学院)

高炉内软熔带料柱是高炉炉床透气性限制环节，其形成及位置对炉内煤气流分布和还原过程都会产生明显的影响，进而影响焦比[1]；同时也是高炉下部顺行的限制性环节，高炉操作理念由过去上部调节转变为下部调节为主的原因所在。现阶段我国高炉炉料结构中烧结矿占比在65%以上[2]，高炉软熔带性质由烧结矿和其他含铁原料共同决定，而不能由单一炉料软熔性能预测，但是烧结矿所占比例说明烧结矿对软熔带影响较大，需要更加全面地研究烧结矿的高温冶金性能[3-4]。现阶段烧结矿配矿参考高温指标主要有同化性能、流动性能和粘结相强度等[5]，一方面这些高温特性之间有重叠，另一方面没有在配矿阶段考虑烧结矿熔滴性能。目前首先通过烧结杯实验研究烧结矿基础特性，然后对成品烧结矿进行熔滴实验检测其软熔性能。熔滴实验复杂且耗时长，所以有必要通过较为简单的实验提前预判烧结矿熔滴性能以指导烧结配矿。熔滴特性指烧结矿在模拟高炉冶炼条件下的滴落特性，铁矿粉同化性能指铁矿粉中铁氧化物与CaO的反应能力，铁矿粉流动性能指烧结过程中铁矿粉与CaO反应生成液相的流动能力[5]，三者存在关联性。为了明确铁矿粉的烧结基础特性与熔滴性能之间的联系，降低配矿方面工作量，文章对国外几种常见的铁矿粉进行了研究，以期对实际烧结生产配矿提供指导。

1 同化性能及流动性能实验

1.1 实验原理及方法

文章拟定测量表1中配矿方案的同化性能和流动性能，铁矿粉的化学成分见表2，不同配矿方案的主要化学成分见表3。

表1 配矿方案成分表(质量分数) %

表2 铁矿粉的化学成分(质量分数) %

表3 不同配矿方案的主要化学成分(质量分数) %

实验设备：可视卧式高温炉(型号：CI16-DIL，额定功率为8 kW)、摄像及记录系统、压片机和供气系统。装置系统见图1。

实验用CaO粒度<149 μm分析纯，铁矿粉粒度<149 μm，配入粒度<149 μm的焦粉以模拟熔滴实验过程中还原性气氛。

图1 实验装置系统

用压片机在压力10 MPa下，制成质量0.8 g直径8 mm×(5～6)mm的圆柱形试样和质量3.0 g直径24 mm×4 mm的圆饼形垫片，如图2所示。流动性能试验中，考虑高碱度且液相数量约占1/3的烧结矿的粘结相特点，其中圆柱试样二元碱度取4.0[5]。将圆柱置于垫片上，放置炉中按设定升温制度(室温～600 ℃，15 ℃/min；600～1 150 ℃，10 ℃/min；1 150 ℃以上，5 ℃/min)及相应的实验气氛(室温～1 150 ℃，氮气，3 L/min；1 150 ℃～实验结束，3 L/min，空气)进行焙烧，图像和数据信息由计算机系统在升温过程中采集，同化性能实验和流动性能实验过程特征分别如图3和图4。

图2 实验试样

1.2 配碳量的确定

由于CO还原作用，熔滴实验中渣相主要成分是FeO、CaO和SiO2。同化性能和流动性能实验不配碳情况下，渣相的主要成分为Fe2O3、Fe3O4、CaO和SiO2，为了准确获得烧结基础特性与熔滴性能之间的联系，力求同化性能、流动性能实验和熔滴实验中的熔体成分接近，向圆柱试样中添加焦粉。这是由于C能将Fe3O4和Fe2O3还原成FeO甚至Fe。

图3 同化性能实验过程特征

图4 流动性能实验过程特征

根据还原过程铁氧化物是由高级氧化物转化为低级氧化物的变化规律[6]：

>570 ℃时 Fe2O3→Fe3O4→FexO(FeO)→Fe

(1)

<570 ℃时 Fe2O3→Fe3O4→Fe

(2)

假设圆柱试样中Fe元素全部以三价态，即赤铁矿形式存在，此种情况下全部转化为FeO时需要最多的焦粉配加量，由反应式：

3.相对湿度。猪舍内要保持合适的湿度，假如过大，可以减弱机体的抵抗力，使发病率提高。湿有利于各种病原菌的繁殖，仔猪副伤寒、丹毒、仔猪黄白痢、疥癣和其他寄生虫都很容易蔓延。一般60%～70%即可，但肥育猪相对高点应在70%～75%。

2C+O2=2CO

(3)

Fe2O3+CO=2FeO+CO2

(4)

1 150 ℃后改通空气，C的还原反应按照式(1)、(3)、(4)进行，根据圆柱试样重量和含量可求得焦炭百分比为5.6%左右时，Fe元素将全部转化为FeO。考虑混料时的偏析及损失，实验采用6%配碳量进行。

1.3 试验结果

五种方案矿粉同化性能和流动性能采用新的方法进行测定，新方法能够更加准确地反映实验的过程信息[7-9]。同化性能实验数据如表4所示，开始同化时刻时间记为t1，温度记为T同1；同化反应终点时刻时间记为t2，温度记为T同2。所以同化反应时间t=(t2-t1)；同化反应温度T同=(T同2+T同1)/2，其中反应开始和反应结束点由图3确定。

表4 同化性能实验数据

对铁矿粉流动性能评价采用以实际生产温度为基准的量纲为1的流动性特征数模型[9]，表达式为：

(5)

式中：η为面积增长率，η=(S2-S1)/S1，%，其中S1和S2分别为液相流动起点和终点时的试样面积；T为流动温度，即流动起点与终点温度平均值，T=(T流2+T流1)/2，K，其中T流1和T流2分别为液相流动起点和终点时的温度；H为升温速率(实验过程1 150 ℃以上的升温速率)，K/s；t为液相流动时间，即流动起点到终点所需时间，t=(t2-t1)，s，其中t1和t2分别为液相流动起点和终点时刻；T标是标准烧结温度。

在此基础上所测得的流动性能实验结果如表5所示。

2 熔滴实验

2.1 实验结果及分析

按照表1中的配矿方案进行烧结杯实验，对所得到的烧结矿进行熔滴实验，实验结果主要指标如表6所示。

熔滴实验结果显示，随着毅星粉配比逐渐增加，软熔温度区间ΔT2、最大压差值ΔPm及熔滴性能总特性值S增大，而开始熔融温度TS基本上没有大的变化。分析其原因可能是由于毅星粉与巴卡粉中FeO的含量几乎相当，而熔融开始温度TS取决于FeO低熔点渣的熔点；同时由于毅星粉中TiO2含量较高，TiO2在高温反应中易形成高熔点化合物，使得烧结液相粘度增加[5]，由此造成了开始滴落温度Td升高、最大压差值ΔPm增大。

表5 流动性特征数实验数据

表6 熔滴实验数据

2.2 讨论

(1)ΔP=(ΔPm-ΔPs)，ΔPs为定值，ΔPm取决于滴落带的厚度、渣相量及渣相粘度[12]。流动性特征数LD实际上反映的是烧结液相粘度的强弱，并且LD与粘度呈负相关；

(2)熔滴实验中熔体成分和高炉初渣成分相似主要为FeO、CaO和SiO2[13]，并存在如下化学反应：

2FeO+SiO2=2FeO·SiO2

(6)

2CaO+SiO2=β-2CaO·SiO2

(7)

CaO+FeO+SiO2=CaO·FeO·SiO2

(8)

根据相图[14]可知，低熔点渣相为CaO·FeO·SiO2。开始熔融温度(Ts)取决于含FeO的低熔点渣的熔点，所以Ts反映的是生成CaO·FeO·SiO2渣相温度。在测定铁矿粉同化性的实验中，FeO和SiO2存在于圆柱形试样中，CaO存在于圆饼形垫片中，所以CaO·FeO·SiO2在圆柱形试样和圆饼形垫片的接触面上生成。同化反应起始温度(T同1)反映的是试样和垫片界面上开始生成液相(即渣相CaO·FeO·SiO2)的温度，和Ts具有相同的含义；

(3)滴落温度受试样中渣、铁相的数量的影响，既可取决于渣相的熔点，也可取决于铁相熔点[15]，其含义是液相大量生成的起点。流动性实验和熔滴实验中熔体成分是接近的，液相流动起点温度(T流1)反映的也是液相大量生成的起点；

(4)熔滴性能总特性值S=(ΔPm-ΔPs)×ΔT2=ΔP×(Td-Ts)；

基于以上讨论提出熔融特性参数：

(9)

虽然K与S具有相近的含义，但是K考虑的因素不够全面。升温速率(H)和时间(t)是一对相互制约且影响熔融性能的参数，所以定义熔融性能特征数：

(10)

熔滴性能总特性值、熔融特性参数和熔融性能特征数这三者的变化趋势和程度是很相近的，如图5和图6所示。但是熔融性能特征数包含信息是全面的，而且具有明确的物理含义，因此使用熔融性能特征数对烧结矿的软熔性能进行预测是可行的。

图5 熔滴性能总特性值与熔融特性参数对比

图6 熔滴性能总特性值与熔融性能特征数对比

3 结论

在测定铁矿粉同化性能和流动性能的实验中，文章使用了较以往不同的方法。该方法综合考虑了反应过程信息，即基于多因素考虑定义了评价指标，因此对铁矿粉描述更全面。

尽管目前有多种方法指导配矿，但是验证配矿方案的烧结杯实验任务量还是很大，文章所使用的测定铁矿粉同化性和流动性的方法能对烧结矿的冶金性能提供初步的预判，减少一些不必要的烧结杯实验和熔滴实验。

文章所提出的熔融性能特征数与熔滴性能总特性值具有相近的含义，因此使用熔融性能特征数对烧结配矿方案进行验证，能为烧结矿质量提供进一步的预判，提高配矿质量。