钙质熔剂类型对铁矿石烧结高温基础性能的影响研究

任玉明，李长武

（天津市新天钢联合特钢有限公司，天津 301500）

0 引言

2020年，我国进口铁矿石超过11.5亿吨，达到历史新高。铁矿石种类繁多且品质参差不齐，优化各类铁矿石的配比，对所有钢铁企业来讲都是要重点研究的课题[1]。现阶段以矿物质高温基础性能为指导的优化配矿法成为了主流方法，铁矿石的同化性和液相流动性对其烧结过程具有重要指导意义[2-4]。铁矿石的同化性反映了烧结过程中含铁原料和钙质熔剂反应的难易程度，同化性强的铁矿粉与CaO结合生成低熔点的液相更加容易；而液相流动性反映了烧结过程中生成的黏结相的流动能力，液相流动性强代表烧结矿液相的黏度低。

目前同化性和液相流动性的研究已有大量试验和理论[5-8]，但改变石灰类型的研究有所欠缺。张建良等人应用活性生石灰强化烧结超厚料层生产实践研究发现：熔剂结构采用活性生石灰有利于增加烧结料层厚度,烧结机利用系数接近1.9t/（m2·h），固体燃耗接近40kg/t[9]。陈强等人对熟熔剂逐步代替生熔剂进行了试验研究，结果表明：随着生石灰配加量提升，烧结料层垂直燃烧速度和烧结机利用系数分别有所提高[10]。赵满祥等人通过变熔剂配比烧结实验研究，得到了最适合首钢公司迁钢烧结生产的烧结矿熔剂结构和配矿方案[11]。

为了探究钙质熔剂的类型对铁矿粉高温基础性能的影响，本文分别选取生石灰和熟石灰作熔剂，对磁铁矿和赤铁矿开展同化性和液相流动性的研究，以期为烧结熔剂结构优化提供支撑。

1 试验原料与方法

1.1 实验原料

实验所用原料共4种，包括磁铁矿粉、赤铁矿粉、高活性生石灰（CaO）以及熟石灰（Ca（OH）2），其主要化学成分如表1所示，表中A为磁铁矿粉、B为半赤半褐铁矿粉。由表1可以看出：A矿的铁品位相对较高，为65.7%，且A矿的FeO、SiO2、MgO含量显著高于B矿；B矿中Al2O3含量达到了2.4%，且B矿烧损较高，达到了6.15%。

表1 烧结原料化学成分检测结果

1.2 研究方法

1.2.1 最低同化温度检测

检测最低同化温度的实验仪器为微机灰熔融性测定仪。首先利用玛瑙研钵将4种原料分别研磨成粒度组成为-200目占100%的粉末，将铁矿粉末制成三角锥形状。取适量熔剂粉末在一定压力下压制成小饼。将铁矿粉三角锥放在熔剂小饼上部中央，设定升温制度，直到同化反应开始为止[12，13]。通过自动摄像装置捕捉铁矿粉三角锥倒下的图像（如图1所示）。本次试验是以铁矿粉三角锥迅速倒落为同化特征，此时的温度为最低同化温度。

图1 铁矿粉同化性能检测示意图

1.2.2 液相流动性检测

液相流动性能实验装置为微型烧结实验装置。首先将样品烘干，然后将其粉碎成粒径小于-100目的粉末；将烧结物料碱度设为4.0配料，混匀后取适量样品，利用不锈钢模具在一定压力下压制成圆柱状样品；将样品按照液相流动性升温曲线（如图2所示）加热。反应后按照流动面积计算液相流动性指数，其计算公式如下：

图2 液相流动性升温曲线

式中：L为铁矿粉液相流动性指数；S1为试样原面积；S2为试样反应后面积。

2 实验结果与讨论

2.1 熔剂微观形貌

图3为熟石灰和生石灰样品扫描电镜观察结果。由图3可以看出生石灰和熟石灰微观形貌差异较大。生石灰颗粒分明且密集，颗粒尺寸相对较小，粒度均匀，整体孔隙较多，气孔率高，这也就使得生石灰反应性、活性度等冶金性能指标良好；而熟石灰中发生了明显的粘连黏结现象，单粒度并不均匀，且含有一定玻璃相，致使整体气孔率降低，这也就使得熟石灰的反应能力相对较弱。

图3 熟石灰和生石灰微观形貌观察结果

2.2 同化性实验结果分析

图4为熟石灰和生石灰与两种铁矿粉反应同化性能检测结果。检测结果显示：无论是磁铁矿粉还是赤铁矿粉，生石灰都更易与矿粉中的铁氧化物发生反应，最低同化温度相对较低；磁铁矿粉条件下，生石灰最低同化温度相比于熟石灰要低22℃；赤铁矿粉条件下，生石灰最低同化温度相比熟石灰低83℃。整体来看，生石灰由于晶粒尺寸更细，活性CaO含量更多，具有更高的表面能，这就使得在升温烧结过程中更易与两种典型铁矿粉发生相关反应，而高活性生石灰的结构特点为气孔率大、体积密度小，使得其与铁氧化物间的反应面积更大，反应更快且充分。

图4 熟石灰和生石灰与铁矿粉同化性检测结果

2.3 液相流动性实验结果分析

图5为熟石灰和生石灰对两种典型铁矿粉液相流动性能检测示意图。基于检测结果，对样品进行液相流动性指数计算，得到了如图6所示的液相流动性能检测结果。由图6可以看到，生石灰对两种铁矿粉液相流动性有着促进作用。磁铁矿粉条件下，配加生石灰熔剂时铁矿粉液相流动性指数达到2.35，而配加熟石灰熔剂时仅为2.00；赤铁矿粉条件下，配加生石灰熔剂时铁矿粉液相流动性指数为1.62，而配加熟石灰熔剂时为1.39，虽然能够表明生石灰对赤铁矿粉液相的促进作用大于熟石灰，但影响相对较小、改善情况不明显[14]。

图5 铁矿粉液相流动性检测示意图

图6 熟石灰和生石灰与铁矿粉液相流动性检测结果

2.4 不同钙质熔剂对烧结成品矿物相组成影响分析

不同钙质熔剂对烧结成品矿物相组成影响实验采用扫描电镜进行分析，图7为不同钙质熔剂条件下铁矿粉液相流动性样品内部矿相分布。由图7可以看到，虽然样品为压块，但矿相中仍存在有部分微孔。生石灰条件下，矿相中多为微孔或小孔；而在熟石灰条件下，由于样品粘连度较高，故其内部气孔多为大孔，从物相结晶角度来讲，微孔更有利于针状铁酸钙物相的生成[15,16]。配加生石灰条件下，样品内部铁酸钙物相与铁氧化物交织分布，铁酸钙物相多为针状或枝晶状，物相分布均匀，富铁结构的复合铁酸钙（即SFCA-I）含量较高，这对烧结成品矿的强度及冶金性能均呈现有利影响；配加熟石灰条件下，虽然仍存在有大量铁酸钙矿物相，但矿物相中复合铁酸钙多为板柱状或片状结构，且富钙结构的复合铁酸钙矿物相占比相对更多，这对烧结成品矿的强度及还原性能呈现不利影响。

图7 不同钙质熔剂条件下铁矿粉液相流动性样品内部矿相分布

3 结语

通过不同钙质熔剂对磁铁矿和赤铁矿同化性和液相流动性影响的研究，并对研究实验结果进行分析，获得了生石灰和熟石灰作为烧结熔剂时对典型铁矿粉同化性和液相流动性的影响规律。

（1）通过扫描电镜观察发现，生石灰和熟石灰微观形貌差异较大。生石灰颗粒分明且密集，颗粒尺寸相对较小且均匀，整体气孔率高；而熟石灰中发生了明显的粘连黏结现象，单粒度并不均匀，致使整体气孔率降低。

（2）生石灰和熟石灰与铁矿粉反应同化性能检测结果可以看出：无论是磁铁矿粉还是赤铁矿粉，生石灰都更易与铁矿粉中的铁氧化物发生反应，最低同化温度相对较低。

（3）液相流动性能检测结果表明：生石灰对两种铁矿粉液相流动性都有着促进作用。生石灰对磁铁矿粉液相流动性改善效果更为明显，液相流动性指数较熟石灰高0.35，但对赤铁矿粉液相流动性改善效果不明显，液相流动性指数较熟石灰高0.23。

（4）通过扫描电镜可以看出：不同钙质熔剂对烧结成品矿物相组成影响较大。配加生石灰时，烧结成品矿物相为铁酸钙与铁氧化物交织分布，铁酸钙矿物相多为针状或枝晶状且分布均匀，富铁结构的复合铁酸钙（即SFCA-I）含量较高；配加熟石灰时，烧结成品矿物相中复合铁酸钙多为板柱状或片状结构，不利于烧结成品矿强度及还原性能。