熔剂配比对烧结矿质量的影响

2021-08-09李雪松

冶金设备 2021年3期

李雪松

（唐山瑞丰钢铁有限公司河北唐山063303）

1 前言

烧结工艺［1－2］是现代高炉冶炼高产降耗的有效手段之一，经该工艺生产的烧结矿是高炉生产最主要的原料，其质量和冶金性能对高炉强化冶炼，降低焦比，提高高炉炼铁系统的经济效益起着至关重要的作用［3］。要确保高炉的高效稳定运行，就必须对烧结矿质量提出更高的要求，保证还原性、强度、低温还原粉化等重要的烧结质量指标较优，任何一项出现问题，就会对烧结矿的质量产生严重影响，影响高炉顺行，进而影响经济效益。优化烧结配矿［4－5］是改善烧结矿质量的主要途径，是综合考虑其化学成分，粒度组成，冶金性能等因素，将多种铁矿粉与熔剂、燃料一起混合均匀，同时考虑各原料成本因素，按照符合烧结工艺指标和烧结质量要求进行配料和烧结，以生产出满足高炉冶炼的高质量烧结矿［6－10］。

熔剂配比作为强化烧结生产，显著影响烧结质量的指标，其提高能有效改善混合料的粒度组成、提高料温、促进液相生成和降低固体消耗。熔剂要求质量稳定、粒度较小，在烧结过程中才能充分完全分解和有利于矿化反应的发生，否则会导致CaO以游离状态残留在烧结矿中，形成俗称的“白点”。含有白点的烧结矿在贮存、运输过程中，一旦与空气接触，就会与空气中的水分发生消化反应生成Ca（OH）2，从而改变形态，破坏原有矿相结构，导致烧结矿体积膨胀，强度降低，进而恶化烧结矿低温还原粉化性能。针对某钢厂现场烧结矿低温还原粉化率低，高炉冶炼技术经济指标不优的问题，从熔剂结构优化角度研究生石灰配比对烧结的影响，探讨生石灰配比对烧结工艺指标和烧结矿冶金性能的影响规律，以确定适宜的生石灰配比，以期为现场烧结提供理论基础和技术支持，为从事烧结配矿领域研究的科研工作者提供重要参考。

2 实验条件及方法

2.1 实验原料及配比

实验所用原料为某钢厂现场烧结所用铁矿粉，熔剂为生石灰、石灰石和白云石，燃料为焦粉和煤粉。其中烧结原燃料化学成分及基准配比如表1所示。实验过程中，在保证烧结矿碱度1.9，MgO含量为2.32%的前提下，生石灰由4.0%增加至5.5%，配料方案列于表2。

表1 原燃料化学成分及基准配比（%）

表2 生石灰配比烧结实验方案

2.2 实验过程及方法

本实验通过烧结杯实验来模拟该钢铁企业的现场生产情况。烧结杯实验工艺流程如图1所示。本烧结杯实验模拟现场条件，一混时间4min，二混时间3min，水分控制在7%左右，当混匀造球结束后，在圆筒混料机的底部、中间和入口处分别取料进行粒度筛分测定，要求最终制粒后的粒径分布为3mm～5mm的生球占比70～80%。

图1 烧结杯工艺流程图

实验采用φ300mm×600mm烧结杯，点火温度1000℃，点火时间90s，点火负压8kPa，烧结负压12kPa，料层厚度600mm。烧结杯顶部放置约60g的焦炭以助燃加热，以烧结废气温度达到最高点并开始下降时定为烧结终点。之后进行落下性能检测实验，将烧结矿置于2m高处自由落下至铁板，共计3次。随后进行筛分（40mm、25mm、16mm、10mm、5mm的ISO3271标准方孔筛），以大于10mm的质量百分比作为烧结矿的成品率指标。取粒度10mm～25mm的烧结矿3kg置于φ1000mm×200mm的ISO标准转鼓（1／5转鼓）做转鼓实验。鼓后用6.3mm×6.3mm方孔筛筛分，以＋6.3mm的质量百分比作为烧结矿的转鼓指数。烧结矿低温还原粉化性能按照中国国家标准GB／T13241－91测定，以3.15mm×3.15mm标准筛筛上重量百分比作为烧结矿的低温还原粉化指数指标（RDI＋3.15）。为确保试验数据的准确和可靠，每个方案的烧结杯试验均进行两次。

3 实验结果及分析

通过烧结杯实验，获得熔剂配比分别为生石灰4.0%、4.3%（基准含量）、4.5%、5.0%和5.5%条件下的烧结成品率、垂直烧结速度、转鼓指数和低温还原粉化指数RDI＋3.15等指标。

3.1 成品率

生石灰含量对成品率的影响如图2所示。随着生石灰含量的增加，成品率呈现先升高后下降的趋势，生石灰含量在4.0%至4.5%时，成品率逐渐升高，由79.41%升高到82.40%，当生石灰含量在4.5%至5.5%时，成品率逐渐降低，由82.40%降低到81.19%。

图2 生石灰含量对成品率的影响

生石灰主要成分是CaO，随着生石灰含量的增高，烧结混合料中游离CaO含量增加，CaO与水发生消化反应，可以形成大量粒度极细的消石灰胶体颗粒，消石灰比表面积比消化前增大100倍左右，可以强化制粒效果，提高烧结混合料成球性能，改善并提高烧结原始料层透气性，增加烧结矿产量；生石灰配加量增加，烧结混合料中游离CaO增多，形成大量的消石灰颗粒，可以与混合料中其他成分能更好地接触，Ca（OH）2颗粒较粒度比粗的石灰石颗粒更易与其他成分生成低熔点化合物，液相流动好，更快发生固液相反应，加速烧结过程，提高成品率。因此，生石灰含量在4.0%至4.5%时，成品率随生石灰含量的增加而升高。但生石灰用量过多，生球强度反而会变坏，在烧结布料和烧结过程中极易破碎，恶化烧结料层透气性，因此当生石灰含量在4.5%至5.5%时，料层透气性下降，导致成品率下降。

3.2 垂直烧结速度

生石灰含量对垂直烧结速度的影响如图3所示。随着生石灰含量的增加，垂直烧结速度呈现先升高后下降的趋势。生石灰含量在4.0%至4.3%，垂直烧结速度由19.88mm／min升高到20.58mm／min；当超过生石灰含量4.3%时，垂直烧结速度开始下降，由4.3%时的20.58mm／min降低至5.5%的19.49mm／min。

图3 生石灰含量对垂直烧结速度的影响

当生石灰含量在4.0%至4.3%时，垂直烧结速度增加是由于随着生石灰含量的增加，遇水消化反应后的消石灰比表面积增大，可以更好地接触混合料中的其他成分，且Ca（OH）2颗粒比粒度较粗的石灰石颗粒更易与其他成分生成低熔点化合物，固液相反应更快地进行，加快垂直烧结速度。但当生石灰含量4.3%至5.5%时，垂直烧结速度逐渐下降。这是由于生石灰发生消化反应后生成消石灰Ca（OH）2，Ca（OH）2极易吸收CO2生成CaCO3，释放出水分。该反应过程发生在原始混合料带，脱出来的水分随着抽风又凝结在混合料中，增加过湿层厚度，降低垂直烧结速度。

3.3 转鼓指数

生石灰含量对转鼓指数的影响如图4所示。随着生石灰含量的增加，转鼓指数呈现先升高后平稳再下降的趋势，生石灰含量在4.0%至4.3%，转鼓指数由64.79%升高到66.17%，当生石灰含量在4.3%至5.0%时，转鼓指数维持在66.20%的水平波动，当生石灰含量由5.0%至5.5%时，转鼓指数开始下降，由66.20%降低至64.43%。

图4 生石灰含量对转鼓指数的影响

配加一定量的石灰石可以提高烧结矿强度，改善烧结矿质量，这是因为石灰石分解产生CaO，其分解后产生的CaO活性高于生石灰中CaO活性，更易于铁酸钙液相的生成，改善了过高的透气性，有利于反应的充分进行。但当生石灰含量4.0%时，石灰石含量（6.76%）较高，成球性能差，矿物结晶不完全，导致强度下降，转鼓指数较低。随着生石灰含量由4.0%增加至4.3%时，促进了液相反应进行，使烧结过程在较低温度下获得更多流动性好、粘结性高的液相，矿相更加均匀，有利于转股指数的提高。继续增加生石灰效果不太明显。但是生石灰配比过高时，烧结速度过快，烧结过程中高温保持时间过短，影响烧结矿强度，转股指数下降。

3.4 低温还原粉化指数RDI＋3.15

生石灰含量对低温还原粉化指数RDI＋3.15的影响如图5所示。随着生石灰含量的增加，低温还原粉化指数RDI＋3.15逐渐上升，低温粉化性能得到明显改善，RDI＋3.15由生石灰含量4.0%时的58.94%升高到5.5%时的67.72%。

图5 生石灰含量对RDI＋3.15的影响

随着生石灰含量的增加，烧结混合料中游离CaO增多，烧结矿时铁酸钙生成量增多，硅酸盐含量相对减少，有利于降低硅酸钙低温还原时因γ－2CaO·SiO2转变为β－2CaO·SiO2相变引起体积膨胀，从而改善烧结矿粉化的问题；CaO与Fe2O3反应生成铁酸钙，导致赤铁矿含量降低，减少了赤铁矿还原为磁铁矿时产生地体积膨胀；同时，石灰石分解产生更多高活性的CaO，易与其他矿物发生矿化反应，生成低熔点物质，使得烧结矿中粘结相数量增加，从而抑制还原过程中体积膨胀，低温还原粉化性能得到改善，RDI＋3.15指数升高。

3.5 机理分析

为了充分探究不同生石灰含量对烧结矿冶金性能的影响，利用SEM对烧结矿进行矿相分析，图6是生石灰含量分别为4.0%、4.5%和5.5%的SEM－EDS分析结果，其中a点白色为铁氧化物相，b点灰色为铁酸钙和复合铁酸钙相，c点黑色为硅酸盐相。

图6 不同生石灰含量的SEM－EDS图

由图可知，当生石灰含量4.0%时，固液相反应不充分，矿相结构不均匀。矿相中大量存在铁的氧化物，赤铁矿含量高，在高炉低温区被还原成磁铁矿体积膨胀，造成低温还原粉化率高。少量分布不均匀熔蚀结构的铁酸钙在铁氧化物周围生成，使烧结矿强度受到影响，转鼓指数低。当生石灰含量4.5%和5.5%时，矿相结构较均匀，以斑状结构为主，CaO的增多粘结相中铁酸钙相含量逐渐增加，赤铁矿含量降低，硅酸盐含量降低，有利于减少低温还原时赤铁矿被还原造成的体积膨胀，同时也有利于降低硅酸钙因γ－2CaO·SiO2转变为β－2CaO·SiO2相变引起体积膨胀从而导致烧结矿粉化的现象，烧结矿的低温还原粉化性能得到改善。