李神子^1，2 ，潘向陽^１，２ ，龍 躍^１，２∗

(1. 華北理工大學(xué) 冶金與能源學(xué)院，河北 唐山 063210；2. 華北理工大學(xué) 現(xiàn)代冶金技術(shù)教育部重點(diǎn)實驗室，河北 唐山 063210)

摘要：在燒結(jié)工藝過程中，MgO 對燒結(jié)礦的冶金性能具有重要影響。隨著燒結(jié)原料條件的變化及煉鐵新技術(shù)的發(fā)展，燒結(jié)礦中適宜的 MgO 含量也隨之改變。介紹了燒結(jié)礦的來源及作用機(jī)理，系統(tǒng)地分析了原料條件和煉鐵新工藝對我國燒結(jié)礦中 MgO含量的影響。相較傳統(tǒng)的高堿度燒結(jié)礦+ 酸性球團(tuán)礦的爐料結(jié)構(gòu)低 MgO燒結(jié)礦+ 鎂質(zhì)球團(tuán)礦結(jié)構(gòu)下的高爐焦比、燃料比及渣比都有所降低，是未來煉鐵的發(fā)展方向。 

關(guān)鍵詞：燒結(jié)礦；MgO；高爐爐料結(jié)構(gòu)；冶金性能；鎂質(zhì)球團(tuán)礦

0 引言

近年來，隨著鋼鐵企業(yè)的發(fā)展，燒結(jié)工藝水平有 了很大地提高，主要體現(xiàn)在燒結(jié)礦質(zhì)量、產(chǎn)量以及燒結(jié)過程和設(shè)備等幾個方面。同時，燒結(jié)礦中MgO的 適宜含量也發(fā)生了變化。 MgO 含量變化對燒結(jié)礦的冶金性能影響顯著，導(dǎo)致其在高溫冶煉過程中的行為和作用也明顯不同。由于鋼鐵企業(yè)之間的燒結(jié)原料存在巨大差異，因此在燒結(jié)礦適宜的 MgO 含量方面存在很大分歧^[1－3]，也使得改善燒結(jié)礦冶金性能的難度加大^[4，5]。隨著煉鐵新工藝發(fā)展和設(shè)備條件的變化，低 MgO燒結(jié)礦配加鎂質(zhì)球團(tuán)礦已成為未來煉鐵發(fā)展的新趨勢。 

這種低MgO燒結(jié)礦配加鎂質(zhì)球團(tuán)礦的爐料結(jié)構(gòu)不僅可以滿足高爐的冶煉要求，而且可以提高燒結(jié)礦和球團(tuán)礦的冶金性能。簡而言之，必須要不斷優(yōu)化燒結(jié)礦中的MgO含量，使其能最大程度地提高燒結(jié)礦的質(zhì)量。

1 MgO 的來源及作用機(jī)理

1.1 MgO 的來源

國內(nèi)外高爐爐料結(jié)構(gòu)如圖1 所示。由于技術(shù)水 平和礦石來源的不同，世界各地鋼鐵企業(yè)的高爐爐料結(jié)構(gòu)也有較大差異。 在歐美，因其礦源多為細(xì)精礦，更適合球團(tuán)礦的生產(chǎn)，因此高爐爐料主要以球團(tuán)礦為主。 例如，美國的 AkSteel 公司采用的就是球團(tuán)礦比例在90％ 以上的爐料結(jié)構(gòu)，因此美國高爐爐料中的 MgO 主要來自球團(tuán)礦。中國高爐使用的絕 大多數(shù)礦石為進(jìn)口粉礦，而粉礦適宜燒結(jié)，這就決定了燒結(jié)礦是我國高爐爐料結(jié)構(gòu)的主體。

我國用于燒結(jié)生產(chǎn)的原料主要為鐵礦粉、熔劑 和燃料，某沿海地區(qū)煉鐵廠燒結(jié)原料中 MgO 來源及含量百分比如表 1 所示?？芍?，燒結(jié)原料中的MgO大部分來自于白云石，其MgO含量為 20. 68％ ， 加入白云石的主要目的是：得到一定堿度的燒結(jié)礦，使高爐冶煉可以不加或少加熔劑，以利于提高高爐冶煉強(qiáng)度、降低焦比。

1.2 MgO 的作用機(jī)理

高爐冶煉過程受爐渣中MgO含量的影響較為顯著，主要表現(xiàn)在：可提高爐渣的脫硫能力和流動性，抑制爐內(nèi)堿金屬的循環(huán)積累，有利于改善爐渣排堿率等^[6]。由于燒結(jié)礦中的 MgO含量過高會影響其冶金性能，進(jìn)而影響高爐生產(chǎn)。因此，當(dāng)原料條件一定時，如何優(yōu)化燒結(jié)礦中的MgO含量就顯得至關(guān)重要。

長久以來，MgO作為高爐煉鐵工藝的重要組成部分受到了廣泛關(guān)注，燒結(jié)礦作為高爐冶煉的主要原料，其低溫還原粉化指數(shù)(RDI)是影響燒結(jié)礦品質(zhì)的重要因素，不僅會影響高爐上部的透氣性、高爐順行，同時對能耗的影響也十分顯著^[7]。有研究表明^[8]，燒結(jié)原料中加入適宜的MgO在一定程度上具有抑制燒結(jié)礦低溫還原粉化的作用。通常，MgO對燒結(jié)礦有積極地作用，其可固溶于2CaO•SiO₂ 以穩(wěn)定相變，提高燒結(jié)礦強(qiáng)度。當(dāng)MgO適量時，液相流動性增強(qiáng)，玻璃相減少，可增加液相界面張力。但含量高于 4％~ 5％ 時燒結(jié)礦則不易熔化且伴有生料，強(qiáng)度降低^[9，10]。熔滴性是燒結(jié)礦在高爐內(nèi)的重要指標(biāo)，適宜的 MgO含量可改善燒結(jié)礦的軟熔性能，提高高爐透氣性，保證高爐順行，提高高爐生產(chǎn)率。而還原性對熔滴性也有一定影響，一般來說，原料的熔滴性好，還原性也會好。因此，加入MgO 可以達(dá)到降低焦比和節(jié)約原料的目的，獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益。 

2 原料條件及工藝技術(shù)變化對燒結(jié)礦中MgO含 量的影響

燒結(jié)礦的化學(xué)成分對其質(zhì)量的影響顯著，當(dāng)燒結(jié)工藝參數(shù)一定時，適宜的化學(xué)成分在提高燒結(jié)礦冶金性能的同時還能保證高爐的順行，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益^[11]。 

2.1 原料條件變化對燒結(jié)礦中MgO含量的影響

2.2.1  A_l2O₃ 對燒結(jié)礦中MgO含量的影響

2009 ~ 2017 年我國進(jìn)口鐵礦石的數(shù)量如圖2 所示。可知，近年來我國進(jìn)口鐵礦石數(shù)量顯著提升，由 2009 年的6.3 億t增加至 2017年的 10.75 億t， 漲幅70.63％，這都源于我國鋼鐵企業(yè)的快速發(fā)展。

表2 所示為部分進(jìn)口鐵礦石與國產(chǎn)鐵礦石中的 Al₂O₃ 含量。可知，進(jìn)口鐵礦石的 Al₂O₃ 含量比國產(chǎn)鐵礦石高，這會造成爐渣中的Al₂O₃ 含量相應(yīng)增加，從而使得爐渣粘度增加、流動性變差，不利于高爐冶煉^[12－14] 。另外，Al₂O₃ 含量的增加會提高燒結(jié)礦的低溫還原粉化率， 此時，在原料中加入適量 MgO 以形成鎂橄欖石等多種高熔點(diǎn)物質(zhì)，不但有利于提高燒結(jié)礦的低溫還原粉化性能和軟化熔融特性，而且因 MgO 具有一定降低高爐渣粘度的作用，可緩解因爐料中Al₂O₃含量增加、高爐渣粘度增大所帶來的不利影響^[15－18]。由此可知，隨著入爐原料中Al₂O₃ 含量的增加，須相應(yīng)提高并優(yōu)化MgO 含量，以最大限度地提高燒結(jié)礦的冶金性能，改善高爐冶煉條件。

2.1.2 SiO₂ 對燒結(jié)礦中 MgO含量的影響

表3 所示為2015 ~ 2018年沿海地區(qū)某煉鐵廠燒結(jié)礦中 SiO₂ 含量變化。

由表 3 可知，2015 年至2018 年期間燒結(jié)礦中SiO₂含量呈逐年降低的趨勢，這源于低硅燒結(jié)技術(shù)的發(fā)展。 迄今為止，我國大部分燒結(jié)礦都是高鐵低硅燒結(jié)礦，一般品質(zhì)較高的燒結(jié)礦中SiO₂含量范圍為 4.8％ ~5.1％ ^[19，20] ，其優(yōu)勢是：有利于燒結(jié)過程中液相量的增加以及燒結(jié)礦的固結(jié)成型，改善燒結(jié)礦的還原性和高溫冶金性能^[21，22]。

閆志武等^[23]就 SiO₂對燒結(jié)礦影響的方面進(jìn)行了研究，得出：當(dāng) SiO₂含量在4.6％ ~ 5.9％ 范圍時，對燒結(jié)礦的低溫還原粉化有抑制作用。其還原粉化指數(shù)隨著 SiO₂含量的增加逐漸增大。張金柱等^[24]的研究表明：當(dāng) SiO₂含量為4.84％ ~ 5.0％ 時，燒結(jié)礦中的鐵酸鈣及硅酸二鈣減少，燒結(jié)礦強(qiáng)度降低，在燒結(jié)工藝參數(shù)及堿度一定時，適當(dāng)降低燒結(jié)原料的 MgO含量可促進(jìn)鐵酸鈣生成，提高燒結(jié)礦強(qiáng)度，同時降低固體燃耗和返礦率，從而獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益。 因此，當(dāng)燒結(jié)礦中 SiO₂ 含量較低時，鐵酸鈣和液相量也相應(yīng)較少，此時需適當(dāng)降低MgO含量來緩解這一現(xiàn)象。

2.2 工藝技術(shù)對燒結(jié)礦中 MgO含量的影響

目前，我國高爐爐料結(jié)構(gòu)主要由高堿度燒結(jié)礦配加酸性球團(tuán)礦以及部分天然塊礦組成，其中燒結(jié)礦的MgO 含量約控制在 1.3％ ~ 2.3％ ^[25－27]。高 MgO 燒結(jié)礦對高爐冶煉不利，而鎂質(zhì)球團(tuán)礦則對其有改善作用^[28]，低 MgO 燒結(jié)礦配加鎂質(zhì)球團(tuán)礦是未來煉鐵的新發(fā)展方向，此爐料結(jié)構(gòu)不僅能滿足高爐的冶煉要求，同時也可改善燒結(jié)礦和球團(tuán)礦的性能。2015 年，某沿海地區(qū)鋼鐵企業(yè)采用了低 MgO 燒結(jié)礦配加鎂質(zhì)球團(tuán)礦的爐料結(jié)構(gòu)進(jìn)行高爐冶煉，與常規(guī)爐料結(jié)構(gòu)相比，燒結(jié)礦冶金性能如表4所示，高爐冶煉指標(biāo)如圖3所示。

由圖3 可知，低MgO燒結(jié)礦配加鎂質(zhì)球團(tuán)礦的爐料結(jié)構(gòu)，其高爐焦比、燃料比和渣比均有所降低。主要原因是，燒結(jié)礦中高M(jìn)gO含量會使Mg²⁺ 占據(jù) Fe^2＋ 空位形成高熔點(diǎn)難還原的鎂鐵橄欖石，抑制磁鐵礦氧化生成赤鐵礦，進(jìn)而不利于鐵酸鈣礦物的形成，導(dǎo)致燒結(jié)固體燃耗增加且燒結(jié)礦強(qiáng)度和還原性能惡化^[29，30]。因此，燒結(jié)過程中應(yīng)盡量降低MgO含量。 由表4還可看出，低MgO燒結(jié)礦的冶金性能比高堿度燒結(jié)礦好些，但因其MgO含量較低，會導(dǎo)致爐渣中MgO量也低，因此需要加入鎂質(zhì)球團(tuán)礦調(diào)節(jié)爐渣中的MgO含量。這種調(diào)節(jié)方式可在降低燒結(jié)燃耗且改善燒結(jié)礦冶金性能的同時滿足高爐的冶煉要求，是未來煉鐵發(fā)展的方向。

3 燒結(jié)礦中MgO含量的現(xiàn)狀分析

由燒結(jié)實驗可知適量MgO對燒結(jié)礦有積極的作用，即能改善燒結(jié)礦的低溫還原粉化性能，提高燒結(jié)礦的軟熔性能等。隨著燒結(jié)技術(shù)的進(jìn)步與高爐精料技術(shù)的發(fā)展，燒結(jié)礦的軟熔性能有所提高、一定程度上改善了其低溫還原粉化現(xiàn)象，若再繼續(xù)向燒結(jié)礦中添加過多的MgO反而會使燒結(jié)礦的冶金性能變差。不利于高爐冶煉，2015 ~ 2017 年國內(nèi)大型鋼鐵企業(yè)燒結(jié)礦中平均MgO含量變化如表5所示。

由表5可知，2015 年和2016 年各鋼鐵企業(yè)燒結(jié)礦中MgO 含量波動較小，其中2015年平均MgO含量基本控制在1.43％ ~ 1.80％ 。2016 年控制在 1.35％ ~ 1.78％，相較其它企業(yè)。首鋼京唐燒結(jié)礦中平均MgO含量最低，約為 1.35％，這與其采用低MgO燒結(jié)礦及鎂質(zhì)球團(tuán)礦的爐料結(jié)構(gòu)有關(guān)^[31]。

受燒結(jié)原料條件、設(shè)備條件及工藝水平的制約，過去幾年燒結(jié)礦中MgO含量呈現(xiàn)逐年降低的趨勢，為此需不斷地優(yōu)化MgO含量，使其在不同的設(shè)備水平、原料條件下，能最大限度地提高燒結(jié)礦的質(zhì)量。對于燒結(jié)原料條件而言，MgO在燒結(jié)礦中主要起改善高爐爐渣流動性、穩(wěn)定性的作用，但在燒結(jié)過程中磁鐵礦晶格中的 Fe^2＋ 空位易被 Mg^2＋ 占據(jù)，形成難還原的鎂鐵橄欖石，不利于燒結(jié)生產(chǎn)，故應(yīng)適量降低MgO 的含量。當(dāng)燒結(jié)液相量較少時，MgO含量的增加對燒結(jié)礦的固結(jié)強(qiáng)度不利，而當(dāng)固結(jié)強(qiáng)度僅受限于硅酸鹽相變時，MgO 含量的增加則有利于燒結(jié)礦的固結(jié)強(qiáng)度，就目前燒結(jié)原料高品位、低 SiO₂ 的趨勢，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)降低MgO的含量。目前，燒結(jié)礦中適宜的MgO含量應(yīng)控制在1.3％ ~2.3％ ，隨著原料條件的變化及低MgO燒結(jié)礦配加鎂質(zhì)球團(tuán)的發(fā)展，燒結(jié)礦中MgO含量將會被持續(xù)優(yōu)化，未來幾年內(nèi)，燒結(jié)礦中MgO含量將會有所降低。

4  結(jié)論

(1) 隨著我國進(jìn)口鐵礦粉使用量的增加，高爐渣中Al₂O₃含量也隨之增加，造成了爐渣冶金性能下降，為適應(yīng)這種變化，采取適當(dāng)提高高爐渣中MgO 含量的方法，即在燒結(jié)礦中添加適量的MgO。使生產(chǎn)效率及成品率等諸多方面都有顯著提高，尤其在高溫軟熔性上表現(xiàn)的最為明顯。 此外，添加適量的MgO可以提高爐渣脫硫能力及渣鐵分離能力，有利于高爐冶煉順行。

(2) SiO₂ 是液相形成的基礎(chǔ)，對燒結(jié)礦的固結(jié)有重要影響，適量的 SiO₂可降低高爐渣量和能耗。有利于燒結(jié)礦的還原性和高溫冶金性能，但 SiO₂ 含量不宜過低，否則導(dǎo)致燒結(jié)過程的液相量減少，燒結(jié)礦強(qiáng)度變差，可以適當(dāng)減少燒結(jié)礦中MgO 含量來改善這一現(xiàn)象。

(3) 隨著低 MgO 燒結(jié)礦配加鎂質(zhì)球團(tuán)礦的發(fā)展，燒結(jié)礦中MgO含量將略有下降，這種爐料結(jié)構(gòu)既能滿足高爐的冶煉要求，同時又可改善燒結(jié)礦和球團(tuán)礦的性能指標(biāo)。因此，在未來的生產(chǎn)過程中，應(yīng) 盡量減少燒結(jié)礦中的MgO 含量。 

(4) 根據(jù)燒結(jié)原料條件的變化和煉鐵新工藝的發(fā)展而不斷優(yōu)化燒結(jié)礦中的 MgO含量，可為整個高爐煉鐵過程中 MgO的合理配置提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)依據(jù)。

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