張?zhí)靻?/p>

（銅陵市旋力特殊鋼有限公司，安徽 銅陵 244000）

摘  要：低溫還原粉化性能對(duì)高爐透氣性影響較大，嚴(yán)重時(shí)影響高爐上部料柱的透氣性，破壞爐況順行。造成燒結(jié)礦低溫還原粉化的原因是多方面的，有礦種、配碳、堿度、MgO、SiO₂、FeO、Al₂O₃、TiO₂、B₂O₃等因素。堿度、MgO和SiO₂對(duì)RDI起到了雙重性作用。Al₂O₃、TiO₂對(duì)燒結(jié)礦RDI起到了負(fù)面作用；B₂O₃可改善燒結(jié)礦RDI。通過分析總結(jié)出造成燒結(jié)礦還原粉化的原因及措施。

關(guān)鍵詞：燒結(jié)礦，低溫還原粉化，原因，控制措施

1、前  言

低溫還原粉化性能（也稱500℃低溫還原粉化率，用RDI表示）指燒結(jié)礦進(jìn)入高爐后，下降到400～600℃的區(qū)間，受到來(lái)自高爐下部煤氣的還原作用，燒結(jié)礦中的赤鐵礦發(fā)生還原反應(yīng)（Fe₂O₃→Fe₃O₄→FeO），還原為磁鐵礦時(shí)體積膨脹約10%，產(chǎn)生極大內(nèi)應(yīng)力，造成碎裂粉化，嚴(yán)重時(shí)影響高爐上部料柱的透氣性，破壞爐況順行。

RDI是評(píng)價(jià)燒結(jié)礦冶金性能重要指標(biāo)之一，寶鋼等企業(yè)均與常規(guī)化學(xué)成分一樣按批檢驗(yàn)。

生產(chǎn)實(shí)踐證明，燒結(jié)礦的RDI_+3.15減少10%，高爐產(chǎn)量降低3%以上，燃料比上升1.5%。

我國(guó)冶金行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（YB/T421-2005）規(guī)定RDI_+3.15≥72%，低于標(biāo)準(zhǔn)超過10%的一般應(yīng)噴灑處理。新修訂的（YB/T421-2014）規(guī)定RDI_+3.15≥68%。另外高爐上部影響透氣性只占15%，不要太過分強(qiáng)調(diào)低溫還原粉化率，而影響下部透氣性和還原性。注：本文中指RDI_+3.15。

2、燒結(jié)礦還原粉化后的顯微結(jié)構(gòu)

武鋼研究院通過燒結(jié)礦還原粉化實(shí)驗(yàn)后，其顯微結(jié)構(gòu)變化：主要是赤鐵礦發(fā)生了明顯的還原反應(yīng)，特別是原生致密塊狀赤鐵礦顆粒還原成磁鐵礦時(shí)產(chǎn)生了很多裂紋（見圖2、圖3)：

孔洞邊緣的次生骸晶赤鐵礦還原后，自身產(chǎn)生了裂紋，而且裂紋延伸到周圍的基質(zhì)中(見圖4）。在玻璃相中分布的粒狀赤鐵礦發(fā)生還原反應(yīng)后，玻璃相中有細(xì)裂紋產(chǎn)生（見圖5）。

但是有部分粒狀赤鐵礦未發(fā)生還原反應(yīng)，特別是分布在鐵酸鈣交織結(jié)構(gòu)中的赤鐵礦顆粒，仍保留原燒結(jié)礦結(jié)構(gòu)(見圖7）；針狀鐵酸鈣與磁鐵礦形成的交織熔蝕結(jié)構(gòu)未發(fā)生明顯改變，無(wú)裂紋(見圖6)。

3、影響燒結(jié)礦還原粉化主要原因及措施

（1）原生赤鐵礦顆粒，由于顆粒粒度大，比較致密，還原時(shí)產(chǎn)生的相變應(yīng)力比較集中，還原后形成大量裂紋，對(duì)還原粉化有明顯的影響。當(dāng)赤鐵礦顆粒很細(xì)時(shí)，還原后相變應(yīng)力比較小，還原后不易產(chǎn)生裂紋。措施：控制赤鐵礦進(jìn)廠粒度，+8mm粒級(jí)小于5%。

（2)產(chǎn)生裂紋的區(qū)域與赤鐵礦關(guān)系密切，赤鐵礦含量越多，粉化越嚴(yán)重，赤鐵礦是引起燒結(jié)礦還原粉化的主要因素。措施：配加一些非釩鈦磁鐵礦。

（3)燒結(jié)礦中的赤鐵礦集中分布對(duì)燒結(jié)礦還原粉化影響比較大，分散分布對(duì)還原粉化影響比較小。措施：基于這個(gè)原因，提高混合料的混勻效率，可以減少粉化。

（4)分布在氣孔周圍的次生骸晶赤鐵礦對(duì)燒結(jié)礦還原粉化影響比較大。措施：減少燒結(jié)礦中A1₂O₃含量以降低粘結(jié)相的粘度，促進(jìn)小氣孔的合并及排出，從而減小燒結(jié)礦的氣孔率和骸晶狀赤鐵礦的數(shù)量；

名詞解釋：【原生】-初始的，最初的，未經(jīng)任何外力、內(nèi)力改變的個(gè)體?！?b>次生】-第二次生成的，間接造成的，派生的。【骸晶】-指晶體生長(zhǎng)過程中，沿著角頂或晶棱方向生長(zhǎng)特別迅速，從而形成晶面中心相對(duì)凹陷的骨架。主要是在溶質(zhì)供應(yīng)不充足的條件下形成。多半在聚冷下和低粘度的熔融階段由初始礦物最終形成。

4、造成燒結(jié)礦還原粉化的原因

造成燒結(jié)礦低溫還原粉化的原因是多方面的，有礦種、配碳、堿度、MgO、SiO₂、FeO、Al₂O₃、TiO₂、B₂O₃等因素。堿度、MgO和SiO₂對(duì)RDI起到了雙重性作用。Al₂O₃、TiO₂對(duì)燒結(jié)礦RDI起到了負(fù)面作用；B₂O₃可改善燒結(jié)礦RDI。

（1）礦種對(duì)RDI的影響

一些研究表明，使用巴西精粉、巴卡粉的RDI指標(biāo)較差，但是赤鐵礦與褐鐵礦對(duì)RDI的影響，暫無(wú)定論。從某種程度上講，還原性好的礦粉，其RDI指標(biāo)較差；較高赤鐵礦配比對(duì)于燒結(jié)礦RDI不利，而提高磁鐵礦（地方粉）配比，有利于RDI指標(biāo)。

也有實(shí)驗(yàn)表明，隨著FMG礦粉配比增加，燒結(jié)礦的低溫還原粉化性能改善。主要原因是FMG礦粉熔點(diǎn)及同化溫度較低，為生成更多的復(fù)合鐵酸鈣提供了條件，從而改善低溫還原粉化性能。

（2）SiO₂含量對(duì)RDI影響

SiO₂是燒結(jié)過程形成粘結(jié)相的主要成分，一定含量的SiO₂有利于液相形成和RDI的改善。SiO₂含量偏低，會(huì)使液相減少，整個(gè)組織可能細(xì)化，易產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致燒結(jié)礦RDI變差。但是SiO₂添加量過高，會(huì)生成大量的正硅酸鈣，在燒結(jié)礦冷卻階段會(huì)發(fā)生正硅酸鈣（C₂S）晶型的轉(zhuǎn)變，這樣會(huì)造成燒結(jié)礦的自然粉化，從而降低燒結(jié)礦的強(qiáng)度，也會(huì)使燒結(jié)礦的RDI惡化。

 圖8 燒結(jié)礦Si0₂與RDI_+3.15指標(biāo)關(guān)系

（3）FeO含量對(duì)RDI的影響

    FeO提高，燒結(jié)礦RDI_+3.15得到明顯改善。但是FeO＞9.7%時(shí)，燒結(jié)溫度偏高，燒結(jié)形成大孔薄壁結(jié)構(gòu)，還原氣氛增強(qiáng)，易于還原的鐵酸鈣含量降低，還原性顯著降低。

因此，從冶金性能指標(biāo)看，燒結(jié)礦Fe0在8.0%左右較適宜。

    （4）堿度對(duì)RDI的影響

    堿度R=1.78時(shí)，RDI較差；堿度R由1.78增加到2.53，RDI指標(biāo)逐漸改善，但堿度R大于2.05時(shí)，對(duì)RDI的影響不明顯。

RDI主要由于燒結(jié)礦冷卻時(shí)再生赤鐵礦的還原所引起的。隨著燒結(jié)礦堿度的增加，赤鐵礦含量增加，而再生赤鐵礦和硅酸鹽玻璃相含量減少。因而隨著燒結(jié)礦堿度的增加，低溫還原粉化指標(biāo)變好。同時(shí)燒結(jié)礦還原度RI也增加。

試驗(yàn)表明，隨著燒結(jié)礦堿度的增加，燒結(jié)礦的冶金性能改善。對(duì)于低溫還原粉化指標(biāo)，燒結(jié)礦堿度在1.95～2.20之間較適宜；對(duì)于燒結(jié)礦的還原性能，堿度在2.05～2.30之間較好。

（5）配碳量對(duì)RDI的影響

當(dāng)配碳量增高，還原性氣氛增強(qiáng)，還原性差的鈣鐵橄欖石含量增加，骸晶狀赤鐵礦減少，有利于吸收還原過程中赤鐵礦的還原相變應(yīng)力的硅酸鹽類液相量增加。因此，隨配碳量增加，低溫還原粉化性能改善，但還原性能變差。

由上述分析可知，單一通過提高配碳量來(lái)改善低溫還原粉化性能，而犧牲還原性能是不可取的。

（6）MgO含量對(duì)RDI的影響

適量的MgO含量，可改善RDI指標(biāo)。主要原因是Mg²⁺進(jìn)入磁鐵礦晶格，形成了鎂尖晶石，穩(wěn)定了磁鐵礦晶格結(jié)構(gòu)，降低燒結(jié)礦過程中次生赤鐵礦生成，改善了燒結(jié)礦RDI。

但是，MgO對(duì)燒結(jié)礦有雙重作用，含量過高時(shí)，粉化指標(biāo)惡化。主要是因?yàn)镸gO添加量過高導(dǎo)致了鐵酸鈣大量的減少，玻璃質(zhì)含量相對(duì)增加，并且粘結(jié)相更易形成鎂橄欖石和鈣鐵橄欖石，導(dǎo)致燒結(jié)礦強(qiáng)度下降，惡化粉化性能。

（7）Al₂O₃含量對(duì)RDI的影響

燒結(jié)礦孔隙度以及鐵酸鈣會(huì)隨著Al₂O₃的增加而明顯增加，鐵酸鈣自身不易粉化，但是很容易還原，導(dǎo)致Fe₂O₃的還原速度加快。同時(shí)，形成了一定量強(qiáng)度很差的玻璃相，Al₂O₃添加量越高，玻璃相的斷裂韌性就越低，使產(chǎn)生的裂紋迅速擴(kuò)展，導(dǎo)致了燒結(jié)礦RDI惡化。

從圖9可以看出，Al₂O₃逐漸升高，促進(jìn)了RDI指標(biāo)的惡化。Al₂O₃/SiO₂在低硅條件下，Al₂O₃的負(fù)面作用更顯著。所有一般要求Al₂O₃/SiO₂比值控制在0.1～0.35范圍內(nèi)（見圖10）。

（8）TiO₂含量對(duì)RDI的影響

經(jīng)研究證明，TiO₂成數(shù)倍進(jìn)入燒結(jié)礦的玻璃相，造成玻璃相在低溫還原過程中碎裂，導(dǎo)致RDI降低。

當(dāng)燒結(jié)原料中TiO₂＞0.4％會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的低溫還原粉化，攀鋼和承鋼燒結(jié)原料為釩鈦磁鐵礦，RDI_+3.15低于40％，嚴(yán)重影響高爐上部透氣性和高爐技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

（9）B₂O₃對(duì)RDI的影響

硼在燒結(jié)礦中可改善Mg²⁺的活性，進(jìn)入到正硅酸鈣中的Mg²⁺增多，取代鈣離子，產(chǎn)生鈣鎂橄欖石，同時(shí)鈣離子和赤鐵礦結(jié)合生成鐵酸鈣，燒結(jié)礦中的鈣鎂橄欖石和鐵酸鈣含量增加，正硅酸鈣含量降低；硼還可以促進(jìn)正硅酸鈣晶粒細(xì)化，分布更加均勻，有利于降低還原過程中晶型轉(zhuǎn)變的應(yīng)力，減輕了燒結(jié)礦的還原粉化性。在配礦中添加3%的硼鎂精礦，還原粉化指數(shù)RDI_+3.15升高了4.19%，即在燒結(jié)礦加入硼后，硼進(jìn)入到燒結(jié)過程中的初期液相，降低了液相的粘度，使燒結(jié)中的流動(dòng)性得到了改善，從而改善了燒結(jié)過程的透氣性，空氣進(jìn)入較多，同時(shí)改善了離子擴(kuò)散條件，有利于鈣離子向Fe₂O₃表面擴(kuò)散，促進(jìn)了針狀鐵酸鈣的生成和長(zhǎng)大，使燒結(jié)礦的還原粉化性能得到了改善。

5、結(jié)  論

    目前多使用進(jìn)口富礦，RDI_+3.15很難再提高了。想要提高，最好的方法就是配加20%～30%磁鐵精礦粉，其他諸如提高FeO和MgO的方法均不可取。提高FeO，還原性就會(huì)降低，當(dāng)然RDI就低了。提高M(jìn)gO和堿度，更不提倡。

噴氯化鈣，能提高RDI約10%～20%；但進(jìn)入高爐后，部分氯通過高爐煤氣進(jìn)入煤氣管道系統(tǒng)，與水蒸汽結(jié)合后加速了高爐除塵系統(tǒng)管道內(nèi)襯鋼板的腐蝕。

為改善燒結(jié)礦的低溫還原粉化性能，需要從化學(xué)成分、燒結(jié)溫度和燒結(jié)氣氛三方面進(jìn)行工藝調(diào)節(jié)，減少骸晶狀赤鐵礦和氣孔結(jié)構(gòu)所占比例，增加鐵氧化物與針狀鐵酸鈣構(gòu)成的交織結(jié)構(gòu)的含量。在燒結(jié)生產(chǎn)工藝控制上要從以下幾方面入手：

（1）控制原燃料粒度。鐵礦粉+8mm要小于5%，燃料和熔劑粒度-3mm合格率要大于80%，

（2）控制燒結(jié)礦成分。SiO₂ 5.0%～5.3%，A1₂O₃/SiO₂ 0.1～0.35，MgO 1.8%～2.0%，綜合考慮還原性和還原粉化指標(biāo)，堿度在1.9～2.2較適宜。

（3）強(qiáng)化制粒過程，增大混合料準(zhǔn)顆粒的直徑以改善燒結(jié)料層透氣性，發(fā)展氧化性氣氛，提高針狀鐵酸鈣的生成量，從而增加交織結(jié)構(gòu)的數(shù)量。

（4）降低燒結(jié)溫度以減少鐵酸鈣分解，減少再生磁鐵礦和再生赤鐵礦的含量，增加交織結(jié)構(gòu)并降低骸晶狀赤鐵礦的含量。降低燒結(jié)溫度的方法是減少配碳量，但是為了保證燒結(jié)過程中生成足夠的有效粘結(jié)相，需要降低燒結(jié)礦中MgO和A1₂O₃的含量，同時(shí)需要利用熱風(fēng)燒結(jié)、偏析布料等技術(shù)發(fā)展均質(zhì)燒結(jié)，以保證燒結(jié)溫度控制在有利于鐵酸鈣液相穩(wěn)定的區(qū)間，防止局部過熱或過冷而導(dǎo)致有效粘結(jié)相數(shù)量減少。

參考文獻(xiàn)：

[1]李繼錚，馮紅云，劉黎等.高堿度燒結(jié)礦顯微結(jié)構(gòu)與低溫還原粉化的關(guān)系[C].第十二屆全國(guó)煉鐵原料學(xué)術(shù)會(huì)論文集.

[2]王同賓.首鋼京唐改善未噴氯化鈣燒結(jié)礦低溫還原粉化性能的研究[C].第十六屆全國(guó)煉鐵原料學(xué)術(shù)會(huì)議. 

[3]周明順，翟立委，劉杰等. 改善鞍鋼燒結(jié)礦冶金性能的試驗(yàn)研究[J].燒結(jié)球團(tuán)，2012，37（1）.

[4]白永強(qiáng)，程樹森，趙宏博等.釩鈦燒結(jié)礦還原粉化過程的礦相分析［J］燒結(jié)球團(tuán)，2011,36（2）.

[5]安鋼，裴元東，程崢明等. 首鋼京唐燒結(jié)礦低溫還原粉化性能影響因素分析及氯化鈣噴灑研究［J］燒結(jié)球團(tuán)，2015,40（5）.

[6]李杰，信自成，劉衛(wèi)星等. 釩鈦燒結(jié)礦低溫還原粉化性能預(yù)測(cè)［J］燒結(jié)球團(tuán)，2017，42（5）.

[7]劉然，王龍浩等.化學(xué)成分對(duì)燒結(jié)礦低溫還原粉化影響的研究現(xiàn)狀[C].2019年全國(guó)燒結(jié)球團(tuán)技術(shù)變流年會(huì)論文集.

[8]許滿興，何國(guó)強(qiáng)，張?zhí)靻?，廖繼勇.鐵礦石燒結(jié)生產(chǎn)實(shí)用技術(shù)[M].北京.冶金工業(yè)出版社，2019.