鄭亞增

（河鋼大河能源環(huán)境科技有限公司）

摘  要：國(guó)內(nèi)各大鋼鐵企業(yè)對(duì)鋼渣的再利用均有不同程度的開發(fā),鋼渣中 CaO 含量在 40%~50％,燒結(jié)料中配入一定比例的鋼渣，有利于改善燒結(jié)礦強(qiáng)度，提高燒結(jié)礦成品率，降低固體燃料消耗，還可以部分替代燒結(jié)熔劑降低生產(chǎn)成本,本論文在目前燒結(jié)工藝條件下,鋼渣參與配料對(duì)燒結(jié)生產(chǎn)的影響,還分析了配加鋼渣對(duì)生成成本的影響。

關(guān)鍵詞：鋼渣；燒結(jié)礦；配比 

1 國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

轉(zhuǎn)爐鋼渣中的 CaO 含量在 40%~50％，主要以硅酸三鈣、硅酸二鈣、鐵酸鈣及游離 CaO 等低熔點(diǎn)礦物形式存在。燒結(jié)料中配入一定比例的鋼渣，一方面有利于燒結(jié)生產(chǎn)過程中液相的生成，改善燒結(jié)礦強(qiáng)度，提高燒結(jié)礦成品率，降低固體燃料消耗；另一方面，鋼渣可以部分替代燒結(jié)熔劑（石灰石、生石灰），實(shí)現(xiàn)資源的綜合利用。

通過相應(yīng)的實(shí)踐證明，單配 1.5%~5%的鋼渣，能夠獲得更高品位的燒結(jié)礦，品位普遍能達(dá)到 58%以上。但是鋼渣總配比一旦超過8%，其生產(chǎn)就會(huì)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，特別是對(duì)堿度影響較大。

隨著鋼渣配入量的增加，燒結(jié)料性能和料層透氣性、燒結(jié)溫度、燒結(jié)速度及燒結(jié)利用系數(shù)有所提高，鋼渣對(duì)燒結(jié)礦冶金性能有很大的影響。隨鋼渣配比的增加，燒結(jié)礦的還原率呈現(xiàn)不斷降低的趨勢(shì)，而粉化性能卻得到了明顯的改善。

圖1

圖2 轉(zhuǎn)爐鋼渣代表性礦物的 SEM-BEI 照片

（a）大顆粒粒狀硅酸二鈣和邊部析出無定形狀鐵酸鈣；（b）硅酸二鈣內(nèi)部固溶粒狀方鎂石顆粒；

（c）殘余狀鐵酸鈣形成 “破洞” 結(jié)構(gòu)；（d）方鎂石邊部形成 RO 相包邊結(jié)構(gòu)

2 高比例鋼渣處理對(duì)燒結(jié)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)影響研究

2.1 研究意義

通過燒結(jié)杯實(shí)驗(yàn)設(shè)備，進(jìn)行不同鋼渣配加量下燒結(jié)杯實(shí)驗(yàn)，探究不同鋼渣配加量對(duì)燒結(jié)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，如化學(xué)成分、轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度、成品率等的影響。

2.2研究目標(biāo)

基于現(xiàn)場(chǎng)燒結(jié)各項(xiàng)指標(biāo)制定燒結(jié)杯實(shí)驗(yàn)方案，增加鋼渣在原料中的配比至5%以上，并減少鈣灰、鎂灰的配加量，以達(dá)到降低燒結(jié)過程CO2排放的目的。

2.3研究?jī)?nèi)容

設(shè)定點(diǎn)火負(fù)壓為8kPa，點(diǎn)火時(shí)間為1.5min，燒結(jié)負(fù)壓為14kPa條件下的七組燒結(jié)杯實(shí)驗(yàn)。第一組實(shí)驗(yàn)為預(yù)實(shí)驗(yàn)，該組實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑谟诎凑宅F(xiàn)場(chǎng)燒結(jié)配比在探究合適燒結(jié)參數(shù)的同時(shí)，為燒結(jié)杯實(shí)驗(yàn)提供返礦，返礦量設(shè)定為外配10%；第二至五組實(shí)驗(yàn)燒結(jié)原料中鋼渣配比分別為2%，4%，5%，6%，7%，8%。

圖4 礦粉原料化學(xué)成分分析

圖5 礦粉原料化學(xué)成分分析

圖6 燒結(jié)杯實(shí)驗(yàn)配礦方案

3 高比例鋼渣處理對(duì)燒結(jié)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)影響研究

圖7 燒結(jié)杯實(shí)驗(yàn)垂直燒結(jié)速度

圖8 燒結(jié)杯實(shí)驗(yàn)混合料燒損率

垂直燒結(jié)速度分別受到粒度組成及液相生成量影響，當(dāng)鋼渣配加量為2%時(shí)，由于燒結(jié)混合料粒度較大，根據(jù)實(shí)際燒結(jié)礦化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果可知，其SiO₂含量較少即液相生成量較少，因此其垂直燒結(jié)速度最大。

當(dāng)鋼渣配比過大時(shí)，液相生成量過高，燒結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)，垂直燒結(jié)速率降低，該條件下易發(fā)生燒結(jié)過燒現(xiàn)象。

由于鋼渣中含有較高含量的S元素，S元素?fù)]發(fā)程度不同以及磁鐵礦、赤鐵礦比例不同會(huì)導(dǎo)致不同實(shí)驗(yàn)間存在較大的燒損差異。

圖9

隨鋼渣配加量增大，燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度逐漸升高。鋼渣中CaO及SiO2含量較高，且CaO通常以硅酸二鈣和硅酸三鈣的礦物形態(tài)呈現(xiàn)，易與鐵礦物反應(yīng)生成低熔點(diǎn)的鈣鐵橄欖石，鐵酸鈣等化合物，導(dǎo)致燒結(jié)過程液相增加。

當(dāng)鋼渣配加量達(dá)到7%時(shí)，液相增多，含鐵相和膠結(jié)相結(jié)晶程度好，改變礦相結(jié)構(gòu)，進(jìn)而改善了燒結(jié)礦的轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度。而鋼渣配加量過大（8%），則導(dǎo)致液相過多，燒結(jié)礦呈現(xiàn)薄壁大孔結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)鼓指數(shù)顯著降低。

鋼渣配加量對(duì)燒結(jié)礦粒度組成影響明顯，隨著鋼渣配比增大，大粒級(jí)燒結(jié)礦占比呈現(xiàn)出逐漸增大趨勢(shì)，當(dāng)鋼渣配比為5%和6%時(shí)，大粒級(jí)燒結(jié)礦占比基本保持一致，該燒結(jié)礦粒度組成趨勢(shì)與燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度基本相同。

圖10

當(dāng)鋼渣配比為7%時(shí)，燒結(jié)礦成品率最高為88.27%，當(dāng)鋼渣配比繼續(xù)增大時(shí)成品率基本保持穩(wěn)定，鋼渣配加對(duì)于提升燒結(jié)成品率具有一定優(yōu)化作用。

隨著鋼渣配加量增大，燒結(jié)固體燃耗呈現(xiàn)出減小后升高趨勢(shì)，但當(dāng)鋼渣配加量大于6%時(shí)，固體燃耗逐漸升高，實(shí)驗(yàn)中固體燃耗均在52.44kg/t以上。

當(dāng)鋼渣配比高于5%時(shí)，配加鋼渣可在一定程度上改善燒結(jié)制粒效果，提升燒結(jié)混合料粒度。

當(dāng)鋼渣配加量為2%時(shí)，由于燒結(jié)混合料粒度較大，SiO2含量較少即液相生成量較少，因此其垂直燒結(jié)速度最大。當(dāng)鋼渣配比過大時(shí)，液相生成量過高，燒結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)，垂直燒結(jié)速率降低，該條件下易發(fā)生燒結(jié)過燒現(xiàn)象。

鋼渣中CaO及SiO2含量較高，且CaO通常以硅酸二鈣和硅酸三鈣的礦物形態(tài)呈現(xiàn)，易與鐵礦物反應(yīng)生成低熔點(diǎn)的鈣鐵橄欖石，鐵酸鈣等化合物，當(dāng)鋼渣配比小于7%，隨鋼渣配加量增大，燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度逐漸升高。

燒結(jié)礦粒度組成趨勢(shì)與燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度基本相同，主要受到垂直燒結(jié)速度及固相反應(yīng)過程液相生成量影響，當(dāng)鋼渣配加量7%時(shí)轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度最高，鋼渣配比過高時(shí)，液相生成量過高，轉(zhuǎn)鼓指數(shù)降低。

不同鋼渣配加量條件下，燒結(jié)杯實(shí)驗(yàn)成品率均在82%以上，達(dá)到了較高水平，該趨勢(shì)與燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度基本保持一致，可知鋼渣配加對(duì)于提升燒結(jié)成品率具有一定優(yōu)化作用。

當(dāng)鋼渣配加量為2%時(shí)，燒結(jié)固體燃耗最高為54.79kg/t，隨著鋼渣配加量增大，燒結(jié)固體燃耗呈現(xiàn)出減小趨勢(shì)，配加鋼渣6%以下有利于減小燒結(jié)過程固體燃耗，但鋼渣配加量過高易引起固體燃耗上升。

4 高比例鋼渣處理對(duì)燒結(jié)礦冶金性能的影響研究

圖11

本次燒結(jié)杯實(shí)驗(yàn)的燒結(jié)礦低溫還原粉化實(shí)驗(yàn)按照中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 13242—91）檢驗(yàn)方法所使用的裝置及工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

隨著鋼渣配比的增大，燒結(jié)礦低溫還原粉化指數(shù)呈現(xiàn)出先升高后降低趨勢(shì)。

結(jié)合燒結(jié)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)分析可以看出，隨著鋼渣配加量的增大，燒結(jié)礦中SiO2化學(xué)成分含量升高，較多的赤鐵礦與CaO，Al2O3，SiO2形成了復(fù)合鐵酸鈣液相，進(jìn)而有效避免了低溫還原粉化過程中的晶格轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致燒結(jié)礦低溫還原粉化性能隨著鋼渣配加量的增大而逐漸改善。

在燒結(jié)堿度為2.10條件下，鋼渣配加量為5%時(shí)，燒結(jié)礦低溫還原粉化性能最優(yōu)。

圖12

燒結(jié)杯實(shí)驗(yàn)燒結(jié)礦還原度指數(shù)：

在相同堿度條件下，隨著鋼渣配加量增加，燒結(jié)礦還原性先由84.78%升高至88.66%，當(dāng)鋼渣配加量為5%時(shí)出現(xiàn)還原性峰值，隨后還原性逐漸降低。

四組燒結(jié)礦FeO含量變化趨勢(shì)為逐漸降低，隨著燒結(jié)混合料中鋼渣占比的增加，燒結(jié)礦中復(fù)合鐵酸鈣含量增加有利于燒結(jié)礦的還原；但鋼渣加入過多后，使得整體礦相中硅酸鹽物相增加，抑制燒結(jié)礦的還原性。

圖13

隨著鋼渣配比增大增加，由于鎂鋁比相應(yīng)增加，容易形成高熔點(diǎn)化合物，熔融終了溫度增大，其壓差也呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。

當(dāng)鋼渣配比達(dá)到6%，熔融終了溫度最高，達(dá)到了1545℃，熔融終了溫度過高會(huì)造成燒結(jié)礦在高爐內(nèi)不易滴落，影響高爐爐況的順行，當(dāng)鋼渣配比為4%時(shí)燒結(jié)礦軟熔區(qū)間相對(duì)較窄，透氣性較好。

5 鋼渣中釩鈦在燒結(jié)過程中的遷移規(guī)律研究

圖14

圖15

樣品中硅酸鹽物相及復(fù)合鐵酸鈣物相較為明顯，同時(shí)樣品中含有一定量的Fe3O4、Fe2O3物相，且復(fù)合鐵酸鈣大多呈現(xiàn)針狀結(jié)構(gòu)。

配加量為2%時(shí)，鈣鈦礦多呈不定形晶和他形晶填充于磁鐵礦晶粒間，部分呈樹枝狀集中分布，鈦磁鐵礦主要以自形、半自形晶形態(tài)存在，其間被玻璃質(zhì)膠結(jié)形成斑狀結(jié)構(gòu)；局部微區(qū)中鈦磁鐵礦與鈣鈦礦晶粒緊密相連，其間粘結(jié)相量較少。

配比為4%時(shí)，Ti元素主要以鈣鈦礦礦相存在于燒結(jié)礦中，此時(shí)，鈣鈦礦礦相仍然呈現(xiàn)出不定形和他晶形，主要填充于與復(fù)合鐵酸鈣相伴生的Fe2O3礦相及Fe3O4礦相之間。

配比為5%時(shí)，燒結(jié)礦礦相結(jié)構(gòu)不均勻，主要為熔蝕結(jié)構(gòu)和骸晶結(jié)構(gòu)，局部為交織熔蝕結(jié)構(gòu)和粒狀結(jié)構(gòu)。鐵酸鈣和鈣鈦礦為主要膠結(jié)相。鐵酸鈣多呈柱狀及針狀他形晶。鈣鈦礦部分呈樹枝狀與復(fù)合鐵酸鈣物相交織分布中，少量為不定形晶和他形晶填充于磁鐵礦、赤鐵礦晶粒間。

配加量為6%時(shí)，鐵酸鈣和鈣鈦礦為主要膠結(jié)相,鐵酸鈣多呈柱狀和板狀。鈣鈦礦主要為不定形晶和他形晶填充于磁鐵礦、赤鐵礦及鐵酸鈣物相晶粒間，在一定程度上阻礙了鐵酸鈣及赤鐵礦物相的進(jìn)一步連晶發(fā)展。

圖16

鈣鈦礦可以多種方式形成。熱力學(xué)分析表明，CaO-TiO₂、CaO-FeO-TiO₂、CaO-FeO-TiO₂、CaO-Fe₂O₃-TiO₂、CaO-Fe₂O₃-FeO-TiO₂和CaO-Fe₂O₃-2FeO-TiO₂之間的反應(yīng)都產(chǎn)生了鈣鈦礦（CaO-TiO₂）。

然而，在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，鈣鈦礦的形成取決于反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)條件。上述反應(yīng)可分為固相反應(yīng)和液-固相反應(yīng)，此外液-液相反應(yīng)也是可能發(fā)生的。

結(jié)合SEM電鏡實(shí)驗(yàn)及XRD檢測(cè)結(jié)果分析可知，在燒結(jié)過程的高溫條件下，Ti元素遷移及反應(yīng)過程可由以下反應(yīng)過程(1)-(8)表示，鐵酸鈣可能分解并還原，使更多的CaO與含TiO₂的礦物反應(yīng)形成鈣鈦礦，即出現(xiàn)鈣鈦礦填充于鐵酸鈣交織結(jié)構(gòu)阻礙鐵酸鈣進(jìn)一步連晶的情況。因此，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)釩鈦磁鐵礦燒結(jié)工藝參數(shù)調(diào)整堿度，優(yōu)化燒結(jié)礦冶金性能。

圖17

6 結(jié)論

（1）隨著鋼渣配比的增大，燒結(jié)礦低溫還原粉化指數(shù)呈現(xiàn)出先升高后降低趨勢(shì)。結(jié)合燒結(jié)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)分析可以看出，隨著鋼渣配加量的增大，燒結(jié)礦中SiO₂化學(xué)成分含量升高，較多的赤鐵礦與CaO，Al₂O₃，SiO₂形成了復(fù)合鐵酸鈣液相，進(jìn)而有效避免了低溫還原粉化過程中的晶格轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致燒結(jié)礦低溫還原粉化性能隨著鋼渣配加量的增大而逐漸改善。

（2）在相同堿度條件下，隨著鋼渣配加量增加，燒結(jié)礦還原性先由84.78%升高至88.66%，當(dāng)鋼渣配加量為5%時(shí)出現(xiàn)還原性峰值，隨后還原性逐漸降低。當(dāng)鋼渣配比達(dá)到6%，熔融終了溫度最高，達(dá)到了1545℃，鋼渣配比過高時(shí)，鎂鋁比相應(yīng)提高，易導(dǎo)致軟熔區(qū)間增大，影響高爐冶煉過程透氣性，對(duì)高爐生產(chǎn)過程造成不利影響，當(dāng)鋼渣配比為4%時(shí)燒結(jié)礦軟熔區(qū)間相對(duì)較窄，透氣性較好。

（3）在堿度為2.10條件下，隨著鋼渣配加量增大，燒結(jié)礦中TiO₂含量逐漸升高。含鈦燒結(jié)礦中的鈦主要以鈣鈦礦形式存在于燒結(jié)礦中，隨著燒結(jié)礦中鈦質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高，在燒結(jié)過程中會(huì)有少量的鈦溶于鐵酸鹽液相，因此鈣鈦礦常與磁鐵礦、赤鐵礦相以及復(fù)合鐵酸鈣礦相呈現(xiàn)出填充交織結(jié)構(gòu)。隨著燒結(jié)礦中鈣鈦礦相增加，燒結(jié)礦中礦相復(fù)雜性增強(qiáng)，礦相逐漸不均勻化，主要的粘結(jié)礦相由復(fù)合鐵酸鈣相轉(zhuǎn)變?yōu)殍F酸鈣及鈣鈦礦相。當(dāng)鋼渣配加比例進(jìn)一步增大時(shí)，鈣鈦礦含量進(jìn)一步增大，導(dǎo)致燒結(jié)礦相不均勻，阻礙鐵酸鈣液相的連晶發(fā)展，對(duì)于燒結(jié)礦強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響。

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