昆钢铁矿粉烧结特性试验研究

昆钢铁矿粉烧结特性试验研究

谢  皓¹，  白晨光¹， 吕学伟¹，  王  涛²，  周传强¹

(1．重庆大学材料科学与工程学院，重庆400030；  2．昆明钢铁股份有限责任公司，云南昆明650306)

摘 要：为研究昆钢目前使用的3种粉矿的成矿性能，针对其原料特点设计正交试验方案，进行大量系统的烧结杯试验。通过试验数据分析，得到每种矿混合料平均粒度以及烧结矿转鼓强度表达式。利用单因素分析法和极差法研究了配碳量和碱度对烧结矿FeO、转鼓强度、成品率以及利用系数的影响。试验结果得到每种矿的最佳配碳量和碱度配比。分析发现．配碳量对3种矿烧结指标的影响大于碱度的影响。

关键词：铁矿石；烧结；成矿性能；正交试验

         近年来，随着中国钢铁产量的不断增加，钢铁生产对入炉料的质量要求越来越高。对于占入炉炉料比例80％以上的烧结矿而言，烧结矿的强度对于高炉顺行、改善高炉上部透气性非常重要。虽然中国铁矿资源丰富，但富矿仅占2．6％，而且与国外铁矿石相比，性能处于劣势^[1]，因此不得不依赖进口矿石资源，致使烧结原料来源复杂，烧结矿质量控制水平不高。如何对国内外铁矿石性能进行研究进而实现烧结优化配矿，从而改善高炉原料的质量，是钢铁企业急需解决的问题。目前有关铁矿石烧结的研究，主要集中在烧结工艺的改进^[2-4]、烧结新方法^[5-6]、降低能耗^[7-8]以及建模^[9-12]等领域。

      本文针对昆钢目前使用的德钦矿、澳吉布矿和巴西矿等3种粉矿的成矿性能进行单烧试验研究，试图找到3种粉矿烧结过程合适的工艺参数，并研究烧结过程中配碳量和碱度对烧结矿物理性能的影响，从而为以后合理配矿提供参考。

1  试验原料

试验所用的原料均取自生产现场，针对昆钢德钦矿、澳吉布矿、巴西矿3种粉矿以及其他原料作了常规分析，其化学成分分析及粒度组成如表l所示。

从化学分析可以看出，相对于两种进口粉矿，德钦矿铁品位较低、烧损较大，这对烧结质量会产生一定不利影响。

经矿相检测，3种矿均以赤铁矿为主，澳吉布和巴西矿含有少量石英以及其他杂质，德钦矿则含有一定量褐铁矿、铁白云石、碳酸羟磷灰石、石英、少量方解石及其他杂质矿物。

2  试验方案设计及结果

2．1试验方案设计

为研究3种矿各自不同烧结特性，对各种矿石进行单烧试验研究，即在烧结过程中就所研究的矿种单独进行烧结杯烧结试验。实际烧结生产会受到很多因素影响，如操作条件、原料成分以及设备等，都可能对烧结矿质量产生影响。由于试验采取单烧方案，因此对原料的影响因素不进行考虑，实验室条件下对设备的影响因素也不进行考虑^[13]。综合分析各种影响烧结矿质量的烧结操作因素，在现有试验条件下，将配碳量和碱度作为考察因素，确定两因素三水平的正交试验方案，其中配碳量和碱度水平均根据昆钢目前生产情况而确定。具体方案如表2所示。

试验中各种添加物添加比例设定为：生石灰4％，返矿12％，白云石4％，矿石配加量和石灰石配加量用来调节碱度。试验所用烧结杯直径为300mm，铺底料高度为10mm，混合料层高度设定为300mm。转鼓强度测定按照YB／T5166执行。

2．2烧结试验结果

对3种矿分别进行系统大量的单烧试验，德钦、澳吉布以及巴西矿的烧结结果分别如表3、4、5所示。可以看出，两种进口矿的烧结效果均好于国内德钦矿，进口矿成品率、利用系数远高于国内矿。这与3种矿的原料成分有关，德钦矿组成较复杂，其中含有一定量的碳酸羟磷灰石等物质，烧结反应中需要吸收不少热量，这对烧结过程不利，而两种进口矿杂质含量则较少，结构单一，因此烧结效果较好。

从烧结数据中综合比较可以得到德钦矿单烧试验中较好的是1号，澳吉布矿烧结效果较好的是4号，巴西矿烧结效果较好的是5号，这表明在现有烧结条件下，德钦矿适宜高碱度、高碳量烧结，而澳吉布和巴西两种粉矿配碳量相对要求较低，碱度在2．1左右。

3  试验结果分析

3．1烧结混合料的粒度

烧结料粒度大小对料层透气性、烧结生产率以及烧结强度有很大影响，在生产中要尽量减少3～0mm及大于10mm的颗粒，增加3～10mm粒级的含量^[14]。因此，合理控制烧结混合料的粒度对烧结生产有非常重要的意义。

烧结混合料造球过程一般有形成母球、母球长大以及长大的母球进一步紧密等3个阶段，在此过程中，核颗粒、黏附细粒以及加水量对造球效果有很大影响。由于熔剂的添加量与黏附细粒量有很大关系，为此选取混合料碱度以及含水量作为影响烧结混合料平均粒度和两个因素。本试验中混合料平均粒度、碱度以及含水量之问的关系如图1所示。

从图1可以看出，3种矿粉制粒的共同特点是，在试验条件范围内随着碱度和含水量的升高，混合料平均粒度也随之增大。水分对于制粒过程有着决定性作用，在一定范围内，含水量增多有助于润湿，有利于制粒。而碱度的升高则表明熔剂添加量增多，用于造球的黏附细粒便相应增加，对母球长大有着促进作用。由于受矿石原料制粒性质的影响，各种矿成球粒度增加的程度不同，从而造成图1中3条曲线的斜率有所不同。

3．2烧结矿的强度

转鼓强度是评价烧结矿抗冲击和耐磨性能的一个重要的强度指标，实际生产中铁料、碱度、燃料消耗和水分等因素都对烧结强度产生影响，为得到德钦矿、澳吉布矿和巴西矿烧结后转鼓强度与碱度、燃料消耗和水分等因素的关系，对3种矿烧结试验数据进行数学回归计算，得到各烧结矿转鼓指标的回归方程如下：

德钦矿转鼓：T_d=50．388＋2．177x₁＋1．322x₂－0．043x₃        (1)

澳吉布矿转鼓：T_a=38．943+7．866x₁＋3．309x₂－2．682x₃       (2)

巴西矿转鼓：T_b=78．643－1．147x₁＋3．559x₂－2．453        (3)

式中：x₁为配碳量，％；x₂为碱度；x₃为含水量，％。

由上述转鼓强度回归式可以看出，3种矿的烧结强度与碱度成正相关，而与含水量成负相关，德钦矿和澳吉布矿的烧结强度与配碳量成正相关，而巴西矿的烧结强度与配碳量成负相关。混合料中添加一定量的水是为了在混料过程中润湿混合料，增强其制粒能力，改善料层的透气性。若混料中水分增多，在烧结过程中会引起料层的过湿现象，影响烧结料层透气性，加剧还原气氛，不利于下层烧结矿中铁酸钙的生成，致使强度变差。配碳量和碱度对烧结强度的影响将在3．3节中详细讨论。

3．3正交试验单因素分析

为进一步研究配碳量和碱度对3种矿烧结的影响规律，对上述3种矿的正交试验结果进行单因素分析，结果如表6。

3．3．1配碳量对烧结的影响

由表6看出，烧结矿中FeO含量随配碳量的增加均出现了上升的趋势，这是由于混合料中配碳量增加会造成碳不完全燃烧的比例增加，导致料层中CO浓度相对提高，还原性气氛加强，因此烧结矿中FeO含量升高。

德钦矿和澳吉布矿的转鼓强度随配碳量的增加均有所改善，如图2所示。这是因为烧结中配碳量越大，能够提供给烧结反应的热量就越多，随着料层温度的提高，液相产生量增多，由于液相生成量的数量直接影响烧结强度，因此烧结强度越高。值得注意的是，巴西矿随着配碳量(质量分数)增加到6．5％，由于烧结热量过多产生过烧现象，烧结矿的强度已经显示出下降的趋势。

3种矿的转鼓强度和配碳量之间的关系如图2所示，图中的回归式是碱度在零水平(即碱度为2．1)下得到的^[15]。以德钦矿为例，当碱度为2．1时，式(1)可以化简为T_d=53．164＋2．177_x1－0．043x₃，对比上述简化式和图2中德钦矿转鼓强度表达式，可以看出其常数项和配碳量系数略有不同，这是由于正交试验中未将含水量考虑在内，因此造成系数略有偏差。同理，澳吉布和巴西矿的转鼓曲线也有类似的结果。

德钦矿的利用系数随配碳量的增加而增加，而澳吉布和巴西矿的利用系数则随配碳量增加呈现出倒V型，这是由于随着配碳量的增加，烧结过程透气性变差，利用系数有所降低，另外，与配碳量增加引起烧结矿FeO含量升高也有关，当烧结矿FeO的质量分数大于10％时，粉化率急剧上升^[16]。结合上述指标综合考虑，单因素分析表明德钦矿配碳量6．5％较好，配碳量为5．5％对澳吉布和巴西矿烧结较合适。

3．3．2碱度对烧结的影响

从分析结果看，FeO含量与碱度呈现负相关，在燃料用量一定的情况下，烧结矿的最终矿物组成很大程度上取决于碱度。碱度提高，可为铁酸钙的形成提供足够的CaO，相应地减少了铁橄榄石(2FeO·SiO₂)的生成量，造成FeO含量降低。

随着烧结矿碱度的提高，3种矿烧结转鼓指数升高，如图3所示。其主要原因是在烧结矿二氧化硅基本保持不变的情况下，配加到烧结混合料中的氧化钙数量增大，增加了Fe₂O₃与氧化钙接触的机会，铁酸钙数量增多，因而烧结矿的冷态强度提高。

3种矿的转鼓强度和碱度之间的关系如图3所示，图中的回归式是配碳量在零水平(即配碳量为5．5％)下得到的。以德钦矿为例，当配碳量为5．5％时，式(1)可化简为T_d=62．361＋1．322x₂－0．043x₃，对比上述简化式和图3中德钦矿转鼓强度表达式，可以看出其常数项和碱度系数略有不同，这是由于正交试验中未将含水量考虑在内，因此造成系数略有偏差。同理，澳吉布和巴西矿的转鼓曲线也有类似的结果。

德钦矿利用系数在设定碱度范围内基本未变，说明碱度在1．8～2．4范围对烧结影响效果较小。澳吉布和巴西矿碱度从2．1升高到2．4时，由于碱度的升高增加了烧结料中石灰石的含量，其在烧结过程中吸收了一定的烧结热量，对烧结过程不利，造成利用系数有所下降。因此综合考虑德钦矿碱度为1．8时烧结效果较好，碱度为2．1对澳吉布和巴西矿烧结较合适。

    　单因素分析得出配碳量和碱度的最佳搭配与直接观察烧结试验结果得出的结论基本一致，而且单因素分析更具有数据支撑，可以得到每种因素对烧结影响的规律。

3．4极差分析

针对烧结试验中考虑的配碳量和碱度两个因素，设计了正交试验，为了解这两个因素对3种粉矿烧结效果影响的大小，对试验结果作了极差分析，结果见表6。直观起见绘制了3种粉矿的极差图，如图4、5、6所示。在图中由于配碳量变化引起的各个参数极差值定义为配碳量极差值，同理可定义碱度极差值。

从极差图可以看出，德钦矿各个参数的配碳量极差值均比碱度极差值大；澳吉布矿除了成品率外，其余参数配碳量极差值均大于碱度极差值；而巴西矿则是除了FeO和成品率外，其余参数配碳量极差值均大于碱度极差值。这表明从总体看，这3种矿在烧结过程中配碳量对3种矿的影响大于碱度，尤其对于烧结强度和利用系数的影响，配碳量变化起主导作用。出现这种现象的原因在于，这3种矿的组成均以赤铁矿为主。在烧结过程初期，赤铁矿不发生放热反应，需要在较高预热温度下，经过较长预热时间才能促进其再结晶过程进行。由于赤铁矿的这种特性，预热时间要长，特别是预热温度要高，烧结温度也较高。因此在烧结中，燃料对整个过程的影响就显得相当大，从而造成在3种矿烧结中，配碳量变化的影响起着主导作用。

4  结 论

1)通过试验得到德钦矿、澳吉布矿和巴西矿3种粉矿混合料平均粒度与混合料碱度和含水量之间的关系；在试验条件范围内随着碱度和含水量的升高，混合料平均粒度也随之增大。

2)对单烧试验数据进行回归，3种矿的烧结强度均与碱度成正相关，而与含水量成负相关，德钦矿和澳吉布矿的烧结强度与配碳量正相关，而巴西矿的烧结强度与配碳量成负相关。

3)由单烧试验结果直接分析以及单因素分析，各种矿单烧试验效果最佳的搭配为：德钦矿配碳量6．5％，碱度2．4；澳吉布矿配碳量5．5％，碱度2．1；巴西矿配碳量6．5％，碱度2．1。

4)配碳量的改变在3种矿烧结过程中起主导作用，即配碳量的影响要大于碱度的影响。

参考文献：