影响钒钛烧结矿铁酸钙生成因素的研究

关键词钒钛烧结矿铁酸钙影响因素

1前言

攀钢烧结以攀枝花钒钛磁铁精矿为主(占含铁原料60％以上)，由于该矿具有TiO₂、A1₂O₃含量高，SiO₂含量低，粒度粗等特点，属于高熔点难烧物料。该矿在烧结过程中铁酸钙生成量少，且铁酸钙的形成过程与普通磁铁矿和赤铁矿烧结也有很大不同。迄今为止，有关攀枝花钒钛磁铁精矿烧结时铁酸钙生成的矿物学研究仅见少量的报道，并且这些研究是采用单一钒钛磁铁精矿一石灰石系混合料试样、在无配碳条件下进行的，与生产现场的实际情况有较大出入。

    为了探明攀枝花钒钛磁铁精矿烧结时各种因素对铁酸钙系矿物生成的影响，寻求改善攀钢钒钛烧结矿矿物组成和结构、提高其品质的途径，我们在实验室进行了造小球焙烧试验，对配碳、焙烧温度、焙烧时间等因素对钒钛烧结矿铁酸钙生成的影响作了研究，以便为进一步提高攀钢钒钛烧结矿产、质量提供指导。

2试验方法及原料条件

2．1试验方法

    在有关烧结矿矿物形成过程的研究中，采用小型压块或造小球焙烧的方法具有配料成分均匀，温度、气氛等参数容易控制的优点，成为实验室试验研究的主要手段[卜引。为便于准确地研究各因素对钒钛磁铁矿烧结过程中铁酸钙生成的影响，本研究采用了公斤级以下规模的焙烧试验。

    为了避免粒度不均造成成分偏析，先把配制好的混合料磨细，再制成Ø6～8 mm小球，然后置于105℃±5℃的恒温干燥箱中干燥1小时，干燥后的小球装入镍铬丝编织的吊篮中，在管式焙烧炉中焙烧，平均升温速度为11 ℃／min。根据试验的要求采用不同的焙烧时间(6 min、9 min、12 min、15 min)、不同的焙烧及冷却气氛(空气、加氧、氮气)。烧结小球用光学显微镜结合高温显微镜、扫描电镜、x射线衍射等进行矿相分析，混合料熔点采用JWK一1熔点测试自动控制系统测定。小球焙烧装置见图1。

2．2试验原料

试验用原料、燃料取自攀钢生产现场，原料结构模拟现场配料。各种原料、燃料化学成分见表1，基准原料配比见表2。

3试验结果与分析

3．1温度

    温度对铁酸钙生成的影响试验结果见图2(无碳焙烧12 min)。从图可知，温度对铁酸钙的生成量影响较大：当焙烧温度从1110℃上升到1 230℃时，铁酸钙含量逐渐增加，1 200～l 230 ℃时增加较快；温度升高到1 250℃一l 270℃时，铁酸钙含量开始下降，但当焙烧温度≥l 290 ℃时，铁酸钙含量降低幅度增大，并出现了钛磁铁矿，说明此时焙烧温度过高，铁酸钙开始分解。因此，焙烧温度不宜>1 290℃，适宜的烧结温度以l 250℃～l 270℃较佳。

3．2配碳

在焙烧温度l 230℃、1 250℃，焙烧时间6 min、9 min、12 min、15 min条件下，研究了配碳对铁酸钙生成的影响(配碳量固定为3．24％，下同)，试验结果见表3和图3。从表3和图3中可见，配碳对铁酸钙生成有重大影响。与不配碳的试样相比，配碳后的试样的焙烧温度虽然低20℃，试样中铁酸钙含量却大幅度减少，同时出现了大量钛磁铁矿，说明配碳导致了还原性气氛增强，不利于铁酸钙的生成，且配碳后产生的高温会使铁酸钙分解。

    在烧结过程中，碳是作为热源使用的，但由于碳的不完全燃烧，存在以下反应：

  C+1／2O₂一CO    (1)

    反应(1)客观上造成局部还原性气氛，使赤铁矿Fe₂O₃不稳定，容易向Fe₃O₄或富士体Fe_XO转变，与SiO₂形成铁橄榄石液相，抑制了铁酸钙的生成；同时，在高温条件下，铁酸钙易产生还原分解：

  3CaO·Fe₂O₃+CO→2 Fe₃O₄+3CaO+CO₂    (2)

    分解出的CaO与TiO₂结合生成钙钛矿(CaO·TiO₂)，这一点已被矿相鉴定所证实。

3．3焙烧时间

    从表3和图3还可见：在配碳、焙烧温度相同时，随着焙烧时间的延长，铁酸钙含量增加。1 230℃下焙烧6 min时，铁酸钙含量仅为5％～8％；焙烧9 min时，铁酸钙含量增加4—5个百分点；焙烧12 min时，其含量增加幅度达最大值，当焙烧15 min时，铁酸钙含量继续增加，但增加的幅度明显减小。不含碳时焙烧时间对铁酸钙的生成量影响不大。

3．4焙烧气氛

    焙烧介质(空气)中含氧量对铁酸钙的生成量的影响见图4(焙烧温度1 230℃，配碳)，由图可知随着空气中含氧量增加，铁酸钙含量增加。相似的试验结果表明，当焙烧温度、时间相同，升温过程(800℃一预定的焙烧温度区间)介质中氧浓度增加后，铁酸钙的生成量明显高于气氛为空气时的铁酸钙的生成量(图5，配碳)；当在冷却过程中通人5％氧气时，同样发现烧结矿中铁酸钙生成量有较大增加，因为铁酸钙生成的主要途径是氧化物、熔体及氧气的反应(固一液一气相反应)，氧气可大幅度提高熔体的氧位，即提高熔体中Fe³⁺／Fe²⁺比例，促使铁酸钙在冷却过程中从熔体中析出。这充分说明在整个烧结过程中，氧化性气氛对铁酸钙的生成量及形态始终具有重要的影响。

上述试验结果表明，烧结温度、配碳量、烧结时间、烧结气氛对钒钛烧结矿铁酸钙的生成具有重要的影响。因此，生产上可采用适当提高料层高度、热风烧结、配加活性石灰等技术措施来降低燃料配比，增加烧结过程中的氧化性气氛，延长烧结矿的保温时间，促进铁酸钙的生成，从而提高烧结矿的产质量。

3．5 CaO／SiO₂

    在焙烧温度1 270℃、配碳条件下，研究了碱度(1．8、2．0、2．2、2．4、2．6)对铁酸盐生成的影响，试验结果见图6。由图可见，在烧结温度和保温时间相同时，随着碱度增加，铁酸盐含量增加，但增长缓慢，当碱度提高到2．6时，铁酸盐含量才明显增大。

    矿相鉴定表明，碱度为1．8、2．0时，铁酸半钙多呈无晶型基质、细针状；碱度为2．2、2．4时，主要呈钛赤铁矿晶粒被板状、细条状与无晶型基质互熔的铁酸半钙胶结，烧结矿强度较好；碱度2．6时，铁酸盐已连接成一整体，且多呈细条状，基本上看不到宽板状铁酸盐，烧结矿强度最好。

3．6 TiO₂含量

    在焙烧温度l 270℃、焙烧时间为9 min、配碳条件下，TiO₂含量变化对铁酸盐生成的影响见图7。可以看出，在本次TiO₂含量范围内，随着TiO₂含量增加，铁酸盐含量缓慢降低。TiO₂含量为7．36％时，铁酸半钙多呈细针状、无晶型基质；TiO₂含量上升为8．36％、9．36％时，出现了板状和细条状铁酸半钙，且板状铁酸半钙呈逐渐上升趋势，这对烧结矿强度改善的作用不大，即使富氧5％时情况也是如此。

3．7 Al₂O₃含量

    在焙烧温度1 270℃、配碳条件下，研究了Al₂O₃含量对铁酸盐含量的影响，试验结果见图8。由图可见，随着Al₂O₃含量增加，铁酸盐含量逐渐增加，同时铁酸盐中Al₂O₃的固溶量也增加，且Al₂O₃的固溶量越多，TiO₂的固溶量也越多(表4)；Al₂O₃含量2．5％～3．0％时，铁酸盐主要呈板状结构；随着Al₂O₃含量增加，铁酸盐结晶程度变差，它形粒状、短板状铁酸钙有所增多。晶形粗大的三角形、四边形钛赤铁矿也增加。