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影响烧结矿质量因素的综述
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摘要：通过查阅国内外文献资料，总结了在烧结原料、烧结矿矿物组成和显微结构方面影响烧结矿质量的因素，并提出了相应的对策，为提高烧结矿的质量找出理论依据。提出了目前在研究提高烧结矿…
摘要：通过查阅国内外文献资料，总结了在烧结原料、烧结矿矿物组成和显微结构方面影响烧结矿质量的因素，并提出了相应的对策，为提高烧结矿的质量找出理论依据。提出了目前在研究提高烧结矿质量方面存在的不足之处。
关键词：烧结矿；烧结原料；显微结构；质量
0 引言
21世纪钢铁工业将继续发展和进步，钢铁材料仍是最主要的结构材料和用量最大的工程材料。而烧结矿是我国高炉的主要原料，随着钢铁产量的日益增加，对烧结矿的质量要求越来越大。不同烧结原料其烧结性能以及烧结矿中的矿物组成和显微结构均有所不同，而烧结矿的矿物组成和显微结构是影响烧结矿质量的最根本因素。本文通过查阅大量的国内外文献资料，总结了在烧结原料、烧结矿矿物组成和显微结构方面影响烧结矿质量的因素，并提出了相应的对策，为提高烧结矿的质量找出理论依据。提出了目前在研究提高烧结矿质量方面存在的不足之处。
1 烧结原料对烧结矿质量的影响
1.1 铁矿石的影响
铁矿石的自身特性是决定烧结矿中不同矿物组成的内在因素。铁矿粉的种类、粒度组成、致密性、碱度、化学成分(包括CaO、MgO、SiO2和A12O3)等都直接影响到烧结矿的矿相组成及分布的均匀性。而且铁矿粉的自身特性是影响铁酸钙生成能力的重要因素。
铁矿石主要为磁铁矿矿石和赤铁矿矿石。磁铁矿烧结要比赤铁矿复杂，这是因为磁铁矿特有的尖晶石结构常固溶不同杂质，而且脉石矿物种类变化也很大。磁铁矿在烧结过程中不能直接与CaO作用生成铁酸钙，Fe3O4必须先氧化生成Fe2O3，然后才能与CaO作用生成铁酸钙。磁铁矿烧结时，铁酸钙的形成主要在冷却带发生，在燃烧带前SFCA基本不形成，由于冷却时间很短，铁酸钙的生成量是很有限的，烧结矿中最高含量为30％～35％。赤铁矿在烧结过程中直接与CaO作用生成的铁酸钙较早生成液相，温度一般在1150℃。赤铁矿烧结时，燃烧带迅速形成大量的针状铁酸钙，烧结矿中最终铁酸钙的含量多达50％。而烧结矿中铁酸钙的含量和结晶形态决定着烧结矿的质量，因为铁酸钙有良好的强度和还原性能。
1.2 Si02含量的影响
当铁矿粉中含有一定数量的SiO2时，在烧结过程中会产生足够数量的液相，作为矿粉晶粒粘结的基础，有利于烧结矿强度的提高。但矿粉中的SiO2含量高时，极易与熔剂中的CaO在烧结时形成2CaO·SiO2，冷却时2CaO·SiO2将发生α′一γ型和β一γ型的晶型转变，由于晶型转变后，密度减小，前者使体积增大12％，后者使体积增大10％，结果在烧结矿内引起很大的内应力，从而使得烧结矿强度降低。而SiO2含量下，SiO2的含量对铁酸钙的的形态起着决定性的作用。当SiO2的含量>3％时，铁酸钙明显地由块状向针状发展。一般认为：精矿中的SiO2的含量以4％～5％为宜。
1.3 熔剂的影响
用石灰石、生石灰、白云石作熔剂有利于强化制粒、改善烧结矿的碱度。但是如果石灰石、生石灰、白云石矿化不完全时在成品矿中会出现白点，从而在烧结矿的储存、运输过程中吸收空气中的水消化生成Ca(OH)2，体积膨胀，使烧结矿的强度降低，引起烧结矿的粉化。
1.4 对烧结矿质量的影响
Al2O3对烧结矿的低温还原粉化率影响比较大。Al2O3含量高会使粘结相降低，从而降低烧结矿的强度，并且Al2O3含量高将导致还原过程中所生成的磁铁矿中的应力增大。许多学者认为赤铁矿中的Al2O3固熔体是造成还原粉化的根源，Al2O3可成倍地集中于玻璃质粘结相内，造成玻璃韧性大大降低，这些都将导致烧结矿的低温还性能恶化。并且Al2O3的含量对铁酸钙的生成有一定的影响。通过控制Al2O3/SiO2的比值，可以有助于针状铁酸钙的生成。经有关研究发现：适宜的Al2O3用的比值为0.1～0.2之间。
1.5 烧结原料粒度的影响
CaO、MgO的矿化程度与石灰石、矿粉的粒度有关系，有关研究发现：熔剂和矿粉粒度越小，CaO、MgO的矿化作用越容易完成。铁矿石的不同粒度组成在烧结过程中有不同的烧结行为，矿石粗粒部分因未熔化而在烧结矿中保留下来，矿粒不易熔融粘结，成型条件变坏，使烧结矿强度降低。矿石细粒部分容易熔化而形成粘结相。但矿粉和熔剂的粒度减小，会影响烧结料的透气性。一般认为：矿粉粒度应限制在8～10mm以下，对于高碱度烧结矿粉，为有利于铁酸钙系液相的生成，矿粉的粒度应不大于6～8mm。而生石灰、石灰石、白云石的粒度一般控制在0～3mm之间。
2 烧结矿物组成和显微结构对烧结矿质量的影响
烧结矿矿物组成和显微结构是影响烧结矿质量的最根本因素。众所周知，烧结矿中各组成成分的强度由大到小的顺序为：磁铁矿、赤铁矿、铁酸一钙、铁橄揽石、钙铁橄揽石、铁酸二钙，玻璃质的强度最低。而烧结矿中各组成成分的还原性由大到小的顺序为：赤铁矿、磁铁矿、铁酸钙、钙铁橄揽石和铁橄揽石。因为烧结矿中铁酸一钙的强度和还原性能都比较好，所以现在烧结厂大力促进铁酸一钙的生成。而玻璃质的强度最低，因此在烧结过程中要阻止玻璃质的生成。
烧结矿显微结构中磁铁矿和赤铁矿的颗粒大小、粘结相矿物组成、显微结构的均匀性都影响着烧结矿的质量。晶粒细小的磁铁矿和赤铁矿与大颗粒的磁铁矿和赤铁矿相比具有更好的还原性能。烧结矿的矿物与粘结相的矿物组成越简单，显微结构越均匀烧结矿的质量越好。因为烧结矿矿物组成较复杂时，烧结矿在冷却过程中会受到多种应力的作用而产生裂纹，导致烧结矿破碎，使其强度降低。目前，烧结矿的显微结构一般发展针状铁酸钙，针状铁酸钙有更好的强度和还原性能。经有关研究认为：有利烧结矿强度的物相为熔融形磁铁矿和板状铁酸钙，有利还原性的物相为赤铁矿和针状铁酸钙，不利低温还原粉化率的物相为骸晶状菱形赤铁矿。产生低温还原粉化的主要原因是由于赤铁矿向磁铁矿转变过程中，六方晶系的菱形赤铁矿转变呈立方体的磁铁矿时体积增大n％，导致烧结矿粉化。低温还原粉化还与其结晶形态有关，其中以骸晶状菱形赤铁矿的粉化率最高，一般烧结矿含10％～28％的Fe203则发生异常粉化。
3 提高烧结矿质量的措施
3.1 提高烧结矿碱度
烧结矿碱度的变化，能引起烧结矿矿物组成和显微结构的变化。高碱度烧结矿的矿物组成较少，显微结构一般为熔蚀或共晶结构，其中磁铁矿与粘结相矿物铁酸钙等一起固结，具有良好的强度和还原性能。提高烧结矿的碱度，可以增加烧结矿中铁酸钙的含量、改变烧结矿的显微结构。虽然提高烧结矿碱度后，硅酸二钙有所增加，但在高碱度烧结矿中，硅酸二钙均匀分布在铁酸一钙粘结相中因而β—C2S比较稳定，不易转变成γ一C2S。高碱度烧结矿还可改善烧结矿的还原性，碱度提高时，磁铁矿矿物晶粒和细针状铁酸钙形成交织结构或网状熔蚀结构，这种结构的晶体相互交叉而形成空隙，提高了烧结矿的还原性。
但烧结矿的碱度也不宜过大，因为当碱度过高时，赤铁矿与过量的CaO结合：yFe2O3+CaO=CaO·yFe2O3。意味着有赤铁矿还原成磁铁矿，磁铁矿在还原过程中的晶型转变会导致体积膨胀，引起烧结矿粉化。当碱度继续升高，还原性好的铁酸钙数量增加，还原反应迅速激烈进行，会导致膨胀应力集中，加剧烧结矿的低温还原粉化。而且高碱度烧结矿容易在烧结矿结构中出现大裂纹，影响烧结矿的强度和低温还原粉化率。
宣钢在采用低硅烧结的前提下，随碱度提高，低硅烧结矿中强度高的铁酸一钙(363N/cm3)大幅度增加，强度低的玻璃质(363N/cm2)明显减少。其中，大量的磁铁矿受铁酸一钙熔蚀，以熔蚀状和铁酸一钙交织在一起，呈网状结构，铁酸钙多呈针状，这种结构使常温强度进一步提高。太钢通过大量生产实践表明，当铁精矿粉的SiO2含量为7.3％时，碱度为1.5的烧结矿的自然粉化率是碱度为1.8的烧结矿粉化率的2～2.5倍。首钢将烧结矿碱度由1.09提高到1.68后，500℃时的低温还原粉化率由16.5％降低到9.6％。包钢提高烧结矿碱度后，发现烧结矿的矿物组成发生显著变化，铁酸钙增多，当碱度由0.8提高到2.5时，矿物结构由典型的胶结结构转化成大量的磁铁矿受铁酸一钙的熔蚀，这种熔蚀结构使烧结矿的强度进一步提高。鞍钢烧结矿随着碱度的升高，CF的含量由32.2％提高到46.3％，玻璃质含量逐渐减少，碱度为2.11和2.30的烧结矿中几乎不含玻璃质，塑性粘结相CF的含量增加，是烧结矿机械强度提高的根本原因。
3.2 适量的MgO的含量
有关实验证明：适当提高烧结矿中MgO含量，除能提高高炉渣的流动性及脱硫能力外，还能够改善烧结矿的风化率和低温还原粉化指标，改善烧结矿的质量。这是因为MgO加入烧结料中，Mg2+在高温时能进入2CaO·SiO2的晶格以形成固溶体，生成镁硅酸盐矿物，这样的矿物其熔点低，结晶能力强，可阻止β—C2S在低温时向γ—C2S发生相转变，还可抑制其相变时产生的裂纹。同时随着烧结矿MgO含量的升高，抑制了Fe3O4在冷却过程中再氧化生成Fe2O3，因此提高MgO的含量可以减轻或防止烧结矿粉化，提高烧结矿强度。但加入过多的MgO含量，将改变烧结矿的矿相结构，降低强度较高的铁酸钙的含量，并生成复杂的化合物，伴随着有裂纹产生，导致烧结矿的强度降低、低温还原粉化率升高。
生产实践显示，武钢烧结厂生产的烧结矿中MgO含量由2％提高到3％～4％时，烧结矿的FeO含量可降低2％，转鼓指数提高1％～2％，筛分指数下降3％；同时烧结矿的还原粉化率也降低3％。宣钢的MgO的含量增加到2.2％时，还原率达到87.2％、低温还原粉化率RID+315达到65.5％，都为最佳值。太原钢铁厂做有关提高烧结矿MgO含量试验，认为提高MgO含量不仅能抑制烧结矿的自然粉化，改善烧结矿的冶炼性能，而且可以改善高炉炉料的透气性和炉渣的流动性、稳定性，提高炉渣的脱硫能力，对高炉低硅冶炼，增铁节焦具有重要意义。
3.3 添加含硼物质
关于添加含硼物质以提高烧结矿的质量，国内外己有大量报道。添加含硼物质，有利于Ca2+向Fe2O3中扩散，使得铁酸钙的含量增多，硅酸=钙的含量减少。
邢钢配加硼泥4.0％～5.5％，，烧结矿MgO达4.0％的情况下，烧结矿的强度提高，粉末减少。新抚钢加入)0.08％的硼后，烧结矿的冷却筛分(>5㎜)不到2％，转鼓提高5％以上，利用系数增加0.2t/m2·h，露天存放5天，粉化不大于4％。宣钢配加2％～3％硼泥，烧结矿强度提高，粉化率降低，粒度组成和冶金性能改善。国丰钢铁厂在硼的添加范围0.001％～0.0088％以内，烧结矿均无粉化；随着硼的加入量增大，烧结矿的成品率和转鼓指数有所提高，烧结矿具有良好的冶金性能。宣钢加入硼酸0.335kg/t时，与不加硼酸的烧结矿相比，低温还原粉化性能明显改善。
3.4 配加澳矿
澳粉含铁品位高，具有化学性能稳定、粒度均匀、成球性好等特点。在烧结中能改善料层的透气性，提高垂直烧结速度，从而提高烧结矿的产量和质量。配加适当的澳粉可使烧结矿中SiO2的含量相对减少，减少硅酸二钙的生成。并且澳矿主要原料为赤铁矿，配加适量的澳矿，可增加烧结矿中铁酸钙的含量，提高烧结矿的质量。另一方面，配加澳粉后，CaO矿化程度提高，烧结矿中游离CaO减少，自然粉化减轻。
莱钢第二炼铁厂烧结车间配加澳矿与不配加澳矿相比，在澳矿添加比为6％时，工序自耗由3.42×102KJ降至到2.64×106kJ/t，烧结机采用系数1.21t/m2·h以上。配加适量的澳矿会增加粘结相，并且粘结相是以性能良好得铁酸钙为主。在澳矿中配加磁铁精矿进行烧结，烧结矿中磁铁矿增加，赤铁矿相应减少，有利于低温还原粉化性能的改善。同时，随着磁铁精矿的增加，烧结矿的空隙率变小，内部结构变致密，有利于烧结矿强度的提高。
3.5 添加氧化催化剂
添加氧化催化剂的目的是促进针状铁酸钙生成。氧化催化剂是一种易溶于水的有机盐。试验时以水溶液形式加入到配合料中，然后通过混匀制粒，使氧化催化剂均匀包裹在矿粒和燃料颗粒表面。这种氧化催化剂受热分解成活性组分，充当氧的活性载体，促使氧气从气相中向矿粒表面扩散，加快磁铁矿的氧化。另一方面氧化催化剂可以降低燃料开始热解温度和着火温度，提高燃料燃烧效率，降低固体燃料消耗，有利于磁铁矿的氧化，加快铁酸钙的生成。通过有关试验表明：添加氧化催化剂的含氟精矿磁铁矿比不加催化剂的氧化速度快10％左右，有关矿相鉴定结果也表明氧化催化剂对生成铁酸钙有很好的效果。
4 目前烧结矿质量研究存在的问题
目前，烧结工艺一般采用高碱度烧结，高碱度烧结矿质量存在的主要问题有以下四个方面：一是高碱度烧结矿的粉化比较严重。二是高碱度烧结矿中的裂纹较多，并且发育较完全，使烧结矿的质量降低。三是碱度提高后，铁酸一钙可能转化成强度和还原性较差的铁酸二钙，影响烧结矿的质量。四是我国烧结原料主要为磁铁矿精矿，磁铁矿精矿烧结矿不易生成针状铁酸钙。从烧结原料和烧结矿矿物组成和显微结构入手，研究烧结矿的成矿规律，提高烧结矿的质量，使烧结矿的质量适应高炉的需要。
延伸阅读
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