MgO对高碱度烧结矿强度的影响及机理

范晓慧，李文琦，甘敏，陈许玲，袁礼顺，季志云，余志元，黄晓贤，苏道

(中南大学 资源加工与生物工程学院，湖南 长沙，410083)

造渣是高炉优质高产低耗的重要环节，适宜的MgO质量分数可以改善炉渣的流动性、稳定性及冶金性能，提高炉渣的脱硫能力[1−6]。一般来说，单靠矿石中含有的 MgO难以提供炉渣所需的 MgO[7]，因此，通常在烧结造块过程中加入含镁熔剂。当生产高硅低铁的烧结矿时，添加 MgO能够改善烧结矿自然粉化和低温还原粉化性能，且对提高烧结矿强度和高温还原性能有一定的效果[8−12]。近年来，我国推行精料方针，铁矿原料由高硅低铁向高铁低硅转变，而低硅原料适合高碱度烧结。以往软熔性能差、易粉化的情况随着烧结矿 SiO2含量的降低而得到明显改善，MgO在烧结矿中的负面影响逐渐显现[13−15]，因此，研究 MgO对高碱度烧结矿强度的影响及其作用机理对指导烧结配矿和高炉造渣具有积极作用。本文作者采用烧结杯试验的方法研究 MgO对高碱度烧结矿强度影响，运用锥形法研究烧结物料的液相生成特性，并采用扫描电镜和光学显微镜分别研究烧结矿的矿物组成、显微结构和熔剂成矿特征，分析 MgO影响高碱度烧结矿强度的机理。

1 原料性能与试验方法

1.1 原料性能

试验所用原料包括5种铁矿石、3种熔剂以及燃料和返矿。各种原料化学成分及粒度组成如表1所示。秘鲁矿粒度较小，平均粒径只有0.25 mm；TFe质量分数高达65.75%，FeO的质量分数较高，达27.30%，属于磁铁矿精矿；其他4种铁矿石粒度较小，均为粉矿。杨迪矿烧损和SiO2质量分数较高，分别为11.07%和 5.62%，为褐铁矿。澳矿、印度矿和南非矿均为赤铁矿，其 TFe的质量分数分别为 61.79%，62.80%和64.33%，其中澳矿中 SiO2的质量分数相对较低，为4.22%。

1.2 试验方法

1.2.1 烧结杯实验

首先，将铁矿石、熔剂、焦粉、返矿等烧结物料按质量配比进行配料，基准配矿方案如表1所示，其中返矿为外配。烧结矿化学成分(质量分数)为：TFe 56.8%，SiO24.8%，R 2.0%，Al2O31.70%；MgO的质量分数通过改变白云石的配比进行控制。配料后，将混合料充分混匀并在圆筒混合机中制粒4 min，然后布料、点火、烧结。烧结试验在直径×高为 150 mm×700 mm的烧结杯中进行，在温度(1 050±50)℃、负压为5 kPa的条件下点火1 min，在烧结过程中负压为10 kPa，当烧结废气温度达到最高时即为烧结终点。将烧结矿冷却后，进行落下、筛分、转鼓强度等检测。

1.2.2 锥形法测液相生成特性

将混合料中粒度小于0.5 mm的铁矿石、石灰石、白云石、返矿、生石灰筛分分离，将其磨碎至粒度小于0.074 mm，然后，按比列混合均匀后压制成三角锥。将三角锥放入加热炉中焙烧，每隔10 s拍摄1组三角锥形状图片，由图片处理软件分析三角锥形状的变化获得液相生成特性，具体检测方法见文献[16]。

1.2.3 熔剂成矿的检测方法

将粒度为2.0～3.0 mm的石灰石、白云石分别和铁矿石、生石灰配料，混合均匀后将混合料压制成长×宽为20 mm×20 mm的团块，将团块在1 300 ℃时焙烧10 min，冷却后将烧结块制成光片，在光学显微镜下观察石灰石、白云石的成矿行为。

表1 烧结原料的化学成分和粒度Table 1 Chemical composition of materials and their size composition

2 试验结果与分析

2.1 MgO对高碱度烧结矿的影响

在烧结矿碱度为2.0的条件下，通过调整白云石的配比改变烧结矿中的MgO的质量分数，MgO的质量分数提高对烧结矿转鼓强度的影响如图1所示。由图1可见：烧结矿转鼓强度随着MgO的质量分数提高而逐渐降低，当 MgO的质量分数由 1.15%提高到3.50%时，转鼓强度从71.33%降低到61.13%。由此可知：MgO的质量分数的提高对高碱度烧结矿强度不利。

图1 MgO含量对转鼓强度的影响Fig.1 Influence of MgO on tumble index of high basicity sinter

2.2 MgO降低烧结矿强度的机理分析

2.2.1 MgO的质量分数对烧结物料液相生成特性的影响

采用锥形法检测烧结物料的液相生成特性，结果见表2。从表2可见：随着MgO质量分数的增大，烧结物料开始形成液相的温度变化不大，为1 236～1 249℃；但完全生成液相的温度和液相自由流动的温度随MgO的增大而提高，特别是当MgO质量分数提高到2.0%以 后，提高幅度更加明显；在1 300 ℃下，液相生成量随着 MgO质量分数的提高而逐渐减小，当MgO质量分数低于2.0%时，液相生成量为100%；当MgO提高到3.5%时，液相量降低到67.24%。因此，MgO质量分数的提高不利于烧结物料生成液相，使得烧结矿强度变小。

表2 MgO对烧结物料液相生成特性的影响Table 2 Influence of MgO on property of liquid formation for sintering materials

2.2.2 MgO的质量分数对烧结矿矿物组成和微观结构的影响

MgO的质量分数对烧结矿中磁铁矿、铁酸钙质量分数的影响见图2。从图2可见：随着MgO质量分数的提高，烧结矿中铁酸钙质量分数降低，磁铁矿的质量分数增大；当MgO从1.15%提高到3.50%时，烧结矿中磁铁矿的质量分数从 16.22%提高到 24.73%，铁酸钙从38.51%降低到30.46%。

对MgO质量分数为3%的烧结矿进行X线能谱分析，主要矿物磁铁矿(A点)、铁酸钙(B点)、硅酸盐(C点)的成分组成如图3所示。由图3可见：磁铁矿中MgO质量分数最高，而铁酸钙和硅酸盐中MgO质量分数都比较低，因此，Mg2+主要扩散进入磁铁矿中。由于Mg2+和Fe2+的离子半径比较接近，Mg2+容易进入磁铁矿晶格，赋存在磁铁矿中形成镁尖晶石[(Fe,Mg)O·Fe2O3]，可稳定磁铁矿晶格，使得磁铁矿氧化为赤铁矿的反应受阻，因而烧结矿中磁铁矿含量增大；同时，由于赤铁矿生成受阻抑制铁酸钙的生成。铁酸钙是高碱度烧结矿的主要粘结相，其含量降低不利于烧结矿强度的提高，这也造成烧结矿转鼓强度降低。

图2 MgO对烧结矿矿物组成的影响Fig.2 Influence of MgO on mineral composition of sinter

图3 MgO在烧结矿中的主要赋存状态Fig.3 Main deposit state of MgO in sinter

图4 MgO对烧结矿微观结构的影响Fig.4 Influence of MgO on microstructure of sinter

MgO质量分数对烧结矿微观结构的影响见图4。由图4可见：当MgO质量分数较低时，Fe3O4与铁酸钙粘结相形成良好的交织结构，液相量较多，孔隙率小，针柱状铁酸钙结构发达，因而烧结矿强度高。当MgO质量分数较高时，烧结矿中生成大块再结晶磁铁矿，针柱状铁酸钙质量分数显著降低，且向板块状发展，这些均不利于烧结矿强度的提高。

2.2.3 白云石的成矿特征

增加烧结矿中的 MgO质量分数的提高主要是通过提高白云石替代石灰石的添加量来实现，因此，研究白云石和石灰石的成矿行为，以比较两者在成矿过程中参与化学反应的难易程度。研究粒度为 2～3 mm的石灰石、白云石的成矿行为，试验结果见图5。由图5可见：粒度为2～3 mm的石灰石能够完全参与成矿，且反应的产物被同化，微观结构比较均一化；而粒度为2～3 mm的白云石有未反应完全的残核，说明白云石的成矿能力比石灰石的弱。采用SEM-EDS对图5(b)白云石成矿进行分析，结果见图6。从图6可知：位置点1的Ca和Mg质量分数高，而Fe的质量分数低，说明其为未矿化的白云石残核。而在产物层中，由于Ca2+和Mg2+向外扩散，Ca和Mg质量分数逐渐降低；当碱度一定时，随着MgO质量分数提高，白云石的配加量增多，而石灰石的配加量减少，由于白云石的反应能力比石灰石的弱，导致烧结物料中熔剂与铁矿石的反应能力降低，使得烧结矿强度降低。

图5 熔剂与铁矿石反应的微观结构图Fig.5 Microstructure of reaction between flux and iron

图6 白云石成矿特征Fig.6 Mineralization behavior of dolomite

3 结论

(1)随着MgO质量分数的增大，烧结矿强度逐渐降低。当MgO质量分数由1.15%提高到3.5%时，转鼓强度从71.33%降低到61.13%。

(2)随着MgO质量分数的提高，烧结物料的液相开始生成温度变化不大，液相完全生成温度和液相自由流动温度都明显升高，液相生成量减少，因而，液相生成较困难。

(3)在烧结过程中，Mg2+进入磁铁矿晶格，主要赋存于磁铁矿中，形成镁尖晶石[(Fe,Mg)O·Fe2O3]，稳定了磁铁矿晶格，使得磁铁矿氧化受阻。随着 MgO质量分数增大，烧结矿矿物组成中的磁铁矿质量分数增加，铁酸钙质量分数降低，从而使烧结强度降低。

(4)白云石与铁矿石的反应能力和石灰石相比相对降低。MgO质量分数提高，使得白云石配入量增大，而石灰石配比降低，导致熔剂与铁矿石的反应能力下降，反应不充分，有未反应核颗粒残留，因而，烧结矿强度变小。

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