基于铁矿粉液相流动性的塞拉利昂高铝铁矿配矿研究

公言国，王 广，王静松，薛庆国，赵雨霄，郁新芸

(北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京，100083)

液相是铁矿粉烧结造块的基础，铁矿粉液相流动性反映了烧结过程中液相固结周围未熔物料“有效黏结相”的多少，它对烧结矿黏结相产生重要的影响，因此研究铁矿粉的液相流动性对烧结配矿及优化起着重要作用[1]。随着我国炼铁能力的大幅提高，在世界铁矿资源日益紧张的今天，如何充分利用廉价的铁矿资源，降低成本，是钢铁企业所面临的新课题。

位于西非塞拉利昂的唐克里里铁矿储量达120亿t以上，是非常具有前景的铁矿资源。目前该项目一期建设已经完成，已开始向外输出铁矿粉。塞拉利昂一期铁矿TFe品位不高，却Al2O3含量较高，且其价格相对低廉。为了降低成本，我国钢铁企业开始在烧结生产中配加该种矿粉，以致烧结矿中的Al2O3含量大幅提高。Al2O3含量是烧结过程中重要的参数之一，对烧结矿产量、质量均产生重要影响[2]。为此，本研究通过添加CaO、SiO2、Al2O3纯试剂调节铁矿粉中三种组分含量，分析其对铁矿粉液相流动性的影响，并向烧结常用铁矿粉中配入塞拉利昂高铝铁矿粉，考察其对混合矿粉液相流动性和烧结矿质量的影响，以期为我国钢铁企业有效利用塞拉利昂高铝铁矿粉提供依据。

1 实验

1.1 原料

本实验所用原料为烧结生产常用的主要铁矿粉，其化学组成如表1所示，其中，地方铁矿精粉(M1)与南非铁矿粉(M2)为磁铁矿；塞拉利昂高铝铁矿粉(L1)、PB铁矿粉(L2)、澳粗56 (L3)和朝鲜矿粉(L4)均为褐铁矿。由表1可看出，除了朝鲜矿粉品位含量较低以外，其他铁矿粉品位含量均不低于56%。两种磁铁矿粉的MgO含量较高，而Al2O3含量较低；其他褐铁矿粉的MgO含量较低，但Al2O3含量较高，特别是塞拉利昂高铝铁矿粉，其Al2O3含量达到8%，SiO2含量达到2.2%，而朝鲜矿粉的SiO2含量高达16%。

表1 铁矿粉的化学组成

1.2 混合矿配料方案

混合矿粉配料方案如表2所示，其中CaO为外加配比。混合矿粉中w(CaO)为15%，通过调节朝鲜矿粉稳定w(SiO2)在5.5%左右。

表2 配料方案(wB/%)

1.3 实验方法

铁矿粉液相流动性分析实验具体步骤如下：①将实验所用矿粉研磨至0.18 mm以下，并在烘箱中烘烤24 h；②称取一定量的CaO与铁矿粉并混合均匀制成实验试样；③取不同矿物的试样各1 g在相同的压力和时间下压制成直径为10 mm、厚度约为5 mm的小饼；④将小饼置入铝合铁片上放入马弗炉中焙烧(炉口预热1 min，炉内1300 ℃×5 min)；⑤取出试样测定矿粉流动后的铺展面积，计算流动性指数，其计算式[1]为

(1)

式中：L为铁矿粉流动性指数；S1为试样流动前的面积，m2；S2为试样流动后的铺展面积，m2。

铁矿粉液相流动性SiO2含量的敏感性指数计算式为

(2)

式中：S为铁矿粉液相流动性对SiO2含量敏感性指数；L0、L1分别为初始流动性指数、改变硅含量后流动性指数；m为SiO2含量变化的百分数，%。

烧结杯实验时，微调朝鲜矿粉用量，稳定SiO2含量在5.5%左右，再调节白云石与菱镁石用量，稳定MgO含量在2.6%左右，并将碱度固定在1.85，燃料比为混合矿粉的4.5%。另外，返粉配入料为铁矿粉量的30%。

模拟烧结试验中烧结杯的主要参数：直径为300 mm，杯体高为600 mm。铺底料为5 kg，料高为550 mm，点火温度为(1000±50)℃，点火负压为6 kPa，抽风负压为12 kPa。

2 结果与分析

2.1 单一矿粉自身流动性分析

在实际生产过程中，由于烧结矿碱度不同，并且生石灰的分布也有偏析，所以在烧结料层不同位置的w(CaO)是不同的，一般在10%～20%之间[3-4]。图1为不同CaO配比下的铁矿粉自身流动性指数。由图1可看出，当w(CaO)由10%增至20%时，铁矿粉的流动性指数明显提高。铁矿粉在焙烧过程中会与CaO形成大量低熔点的化合物，随着CaO配比提高，低熔点物质的生成量增加，铁矿粉生成液相的过热度增大，液相黏度降低[1]。因此，随着CaO配比的提高，铁矿粉的流动性也提高，其中塞拉利昂高铝铁矿粉受到的影响尤为明显，其流动性指数提高20倍以上。塞拉利昂高铝铁矿粉的SiO2含量较低，以至结合的CaO较少，若提高CaO配比，则会生成大量的低熔点铁酸钙，因而其液相流动性指数的提高尤为明显。

图1 不同CaO配比下铁矿粉的流动性指数

Fig.1LiquidphasefluidityofironorewithdifferentCaOcontents

图2为几种铁矿粉烧结试样的XRD图谱。由图2可看出，朝鲜矿粉和塞拉利昂高铝铁矿粉在焙烧过程中均含有铁酸钙和磁铁矿。不同于塞拉利昂高铝铁矿粉的是，朝鲜矿粉在焙烧过程中出现较多的赤铁矿，这是因为当w(CaO)为15%时，朝鲜矿粉的二元碱度略高于铁酸钙生成的下限[5]，铁酸钙开始生成，但是生成量较少，大量的SiO2结合CaO生成较多的硅酸钙类物质，从而导致较多的赤铁矿残余，而且硅酸钙类矿物的熔点远高于铁酸钙类物质(硅酸钙熔点高于2000 ℃，铁酸钙熔点约为1200 ℃)，因此朝鲜矿粉的流动性指数要低很多，接近于0。同褐铁矿相比，磁铁矿在焙烧过程中产生大量的亚铁和橄榄石系矿物，橄榄石系矿物本身熔点较低(钙铁橄榄石熔点约为1200 ℃)[5]，亚铁的存在进一步降低了其熔点，使磁铁矿的液相流动性高于褐铁矿L2～L4的液相流动性。

图2 几种烧结试样的XRD图谱

2.2 SiO2、Al2O3含量对铁矿粉流动性的影响

2.2.1 SiO2含量对铁矿粉流动性的影响

图3为几种不同SiO2添加量下铁矿粉的流动性指数。由图3可看出，随着SiO2添加量的提高，铁矿粉的流动性指数不断降低，其中塞拉利昂高铝铁矿粉的流动性降低幅度尤为明显。这是由于一定量的SiO2会促进铁酸钙的生成，但当SiO2含量较高时，会产生较多的2CaO·SiO2来抑制铁酸钙的生成[6]。因此，随着SiO2含量的提高，硅酸钙系矿物的量增加，液相的过热度降低，黏度增大，从而导致铁矿粉流动性降低。由图3还可看出，不同铁矿粉的液相流动性随着SiO2添加量的变化，其升降幅度是不同的。

图3 不同SiO2添加量下铁矿粉的流动性指数

Fig.3LiquidphasefluidityofironoreswithdifferentSiO2additionamounts

图4为几种铁矿粉液相流动性对SiO2含量的敏感性。由图4可看出，不同铁矿粉液相流动性对SiO2含量的敏感性是不同的，其中塞拉利昂高铝铁矿粉的敏感性指数最强，朝鲜矿粉的敏感性指数最弱；塞拉利昂高铝铁矿粉的敏感性指数随着SiO2含量的提高而有所下降，而其他的铁矿粉趋势正好相反，这主要是因为塞拉利昂高铝铁矿粉受初始SiO2含量较低(2.2%)的影响。此外，磁铁矿的敏感性要弱于褐铁矿L1～L3。

2.2.2 Al2O3含量对铁矿粉流动性的影响

图5为不同Al2O3添加量下铁矿粉的流动性指数。由图5可看出，随着Al2O3含量的提高，铁矿粉的液相流动性不断下降，这是由于Al2O3是高熔点物质，且对硅酸盐网络的形成有促进作用[7]，其含量的提高，会使液相的熔点明显上升，液相的过热度降低，液相黏度增大，不利于铁矿粉液相的流动。由图5还可看出，不同铁矿粉液相流动性随着Al2O3添加量的变化，其升降幅度也是不同的。

图4 铁矿粉液相流动性对SiO2含量的敏感性

Fig.4SensibilityoftheliquidphasefluidityofironorestoSiO2content

图5 不同Al2O3添加量下铁矿粉的流动性指数

Fig.5LiquidphasefluidityofironoreswithdifferentAl2O3additionamounts

图6为铁矿粉液相流动性对Al2O3含量的敏感性。由图6可看出，不同铁矿粉的液相流动性对Al2O3含量的敏感性是不同的，其中塞拉利昂高铝铁矿粉的敏感性指数最弱，这主要是由于其初始Al2O3含量较高(8%)，Al2O3含量的提高对其液相流动性的影响较小；随着Al2O3含量的提高，铁矿粉液相流动性对Al2O3含量的敏感性指数均减弱。

图6 铁矿粉液相流动性对Al2O3含量的敏感性Fig.6 Sensibility of the liquid phase fluidity of iron ores to Al2O3 content

通过上述分析表明，塞拉利昂高铝铁矿粉对SiO2含量的敏感性指数要高于对Al2O3含量的敏感性指数，SiO2含量对塞拉利昂高铝铁矿粉液相流动性的影响较Al2O3含量更为明显，而其他铁矿粉则正好相反。

2.3 混合矿粉液相流动性分析

图7为混合矿粉的液相流动性指数。由图7可看出，随着塞拉利昂高铝铁矿粉配比的增加，混合矿粉的液相流动性指数不断降低。混合矿粉中SiO2含量稳定在5.5%左右，远高于塞拉利昂高铝铁矿粉中的SiO2含量。塞拉利昂高铝铁矿粉的液相流动性对SiO2含量的敏感性非常强，并随着SiO2含量的提高而下降，导致塞拉利昂高铝铁矿粉在焙烧过程中液相流动性急剧下降，严重影响了其混合矿粉的液相流动性。混合矿粉中的Al2O3含量随着塞拉利昂高铝铁矿粉配比的提高不断增加，混合矿粉的熔点升高、黏度增大，因而混合矿粉的液相流动性随着塞拉利昂高铝铁矿粉配比的增加而明显降低。

图7 混合矿粉的液相流动性指数

2.4 混合矿粉的烧结性能

表3为混合矿粉烧结矿试样的粒度组成。由表3可看出，随着塞拉利昂高铝铁矿粉配比的增加，大粒级的烧结矿比率减少，小粒级烧结矿的比率增加，返矿的比率增大。

表4为混合矿粉烧结样性能指标。由表4可看出，随着塞拉利昂高铝矿粉配比的提高，烧结矿的转鼓指数与成品率降低。这是由于随着塞拉利昂高铝矿粉配比的提高，混合矿粉的液相流动性能变差(见图7)，从而导致烧结过程中液相黏结周围物料的能力下降[8]，大量的粉矿不能被有效地黏结，导致大粒度烧结矿的减少，小粒度烧结矿及返矿量增加，成品率下降；而且黏结效果变差之后，黏结相的强度变差，烧结矿样转鼓指数随之下降。

表3 烧结矿样粒度组成(wB/%)

表4 混合矿粉的烧结性能

3 结论

(1)随着CaO配比的增加，铁矿粉的液相流动性变好，其中塞拉利昂高铝铁矿粉变化的幅度最大。

(2) 铁矿粉液相流动性受SiO2、Al2O3含量的影响，铁矿粉的液相流动性对SiO2、Al2O3含量的敏感性是不同的。SiO2含量对塞拉利昂高铝铁矿粉液相流动性的影响较Al2O3含量更为明显。

(3) 随着塞拉利昂高铝铁矿粉配比的增加，混合矿粉的液相流动性指数降低。

(4) 随着塞拉利昂高铝铁矿粉配比的增加，混合矿粉烧结样的转鼓指数及成品率下降。

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