铁矿粉的化学成分劣质化对其烧结同化性的影响研究

阎丽娟，吴胜利，朱 娟，黄 威，张哲铠，阙志刚

（北京科技大学 冶金与生态工程学院，北京 100083）

在钢铁工业高速发展的推动下，铁矿石耗用量巨大。在此背景下，优质矿石资源逐渐被开采殆尽，铁矿粉出现铁品位下降、结晶水或脉石含量升高[1-3]等化学成分劣质化，以及黏附粉和中间粒级含量增多等粒度组成劣质化的现象。就铁矿粉化学成分而言，由于其与铁矿粉的矿物组成紧密相关，化学成分劣质化必然导致矿物组成变差，从而影响铁矿粉在烧结过程中的固相反应、液相生成及流动等行为。炼铁工作者通过开发优化配矿[4]、选择性制粒[5]等技术，已能高效使用高结晶水褐铁矿。然而，铁矿粉中SiO2，Al2O3等脉石含量升高的影响[6]却更为深远及难以控制。

以往的研究鲜有关于铁矿粉化学成分劣质化特征及程度的报道，导致炼铁工作者无法掌握铁矿粉资源未来的变化趋势，不利于企业的资源战略调整及应对技术开发；铁矿粉化学成分劣质化对其烧结高温特性的影响程度也不清晰，从相图分析及热力学计算角度进行机理解析的深入研究更加少见，这也在一定程度上制约了炼铁工作者对铁矿粉化学成分劣质化影响的认知。

铁矿粉烧结过程主要依靠液相粘结，其烧结过程行为可用烧结基础特性[7-8]表征。铁矿粉烧结同化性是基础特性之一，反映了铁矿粉和CaO反应的能力，是液相生成、流动及粘结的基础，该特性对于优化烧结过程行为、改善烧结矿性能的意义重大，它还间接影响烧结过程的燃耗及CO2等的排放。因此，研究化学成分劣质化条件下铁矿粉烧结同化性的变化特征，探讨相应的烧结技术方向，既有利于广大炼铁工作者深入理解铁矿粉烧结液相生成行为，也有利于钢铁企业调整资源战略和优化烧结配矿。

笔者针对不同时期下我国大量进口的3种铁矿粉，首先比较化学成分的变化情况，明确铁矿粉化学成分劣质化特征及程度；其次，采用基于微型烧结法的同化性测定法[8]研究不同时期内铁矿粉同化性的变化特征，并在此基础上考察SiO2，Al2O3和LOI的影响；最后，探讨应对铁矿粉劣质化的烧结技术方向。

1 实验原料和实验方法

1.1 实验原料

本论文针对我国大量进口的3种铁矿粉，包括巴西赤铁矿OA，澳洲褐铁矿OB和南非赤铁矿OC进行研究。3种铁矿粉在2006年、2009年以及2012年的化学成分如表1所示。

比较3种铁矿粉在2006年的化学成分可知，巴西赤铁矿OA是一种高铁、低硅、低铝的铁矿粉，褐铁矿OB具有TFe含量较低，SiO2，Al2O3和LOI含量较高的特点，南非赤铁矿OC具有TFe含量较高、SiO2等脉石含量居中的特点。

表1 三种矿粉在不同时期的化学成分（质量分数） %

1.2 实验方法

本文采用基于微型烧结法的同化性测定法进行研究，并以最低同化温度表征铁矿粉烧结同化性。具体实验方法为：首先，选取三个时期内的3种铁矿粉，将其分别粉碎至100目以下，在15MPa的压力下，压制成∅8mm×5mm矿粉小饼试样；其次，将-100目分析纯CaO试剂在15MPa压力下，压制成∅20mm×5mm的CaO小饼试样；然后将铁矿粉小饼放置于CaO小饼之上，放入微型烧结装置中，按照设定温度进行烧结。待烧结结束后，观察矿粉小饼和CaO小饼在反应界面上的熔化情况，以铁矿粉小饼开始熔化时的温度作为最低同化温度。

在铁矿粉SiO2质量分数和Al2O3质量分数等化学成分劣质化对铁矿粉同化性的影响方面，笔者采用基于多相平衡系统组成与温度关系的相图分析，和基于热力学数据库、溶液热力学模型的Factsage软件计算，通过考察SiO2质量分数对CaOFe2O3-SiO2三元系液相线温度的影响，以及Al2O3质量分数对CaO-Fe2O3-SiO2-Al2O3四元系液相线温度降幅的影响，研究铁矿粉的最低同化温度随其化学成分劣质化的变化机理。

2 实验结果及考察

2.1 铁矿粉的化学成分劣质化特征分析

3种铁矿粉在不同时期的主要化学成分变化如图1、图2所示。随着时间的推移，3种铁矿粉的TFe含量（质量分数）整体上呈现下降趋势，而SiO2，Al2O3以及LOI含量呈现上升趋势，即铁矿粉化学成分的劣质化主要表现为铁分下降、脉石和烧损含量上升。

图1 铁矿粉中TFe和LOI在不同时期的变化趋势

图2 铁矿粉中SiO2和Al2O3在不同时期的变化趋势

根据各种矿的TFe，SiO2，Al2O3和LOI含量（质量分数）在2009年和2012年的变化可知，相比于2006年，巴西赤铁矿的TFe含量呈降低、SiO2含量呈升高的趋势，其Al2O3和LOI含量在近几年的劣质化程度几乎不变，巴西矿化学成分的劣质化程度总体上最高；澳洲褐铁矿的TFe，SiO2和LOI含量变化不大，其劣质化主要表现为Al2O3含量升高；南非赤铁矿OC的劣质化主要表现为SiO2含量升高。此外，OC的TFe含量还略有下降，平均变化率约为1%。

由此可见，不同铁矿粉的化学成分劣质化特征及程度各异，对于巴西赤铁矿，其劣质化主要表现为铁份降低、SiO2及Al2O3含量的升高，其劣质化程度最高；澳洲褐铁矿的劣质化主要表现为Al2O3含量的升高，劣质化程度较小；南非赤铁矿的劣质化主要表现为铁分降低及SiO2含量升高，其劣质化程度居中。

铁矿粉中铁氧化物、脉石矿物是烧结固液相反应的基础，铁矿粉化学成分劣质化将对其同化、液相流动、固结等烧结过程行为产生重要影响。由于同化是液相生成和流动的基础，以下将重点研究铁矿粉的化学成分劣质化对其同化性的影响。

2.2 铁矿粉的同化性随其化学成分劣质化的变化特征

3种铁矿粉在不同时期的最低同化温度如图3所示。由图可知，3种矿的最低同化温度总体上呈现巴西赤铁矿OA最高、南非赤铁矿OC居中、澳洲褐铁矿OB最低的规律。相比于2006年，同种铁矿粉在2009和2012年的最低同化温度均呈现下降趋势。

图3 铁矿粉最低同化温度在不同时期的变化趋势

通过比较铁矿粉在2006年与2009、2012年的最低同化温度，可得到铁矿粉同化性的变化程度。将铁矿粉最低同化温度在2009年和2012年的变化量进行平均，得到其最低同化温度的平均降幅，如图4所示。

图4 铁矿粉化学成分劣质化后最低同化温度的平均降幅

巴西赤铁矿OA的最低同化温度随化学成分劣质化的平均降幅最大，达到90℃；其次为南非赤铁矿OC，其最低同化温度的平均降幅约为16℃，澳洲褐铁矿OB最低同化温度的平均降幅最小，约为10℃。巴西矿的最低同化温度降幅显著高于其它两种铁矿粉，其与南非矿和澳洲矿的最低同化温度差异明显降低。

由此可见，随着铁矿粉化学成分的劣质化，其最低同化温度均有不同幅度的降低，变化幅度呈现巴西矿最大、南非矿次之、澳洲矿最低的规律，不同铁矿粉的同化性差异减小。

根据同化性的内涵和已有研究成果，铁矿粉脉石特性、结构特征均对其同化性有重要影响。随着时间的推移，铁矿粉的化学成分劣质化，特别是其SiO2，Al2O3和LOI含量的变化，将对其同化性产生重要影响，以下将分别进行考察。

2.3 化学成分劣质化影响铁矿粉同化性的原因

2.3.1 铁矿粉SiO2的影响

不同时期下，铁矿粉的SiO2质量分数与其最低同化温度的关系如图5所示。

图5 铁矿粉SiO2含量与其最低同化温度之间的关系

由图5可知，铁矿粉中SiO2质量分数与其最低同化温度总体上呈现负相关关系，即随着SiO2质量分数的增加，铁矿粉的最低同化温度降低，铁矿粉与CaO的反应能力增强，这与纯化学试剂研究所得规律相似[9]。

对于本文涉及的3种铁矿粉，假设铁矿粉与CaO反应生成的初始CaO-Fe2O3-SiO2三元系液相组成中，CaO（质量分数）为29.5%，根据3种铁矿粉的Fe2O3和SiO2含量，通过估算得到3种铁矿粉的液相线温度，如表2所示。

表2 三种铁矿粉的计算液相线温度和最低同化温度

本文分析条件下，铁矿粉的液相线温度与其SiO2含量的关系如图6所示。根据相图分析结果，不同铁矿粉的三元系液相线温度与其SiO2含量呈现负相关关系，这从热力学角度验证了SiO2具有降低液相线温度的作用。分析其原因可知，当铁矿粉中的SiO2含量升高时，2CaO·SiO2固相物增加，促进了其与CaO·Fe2O3、2CaO·Fe2O3的低温共熔，从而降低液相生成温度，促进液相的生成。

通过比较3种铁矿粉的液相线温度和最低同化温度可知，两者存在一定的偏差，但总体上有较强的一致性，且均随SiO2含量增加而降低。就其偏差而言，巴西赤铁矿OA的偏差较大，而澳洲褐铁矿OB的偏差则较小。其可能原因如下：一方面，三元系相图计算是在物相平衡的条件下获得，烧结速度快、高温保持时间短，通常难以达到平衡状态；另一方面，矿石中的其它组成、矿石结构以及矿石中结晶水分解后可能引起的铁氧化物晶格活化，也可能造成液相熔化温度的差异，使得相图分析所得的液相线温度低于实验测得的最低同化温度，因而脉石和结晶水含量较高的澳洲褐铁矿OB更接近平衡状态。

2.3.2 铁矿粉 Al2O3的影响

3种铁矿粉在不同时期的Al2O3含量（质量分数）与其最低同化温度的关系如图7所示。由图可知，随着Al2O3质量分数的增加，铁矿粉最低同化温度呈现下降趋势，这与纯化学试剂研究所得规律相似[9]。

在各种矿CaO-Fe2O3-SiO2三元系组成一定的条件下，采用Factsage软件计算Al2O3加入量为0.5%～2.0%时CaO-Fe2O3-SiO2-Al2O3四元系液相线温度。通过与未加入Al2O3情况进行比较，可得到3种铁矿粉在不同Al2O3加入量下的液相线温度降幅，如图8所示。

图8 Al2O3质量分数对铁矿粉液相线温度降幅的影响

由图可知，随着Al2O3加入量的提高，3种铁矿粉四元系液相线温度均下降，且降幅随Al2O3加入量呈线性增加，即Al2O3加入量越多，液相线温度降幅越大。这与Al2O3促进了低熔点物质复合铁酸钙的生成有关。

在Al2O3加入量相同的条件下，各种铁矿粉的液相线温度降幅各不相同。其中，巴西赤铁矿OA和南非赤铁矿OC的降低幅度较高，澳洲褐铁矿OB降幅较小。分析其原因可知，澳洲褐铁矿的SiO2含量均高于前两者，由于高温下液相生成后CaO，Fe2O3，SiO2扩散加速，SiO2与CaO的亲和力较大，会导致一部分低熔点的复合铁酸钙分解，液相线温度有所升高。因此，相比于低硅铁矿粉，高硅铁矿粉的液相线温度降幅更大。

2.3.3 铁矿粉LOI的影响

对于本研究涉及的3种进口矿而言，其烧损LOI主要是结晶水的分解。铁矿粉中结晶水易分解，引起结构变化，从而进一步影响铁氧化物和CaO的反应动力学。为了考察结晶水含量的影响，本文还分析了LOI质量分数与铁矿粉最低同化温度的关系，分析结果如图9所示。

图9 铁矿粉LOI质量分数与其最低同化温度之间的关系

由图可知，铁矿粉最低同化温度随其LOI含量的增加，呈指数下降趋势，即随着结晶水含量的提高，铁矿粉的最低同化温度急剧下降。铁矿粉中的结晶水在低温下即可脱除，一方面在结晶水脱除的过程中产生气孔或裂纹，使得铁矿粉的孔隙率及比表面积增加；另一方面，还可能引起Fe2O3晶格的活化，总体上提高铁氧化物的反应活性。

通过比较褐铁矿OB和赤铁矿OC在2009年和2012年的化学成分可知，OB的SiO2和Al2O3含量虽然与OC相当甚至略低，但最低同化温度仍低于OC，由此可推测，对于褐铁矿而言，结晶水含量对于同化性的影响更重要。

对于结晶水含量相近且均较低的巴西赤铁矿OA和南非赤铁矿OC，后者的最低同化温度远低于前者，这主要取决于OC的脉石成分SiO2和Al2O3含量较高。由此可推测，对于赤铁矿而言，SiO2和Al2O3含量对于最低同化温度的影响更加显著。

3 应对化学成分劣质化的烧结技术方向探讨

对于本文研究的巴西赤铁矿OA和澳洲褐铁矿OB，将两者按照质量比0.35∶0.65进行配合时，结合两种矿在2006年的最低同化温度，计算得到配合矿的最低同化温度为1271℃。

当时间推移至2012年时，由于铁矿粉化学成分劣质化的影响，两种矿的最低同化温度均有所下降，两者的差异减小而趋于同质化。对于OA，OB配比满足0.35∶0.65的条件下，配合混合矿的最低同化温度下降至1233℃，混合矿与CaO的反应能力增强，不满足烧结适宜温度区间要求，这一方面将导致烧结混合料容易产生过度熔化，影响料层的热态透气性；另一方面，由于液相线温度降低，液相容易生成，低熔点物质在某较窄的温度范围内集中熔化，发生急熔。

针对上述问题，通过提高低同化性OA的比例至50%并降低高同化性OB的比例，配合矿的同化温度达到1242℃，接近适宜最低同化温度的下限值，勉强满足烧结的要求。事实上，在混合矿最低同化温度满足烧结适宜温度区间的条件下，根据2006年铁矿粉情况可计算得到两种矿的配比，结合劣质化条件下各自的最低同化温度，可计算得到配合矿的最低同化温度区间1220～1242℃，其与烧结适宜温度区间（1240～1290℃）的交叉区间较小，导致配合矿烧结适宜温度区间变窄，互补配矿的难度增加。与此同时，烧结混合料抗温度波动的性能变差，烧结过程适宜液相目标下的温度可控范围降低，增加了烧结过程工艺参数控制的难度，提高了对烧结生产精心操作的要求。

根据上述分析，通过优化配矿，调整OA使用比例至50%，以适当增加已有的低同化性矿石比例并降低高同化性矿石比例，虽然在一定程度上缓解了铁矿粉化学成分劣质化对配合矿的同化性升高的不利影响，但由此引起的控制难问题却不容忽视，还需要在优化配矿的基础上采取其它措施。

由于铁矿粉烧结同化性考察的是铁矿粉和CaO的反应能力，由此可通过优化熔剂结构，适当降低铁矿粉与钙基熔剂的反应性达到降低混合矿同化性的目的。此外，实施厚料层烧结，降低烧结配碳，也可以在一定程度上减少料层中燃料周围物料的过熔。通过上述应对铁矿粉化学成分劣质化的烧结技术，最终实现混合矿烧结性能的优化。

4 结论

1）我国大量进口的铁矿石化学成分劣质化特征各异，其中，巴西赤铁矿主要是TFe和SiO2、Al2O3含量的劣质化，其劣质化程度最高；澳洲褐铁矿主要是Al2O3含量的劣质化，劣质化程度较轻；南非赤铁矿主要是TFe和SiO2含量的劣质化，其程度一般。

2）铁矿粉的同化性随其化学成分的劣质化呈现升高趋势，且巴西矿的升高幅度远高于南非矿和澳洲矿，巴西矿与其它矿的同化性差异减小，增加了配矿难度。

3）铁矿粉的SiO2，Al2O3以及LOI含量升高均有利于降低其最低同化温度；对于同化性较低的赤铁矿而言，SiO2和Al2O3含量的影响更大，对于同化性较高的褐铁矿而言，矿粉结晶水等烧损含量的影响更大。

4）铁矿粉的化学成分劣质化会减小烧结适宜温度区间而增加配矿的难度，同时减弱其在温度方面的抗波动性，增加烧结过程控制的难度。为了应对该问题需采取优化配矿和熔剂结构等技术措施。

[1]徐国群.澳大利亚铁矿资源概况[J].烧结球团，1998，23（6）：5-9.

[2]陈宏.世界铁矿石资源和生产概况[J].钢铁，2001，36（11）：69-73.

[3]刘动.近年我国进口铁矿石的现状与分析[J].金属矿山，2009，（1）：12-15.

[4]吴胜利，戴宇明，Oliveira D，等.基于铁矿粉高温特性互补的烧结优化配矿[J].北京科技大学学报，2010，32（6）：719-724.

[5]芳我徹三，大塩昭義，中村圭一，等.黏土系鉄鉱石微粉部の選択造粒による焼結溶融反応制御技術[J].鉄と鋼，1993，83（2）：103-108.

[6]Scarlett N V Y，Pownceby M I，Madsen I C，et al.Reaction Sequences in The Formation of Silico-ferrites of Calcium and A-luminum in Iron Ore Sinter[J].Metallurgical and Materials Transactions B，2004，35（5）：929-936.

[7]吴胜利，刘宇，杜建新，等.铁矿石的烧结基础特性之新概念[J].北京科技大学学报，2002，24（3）：254-257.

[8]吴胜利，刘宇，杜建新，等.铁矿粉与CaO同化能力的试验研究[J].北京科技大学学报，2002，24（03）：258-261.

[9]Wu S L，Zhang G L，Chen S G，et al.Influencing factors and effects of assimilation characteristic of iron ores in sintering process[J].ISIJ International，to be published.