碱度对高铬型钒钛矿烧结过程的影响

张立恒， 李万礼， 岳宏瑞， 薛向欣

（东北大学材料与冶金学院，沈阳 110819）

0 引 言

钒钛磁铁矿是一种复合矿产资源，在我国分布广泛，储量丰富，储量和开采量居全国铁矿的第3位，已探明储量超过100亿t，远景储量达300亿t以上，主要分布在四川攀西（攀枝花-西昌）、河北承德等地区.钒钛磁铁矿的特点为“贫、细、散、杂”，按照含有Cr2O3质量分数的高低，可以将其划分为普通钒钛磁铁矿和高铬型钒钛磁铁矿[1-3].高铬型钒钛磁铁矿的矿物组成比普通钒钛磁铁矿更复杂，原料特性更特殊.国内某钢铁企业利用地缘优势，积极拓展铁矿资源来源，每年从国外进口大量的高铬型钒钛磁铁矿用于高炉生产，不仅满足了对铁矿石原料的需求，而且开发出了高附加值的钒铬产品，其成分和国内的红格矿区钒钛磁铁矿相似[4].

碱度既影响烧结过程和烧结矿的产量及质量，又影响高炉冶炼中的高炉炉料结构和升温还原过程，是烧结生产过程中最重要的控制参数之一[5-9]，国内外科研工作者已经对其做了大量的研究[10-15]，高铬型钒钛磁铁矿烧结过程适宜碱度的研究还未见报道.为此，本文对高铬型钒钛磁铁矿烧结碱度进行了系统研究，探索了获得优质高铬型钒钛磁铁矿的烧结碱度，为高炉冶炼高铬型钒钛磁铁矿提供理论依据和技术支撑，促进炼铁前工序强化冶炼和节能降耗.

1 实验方法及方案

1.1 实验条件

实验的原料、燃料来源于生产现场，其化学成分列于表1，表2.

烧结杯试验是对某钢铁集团烧结厂的实际生产情况的模拟.各次试验用料按试验设计方案配料，将烧结废气温度开始下降时定为烧结终点.

表1 原料化学成分/%

表2 燃料成分/%

1.2 实验方案

烧结原料主要为高铬型钒钛精矿粉、冷返、槽返、印度矿粉、自溶粉、瓦斯灰、弃渣、磁选粉等.以烧结实际配矿方案为基础，考虑原料条件和高炉实际生产需要，试验研究阶段碱度变化范围为1.5～2.3，具体试验方案列于表3.

表3 烧结所用铁矿化学成分/%

根据原料实际情况，固定碳含量，同等返矿条件，水分控制在7.5%，使用白灰调节碱度.研究碱度变化对于烧结矿质量的影响规律.各种矿粉做到均匀分散，齐整可比.

2 实验结果与分析

2.1 碱度对高铬型钒钛烧结矿生产指标的影响

碱度对高铬型烧结矿利用系数、垂直烧结速度、烧结成品率的影响结果如图1～图3所示.

图1 碱度对烧结利用系数的影响

图2 碱度对垂直烧结速度的影响

图3 碱度对烧结成品率的影响

从图1到图3可以看出，烧结矿碱度提高后，烧结利用系数略有升高，垂直烧结速度增加，烧结成品率随碱度的提高呈下降趋势.提高碱度对烧结生产指标的改善是由于随烧结料中CaO含量增多，生产铁酸钙（CaO·Fe2O3）等低熔点、强度高的黏结相增多，烧结料层的透气性改善，烧结生产率提高.烧结矿由于料层温度低，不易产生过熔，因而大块烧结矿减少，粒度组成均匀合理.随着烧结矿碱度的提高，也会带来一些负面影响，一方面烧结矿品位会降低，这是因为配入了较多的溶剂，使得全铁品位降低；另一方面硫含量升高，碱度升高，烧结料中CaO含量高，其具有较强的吸硫能力，可以生产稳定的CaS，而且碳酸盐分解吸热，高碱度烧结料层高温区温度降低，烧结速度较快，高温时间短，对去S不利.因此碱度的增加会产生双方面的效果，并不是越高越好，而太低会对烧结利用系数和速度有限制，碱度控制在1.9～2.0较为适宜.

2.2 碱度对烧结矿强度的影响

经过转鼓试验测定，烧结矿碱度提高后，转鼓指数升高，抗磨指数降低，烧结矿的冷态机械强度提高，如图4，图5所示.这是由于烧结矿碱度提高后，一方面烧结矿中产生了大量的铁酸钙液相，对周围物质的黏结能力加强；另一方面，碱度提高，烧结矿中的FeO和SiO2含量比较高，生成脉石的熔点降低，液相量增多，局部出现交织溶蚀结构，从而改善了烧结矿冷态机械强度.

图4 碱度对烧结矿转鼓指数的影响

图5 碱度对烧结矿抗磨指数的影响

由表4可知，烧结矿碱度提高，烧结矿的RDⅠ-0.5和RDⅠ-3.15指标明显降低，而RDⅠ+6.3指标则明显升高，改善了烧结矿还原粉化性能，提高了高炉块状带的透气性.主要原因是烧结矿碱度提高后，铁酸钙含量增加，赤铁矿体积膨胀减小，而且增加了黏结相的数量，因此，适当提高烧结矿的碱度是增加烧结矿中黏结相数量的唯一有效方法.所以碱度在可控的情况下，应该适当的增加.

表4 低温还原粉化性能测定结果

2.3 碱度对高铬型烧结矿荷重软熔性能的影响

试样粒度为1.5～2.5 mm，荷重为1 kg/cm2，料柱高度为40 mm.荷重软熔试验装置示意图见图6.

图6 荷重软熔试验装置示意图

由表5可知，随着碱度从1.5上升到2.3，高铬型钒钛精矿烧结料的熔化温度由1 390℃下降到1 361℃，熔点比普通烧结矿高，主要是由于产生了钙铁橄榄石和铁酸钙等低熔点共晶化合物.

表5 不同碱度烧结混合料软熔温度测定结果

由表6可以看出，高铬型钒钛烧结矿的软化终了温度T40%在1 200℃以上，熔融终了温度Td也高于1 500℃，均比普通烧结矿要高，可以表明，成渣带与软熔带位置较低，有利于高炉顺行.

表6 不同碱度烧结矿软熔性能测定结果

碱度从1.5上升到2.3，烧结矿软化开始温度T10%上升，软熔区间变窄，开始软化温度T10%同时由1 091℃上升到1 135℃，软化区间T40%～T10%由112℃下降到102℃，有利于高炉软熔带的下移，减薄软熔带，改善料柱的透气性.熔滴性能的规律和软化性能的规律相似，提高碱度之后，熔融开始温度Ts不断上升，滴落区间Td～Ts逐渐变窄.高碱度烧结矿具有较高的软化温度和熔融低落温度，在高炉操作中，对于减薄融化层与成渣带，提高透气性具有重要意义.

3 结 论

1）随着高铬型钒钛磁铁矿烧结碱度由1.5增加到2.3，烧结成品率随碱度的提高呈下降趋势，垂直烧结速度提高，烧结利用系数略有升高.

2）随着碱度的上升，烧结矿转鼓强度提高，抗磨指数降低；烧结矿的还原粉化指数RDⅠ-0.5和RDⅠ-3.15指标降低，而RDⅠ+6.3提高.

3）高铬型钒钛烧结矿的荷重软熔性能随着碱度的提高，软熔带下移，软熔区间变窄，透气性提高，对于高炉顺行有积极的意义.

4）综合考虑烧结矿碱度对烧结过程和烧结矿强度等因素的影响，高铬型钒钛烧结矿碱度适宜控制在1.9～2.0.

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