不同含量SiO2 对邯郸球团质量的影响

孙健宁，刘小杰，严照照，卢建光，吕庆

（1.华北理工大学冶金与能源学院，华北理工大学现代冶金技术重点实验室，河北 唐山 063009；2.河钢集团邯郸公司，河北 邯郸 056009）

生产高品位的球团矿不仅能使生铁成本得到更好的控制，同时也对生态环境产生了积极的影响。我国大部分钢铁企业所生产的球团矿SiO2含量都较高，过高SiO2含量会严重影响高炉的顺行[1]。适宜的SiO2含量能极大的提高球团矿的冶金性能，而良好的冶金性能也是评价球团矿质量的重要指标。青格勒等人对低硅含镁球团矿抗压强度及冶金性能的研究表明：SiO2含量低于2%时会使球团矿的还原膨胀率急剧增加，从而严重破坏球团矿的冶金性能[2]。李杰等对SiO2对镁质酸性球团性能的影响研究表明：随着SiO2质量分数升高，低温还原粉化率上升，还原性和还原膨胀率呈直线下降趋势[3]。Bahgat 等对含SiO2 的浮氏体小饼研究表明：随着SiO2含量的上升，在金属铁表面会产生絮状结构阻碍了通过空隙的还原气体，使其还原程度下降[4]。王晓哲等人对低硅含镁球团矿还原行为研究表明：过高的SiO2质量分数会使球团矿的空隙分不均匀从而使球团矿内外部还原不完全[5]。宋健丽等人对降低酸性球团SiO2含量的措施及效果研究表明：球团矿中SiO2质量分数的增加会提高石灰石的用量且产生的渣量也明显增多，同时焦比上升[6]。崔智鑫等对巴西卡拉加斯赤铁矿球团还原膨胀性能研究表明，SiO2质量分数的上升明显使球团矿的还原膨胀率下降[7]。王兆才等对还原气氛和脉石成分对氧化球团还原膨胀的影响研究表明：适当的SiO2含量有助于降低还原膨胀率[8]。适宜的SiO2 含量不仅提高球团矿的抗压强度这一重要指标，还能对于企业的一系列经济指标起到良好的控制作用，同时对环境的保护和清洁也有积极的影响[9]。本试验是通过对不同矿粉的配比调节球团矿不同SiO2含量，研究其抗压强度、还原性、低温还原粉化率等冶金性能，从而进一步为邯钢企业的实际生产提供参考依据。

1 原料及方法

1.1 原料及化学成份

采用四种邯钢现场生产使用的高品位铁精粉为原料，铁品位均达到60%左右，粘结剂为邯钢现场生产使用的膨润土，四种矿粉和膨润土成份见表1。

1.2 配矿方案

表1 矿粉的主要化学成分/%Table 1 Main chemical composition of mineral power

根据邯钢实际生产所使用的四种铁精粉来控制球团矿的SiO2 含量变化，此次试验采用2%配比的膨润土。五组不同SiO2含量的球团矿具体配比见表2。

1.3 试验方法

表2 配矿试验方案/%Table 2 Ore matching test plan

根据表2 方案，在直径为1000 mm 的圆盘造球机上制造生球，然后将制备好的生球在10～ 12.5 mm的筛子上进行筛分，其中生球水分为8%。选取粒度为10～ 12.5 mm的五组生球在温度为950℃和1250℃的高温炉中进行预热和焙烧，其中预热时间为15 min，焙烧时间为20 min。将焙烧好的五组球团矿根据GB/T 14201-93 进行抗压强度测试；根据国标GB13241-91 进行球团矿的还原性测定；根据国际标准ISO4696 进行球团矿的低温还原粉化性；以及根据GB/T 34211-2017进行球团矿的熔滴性的实验。

2 结果与分析

2.1 不同含量的SiO2对球团矿抗压强度的影响

图1 不同SiO2含量球团矿的抗压强度Fig.1 Compressive strength of different content of SiO2pellets

从图1 可以看出随着SiO2含量的增加，球团矿的抗压强度和生球的抗压强度都是逐渐降低的。SiO2 含量为3%时球团矿的抗压强度最高，同时生球的抗压强度也是最大的，当SiO2含量为7%时球团矿的抗压强度和生球的抗压强度最差，球团矿的抗压强度降低了27.6%，生球强度降低了16.3%，但五组球团矿的抗压强度均在2000 N以上。

根据球团矿的矿相图分析可知，随着SiO2 含量的增加赤铁矿晶粒尺寸越来越小，且赤铁矿晶粒周围的钙铁橄榄石越来越多，阻碍了赤铁矿晶粒连晶发育，同时赤铁矿晶粒结晶与再结晶所形成的网状结构越来越复杂。当SiO2含量的为3%时，网状结构联结密集同时赤铁矿晶粒发育很好且尺寸很大，少部分的钙铁橄榄石渣相出现在赤铁矿晶粒周围，造成球团矿此时强度最强的原因：首先由于钙铁橄榄石阻碍了赤铁矿的发育与再结晶，而SiO2含量为3%时钙铁橄榄石产生较少，球团矿强度很强，其次由于少量的钙铁橄榄石所形成的液相量较少，而少量的液相量起到粘结作用，有利于提高球团矿的抗压强度。

图2 FactSage 模拟球团矿液相量结果Fig.2 Liquid phase results of FactSage simulated pellets

从图2 的Fctsage 模拟球团矿液相量的图中可以得到SiO2 含量为3%时液相量较少，所以当SiO2 含量为3%时球团矿的强度最强。当SiO2 含量为7%时，从图中看到赤铁矿晶粒的粒径较小且周围的钙铁橄榄石也较多，过多的钙铁橄榄石严重阻碍了赤铁矿的结晶与再结晶，所以组织形成的网状结构也比SiO2 含量为3%时形成的网状结构更复杂，同时看出液相量明显增加，过多的钙铁橄榄石的的出现会使球团矿中的液相量明显增加，但过多的液相量严重影响了球团矿的抗压强度，同时球团矿中出现了气孔和石英，这也影响了球团矿的抗压强度，所以当SiO2含量为7%时球团矿的强度最差。

2.2 不同含量的SiO2的球团矿还原性能分析

图3 不同SiO2含量球团矿还原度曲线Fig.3 Pellet reduction degree curve of different content of SiO2

从图3可以明显看出，随着SiO2含量的增加，球团矿的还原度逐渐下降。SiO2含量为3%时球团矿的还原度最高，达到了83%；SiO2含量增加到5%时，还原度下降了9.64%；当SiO2含量从5%增加到7%时，还原度下降了8%；同时SiO2 含量从3%增加到7%时，还原度下降了大约16.87%。可以得到随着SiO2含量的增加球团矿的还原度下降幅度很明显，这是由于随着SiO2含量的增加，球团矿中钙铁橄榄石也随之增加。根据不同SiO2含量球团矿EDS 图可以清楚看到赤铁矿晶粒周围的难被还原的钙铁橄榄石逐渐增多，同时SiO2 含量为3%时，从之前矿相图可以得到球团矿的赤铁矿晶粒尺寸较大且赤铁矿晶粒连晶所形成的网状结构很密集，所以导致球团矿在SiO2含量为3%时还原度最高，在SiO2含量为7%还原度很低。

2.3 不同含量的SiO2的球团矿低温还原粉化性

图4 不同SiO2含量球团矿低温还原粉化率Fig.4 Low-temperature reduction pulverization rate of pellets with different content of SiO2

从图4 可以得到，球团矿的低温还原粉化率逐渐下降但总体下降幅度较小，SiO2 含量从3%增加到7%时，低温还原粉化率下降1.51%，SiO2含量从3%增加到5%时，低温还原粉化率基本保持不变。造成粉化率稍有降低的一部分原因是由于SiO2 含量的增加，球团矿中的钙铁橄榄石形成的液相量明显增多，在低温还原过程中过多的液相量会影响到赤铁矿晶粒的发育，同时发育不完整的赤铁矿会被其他低熔点的物相所补充（β-C2S 相转变成γ-C2S 时体积发生膨胀），这样会产生过大的应力，而过大的应力在一起累加使得低温还原粉化率降低[11]，所以当球团矿中的SiO2的含量增加到7%时低温还原粉化率最低。

2.4 不同含量的SiO2的球团矿熔滴性

从表3 中可以看到，随着SiO2含量的增加球团矿的T 10 逐渐降低，SiO2含量为3%时T10 温度最高，软化性能最好，达到了1217℃，SiO2含量为7%时T 10 温度最低，达到1170℃，相比SiO2 含量为3%时下降了3.86%，软化性能最差，但五组球团矿的T10 温度都达到了1120℃以上；随着SiO2含量的增加球团矿的T40 也仍然降低但基本都维持在1320～ 1305℃之间，从图5 明显看到球团矿的软化温度区间变宽，区间值在103～135℃之间。随着SiO2 含量的增加球团矿的Ts 和Td 逐渐升高，SiO2 含量为3%时Ts 和Td 最低，达到1379℃和1396℃，SiO2含量为7%时Ts 和Td 最高，达到1417℃和1447℃，相比SiO2含量为3%时升高了2.76%和3.65%。

表3 不同SiO2含量球团矿熔滴性结果Table 3 Dropping results of pellets of different content of SiO2

图5 不同SiO2含量球团矿冶金性能对比Fig.5 Comparison of metallurgical properties of pellets with different contents of SiO2

从图5 得到球团矿的熔滴温度区间的宽度（17～ 30℃）和ΔPm 逐渐增加。SiO2含量为3%时球团矿的熔滴区间宽度最窄（区间为17℃）、ΔPm 最小，此时球团矿的熔滴性能最好，当SiO2含量为7%时球团矿的熔滴区间宽度最宽（区间为30℃）、ΔPm 最大，球团矿的熔滴性能最差；随着SiO2 含量的增加球团矿的熔滴性能总特征值S逐渐增加，SiO2 含量为3%时球团矿的S 值最低，达到60，而SiO2含量为7%时球团矿的S 值最大，达到121，增加了50.42%，从熔滴性能总特征值来分析SiO2含量为3%时球团矿的熔滴性能最好也越有利于高炉的透气性。造成软化开始温度降低的原因一方面是由于随着SiO2 含量的增加，球团矿的钙铁橄榄石的增多，而钙铁橄榄石的熔点相对较低，这样球团矿的软化开始温度变低[12]；另一方面随着SiO2含量的增加，球团矿的还原度逐渐下降，这使得球团矿的孔隙结构变得较差，而孔隙结构也影响着软化开始温度。造成ΔPm 逐渐增加的原因是由于熔滴带厚度从12 mm 增加到21 mm使得气体受阻造成料上下压差变大[13]。

3 结 论

（1）随着SiO2含量的增加，球团矿的抗压强度和生球的抗压强度逐渐降低，SiO2含量为3%时生球的抗压强度和球团矿的抗压强度最强，分别达到了11.6 N 和3255 N。通过矿相分析主要是由于钙铁橄榄石的增加阻碍了赤铁矿晶粒的发育与连晶，从而使得球团矿的抗压强度下降，同时通过Fctsage 模拟液相量发现：随着SiO2含量的增加，液相量上升。而过量的液相也影响了球团矿的抗压强度。

（2）随着SiO2含量的增加，球团矿的还原度逐渐下降，SiO2 含量为3%时还原度最高，达到了83%。通过EDS 分析，造成还原度下降的主要原因是由于SiO2含量的增加使得球团矿内难被还原的钙铁橄榄石增加，所以球团矿的还原度下降。

（3）随着SiO2含量的增加，球团矿的低温还原粉化率下降，但总体下降趋势不是太大。

（4）随着SiO2 含量的增加，球团矿的软化开始温度降低，其原因一方面是低熔点的钙铁橄榄石增多，另一方面由于球团矿的还原度下降使得球团矿的孔隙结构变差。同时随着SiO2含量的增加软化温度区间、熔滴温度区间变宽，使得球团矿的软化性能、熔滴性能变差，熔滴性能总特征值S 降低。