FeO含量对烧结矿冶金性能影响研究

余 骏 孟 飞 陈生利 万 新

(1.广东韶关钢铁公司炼铁厂，广东 韶关 512123；2.重庆科技学院，冶金与材料工程学院，重庆 401331)

0 引言

随着钢铁工业的发展，高炉对入炉原料质量要求越来越高，不仅要求入炉料含铁品位高、冷态强度好、化学成分稳定，粒度均匀、有害杂质少，而且还要具有良好的高温冶金性能，保证矿石原料在高炉炉身预热及炉腰还原等过程中不因强度劣化而影响高炉顺行与生产技术指标[1]。烧结矿作为高炉生产的最主要原料之一，其冶金性能的好坏直接决定着高炉是否顺行与优质高产。烧结矿的冶金性能包括还原性(RI)、低温还原粉化率(RDI)、荷重还原软化性能和熔融滴落性能。

FeO作为烧结矿的一种重要成分，其含量是烧结矿性能最重要评价指标之一[2-6]。国内外许多学者对于FeO对烧结矿性能的影响进行了研究，结果表明：FeO 对烧结矿性能有双重影响，FeO含量过高或过低均不利于烧结矿产质量及冶金性能，在原、燃料及烧结生产工艺不变的条件下，烧结矿中FeO含量应保持在一个合理范围[2-4]。当FeO含量较高时，烧结矿低温还原粉化性能较好，但还原性变差；当FeO含量较低时，烧结矿还原性变好，但会恶化低温还原粉化性能，不利于高炉生产与顺行[5-8]。为此，基于某钢铁公司现场所生产的烧结矿，研究分析FeO含量对烧结矿还原性(RI)、低温还原粉化率(RDI)、荷重还原软化性等冶金性能的影响，探讨了韶钢目前烧结原、燃料及工艺条件下烧结矿适宜FeO含量。

1 实验原料与方法

1.1 实验原料

实验中所用烧结矿均取自于某钢铁公司5#烧结机连续一个月所生产的烧结矿，且分别取自于机头、机中和机尾三个位置。由于该公司每半个月进行一次换堆作业，故该批烧结矿均来自于两种不同配矿结构的混匀铁矿粉，其中1～9号烧结矿所用铁矿粉为混匀铁矿粉1，10～16号烧结矿所用铁矿粉为混匀铁矿粉2，配矿结构如表1所示。两组不同混匀铁矿粉所配熔剂、燃料以及5#烧结相关参数如表2所示。实验中所用16组烧结矿成分如表3所示，由于烧结过程中配料存在一定波动，且取样位置不同会导致烧结矿成分有所变化。

表1 混匀铁矿粉配矿结构(质量分数) %

表2 5#烧结机主要参数及配料方案

表3 5#烧结机不同取样时间和位置的烧结矿成分(质量分数) %

1.2 实验方法

1.2.1 还原性测定

烧结矿的还原性主要按照国标(GB/T13241-2017)标准进行。称取500±1 g 粒径为10.0～12.5 mm烧结矿试样。在900±10 ℃下还原3 h。实验过程中，通入的还原气体成分为30%±0.5% CO和70%±0.5% N2，还原性气体的流量为15±1 L/min。实验完成后称量试样质量，利用减重法测定烧结矿还原度。同一批试样分两组测定取平均值，并保证两次结果误差绝对值不超过5%。

续表

1.2.2 低温还原粉化率测定

按照国标(GB/T13242-2017)称取10～12.5 mm烧结矿试样500±1 g，在500±10 ℃下还原1 h。实验中，还原气体的成分为CO(20%±0.5%)和N2(60%±0.5%)，保持气体流量为15±1 L/min。还原完成后，将试样全部装入转鼓(Φ130 mm×200mm，转鼓内有两个高20 mm的挡板)，并以30 r/min的速度旋转10 min。随后采用孔径6.3 mm、3.15 mm、0.5 mm筛分转鼓后试样，以+6.3 mm、+3.15 mm、-0.5 mm级的试样质量与转鼓前试样的总质量之比作为烧结矿低温还原粉化性能的评价标准。

1.2.3 熔滴性能测定

在高铝质刚玉坩埚中先装入20 mm焦炭(10.0～15.0 mm)，然后装入50～60 mm粒度为6.3～10.0 mm的烧结矿，后再装入20 mm 焦炭(10.0～15.0 mm)，进行还原实验。实验中，控制还原气体流量为15 L/min，还原气体成分为30% CO+70% N2。温度小于900 ℃时，升温速度为10 ℃/min，900 ℃时恒温60 min，温度大于900 ℃，升温速度5 ℃/min；在400 ℃以下，通N2保护试样，400 ℃通还原气体。以试样收缩4%时的温度为开始软化温度，试样收缩40%时的温度为软化终了温度，两者温度差作为软化区间。

2 结果与讨论

2.1 FeO对烧结矿还原性的影响

由图1和图2可以看出，烧结矿的还原度与其中FeO含量成一定负相关关系。当烧结矿中FeO含量越高则烧结矿还原性越差；当烧结矿中FeO含量越低，则相反。这是因为烧结矿中FeO含量越高，则还原性较好的Fe2O3含量越少，因此烧结矿还原性变差。烧结矿各物相的还原性由高到低依次为：赤铁矿>铁酸钙>磁铁矿>钙铁橄榄石>硅酸铁。烧结矿中的FeO主要存在于磁铁矿、钙铁橄榄石和硅酸铁等还原性较差的物相中，FeO含量增加，则这类还原性较差的物相增多，会造成烧结矿还原性变差。此外，有研究表明：FeO含量增加，烧结矿的结构会变得更为致密，也会致使烧结矿还原性降低[5,9]。

图1 不同时间所取烧结矿的还原度RI与FeO含量

图2 烧结矿中FeO含量与对应还原度RI之间拟合图

2.2 FeO对低温还原粉化率的影响

烧结矿低温还原粉化率反映着烧结矿在高炉上部还原强度，是高炉上部透气性的限制性环节，对高炉生产技术指标有着较大影响。而FeO含量是则烧结矿低温还原粉化率的最主要影响因素之一。由图3和图4可知，烧结矿的RDI+3.15变化趋势与烧结矿中FeO含量变化基本保持一致，即烧结矿的RDI+3.15与FeO成较明显的正相关。当烧结矿中FeO含量高时，则低温还原粉化指数RDI+3.15较好。这是因为烧结矿的粉化主要来源于还原过程中α-Fe2O3转变成γ-Fe2O3和Fe3O4所引起的体积膨胀和晶格扭曲所带来的内应力。烧结矿中FeO含量高时，表明矿物组成中Fe2O3含量低，可以减少因Fe2O3被还原而引起的体积膨胀和内应力变化所导致的粉碎。此外，FeO主要要来源于磁铁矿、钙铁橄榄石、钙铁辉石等矿物，这几类矿物冷强度均较好，在低温还原条件下比较稳定，具有较好的抗粉化性，也可以进一步提高烧结矿的抗低温还原粉化率[9]。

图4 烧结矿中FeO含量与对应低温还原

由图3可以看出，2号样品中烧结矿FeO含量较高，但其低温还原粉化指数RDI+3.15仍然低于其他样品，仅为71.95%。这是因为该烧结矿中MgO含量高达2.37%，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]，稳定磁铁矿晶格，使得磁铁矿氧化为赤铁矿的反应受阻，抑制了磁铁矿中骸晶状赤铁矿的生成[10，11]，从而可以减少因赤铁矿还原产生的体积膨胀而造成的烧结矿粉化。

图3 不同时间所取烧结矿的低温还原

2.3 FeO对软熔性能的影响

烧结矿的软熔性能是反映其在高炉炉身下部和炉腰部位软化带的透气性，这部分的透气阻力约占高炉总阻力损失的25%[2]，对高炉是否顺行具有较大影响。由图5可知，烧结矿的最低开始软化温度为1 032 ℃，最高开始软化温度为1 074 ℃，均低于一般烧结矿开始软化温度1 100 ℃，这表明5#烧结机所产生烧结矿软熔温度偏低。烧结矿软化区间均大于150 ℃，高于烧结矿通常要求的软化区间。这说明5#烧结机烧结矿软化区间偏宽，容易导致高炉软熔带偏厚。这是因为烧结矿含有较多的FeO，FeO 含量越高，生成的低熔点化合物量越多。因此，FeO含量较高的烧结矿软化开始温度和融化开始温度会相对较低，烧结矿的软化温度偏低，导致软熔带上移，高炉上部块状带体积偏小。此外，烧结矿软熔区间偏宽，入炉后易导致高炉软熔带较厚，炉料透气性变差，不利于高炉顺行。

图5 不同时间所取烧结矿的软熔性能

3 结语

1)5#烧结机的烧结矿的还原度与FeO含量成一定负相关关系。当烧结矿中FeO含量越高则烧结矿还原性越差；当烧结矿中FeO含量越低，则相反。

2)5#烧结机的烧结矿低温还原粉化指数RDI+3.15与FeO含量成较明显的正相关。当烧结矿中FeO含量高时，则低温还原性粉化指数RDI+3.15较好。

3)烧结矿烧结矿的最低开始软化温度为1 032 ℃，最高开始软化温度为1 074 ℃，均低于一般烧结矿开始软化温度1 100 ℃。这是因为烧结矿FeO含量越高，生成的低熔点化合物量越多，导致烧结矿软化开始温度和融化开始温度会相对较低。