常用铁矿粉高温基础性能研究

李美亮 春铁军 阮志勇

(1.广西柳州钢铁集团有限公司，广西 柳州 545002；2.安徽工业大学，安徽 马鞍山 243002)

0 引言

2020年，我国进口铁矿石高达11.7亿t，创历史最高纪录。随着铁矿资源品质逐渐劣化，市场铁矿粉种类增多，目前市场上铁矿粉种类超过100种，如何合理搭配利用不同种类的铁矿粉已成为钢铁行业所面临的重要难题[1-2]。铁矿烧结优化配矿就是要实现铁矿粉间合理的搭配，其目的在于扩大铁矿粉来源，合理利用贫矿资源，在成本较低的条件下生产出优质烧结矿，提高企业生产效益。目前，大部分钢铁企业主要根据铁矿粉的化学成分和粒度组成开展优化配矿，无法有效指导烧结实际生产[3]。由于烧结成矿过程是在不同种类铁矿粉制粒后在一定高温条件下进行固结，经过破碎冷却和筛分，形成多孔的烧结矿，而铁矿粉的高温特性对烧结成矿具有重要影响，因此开展铁矿粉高温基础特性研究对指导后续烧结优化配矿具有重要意义。

铁矿粉的高温基础性能主要包括：同化性、液相流动性、粘结相强度等[4-7]。同化性是指含铁原料在烧结过程中与氧化钙反应生成低熔点液相的能力，通常可以用同化过程中的温度和时间来表征其能力的大小，一定程度上反映了含铁原料在烧结过程中生成粘结相的难易程度。铁矿粉的液相流动性是指在烧结过程中矿粉与氧化钙发生反应所生成液相的流动能力，是铁矿粉烧结的一个重要基础特性。粘结相强度表示的是铁矿粉在烧结过程中形成的液相固结周围核颗粒矿石的强弱，也属于铁矿粉的高温基础特性。因此，本文针对常用的13种铁矿粉开展高温基础性能的研究，以期为烧结优化配矿提供支撑。

1 原料及研究方法

1.1 实验原料

实验所用原料主要是国内某钢铁公司所提供的铁粉矿和铁精矿，其中A1～A8为粉矿，B1～B5为精矿，其主要化学成分如表1所示。结果表明，粉矿A1和A2铁品位相对较低，分别为56.33%和58.70%，脉石成分中SiO2含量相对较高，分别为5.00%和8.40%；粉矿A3、A4以及A5铁品位含量均相对较高，均在63%以上， Al2O3含量相对较低，分别为1.04%、1.37%和1.99%；而粉矿A6铁品位为62.70%，但SiO2含量较高达9.50%，Al2O3含量较低为0.69%。粉矿A7和A8铁品位分别为61.23%和61.65%，Al2O3含量较高，分别为2.67%和2.42%。铁精矿B1～B5均具有较高的铁品位，均在63%以上，尤其以矿粉B3含铁量高达67.05%，精矿B1的MgO含量较高为3.11%。

表1 铁矿粉主要化学成分(质量分数) %

1.2 研究方法

实验采用电阻突变法对铁矿粉的同化性能进行检测[8]。首先将实验对象铁矿粉干燥后，进行破碎处理，使其粒度级别小于0.15 mm。再选取3.0 g左右的氧化钙试剂进行压团，压力为15 MPa，团块直径为20 mm，厚度约10 mm。将两根电极置于压制的氧化钙团块内宽约2.0 mm，深约2.0 mm的凹槽中，两个凹槽之间的距离约3 mm，然后再用氧化钙试剂抹平，放上0.5 g左右，粒度小于0.15 mm的铁矿粉样品，保证覆盖在氧化钙团块上即可。实验所用的电极为直径0.5 mm耐高温、抗氧化、阻抗小的Pt-Rh合金。实验首先将检测样置于微型烧结实验装置上(见图1)，按照文献[8]的加热制度进行加热，同时记录温度和电阻的变化，当电阻信号检测系统检测到电阻发生多个数量级突变时，停止升温，该温度即为铁矿粉的最低同化温度。

图1 微型烧结实验装置

液相流动性检测首先将实验铁矿粉进行细磨处理，控制粒度在0.075 mm以下，通过添加合适量的氧化钙分析纯试剂，固定二元碱度为4.0，然后称取1.5 g左右混匀料，在10 MPa压力下压制成为尺寸为φ8 mm×5 mm的团块，放入微型烧结实验装置中，按照图2的温度和气氛进行焙烧。实验结束后检测样品小饼的垂直投影面积，并根据下式计算样品的液相流动性指数[7]。

I=(S1-S0)/S0

式中：I—液相流动性指数；S0—试样焙烧前的垂直投影面积，mm2；S1—试样焙烧后的垂直投影面积，mm2。

图2 实验过程温度及气氛控制制度

粘结相强度检测首先将实验铁矿粉进行细磨处理，控制粒度级别在0.075 mm以下，通过添加合适量的氧化钙分析纯试剂，固定二元碱度为2.0，然后称取1.5 g左右混匀料，在10 MPa压力下压制成为尺寸为φ8 mm×5 mm的试样，放入微型烧结实验装置中，按照图2的温度和气氛进行焙烧。试验结束后取出圆柱体试样，在压力测定仪上测定其焙烧后的抗压强度，即为粘结相强度。

2 结果与讨论

2.1 同化性

实验将最低同化温度表征铁矿粉同化性能力的强弱，铁矿粉的最低同化温度越高，说明其同化性越差，在铁矿烧结过程中生成液相所需要的温度越高。若铁矿粉的最低同化温度越低，说明其同化性越好，在烧结过程中生成液相所需要的温度越低。实验所用的8种铁粉矿和5种铁精矿的最低同化性温度实验结果如图3所示。结果表明，常用的13种铁矿粉同化性能力由高到低排列顺序为A4>A1>A8>A5>B5>A3>B2>A7=B4>B3>A6>A2>B1。其中以矿粉A4最低同化性温度为1 180 ℃，同化性能力相对最强；以矿粉A2、A6和B1最低同化性温度相对较高，尤以矿粉B1最低同化性温度高达1 340 ℃，其同化性能力相对最弱；另外9种铁矿粉同化性能力则相对适中。

图3 铁矿粉最低同化温度

对13种铁矿粉的最低同化性温度与SiO2含量和MgO含量做散点图进行数据拟合分析，其结果如图4所示。结果表明，铁矿粉同化性能力的强弱与SiO2含量存在一定的负相关性，成分SiO2含量的提高，最低同化温度降低，铁矿粉同化性能力增强。成分SiO2含量的降低，最低同化温度升高，铁矿粉同化性能力减弱。如矿粉B1中SiO2含量仅为1.33%，最低同化性温度高达1 340 ℃，同化性能力相对较弱。而矿粉A4二氧化硅含量达6.01%，最低同化性温度为1 180 ℃，同化性能力相对较强。这主要是因为SiO2易生成低熔点化合物，致使液相粘度提高，气孔率有所降低，影响了钙离子和其他矿物离子的反应。另外，铁矿粉同化性能力的强弱一定程度上受MgO含量的影响，其规律与成分SiO2的相反。如B1矿粉MgO含量较高，致使其同化性能力相对最弱。例如矿粉B1中MgO含量高达3.11%，其最低同化性温度高达1 340 ℃。原因在于氧化镁是高熔点物质，在烧结过程中易生成难熔物相，不利于液相生成，从而使铁矿粉最低同化温度升高。

图4 铁矿粉的最低同化性温度与SiO2和MgO含量的关系

2.2 液相流动性

铁矿具有良好的液相流动性，可以在烧结过程中提供适宜的液相量，改善烧结矿产品质量。液相流动性实验结果如图5所示。结果表明，13种铁矿粉液相流动性指数的大小由高到低顺序为B4>B3>A4>A3>A7>A8>A5>A6>B5>A1>B2>B1>A2。其中以矿粉B3和B4液相流动性指数最大，分别为11.37和11.20；以矿粉A2液相流动性指数最低，仅为2.08。

图5 铁矿粉的液相流动性

液相流动性过好，烧结过程物料粘结厚度变薄，不利于提高烧结矿强度；反之，液相流动性过差，会影响液相量的生成，同样会降低烧结矿强度。铁矿粉液相流动性与矿粉SiO2和Al2O3含量的关系如图6所示。结果表明，铁矿粉中的SiO2和Al2O3含量与铁矿粉的液相流动指数均存在一定的相关特性。铁矿粉中SiO2含量增加，液相流动指数有下降趋势；成分Al2O3含量的变化规律与之类似，随其含量上升液相流动指数有下降趋势，说明铁矿粉中SiO2和Al2O3两种成分对其液相流动性有着负相关性。

图6 铁矿粉的液相流动性指数与SiO2和Al2O3含量关系

2.3 粘结相强度

13种常用铁矿粉的粘结相强度结果如图7可知。结果表明，不同铁矿粉间的粘结相强度有较大差别。其中以矿粉A2、A6和B2的粘结相强度相对较高，尤以矿粉A2高达8 299 N，具有优良的粘结相强度性能；而矿粉A1、A5和A7的粘结相强度均较低，矿粉A7仅为960 N，其粘结相强度性能较差，不利于烧结矿强度提高；其余7种铁矿粉的粘结相强度相差不大，均在2 000 N左右。

图7 铁矿粉的粘结相强度比较

对13种铁矿粉的同化温度与SiO2和Al2O3含量的关系散点图如图8所示，铁矿粉的粘结相强度随SiO2的增加有明显的上升，以矿粉A2为例，SiO2为5.0 %时，其粘结相强度高达8 299 N。铁矿粉的粘结相强度与成分SiO2存在一定程度上的正相关特性，即SiO2含量越高，粘结相强度越高。在一定范围内，随Al2O3含量的上升，铁矿粉的粘结相强度有明显下降的趋势，如矿粉B2的Al2O3含量最低为0.29%，其粘结相强度高为5 231 N，矿粉A7的Al2O3含量最高为2.67%，其粘结相强度却最低，仅为960 N。

图8 铁矿粉的粘结相强度与SiO2和Al2O3含量关系

3 结语

本文对13种常用铁矿粉的高温基础性能进行了研究。铁矿粉中SiO2含量升高，铁矿粉最低同化温度降低，MgO含量升高铁矿粉最低同化温度升高。矿粉A4最低同化性温度为1 180 ℃，同化性能力相对最强。铁矿粉的液相流动性常受SiO2和Al2O3含量的影响，且皆负相关性。矿粉B3和B4液相流动性指数最大，分别为11.37和11.20；以矿粉A2液相流动性指数最低，仅为2.08。粘结相强度与SiO2含量有正相关性，与Al2O3含量呈负相关性。铁矿粉的粘结相强度以矿粉A2最高，为8 299 N，以矿粉A7最低，仅为960 N。