褐铁矿的烧结特性试验研究

2022-12-08侯雯希梁斌珺

中国金属通报 2022年9期

侯雯希，梁斌珺

近年来，随着钢铁行业在全球快速发展，日趋紧张的铁矿资源，已经成为制约钢铁企业发展的重要因素。高配比褐铁矿生产，已经成为各大钢厂降本的主要手段，也是钢铁行业的必然趋势。褐铁矿烧损大、硅含量高、铁品位低，烧结性能不佳，因此有必要解决大量配入褐铁矿对烧结经济技术指标带来的不利影响。通过烧结优化配矿技术可使烧结性能相对比较差的褐铁矿的配比增加到60%以上。铁矿石的应用开始进入褐铁矿时代，许多科技工作者已开展了高结晶水褐铁矿的烧结基础特性研究，以期通过褐铁矿烧结的基本特性来研究褐铁矿石在烧结过程中的变化。研究发现，褐铁矿的烧结难度较大，褐铁矿的同化反应在降低烧结矿产质量的同时，提高了烧结过程的燃耗。针对上述问题进行了一系列研究，结果表明可通过优化配矿和操作，改善烧结料层的透气性，同时利用其产生的大量液相来提高烧结速度，从而可降低褐铁矿自身所带来的劣势。

新钢公司旗下子公司铁坑生产的褐铁矿输送困难，烧结性能差，烧结厂消化量小于铁坑产量，致使场地上囤积了大量铁坑褐铁矿。针对这种情况，进行了褐铁矿烧结特性试验研究，以期为现场高配比褐铁矿的生产提供技术支撑。

1 原料性质及研究方法

1.1 原料性质

1.1.1 铁矿粉化学成分及粒度组成

本次试验用的铁矿粉有杨迪矿、麦克粉、铁坑褐铁矿及PB粉等四种，从化学分析结果来看，试验的几种褐铁矿的铁品位均较低，烧损偏大。其中铁坑褐铁矿的全铁品位最低，硅含量和烧损最高，分别为52.56%、12.46%、11.5%。麦克矿粉烧损最低，为5.28%，PB矿粉的全铁品位最高，为61.52%。PB矿粉和麦克矿粉属于半褐铁矿。

由于矿石粒度较粗，试验时采用干筛法测定原料的粒度组成，筛分时间为15min，从试验结果来看，杨迪矿的粒度较粗，其+8mm的颗粒占19.13%，远多于其它三种粉矿，而0.1-1mm的中间粒子的含量相对较少，且-0.1mm粒级部分只有很少的含量。铁坑+8mm粒级含量最少，只有6.50%。麦克矿粉和Pb矿粉的+8mm粒级含量相差并不大，分别为9.26%和8.31%；Pb矿在0.5mm以上各粒级部分的含量均不同程度低于麦克矿，但-0.5mm部分的含量高于麦克矿，其中-0.1mm粒级更是以高达18.09%的含量与麦克矿的3.79%形成很明显的差距。综合来看，四种粉矿的粒度粗细顺序为：扬迪矿＞麦克矿＞铁坑褐铁矿＞Pb矿。

1.1.2 溶剂、原料的化学成分及粒度组成

镁石灰，生石灰，白云石，石灰石是新钢烧结厂常用4种熔剂，燃料是焦煤混合物。由化学成分结果分析来看，若熔剂的含钙量越高，则烧损越低，四种熔剂中生石灰含钙量最高，达到了83.65%，则烧损最低，为7.01%；其次分别为石灰石、镁石灰和白云石，含钙量为51.33%、46.31%和31.92%，烧损为43.99%、45.39%和21.83%。另外，在镁石灰和白云石中含有较高的镁，分别达到了27.51%和19.45%。

同时对熔剂和燃料等按粗粒料进行测定粒度组成，结果表明(焦粉由于来样粒度过粗，试验时对其+3mm部分进行了破碎处理)，几种熔剂的粒度组成相差不是很大，在1-5mm范围内的粒度占比均在50%左右，其次为0.1-1mm范围内粒度占比，约为35%左右，粒度较粗和较细的占比均非常少。

1.2 研究方法

1.2.1 试验设备

新钢烧结厂实验室由重庆市安全生产科学研究有限公司承建，实验室分设烧结杯试验系统和冶金性能检测系统。

烧结杯试验系统由混合机、布料器、点火器、烧结杯、除尘器、抽风机、单辊破碎机、落下强度试验装置、筛分装置、转鼓装置等组成。该系统采用中间有保温层的双层高温钢杯体，可以减少料层中心与边缘的温差；点火器采用集点火、空煤比调节、空气供给、火长调节、点火温度调节、故障保护、煤气不足保护等功能的一体化装置；落下装置和往复筛全封闭工作，防尘、降噪性能好。

冶金性能检测设备为三段式还原炉，采用全开式还原炉体结构，操作、维护方便；炉膛材料为碳化硅，使用寿命在30年以上；反应器采用专门冶炼而成的航天材料GH44，使用寿命在500次以上。炉温控制波动值不超过±1℃，能准确检测出烧结矿、球团矿和块矿的还原性及其低温还原粉化指数。

1.2.2 试验流程

烧结试验常规流程包括：配料→混合→制粒→装料→点火→烧结→冷却→破碎→落下试验→筛分→取样→转鼓试验，具体如图1所示。

各步骤的详细操作如下：

（1）配料：试验配料采用混匀矿、石灰石、生石灰、焦粉、白云山内配，返矿按38%外配。确保符合正常的烧结矿化学成分。

（2）混合：混合包括一次混合和二次混合。试验一次混合是采用人工堆锥，混匀3-5min，实际操作以将料混匀为准；试验二次混合主要目的是制粒，在圆筒混合机内进行，圆筒混合机规格为Ф600*1200mm，转速16r/min，向混合机内喷加雾状水，原则上加水量为混合总加水的20%左右，制粒5min。随后取试样分别进行混合料水分、粒度组成和透气性指数测定。

（3）装料：试验使用规格为Ф170×700mm的烧结杯，铺底料20-30mm，试验布料时先将料装到圆锥布料器中，再用圆锥布料器布料的方法进行布料，压料高度20mm。

（4）点火：试验点火使用石油液化气，点火负压和温度分别为6kPa和1050±50℃，点火时间1.5min。

（5）保温：试验保温时间1min，采用点火后不移点火罩。

（6）烧结：试验烧结过程，保温完毕后，将负压调至12KPa进入烧结过程，当废气温度达到最高点时，其所对应的温度为烧结终点，达到烧结终点即烧结反应结束。

（7）冷却：烧结到达终点后，冷却3min，在此阶段将负压调回并保持6KPa。

2 试验结果及讨论

2.1 褐铁矿的烧结试验研究

在进行褐铁矿烧结特性试验时，分别以上述四种褐铁矿粉为原料研究了不同操作条件对烧结矿产品性能的影响。

2.1.1 杨迪矿粉

分别研究了不同烧结水分及配碳比对杨迪矿烧结性能的影响，从试验结果来看，当焦粉配比为4.7%，混合料的水分在8.5%-10%范围内变化时，烧结速度、利用系数、成品率和转鼓指数都随混合料水分增加而先增加后开始降低。转鼓指数存在最大值，当水分为9.5%时，转鼓强度最好，为57.51%，继续增加混合料水分，转鼓强度反而降低。综合考虑烧结矿的利用系数和转鼓强度，水分在9.5%左右为宜。当水分在9.5%时，随着焦粉配比的提高，烧结矿成品率逐步提高，从试验结果来看，杨迪矿适宜的焦粉配比在5.3%左右。

2.1.2 铁坑矿粉

铁坑矿粉是新钢公司自产的褐铁矿粉，它的TFe含量低、SiO2含量高，烧损高。试验时，分别研究了不同烧结水分及配碳比对铁坑矿粉烧结性能的影响，从试验结果来看，铁坑矿粉是一种单烧非常难烧的矿，单烧指标很不理想，存在烧结速度快、利用系数低、成品率和转鼓强度差等一系列问题。究其原因在于铁坑矿粉在单烧过程中缺少成核粒子，球很容易被破坏，虽强化点火，但仍点不着。在烧结时，必须强化制粒，同时还需添加返矿才能较顺利的完成烧结。

细者，小也；节者，单位或要点也。《汉语大词典》对“细节”释为“细小的环节和情节”。教学细节，顾名思义，是指教学中一些不易察觉的细末之处、关键之点，它不仅指教学行为的最小单位，还要求教学行为处于教学过程的关节点上，对教学具有重要的推动和联接作用。因而，并不是所有的教学行为都具有教学细节的作用，只有处于教学关节点、联接点上的教学行为，才具有细节——关节的作用，才具有推动、激活、联接和延续教学过程的作用。

2.1.3 麦克矿粉

麦克粉具有初始粒度好，再成球能力强的特性。试验时，分别研究了不同烧结水分及配碳比对麦克矿粉烧结性能的影响，从试验结果来看，通过对烧结水分和焦粉配比的优化，麦克粉单烧最佳条件为：混合料水分在10.5%左右、焦粉配比在5.5%左右。在此条件下，烧结矿综合产、质量指标较好，利用系数和转鼓强度分别达到1.05t/m2·h和62.0%。

需要注意的是，麦克粉含有一定的结晶水，虽然以Fe2O3状态存在的矿物有利于使其在烧结过程中形成以铁酸钙为主的粘接相，但从化学分析结果来看，矿粉中含有较高的Al2O3，配加过多麦克粉会使烧结矿中的Al2O3含量升高。

2.1.4 PB矿粉

PB矿粉虽然具有造球性好的优点，但是也存在点火表面松散粗糙、烧结矿液相度中等偏下的缺点。试验时，分别研究了不同烧结水分及配碳比对PB矿粉烧结性能的影响，从试验结果来看，在水分和焦粉配比调整优化下，PB粉单烧混合料水分在10.5%左右，焦粉配比在5.4%左右时，烧结矿综合产、质量指标最好，此时的利用系数和转鼓强度分别为1.41t/m2·h和56.53%。

2.2 褐铁矿烧结产品性能研究

分别详细研究了上述四种褐铁矿烧结产品的化学成分、微观结构、低温还原粉化性能及还原性能。

2.2.1 化学成分分析

2.2.2 微观结构分析

分别对上述四种烧结矿的微观结构进行了分析，可以得出如下结论：

（1）杨迪矿烧结矿的部分微区有熔蚀状和短条状的四维复合铁酸钙结晶。在有铁酸钙胶结的区域，结构强度都比较高，没有液相胶结的微区，结构强度都较低，尤其是有硅酸钙结晶或者有裂纹的区域，均属强度差的范围；杨迪烧结矿中部分镁与铁结合，形成了铁酸镁，流动性好，与其它铁矿胶结紧密；橄榄石绝大部分为钙铁橄榄石，呈板状或块状结晶，胶结力较强。总之，从微观结构来看，杨迪粉烧结矿液相量不足，胶结力不够，固相互连差，多孔薄壁，粗裂，硅酸钙形成的破坏现象和低强度区域较多，烧结矿质量不佳。

（2）铁坑褐铁矿烧结矿的橄榄石的结晶呈板状，且粒晶粗大，将Fe3O4等矿物紧密胶结，扫描电镜能谱图证实，这些橄榄石均为钙铁橄榄石；同时发现铁坑褐铁矿烧结矿中黑色线条状的硅酸钙十分明显，常嵌布在硅酸盐橄榄石中，易产生低温粉化膨胀，也消弱了橄榄石的胶结力，影响整体结构强度；而且烧结矿中铁酸镁较多，烧结矿中各种红、绿、黄彩色的铁酸镁晶粒明显增多，与其它铁矿物胶结良好，对提高烧结矿强度有利；同时铁坑褐铁矿烧结矿仍然存在局部粗裂，这些不利矿物和破坏现象对烧结矿质量影响很大，其烧结矿质量有待改善和提高。

（3）麦克矿粉的烧结矿大部分属含钙很高的硅酸钙，在烧结矿中存在钙铁橄榄石大量结晶体，且大多数嵌布在Fe3O4和Fe2O3的间隙中，胶结比较紧密，这对提高整体微观强度有利，但烧结矿中硅酸盐远不及铁酸盐液相好，致使烧结矿固相连接较差；同时麦克矿粉的烧结矿局部高温区Fe3O4结晶发育及互连较好，但烧结矿中有较粗的长条裂纹，存在许多多孔薄壁结构，对烧结矿强度很不利。

（4）Pb粉烧结矿最大特点是碱度高，铁酸钙形成又多又好，结晶比较完善，呈条状和熔蚀状很清晰。铁酸钙是烧结矿中强度最高，还原性最好的第一位矿物，数量越多，质量越好。部分微区可以清楚地看到铁酸钙包围了固相，加强了烧结矿整体结构强度。烧结矿Fe3O4再结晶良好，大部分能发育长大，互连，常常被钙铁橄榄石胶结在一起，但也有不少的被铁酸钙渗透、溶蚀。凡属被液相胶结的矿物，都有较高的强度。铁酸镁结晶较好，呈长条状，与其它矿物胶结紧密。烧结矿中也存在一些不理想的地方，比如有不少大孔薄壁区域和粗长裂纹存在。少量区域还可以见到黑色短条状的硅酸钙及骸晶Fe2O3。统观烧结矿矿物组成和微观结构，其质量良好。

2.2.3 低温还原粉化性能

对几种烧结矿的低温还原粉化性能进行了分析，结果表明：各烧结矿具有较好的抗低温还原粉化性能，除杨迪烧结矿RDI-0.5为3.72%，其余褐铁矿的烧结矿RDI-0.5均在4.0%以上。从RDI+3.15来看，铁坑褐铁矿、杨迪矿以及麦克粉的烧结矿均具有较高水平，分别达78.55%、78.87%和77.89%。因此，相比之下，铁坑褐铁矿、杨迪矿以及麦克粉烧结矿具有较好的低温还原粉化性能，而Pb粉烧结矿的低温还原粉化性能相对较差。

2.2.4 还原性能

对几种烧结矿的还原度进行了分析，结果表明：几种褐铁矿的烧结矿均具有较好的还原性能，还原度均在70%以上。相较之下，麦克粉的还原度高最好，优于其他三种褐铁矿粉烧结矿的还原度。

3 高配比褐铁矿烧结强化措施

3.1 高配比褐铁矿烧结存在问题

通过对褐铁矿的烧结试验研究，不难发现，高配比褐铁矿烧结存在如下问题：

（1）成品率低，强度差。高配比褐铁矿烧结产生了大量的液相，液相中更多的Fe2O3会导致液相粘度升高，影响烧结过程中气孔的生成及排除。过高粘度的液相夹杂着大量的气孔，使得粘结相的强度降低；最终就降低了烧结矿的强度和烧结成品率。同时，高同化作用破坏了烧结料层的透气性，使得燃料燃烧不均，最终就降低了烧结矿的强度和烧结成品率。

（2）料层透气性差。褐铁矿拥有疏松多孔、结晶水含量高及混合制粒易过湿等特性，导致其在烧结过程中透气性变差；同时褐铁矿在烧结过程产生的液相会充满料层的间隙，使料层阻力增大，进一步恶化了料层的透气性。

（3）固体燃耗高。褐铁矿自身含结晶水高，烧结过程中需要配加更多的燃料来脱除这一部分水，因此，高配比褐铁矿烧结固体燃耗高。

3.2 强化措施

针对高配比褐铁矿烧结存在的问题，提出如下强化措施：

（1）优化配矿。烧结配矿实际上是一个寻优过程，它是在已知约束范围内的多种铁矿中寻找满足技术指标要求，且成本最低的所有配矿方案。最优方案需满足下列条件：①烧结矿化学成分的要求；②原料供应的条件；③烧结矿产量和质量指标的要求；④烧结矿成本和能耗指标的最优。所谓优化配矿，就是找到满足上述要求的多种含铁原料的合适配比。要寻找到最优配比，单纯依靠理论计算或线性规划是无法做到的，必须采取模型计算、烧结杯试验、生产试验三者相结合的方法。

（2）厚料烧结。将料层提高到700mm，厚料烧结可作为解决褐铁矿增加导致燃耗上升及成矿率降低等问题的核心手段。因为厚料烧结不仅可以改善烧结矿强度，提高成品率，还可以降低固体燃耗，同时降低FeO的含量，提高烧结矿还原性。

（3）强化生石灰消化。改进加水方式和加水点，适当加大生石灰加水量，改善生石灰消化过程，使生石灰充分消化，以提供更多热量。

（4）合理使用热返矿。一方面，使用热返矿可以提高混合料料温度，改善烧结过程；另一方面，加入的热返矿吸附褐铁矿粉中的水分，防止了褐铁矿粉结团、结块，改善了混合料的粒度组成，提高料层的透气性。

（5）蒸汽预热混合料。通过余热锅炉将环冷热矿的热量回收加以利用，产生的蒸汽用管道接入混合圆筒和混合料斗，将料温从40℃提高到65℃，减少过湿现象，改善烧结过程。

（6）提高混合料水分，强化制粒。在混合过程中，控制合理的二次加水量，将水分控制从7%-8%提高到7.5-8.5%，改善混合料成球性，从而可提高料层透气性。