典型纽曼块矿的热爆裂机制

易凌云，肖华荣，张楠，赵强，魏进超，喻明军

(1.中南大学 资源加工与生物工程学院，湖南 长沙，410083；2.中冶长天国际工程有限责任公司，湖南 长沙，410205)

烧结矿、球团矿和天然块矿是现代高炉炼铁的主要原料，由于各国铁矿资源禀赋和来源不同，炉料结构有所差异。我国钢铁工业经过几十年发展，高炉炉料结构形成了以高碱度烧结矿配加酸性球团和少量天然块矿为主的炉料结构形式[1-3]。随着近年来铁矿石价格走高和环境保护力度的不断加强，钢铁企业为了降低成本和环保压力，开始降低炉料结构中球团矿配比，增加性价比较高的块矿比例，达到降本增效、提高资源利用率的目的[4-5]。天然块矿与酸性球团相比冶金性能略差，但其价格更为低廉，且来源广泛，无高温造块过程，不消耗能源，环境污染小[6-8]。但天然块矿属于生矿，其综合冶金性能要比人造富矿的差，特别是块矿加入高炉后，在下降过程中，由于内部热应力的作用会发生热爆裂，产生大量粉末，不仅影响高炉透气性和煤气流分布，还会使炉墙结厚，降低有效容积，严重影响高炉正常运行，直接影响生产效率[9-11]。热爆裂现象已成为制约高炉提高块矿比例的重要因素之一。

天然块矿的热爆裂是指块矿在高温作用下发生的爆裂现象，一般用热爆裂指数来表示块矿的热爆裂程度[12]。块矿抵抗热冲击的能力越强，块矿热爆裂指数越小，产生的粉末越少。吴艺鹏等[13]参照ISO 8371—2007 标准对青岛特钢高炉用的PB和纽曼块矿进行了热爆裂指数的测定，发现PB 的爆裂性能略优于纽曼块矿的爆裂性能。张明远等[14]测试了吉布森和纽曼块矿热爆裂性能，两者的热爆裂指数分别为16.35%和6.98%。袁兵[15]在中性和还原性气氛条件下，对澳块矿的爆裂性能进行了分析，得出澳块矿的爆裂温度在370～700 ℃范围内，并且其在还原气氛下的热爆裂指数要高于中性气氛下的热爆裂指数。PAN 等[16]指出天然铁块矿热爆裂程度与块矿中的矿物种类及孔隙率有关。王晓哲等[17]研究了块矿的气孔率和热分解特征对块矿热爆裂的影响。FARIA 等[18-19]对高品位锰块矿的热爆裂进行了研究，发现锰氧化物的分解和内部水分的分解蒸发是导致热爆裂的重要原因。谈承麟等[20]对比了2种块矿化学成分与热爆裂的关系，发现烧损越高，热爆裂越严重。

作为高炉入炉料的含铁块矿，研究者针对其热爆裂的研究大多停留在对各种块矿爆裂性能优劣的评价上，对引发块矿爆裂形成的关键因素及其内在作用机制尚缺乏深入认知。本文以典型纽曼块矿为对象，研究纽曼块矿的理化性质、在不同加热温度、时间和含水率下的热爆裂特性及其爆裂形成机制，以期为高炉生产合理决策提供技术支持，推动高炉利用天然块矿的技术发展。

1 原料性能与研究方法

1.1 原料性能

进口纽曼块矿外部形貌如图1所示。纽曼块矿外表颜色为橙黄色，黏附有矿粉，在扫描电镜镜下观察发现表面结构较为疏松，大小不一的孔洞分布于块矿表面。纽曼块矿主要化学成分和矿物组成分析结果见表1和图2。由表1和图2可知，纽曼块矿主要由赤铁矿、褐铁矿和少量的石英构成；块矿TFe 品位为65.58%，主要脉石成分SiO2和Al2O3质量分数分别为3.44%和2.03%，有害元素S和P 质量分数较低，分别为0.020%和0.117%；CaO 和MgO 含量低。由纽曼矿中铁的化学物相分析(表2)可知，纽曼块矿为低碳酸盐性质矿石，铁在其中的分布率仅为0.41%；铁元素集中分布在赤(褐)铁矿中，分布率高达98.91%，铁在假象赤铁矿、磁铁矿中有少量分布。纽曼块矿的粒度组成及铁分布率如表3所示，由表3可知，纽曼块矿粒度主要集中在25～40 mm 范围内，其产率达到42.56%；其次，8～16 mm和16～25 mm粒度的纽曼铁矿产率分别达到22.73%和17.13%，粒度大于40 mm和小于8 mm的分布较少。

图1 纽曼块矿样品及其微观形貌Fig.1 Newman lump ore sample and its micromorphologies

表1 纽曼块矿主要化学成分(质量分数)Table 1 Main chemical composition of Newman lump ore %

图2 纽曼块矿的XRD图谱Fig.2 XRD pattern of Newman lump ore

表2 纽曼块矿铁化学物相分析Table 2 Iron phase analysis results of Newman lump ore

表3 纽曼块矿的粒度组成及铁元素分布率Table 3 Particle size compositions and iron distribution rate of Newman lump ore

纽曼块矿在惰性气体中的TG-DSC 特征曲线如图3 所示。由图3 可知，在温度低于200 ℃时，主要是样品粉末中吸附水被脱除，质量损失率为0.66%；当温度为290～350 ℃时，进入快速质量损失阶段，在323 ℃附近，质量快速下降，且伴随明显的吸热过程，结晶水大部分在此阶段分解脱除，质量损失率为2.93%，之后随着温度的升高，曲线趋于平稳，残余质量为96.40%。采用全自动压汞仪对块矿孔结构进行分析，结果如图4所示。从图4 可见：纽曼块矿孔径集中分布于10～1 000 μm 范围，在698.5，144.7，61.9 和20.6 μm 处出现峰值，以大孔径发育为主，孔隙率为4.6%。

图3 纽曼块矿的 TG-DSC 特征曲线Fig.3 TG-DSC characteristic curve of Newman lump ore

图4 纽曼块矿的孔径分布Fig.4 Pore size distribution of Newman lump ore

1.2 实验方法

参考ISO 8371—2007 标准进行块矿的热爆裂测试。先将待测块矿在温度为(105±5) ℃的鼓风干燥箱中干燥12 h 后筛分去除表面黏附物，干燥保存备用；然后，将耐高温试样盒放入马弗炉，升温至700 ℃，保温20 min，取出试样盒装入质量为(500±1) g 的块矿样品盖好盖子，放入炉中加热30 min 后取出冷却至室温，称量其质量为m1，最后，将矿样过筛孔边长为6.3 mm 方孔筛，所得筛下矿样的质量为m2。由于块矿内部结构、组成上具有不均匀性，每组实验重复10 次，结果取平均值。块矿热爆裂指数ID-6.3计算方法如下：

2 实验结果与分析

2.1 温度对块矿热爆裂的影响

在加热时间为30 min，块矿粒度在25～40 mm的条件下，不同加热温度对块矿热爆裂的影响如图5 所示。由图5 可知，总体而言，加热温度越高，块矿热爆裂越剧烈，由此产生的碎块和粉末量越多；当加热温度为200～400 ℃时，块矿未有爆裂发生，热爆裂指数为0。这是由于温度较低，内部水分分解、扩散、汇聚速度缓慢，形成的蒸气压力还不足以破坏块矿。当温度升至425 ℃时，热爆裂指数由0 上升到了2.61%，块矿加热30 min后产生了碎块和粉末，因此，纽曼块矿的起始爆裂温度在425 ℃左右。同时，随着加热温度的升高，块矿热爆裂指数呈现逐步增大的趋势，当加热温度为700 ℃时，热爆裂指数为13.62%。当温度进一步升高到900 ℃时，热爆裂指数达到了14.89%。加热温度越高，结晶水分解越剧烈，在块矿内部形成更高的孔径蒸汽压力，局部应力更大，从而造成块矿的热爆裂结果更为严重。

图5 在不同加热温度下纽曼块矿的爆裂指数及形貌Fig.5 Decrepitation index and pictures of Newman lump ore under different heating temperatures

在700 ℃加热后纽曼块矿的物相组成和微观结构变化如图6 和图7 所示。由图6 可知：经700 ℃加热后，原有的褐铁矿完全分解(FeO(OH)→Fe2O3+H2O)，赤铁矿成为块矿中的主要物相。从图7可以看出：纽曼原矿中的褐铁矿填充、交代在赤铁矿间，两者结合紧密，还有零散分布大小不等的孔洞存在；块矿在加热后褐铁矿大部分消失，留下了粗大、相互连接的新孔，新孔主要分布于原褐铁矿所在位置。

图6 700 ℃加热后纽曼块矿XRD图谱Fig.6 XRD pattern of Newman lump ore after heating at 700 ℃

图7 受热对纽曼块矿结构的影响Fig.7 Effect of heating on structure of Newman lump ore

2.2 加热时间对块矿热爆裂的影响

在加热温度为700 ℃，块矿粒度为25～40 mm时，不同加热时间下块矿热爆裂指数如图8 所示。由图8可知，纽曼块矿的热爆裂主要发生在加热的前10 min；加热时间为5 min 时，热爆裂指数较低，仅为3.3%；当加热时间为10 min 时，指数上升到12.17%。此后，继续延长加热时间，热爆裂指数增长缓慢，至热爆裂结束时，热爆裂指数为13.81%，增加幅度不大。

图8 加热时间对纽曼块矿热爆裂的影响Fig.8 Effect of heating time on decrepitation index of Newman lump ore

不同加热时间下纽曼块矿的XRD图谱如图9所示。由图9可知，随着加热时间的延长，FeO(OH)的特征衍射峰强度逐渐减弱直至消失，而Fe2O3的特征衍射峰则有所增强，当加热时间5 min 时，FeO(OH)的特征衍射峰相比原矿明显减弱；当时间延长到10 min时，FeO(OH)的特征衍射峰大部均已消失，此时，块矿的XRD图谱与加热30 min时(爆裂完成时)的XRD图谱类似。不同加热时间下纽曼块矿的TG 变化曲线如图10 所示。由图10 可知：随着加热时间的延长，块矿中的剩余结晶水含量逐渐减少；加热5 min 时，结晶水质量分数从4.08%下降到2.44%；加热10 min 时，结晶水质量分数进一步下降至0.85%。热爆裂进行最为严重的阶段同时也是结晶水分解脱除最剧烈的阶段，两者发生的时间段一致；后续加热20 min，块矿含有的少量结晶水对爆裂的作用不大。

图9 不同加热时间下纽曼块矿的XRD图谱Fig.9 XRD patterns of Newman lump ore under different heating time

图10 不同加热时间下纽曼块矿的TG图谱Fig.10 TG curve of Newman lump ore under different heating time

2.3 含水率对块矿热爆裂的影响

在粒度为25～40 mm，结晶水质量分数为2.93%，加热温度为700 ℃，加热时间为30 min时，吸附水质量分数对块矿热爆裂的影响如图11所示。由图11 可知：热爆裂指数随着吸附水增加有所上升，纽曼块矿吸附水质量分数从0.88%升高到3.3%，热爆裂指数从10.35%上升至14.42%，增幅不明显。块矿表面附着的吸附水只能润湿块矿表面及部分小孔，在高温环境下容易蒸发脱除。可见，吸附水的汽化脱除对块矿热爆裂的作用不大，结晶水是引起块矿热爆裂的主要诱因。

图11 不同吸附水质量分数下纽曼块矿的热爆裂指数Fig.11 Decrepitation index of Newman lump ore under different mass fractions of adsorption water

2.4 块矿热爆裂界面特征

采用扫描电镜观察纽曼块矿爆裂后形成的爆裂界面结构，结果如图12所示。由图12可知，爆裂界面可以较明显地区分为致密和疏松多孔2种特征区域；爆裂界面区域I(图12(a)，(b)，(c)，(d))相对致密、孔隙分布少，整体表现为被强力撕裂的解理断口形貌，孔隙附近断口相对光滑，其他区域撕裂面较为粗糙，表面及孔洞中有少许碎屑黏附。对爆裂界面能谱进行分析发现：孔洞附近位置①和②主要为硅的氧化物，位置④处成分为铁、硅以及微量的铝，黏附物(位置③)主要成分为铁。爆裂界面区域Ⅱ(图12(e)和(f))则呈现为疏松多孔状，分布有密集的孔洞，该区域处未见有明显的撕裂状断口形貌，在空洞处可见大量纤维球状颗粒物(主要成分为硅氧化物，另有少量铝、铁)，以及颗粒间由撕裂形成的丝状纤维物。

图12 纽曼块矿爆裂界面的 SEM-EDS 分析Fig.12 SEM-EDS analysis of decrepitation interface of Newman lump ore

综上可见，当块矿受热时，内部结晶水分分解形成的水蒸气由于块矿自身结构致密和低渗透性而难以释放，产生的水蒸气大部分被封闭在块矿的孔径中，并沿着孔径迁移扩散、累积；随着温度升高，内部孔径蒸汽压力逐渐增大，造成块矿局部膨胀应力增大并集中作用于硅、铝含量高且孔隙结构发达的薄弱组织部位，当累积应力高于该部位的强度极限时即形成爆裂，块矿热爆裂过程如图13所示。

图13 块矿热爆裂过程示意图Fig.13 Schematic diagrams of lump ore decrepitation process

3 结论

1) 纽曼块矿铁品位达65.58%，主要由赤铁矿和褐铁矿组成，其孔隙率为4.6%，孔径主要分布于10～1 000 μm范围。在加热过程中，当温度低于210 ℃时，主要是吸附水(质量分数为0.66%)被脱除，当温度为210～400 ℃时，主要是结晶水(质量分数为2.93%)被汽化脱除。

2) 纽曼块矿热爆裂的起始温度为425 ℃，热爆裂指数为2.61%。温度越高，热爆裂指数越大，温度为700 ℃和900 ℃时，热爆裂指数分别达13.62%和14.89%。爆裂主要发生在受热过程的前10 min，与结晶水的分解脱除时间基本一致，延长加热时间，爆裂指数增加不明显。

3) 块矿中的结晶水分解是块矿热爆裂发生的主要诱因，吸附水对热爆裂的影响较小。结晶水分解形成的水蒸气在块矿内部孔径中扩散聚集，使得局部应力增大并集中作用于硅、铝含量较高且孔隙结构发达的薄弱部位，当累积应力高于该处强度极限时，发生爆裂破坏。