富矿粉烧结配矿优化研究

张琦 ^{1a， 1b}，刘然^{1a ， 1b} ，王小艾 ² ，孙艳芹 ^{1a ， 1b} ，刘小杰^{1a ， 1b}，吕庆^{1a ， 1b}

（1．华北理工大学a．冶金与能源学院； b．教育部现代冶金技术重点实验室，河北 唐山063009 ；2．河北钢铁集团，石家庄050000 ）

摘要：为了降低烧结成本，减少烧结过程能源的消耗，同时提高烧结矿质量，针对某钢铁公司富矿粉烧结进行优化配矿实验研究。选用南非富矿粉、巴西卡粉与南非精矿粉1 、 2进行了烧结配矿优化研究。结果表明：最优配矿方案为 6＃ ，其中巴西卡粉、南非富矿粉、南非精矿粉 1 配比为15∶70∶15 。其利用系数为2.66t ／（ m² · h ），转鼓指数为63．39％ ， RI 、 RDI_＋3.15 分别为70.06％和51.30％ ，熔滴性能总特性 S 值为1419kPa · ℃ 。

关键词：富矿粉烧结；烧结测试；优化方案

目前，中国钢铁行业面临着环保和能源压力越来越大、上游资源缺乏保障等问题，而且自2009年后，中国钢铁行业进入微利甚至局部亏损的时代，因此，节能降耗成了钢铁行业关注的话题^［1-4］ 。烧结作为高炉原料供应工序能耗较大，降低烧结工序能耗，能够降低钢铁生产的综合能耗、节约生产成本。外矿以其较高的性价比在国内钢铁企业被广泛使用，根据国外富矿粉性质，增大富矿粉使用量能进一步节约能源，降低烧结成本，提高企业竞争力。

由于不同外矿的性能差异较大，因此，在使用新外矿之前需要针对性地研究其配矿方案，以稳定烧结矿质量。笔者在某钢铁公司全外矿烧结原料条件下，对配加高比例富矿粉进行烧结优化实验研究。以烧结利用系数、烧结矿转鼓指数、低温还原粉化性能和还原性为主要考察指标，并考虑到熔滴性能总特性 S 值、烧结料中 TiO₂ 含量、碱负荷以及烧结料中南非精矿粉使用量对富矿粉烧结实验的影响，最终通过加权灰色关联度法确定出最佳烧结配矿方案，为富矿粉烧结生产提供参考指导。

1　 实验材料

采用某钢铁公司全外矿富矿粉为烧结原料，分别为南非富矿粉、巴西卡粉、南非精矿粉1和南非精矿粉2 ，其化学成分见表1 。

通过对2种富矿粉进行筛分称量得出的粒度组成如表2所示，同时对精矿粉利用库尔特 LS － 230型激光粒度分析仪（贝克曼库尔特商贸有限公司）进行了粒度分析，其粒度组成如表3所示。利用蔡司偏光显微镜（Axioskop40Pol  ，上海蔡康光学仪器有限公司）对4种烧结矿的矿相结构进行观测，其结果如表4所示。同时运用 TSJ －3型微型烧结机（北京科技大学研制）对4种矿粉的烧结基础特性进行检测，其结果如表5所示。

烧结一般要求铁矿粉的同化温度在1275～1315℃比较合适，由表4可知，4种矿粉中同化温度相对较好的为巴西卡粉，其同化温度为1270℃ ，在配矿过程中应将同化性能较好的矿粉与较差的矿种搭配使用，从而提高铁矿粉烧结过程中的液相量，改善烧结矿的质量；南非精矿粉1 、南非精矿粉2的液相流动性指数为0 ，液相流动能力很差，而南非富矿粉、巴西卡粉液相流动性指数较好分别为1.42和0.24 ，因此，南非精矿粉可与南非富矿粉、巴西卡粉配合使用，改善富矿粉烧结过程中的液相流动能力；巴西卡粉的黏结相强度最高为4257N ，在使用南非精矿粉时适当配加巴西卡粉是比较合理的选择；巴西卡粉金属相组成中赤铁矿含量最多，最高可达25％ ；另外烧结矿的优质黏结相为铁酸钙，铁酸钙越多烧结矿质量越好，南非富矿粉、巴西卡粉黏结相组成较理想，最高都可达45％ ；而且南非富矿粉、巴西卡粉粒度大于5mm 的占30％～45％ ，大粒度的矿偏多，烧结过程中液相量少，大粒度矿爆裂现象严重，会导致烧结矿强度下降，大量使用时会影响烧结矿产量和质量。

通常要求烧结混匀矿的同化性、液相流动性在适宜区间，而单种铁矿粉的同化性、液相流动性很难满足这一需求，故需要依据不同铁矿粉的同化性、液相流动性差异，通过互补配矿方式予以解决 ^［5-13］ 。因此，对南非富矿粉、巴西卡粉与南非精矿粉1和南非精矿粉2进行烧结配矿优化研究具有重要意义，为降低烧结能耗提供理论依据。

2　 实验方案及设备

2.1　 实验方案

为了提高烧结矿性能，针对配加高比例富矿粉进行烧结优化实验研究，以碱度1.9 ，燃料配比5.0％ ，混合料水分控制在6.2％左右，对４种铁矿粉进行烧结配矿。以生产现场给定的最高烧结矿碱金属、TiO₂ 含量为标准，经计算得到7种配矿方案即1＃～7＃ 。烧结配矿具体方案如表6所示。

2.2　 烧结杯实验及设备

烧结杯内径为210mm ，各次实验用料按实验设计方案配料，然后加入Ø600mm×1200mm 的小型圆筒混料机内进行混匀造球、补水，混匀造球的时间控制为7min 。烧结杯底层放置2.0kg 、 10～16mm的成品烧结矿作为铺底料，烧结料层厚度控制为600mm ，烧结负压控制为1200Pa 。采用石油液化气进行烧结点火，烧结点火温度控制为1150℃ ，烧结点火时间为2.0min ，烧结点火负压控制为8000Pa ，将烧结废气温度开始下降时定为烧结终点。烧结实验装置如图1所示。

烧结矿的转鼓强度根据（ YB ／ T5166 — 2005 ）烧结矿转鼓强度检测方法进行；低温还原粉化实验根据《铁矿石低温粉化实验静态还原后使用冷转鼓的方法》（ GB ／ T13242 — 1991 ）进行；还原性采用国家标准（GB ／T13241 — 1991 ）进行测定。

3　 实验结果与分析

3.1　 配矿方案与烧结利用系数的关系

配矿方案与利用系数的关系如图2所示，烧结成品率及垂直烧结速度见表7 。烧结利用系数与烧结成品率及垂直烧结速度有关，从图2中1＃ 、2＃ 、3＃ 的对比可以发现，随着南非精矿粉2配比的减少，烧结利用系数基本趋于降低，这主要是由于南非精矿粉２的粒度基本均小于0.15mm ，该粒级作为黏附细粒使得南非精矿粉2的成球性得到改善。随着南非精矿粉2配比降低，混合矿粉的成球性和烧结矿强度下降，成品率也随之下降，同时使料层透气性恶化和垂直烧结速度下降，从而导致烧结利用系数降低。从3＃ 、4＃ 、5＃ 的对比发现，随着南非富矿粉配比提高，烧结利用系数显著减小。这主要是由于南非富矿粉的粒度过大，烧结过程中易崩裂，使烧结矿成品率及垂直烧结速度降低，进而严重影响烧结利用系数。从 5＃ 、6＃ 、7＃ 的对比发现随着非精矿粉1的增加，烧结利用系数呈下降趋势。这主要是由于南非精矿粉１颗粒粒径多数处于0.15～1mm ，处于该粒径范围的颗粒既不能成为制粒小球的核心，也不能构成黏附层，最终成为混合料中不能成球的粉末，成球性能极差。 7种配矿方案对比发现，1＃ 配矿的利用系数最佳，其次为 6 ＃ ，两者差别不大。

3.2　 配矿方案与烧结矿转鼓指数的关系

图3为配矿方案与烧结矿转鼓指数的关系。由图3可知，烧结矿的转鼓指数相差较小，基本在62％左右。说明不同的配矿方案对转鼓指数影响不大。造成这一现象的原因主要有3方面：从粒度的角度考虑，南非富矿粉、南非精矿粉1的增加均会使烧结矿强度下降；其次，南非精矿粉中的 MgO 抑制了 β － 2CaO · SiO₂向 γ －2CaO · SiO₂ 转变，可以减轻或防止烧结矿粉化；另一方面，烧结矿的转鼓指数主要与铁矿粉烧结基础特性中黏结相强度和连晶强度有关。转鼓指数是随着铁矿粉黏结相强度和连晶强度的增大而升高，原因是烧结矿的固结主要是依靠黏结相对周围核状矿石的黏结完成，高强度的黏结相会增大黏结相对周围核状矿石的固结作用，进而提高烧结矿的转鼓指数。烧结过程由于物料偏析不能产生足够液相时，铁矿粉通过单元或多元系的固相扩散形成固溶体产生连接，即铁矿粉的连晶对烧结矿固结又起到了主要作用。综合三方面作用烧结矿的强度无明显变化 ^［14 ］ 。

3.3　 配矿方案与烧结矿冶金性能的关系

3.3.1　 配矿方案对低温还原粉化性能的影响

配矿方案下的烧结矿低温粉化性能如图4所示。对比方案1＃ 、2＃ 、3＃ 发现随着南非精矿粉２粉的减少，烧结矿的低温还原粉化性总体呈现出降低趋势；对比3＃ 、4＃ 、5＃ 发现随南非富矿粉配比增加，烧结矿的低温还原粉化性能得到改善；5＃ 、6＃ 、7＃ 的对比则发现随着南非精矿粉1的增加，烧结矿低温还原粉化性显著降低。整体来看2＃ 配矿方案的低温还原粉化性更好，6＃ 次之。南非精矿粉2的成球性要优于南非精矿粉1，这导致南非精矿粉2含量的降低影响了烧结矿的低温还原粉化性能。另一方面， MgO 含量也是影响烧结矿低温还原粉化性能的一个因素， MgO 具有稳定烧结矿低温还原粉化性的作用，南非精矿粉1的 MgO 含量要高于南非精矿粉2 ，这一因素导致了在降低南非精矿粉2配比的过程中，其低温还原粉化性指数提高。南非富矿粉和巴西卡粉矿物组成相差不大，而南非富矿粉大粒径颗粒所占比例比巴西卡粉的小，烧结过程中要生成相对更多的液相，且大颗粒爆裂现象更少，因此，南非矿的增加使得烧结矿低温还原粉化性得到改善。南非精矿粉1的成球性能极差，其配比的增加恶化了料层的透气性，抑制了液相的生成与发展，优质黏结相铁酸钙生成减少，烧结矿强度降低。

3.3.2　 配矿方案对还原性能的影响

配矿方案与烧结矿还原性能的关系如图5所示。由图5可知，所有配矿方案的烧结矿还原性能较差。不同配矿条件下，烧结矿还原性在64.80％～70.06％ 之间变化，配矿方案 6＃ 的还原性能最高。从方案 1 ＃ 、2＃ 、3＃ 的对比可以发现随着南非精矿粉2配比的减少，烧结矿还原性能降低；3＃ 、4＃ 、5＃ 的对比说明随着南非富矿粉配比的增加烧结矿还原性能降低，5＃ 、6＃ 、7＃ 则说明随着南非精矿粉 1 配比的增加而降低。影响烧结矿还原性的因素主要有矿粉的液相流动指数、气孔率、矿物组成及结构等。烧结矿物组成中赤铁矿和铁酸钙有利于增强烧结矿的还原性，从表4中可以发现南非精矿粉1 、南非富矿粉、南非精矿粉2的赤铁矿含量均相对较少，南非精矿粉 2 中的赤铁矿含量要多于南非精矿粉 1 ，黏结相中的铁酸钙含量表现出了同样的规律，另外铁矿粉液相流动能力越强，烧结过程中生成的低熔点物质增多，烧结矿易形成薄壁多孔结构，气孔率升高，还原性气体与反应界面的接触面积增大^［15］ ，因此，在适当减少南非精矿粉2 、巴西卡粉配比的同时增加南非富矿粉和南非精矿粉1 时，烧结矿的还原性降低。

3.3.3　 配矿方案对软熔滴落性能的影响

熔滴性能总特性 S 值是 Ts 与Td 间曲线的积分面积，是一个综合性指标，与Ts、 Td和 Δ Pmax 有关，一般认为总特性值越小越好。由表8可知，总特性值（S ／ kPa · ℃ ）由低到高的顺序为3＃ 、7＃ 、2＃ 、1＃ 、4＃ 、6＃ 、5＃ 配矿方案。 5＃ 配矿方案 S值最高，为1497kPa · ℃ ， 3＃ 配矿方案最低，为930kPa · ℃ 。因此，参考 S值， 3＃配矿方案的软熔滴落性最好。

3.4　 不同配矿方案的综合分析

由于不同配矿方案的各项指标差异明显，因此，需要综合考虑各项指标，根据选取烧结利用系数、转鼓强度、 RI 、RDI _＋3.15 、熔滴性能总特性 S 值、烧结料中 TiO₂ 含量、碱负荷、烧结料中南非精矿粉1使用量作为选择配矿方案依据如表 9 所示。

利用加权灰色关联度分析法 ^［16-17］ 对所采用的参数进行处理，该分析法是一种多因素统计分析法，根据各影响因素的样本数据以及影响因素所占权重，计算出各影响因素的关联度。该方法思路清晰，对数据要求较低，在许多领域得到了广泛的应用 ^［18-19］ 。根据某钢铁公司要求的实际生产情况，对烧结参数和烧结矿性能评价指标赋予权重，所选权重如表10所示。利用该分析法得出７种方案的关联度，并利用得出的关联度评价各个方案的优劣，最终确定最优方案。计算各个方案的关联度结果，如表11所示。

 表9可知，6＃ 方案的关联度最高，配矿方案最好；1＃ 方案次之；2＃ 、3＃ 方案相差很小；4＃ 方案较好；5＃ 方案较差；最差配矿方案为7＃ 。

4 结 　 论

1 ）通过对 4 种矿粉的基础分析，同化温度相对较好的为巴西卡粉，其同化温度为 1270 ℃ ；南非富矿粉、巴西卡粉液相流动性指数较好，分别为1.42和0.24 ；巴西卡粉的黏结相强度最高为4257N ；巴西卡粉金属相组成中赤铁矿含量最多，最高可达25％ ；南非富矿粉、巴西卡粉黏结相组成较理想，优质黏结相铁酸钙含量最高都可达45％ ，因此，应将4种矿粉配合使用。

2）通过对不同烧结配矿方案的烧黏性能比较， 1＃ 方案的利用系数最高，为2.72t ／（ m² · h ），6＃ 次之，为2.66t ／（ m² · h ）。 6＃ 方案的还原性最优，为70.06％ ， 7＃ 方案的最差，为64.8％ 。 2＃ 方案的低温还原粉化性能最好，6＃ 次之。5 ＃ 配矿方案的转鼓指数最佳，为62.67％ ， 2＃ 方案的最差，为61.91％ ，各方案的差别很小。3＃ 配矿方案的软熔滴落性最好，熔滴性能总特性 S值为930kPa · ℃ ， 5＃ 最差为1497kPa · ℃ 。

3 ）在富矿粉烧结实验中，通过对７种优化配矿方案的综合分析得出：最优配矿方案为6＃ ，其中巴西卡粉、南非富矿粉、南非精矿粉1配比为15∶70∶15 。富矿粉烧结实验方案 6＃ 在保证烧结性能的基础上，能够降低烧结能耗和烧结过程成本。

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