邓 睿¹，苏 鸿²，韩基祥¹，左海滨²，任 伟¹，王静松²

( 1. 中钢设备有限公司 矿物加工工程部，北京 100080; 2. 北京科技大学 钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京 100083)

摘 要: 为了优化高炉炉料结构，增加镁质熔剂性球团矿入炉配比( 球比) ，对不同碱度( R) 镁质熔剂性球团冶金性能和高炉炉料结构熔滴性能进行研究。结果表明: 白云石的粘结作用，使得镁质熔剂性球团生球性能明显改善; 随着 R 增大，焙烧球中 Mg^{2 +} 进入磁铁矿晶格中并占据了铁离子扩散产生的空位，并生成铁酸镁和钙镁橄榄石，降低了 Fe₂O₃ 再结晶固结能力，使球团的强度降低，球团还原过程中Mg^{2 +} 能均匀分布在浮氏体内，使得还原膨胀率逐渐降低; 还原度指数在 R = 0. 56 时降低明显，但随着 R 增大还原度指数明显升高，有利于还原; 单一镁质熔剂性球团的软化熔滴性都有不同程度的改善，R = 1. 2 时球团性能最好; 高球比综合炉料软化熔滴性均有明显改善，炉料结构为 25% 烧结矿 + 75% 球团矿时效果最好。综合考虑，球团 R 不宜过高或过低，应控制在 1. 0 左右。

关键词: 炉料结构; 镁质熔剂性球团; 软化熔滴性

我国高炉的炉料结构以高碱度烧结矿搭配酸性球团矿为主，其中烧结矿占 70% 以上，球团矿占 30% 以下^{［1 － 2］}。烧结工序存在烟气排放量大、吨矿 SO₂ 和 NO_x 排放量高的特点，是铁前污染物排放的主要来源^{［3 － 4］}。而与烧结矿相比，球团矿有品位高、强度好以及生产过程能耗低和有害气体排放少等诸多优点。随着钢铁企业节能减排意识和球团矿产量的不断提高，增加入炉原料中球团矿占比，改善现有的炉料结构，已经成为必然趋势。

但随着球团矿在高炉炉料中占比的不断增大，这对烧结矿的碱度( R) 和 MgO 质量分数以及球团矿的质量和冶金性能提出了更高的要求。

把烧结矿中的部分 MgO 转移到球团中^{［5 － 10］}，MgO 通过球团矿加入高炉，不仅可以提高烧结矿的质量，而且能改善球团矿的冶金性能，从而提高综合炉料的性能^{［11 － 12］}。在高球比的炉料结构下，对不同 R 镁质熔剂性球团的生球性能、焙烧球性能及还原性、膨胀性和对应不同炉料结构的软化熔滴性等冶金性能进行研究，可为优化炼铁炉料结构，降低炼铁工序能耗提供理论支撑。

1 试验原料及方法

1. 1 试验原料

试验所用含铁原料为秘鲁磁铁矿，其化学成分如表 1 所示，钠基膨润土的化学成分及性能、白云石的化学成分如表 2、3 所示。由表 3 可知，白云石的化学成分主要为 CaO 和 SiO₂，杂质较少。试验所用的烧结矿化学成分如表 4 所示。

1. 2 试验方法

试验过程包括球团配料、造球、焙烧以及球团还原性、膨胀性和软化熔滴性能的检测和分析。以 4 种炉料结构为依据，设定综合炉料R = 1. 5，计算相应球团矿 R，如表 5 所示。

1. 2. 1 造球试验

在直径为 600 mm 的圆盘造球机上进行秘鲁磁铁精粉造球( 造球盘转速为 43 r /min、倾角为45°) ，将混合料在造球盘内滚动( 8 ± 1) min，设定生球的水分为( 9 ± 0. 25) % ，生球粒度为 10～ 12. 5 mm。生球的抗压强度和落下强度的检测方法如下。

( 1) 生球的抗压强度检测方法。随机取 10个球，在0 ～ 5 kg 的弹簧秤上进行测定，分别将每个球置于弹簧秤的顶端，用直径为 20 mm 的有机玻璃压头匀速加压，直到生球破裂，记录此时弹簧秤上的数值。取 10 个球测定的平均值作为生球抗压强度指标( N·cm ^{－ 2} ) 。

( 2) 生球的落下强度检测方法。随机取 10 个生球，分别将每个生球自 50 cm 高度自由落下到厚度为 10 mm 的钢板上，记录每个生球产生裂纹时的落下次数。取 10 个球测定的平均值作为生球的落下强度指标( 次/( 0. 5 m) ) 。

1. 2. 2 生球焙烧试验

在竖式三段控温电炉内进行生球焙烧试验。电炉的加热元件为Ø90 /80 mm × 500 mm × 60 / 40 mm 的双螺纹硅碳管，其加热温度可在室温至 1 400 ℃ 自动调节，并可设置加热速度和恒温时间。焙烧时生球置于Ø30 mm × 50 mm 的高铝坩埚内，高铝坩埚的底面和周边带有Ø5 mm均匀分布的孔，以便四周和底部均可通过高温空气。每次焙烧在高铝坩埚内装入 20 g 左右生球，焙烧时从电炉底部通入经预热的压缩空气，控制焙烧炉的三段温度分别为 500、950 和1 250 ℃。每种球团矿选取 10 个进行 15 min 干燥、15 min 预热和 15 min 焙烧，焙烧后的成品球抗压强度和冶金性能检测方法如下。

( 1) 成品球的抗压强度检测方法。在自动数字液压机上进行，液压柱的上升速度 ≤ 10mm/min，数字液压机检测抗压强度范围为 0 ～ 500 × 9. 8 N。测定时随机取12 个成品球，依次测定并记录数值，并舍掉最大值和最小值，取 10 个球的平均值作为成品球的抗压强度指标( N /P) 。

( 2) 成品球的冶金性能检测方法。按照《铁矿石还原性的测定方法》( GB/T 13241—1991) 进行还原性测定。按照《铁矿球团相对自由膨胀指数的测定方法》( GB/T 13240—1991) 进行还原膨胀率测定。在软化熔滴性能试验中，通过软化开始温度 T10 ( ℃) 、软化终了温度 T40 ( ℃) 、熔化开始温度 Ts( ℃ ) 、开始滴落温度 Td ( ℃ ) 表征球团软熔性能，根据透气性指数 S( kPa·℃ ) 、最大压差值 ΔPmax ( Pa) 判断球团软化熔滴过程的透气性、透液性。

2 不同 R 镁质球团的物性变化

不同 R 镁质熔剂性球团生球的落下强度和抗压强度如表6 所示。由表6 可知: 随着 R 的增大，球团落下强度逐渐增大，由基准球的 4. 9 次/( 0. 5 m) 增大至 R = 1. 5 的8. 3 次/( 0. 5 m) ，增加明显; 对于抗压强度，R = 0. 56 时球团抗压强度略有降低，但仍可满足基本条件，随着 R 的增大，抗压强度逐渐增大，当 R 达到 1. 5 时，抗压强度可达15 N / cm²。说明加入白云石后，生球性能明显改善，白云石起到了粘结剂的作用，有利于球团造球。

不同 R 镁质熔剂性球团焙烧球的抗压强度如图1 所示。由图1 可知: 基准球( R = 0. 18) 的抗压强度达到 2 207 N /P; 添加少量白云石后，抗压强度略有升高，但加入较多白云石后，抗压强度明显降低，均在 2 000 N /P 左右。

为探明原因，对焙烧球团进行 XRD 检测，结果如图 2 所示。由图 2 可知: 在同样的焙烧条件下，随着 MgO 质量分数的增大，由于 Mg^{2 +} 与Fe^{2 +} 的半径相近，在氧化过程中 Mg^{2 +} 进入磁铁矿晶格中，并占据了 Fe^{2 +} 扩散产生的空位，稳定了磁铁矿晶格，阻碍了 Fe₃O₄ 的氧化，致使球团内部 Fe₂O₃ 微晶连接减弱; 此外，MgO 与 Fe₂O₃相互接触生成了 MgO·Fe₂O₃，MgO·Fe₂O₃ 和未矿化 MgO 分散在赤铁矿颗粒周围，阻碍了赤铁矿与赤铁矿之间的接触，不利于赤铁矿结晶长大，使赤铁矿晶粒变得细小; 随着 MgO 质量分数的提高，渣相中铁酸镁和钙镁橄榄石质量分数也相应提高，这些高熔点物质的存在降低了焙烧过程中的液相量，影响了 Fe₂O₃ 再结晶固结能力，进而降低了焙烧球团的抗压强度。

不同 R 镁质熔剂性球团焙烧球的还原膨胀率变化如图 3 所示。由图 3 可知: 基准球( 未加任何碱性熔剂) 的球团膨胀率最高，达到 15. 56% ; 随着加入的白云石质量分数的增大，球团的还原膨胀率明显降低，当 R 为 1. 5 时，还原膨胀率仅为 10. 02%。这是由于镁质熔剂性球团在焙烧过程中会形成稳定的铁酸镁，在还原时生成了 FeO和 MgO 的固溶体，Mg^{2 +} 能均匀分布在浮氏体内，使得球团矿中的 Fe₂O₃ 还原成 Fe₃O₄ 时，晶格变化小，膨胀应力减弱，体积膨胀降低^［13］。

不同 R 镁质熔剂性球团焙烧球的还原性变化如图 4 所示。由图 4 可知: 基准球的还原度指数可达到 60. 2%，可满足生产要求; 当加入少量白云石，R 为0. 56 时，还原性降低，还原度指数仅为 55%，不能达到高炉还原的最低要求; 但随着加入白云石质量分数的增大，还原性逐渐升高，在 R 为 1. 5 时，还原度指数达到了 80%。这是由于加入少量白云石，球团中有少量铁酸镁，该物质不易还原，导致球团还原性降低; 但当加入较多白云石后，CaO 和 Fe₂O₃ 可生成较易还原的针状铁酸钙，有利于球团的还原^［14］。此外，随着 MgO 的增加，球团矿孔隙逐步增加，为还原过程中还原气体与铁氧化物的进一步接触提供了通道，从而提高了球团的还原性。

综合不同 R 镁质熔剂性生球性能和焙烧球强度、还原膨胀性及还原性可知，球团碱度不宜过高或过低，应控制在 1. 0 左右。

3 高球比镁质球团炉料结构

为探明高球比( 球团矿配比) 下炉料性质的变化，进行单一球团的软化熔滴性检测，得到不同 R 镁质熔剂性球团的软化熔滴参数、软化熔滴区间及透气性指数，分别如表 7 和图 5、6所示。可知: 随着 R 的增大，球团的软化开始温度 T₁₀逐渐增大，软化区间( T₄₀ － T₁₀ ) 逐渐向下移动，软化性得到改善; 熔融开始温度 Ts 随着 R 的增大而升高，从 R = 0. 18 的 1 288 ℃ 提高到 R = 1. 5 的 1 312 ℃，提高了 24 ℃ ; 但滴落温度 T_d 有降低的趋势，熔融区间( T_d － T_s) 变窄，最大压差 ΔPmax明显降低，透气性指数急剧下降。因此，在 R = 1. 2 时，球团的综合指标较好。这是由于: 在球团矿中添加 MgO 可形成高熔点物相———镁橄榄石( 2MgO·SiO₂ ) 和偏硅酸 镁( MgO·SiO₂ ) ，镁橄榄石和偏硅酸镁的熔化温度分别为 1 892 ℃和 1 557 ℃，对提高球团矿的软化性能具有显著效果。

在单一球团的基础上，为明晰高球比下炉料性质的变化，按表 5 所示炉料结构进行 A、B、C、D 的 4 种综合炉料的软化熔滴性检测，高球比综合炉料的软化熔滴参数及区间如表 8和图 7 所示。可知: 随着球比的增大，软化开始温度 T₁₀和软化终了温度 T₄₀ 均降低，软化区间( T₄₀ － T₁₀ ) 有增宽的趋势; 熔融开始温度 T_s 和滴落温度 T_s 均大幅提高，尤其是在球比达到 75%的炉料结构中，T_s 提高了 61 ℃，熔融区间( Td － Ts) 降低了 56 ℃，最大压差 ΔPmax降低了 4478. 6 Pa，透气性指数 S 降低了 591. 15 kPa·℃，透气性指数变化如图8 所示 ; 但1 0 0 % 球团( 即 R = 1. 5 的球团) 的软化熔滴性又有所恶化。这说明球比的增大改善了炉料的软化熔滴性，但不宜全球团冶炼。

4 结 论

( 1) 由于白云石的粘结作用，使得镁质熔 剂性球团生球性能明显改善; 但随着 R 的增大，焙烧球中 Mg^{2 +} 进入磁铁矿晶格中并占据了 Fe^{2 +} 扩散产生的空位，并生成铁酸镁和钙镁橄榄石，降低了 Fe₂O₃ 再结晶固结能力，使球团的抗压强度降低。

( 2) 随着 R 的增加，球团还原过程中 Mg^{2 +} 能均匀分布在浮氏体内，使得还原膨胀率逐渐降低; 还原度指数在 R = 0. 56 时明显降低，但随着 R 的增大，还原度指数明显升高，这有利于还原。

( 3) 单一镁质熔剂性球团的软化熔滴性有不同程度的提高，在 R = 1. 2 时球团性能最好; 高球比综合炉料的软化熔滴性均有明显改善，炉料结构为 25% 烧结矿 + 75% 球团矿时效果最好。综合考量，球团 R 不宜过高和过低，应控制在 1. 0 左右。

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