李神子1，2 ，潘向阳１，２ ，龙 跃１，２∗
(1. 华北理工大学 冶金与能源学院，河北 唐山 063210；2. 华北理工大学 现代冶金技术教育部重点实验室，河北 唐山 063210)
摘要：在烧结工艺过程中，MgO 对烧结矿的冶金性能具有重要影响。随着烧结原料条件的变化及炼铁新技术的发展，烧结矿中适宜的 MgO 含量也随之改变。介绍了烧结矿的来源及作用机理，系统地分析了原料条件和炼铁新工艺对我国烧结矿中 MgO含量的影响。相较传统的高碱度烧结矿+ 酸性球团矿的炉料结构低 MgO烧结矿+ 镁质球团矿结构下的高炉焦比、燃料比及渣比都有所降低，是未来炼铁的发展方向。
关键词：烧结矿；MgO；高炉炉料结构；冶金性能；镁质球团矿
0 引言
近年来，随着钢铁企业的发展，烧结工艺水平有 了很大地提高，主要体现在烧结矿质量、产量以及烧结过程和设备等几个方面。同时，烧结矿中MgO的 适宜含量也发生了变化。 MgO 含量变化对烧结矿的冶金性能影响显著，导致其在高温冶炼过程中的行为和作用也明显不同。由于钢铁企业之间的烧结原料存在巨大差异，因此在烧结矿适宜的 MgO 含量方面存在很大分歧[1－3]，也使得改善烧结矿冶金性能的难度加大[4，5]。随着炼铁新工艺发展和设备条件的变化，低 MgO烧结矿配加镁质球团矿已成为未来炼铁发展的新趋势。
这种低MgO烧结矿配加镁质球团矿的炉料结构不仅可以满足高炉的冶炼要求，而且可以提高烧结矿和球团矿的冶金性能。简而言之，必须要不断优化烧结矿中的MgO含量，使其能最大程度地提高烧结矿的质量。
1 MgO 的来源及作用机理
1.1 MgO 的来源
国内外高炉炉料结构如图1 所示。由于技术水 平和矿石来源的不同，世界各地钢铁企业的高炉炉料结构也有较大差异。 在欧美，因其矿源多为细精矿，更适合球团矿的生产，因此高炉炉料主要以球团矿为主。 例如，美国的 AkSteel 公司采用的就是球团矿比例在90％ 以上的炉料结构，因此美国高炉炉料中的 MgO 主要来自球团矿。中国高炉使用的绝 大多数矿石为进口粉矿，而粉矿适宜烧结，这就决定了烧结矿是我国高炉炉料结构的主体。
我国用于烧结生产的原料主要为铁矿粉、熔剂 和燃料，某沿海地区炼铁厂烧结原料中 MgO 来源及含量百分比如表 1 所示。可知，烧结原料中的MgO大部分来自于白云石，其MgO含量为 20. 68％ ， 加入白云石的主要目的是：得到一定碱度的烧结矿，使高炉冶炼可以不加或少加熔剂，以利于提高高炉冶炼强度、降低焦比。
1.2 MgO 的作用机理
高炉冶炼过程受炉渣中MgO含量的影响较为显著，主要表现在：可提高炉渣的脱硫能力和流动性，抑制炉内碱金属的循环积累，有利于改善炉渣排碱率等[6]。由于烧结矿中的 MgO含量过高会影响其冶金性能，进而影响高炉生产。因此，当原料条件一定时，如何优化烧结矿中的MgO含量就显得至关重要。
长久以来，MgO作为高炉炼铁工艺的重要组成部分受到了广泛关注，烧结矿作为高炉冶炼的主要原料，其低温还原粉化指数(RDI)是影响烧结矿品质的重要因素，不仅会影响高炉上部的透气性、高炉顺行，同时对能耗的影响也十分显著[7]。有研究表明[8]，烧结原料中加入适宜的MgO在一定程度上具有抑制烧结矿低温还原粉化的作用。通常，MgO对烧结矿有积极地作用，其可固溶于2CaO•SiO2 以稳定相变，提高烧结矿强度。当MgO适量时，液相流动性增强，玻璃相减少，可增加液相界面张力。但含量高于 4％~ 5％ 时烧结矿则不易熔化且伴有生料，强度降低[9，10]。熔滴性是烧结矿在高炉内的重要指标，适宜的 MgO含量可改善烧结矿的软熔性能，提高高炉透气性，保证高炉顺行，提高高炉生产率。而还原性对熔滴性也有一定影响，一般来说，原料的熔滴性好，还原性也会好。因此，加入MgO 可以达到降低焦比和节约原料的目的，获得更好的经济效益。
2 原料条件及工艺技术变化对烧结矿中MgO含 量的影响
烧结矿的化学成分对其质量的影响显著，当烧结工艺参数一定时，适宜的化学成分在提高烧结矿冶金性能的同时还能保证高炉的顺行，提高企业经济效益[11]。
2.1 原料条件变化对烧结矿中MgO含量的影响
2.2.1 Al2O3 对烧结矿中MgO含量的影响
2009 ~ 2017 年我国进口铁矿石的数量如图2 所示。可知，近年来我国进口铁矿石数量显著提升，由 2009 年的6.3 亿t增加至 2017年的 10.75 亿t， 涨幅70.63％，这都源于我国钢铁企业的快速发展。
表2 所示为部分进口铁矿石与国产铁矿石中的 Al2O3 含量。可知，进口铁矿石的 Al2O3 含量比国产铁矿石高，这会造成炉渣中的Al2O3 含量相应增加，从而使得炉渣粘度增加、流动性变差，不利于高炉冶炼[12－14] 。另外，Al2O3 含量的增加会提高烧结矿的低温还原粉化率， 此时，在原料中加入适量 MgO 以形成镁橄榄石等多种高熔点物质，不但有利于提高烧结矿的低温还原粉化性能和软化熔融特性，而且因 MgO 具有一定降低高炉渣粘度的作用，可缓解因炉料中Al2O3含量增加、高炉渣粘度增大所带来的不利影响[15－18]。由此可知，随着入炉原料中Al2O3 含量的增加，须相应提高并优化MgO 含量，以最大限度地提高烧结矿的冶金性能，改善高炉冶炼条件。
2.1.2 SiO2 对烧结矿中 MgO含量的影响
表3 所示为2015 ~ 2018年沿海地区某炼铁厂烧结矿中 SiO2 含量变化。
由表 3 可知，2015 年至2018 年期间烧结矿中SiO2含量呈逐年降低的趋势，这源于低硅烧结技术的发展。 迄今为止，我国大部分烧结矿都是高铁低硅烧结矿，一般品质较高的烧结矿中SiO2含量范围为 4.8％ ~5.1％ [19，20] ，其优势是：有利于烧结过程中液相量的增加以及烧结矿的固结成型，改善烧结矿的还原性和高温冶金性能[21，22]。
闫志武等[23]就 SiO2对烧结矿影响的方面进行了研究，得出：当 SiO2含量在4.6％ ~ 5.9％ 范围时，对烧结矿的低温还原粉化有抑制作用。其还原粉化指数随着 SiO2含量的增加逐渐增大。张金柱等[24]的研究表明：当 SiO2含量为4.84％ ~ 5.0％ 时，烧结矿中的铁酸钙及硅酸二钙减少，烧结矿强度降低，在烧结工艺参数及碱度一定时，适当降低烧结原料的 MgO含量可促进铁酸钙生成，提高烧结矿强度，同时降低固体燃耗和返矿率，从而获得更好的经济效益。 因此，当烧结矿中 SiO2 含量较低时，铁酸钙和液相量也相应较少，此时需适当降低MgO含量来缓解这一现象。
2.2 工艺技术对烧结矿中 MgO含量的影响
目前，我国高炉炉料结构主要由高碱度烧结矿配加酸性球团矿以及部分天然块矿组成，其中烧结矿的MgO 含量约控制在 1.3％ ~ 2.3％ [25－27]。高 MgO 烧结矿对高炉冶炼不利，而镁质球团矿则对其有改善作用[28]，低 MgO 烧结矿配加镁质球团矿是未来炼铁的新发展方向，此炉料结构不仅能满足高炉的冶炼要求，同时也可改善烧结矿和球团矿的性能。2015 年，某沿海地区钢铁企业采用了低 MgO 烧结矿配加镁质球团矿的炉料结构进行高炉冶炼，与常规炉料结构相比，烧结矿冶金性能如表4所示，高炉冶炼指标如图3所示。
由图3 可知，低MgO烧结矿配加镁质球团矿的炉料结构，其高炉焦比、燃料比和渣比均有所降低。主要原因是，烧结矿中高MgO含量会使Mg2+ 占据 Fe2＋ 空位形成高熔点难还原的镁铁橄榄石，抑制磁铁矿氧化生成赤铁矿，进而不利于铁酸钙矿物的形成，导致烧结固体燃耗增加且烧结矿强度和还原性能恶化[29，30]。因此，烧结过程中应尽量降低MgO含量。 由表4还可看出，低MgO烧结矿的冶金性能比高碱度烧结矿好些，但因其MgO含量较低，会导致炉渣中MgO量也低，因此需要加入镁质球团矿调节炉渣中的MgO含量。这种调节方式可在降低烧结燃耗且改善烧结矿冶金性能的同时满足高炉的冶炼要求，是未来炼铁发展的方向。
3 烧结矿中MgO含量的现状分析
由烧结实验可知适量MgO对烧结矿有积极的作用，即能改善烧结矿的低温还原粉化性能，提高烧结矿的软熔性能等。随着烧结技术的进步与高炉精料技术的发展，烧结矿的软熔性能有所提高、一定程度上改善了其低温还原粉化现象，若再继续向烧结矿中添加过多的MgO反而会使烧结矿的冶金性能变差。不利于高炉冶炼，2015 ~ 2017 年国内大型钢铁企业烧结矿中平均MgO含量变化如表5所示。
由表5可知，2015 年和2016 年各钢铁企业烧结矿中MgO 含量波动较小，其中2015年平均MgO含量基本控制在1.43％ ~ 1.80％ 。2016 年控制在 1.35％ ~ 1.78％，相较其它企业。首钢京唐烧结矿中平均MgO含量最低，约为 1.35％，这与其采用低MgO烧结矿及镁质球团矿的炉料结构有关[31]。
受烧结原料条件、设备条件及工艺水平的制约，过去几年烧结矿中MgO含量呈现逐年降低的趋势，为此需不断地优化MgO含量，使其在不同的设备水平、原料条件下，能最大限度地提高烧结矿的质量。对于烧结原料条件而言，MgO在烧结矿中主要起改善高炉炉渣流动性、稳定性的作用，但在烧结过程中磁铁矿晶格中的 Fe2＋ 空位易被 Mg2＋ 占据，形成难还原的镁铁橄榄石，不利于烧结生产，故应适量降低MgO 的含量。当烧结液相量较少时，MgO含量的增加对烧结矿的固结强度不利，而当固结强度仅受限于硅酸盐相变时，MgO 含量的增加则有利于烧结矿的固结强度，就目前烧结原料高品位、低 SiO2 的趋势，应当适当降低MgO的含量。目前，烧结矿中适宜的MgO含量应控制在1.3％ ~2.3％ ，随着原料条件的变化及低MgO烧结矿配加镁质球团的发展，烧结矿中MgO含量将会被持续优化，未来几年内，烧结矿中MgO含量将会有所降低。
4 结论
(1) 随着我国进口铁矿粉使用量的增加，高炉渣中Al2O3含量也随之增加，造成了炉渣冶金性能下降，为适应这种变化，采取适当提高高炉渣中MgO 含量的方法，即在烧结矿中添加适量的MgO。使生产效率及成品率等诸多方面都有显著提高，尤其在高温软熔性上表现的最为明显。 此外，添加适量的MgO可以提高炉渣脱硫能力及渣铁分离能力，有利于高炉冶炼顺行。
(2) SiO2 是液相形成的基础，对烧结矿的固结有重要影响，适量的 SiO2可降低高炉渣量和能耗。有利于烧结矿的还原性和高温冶金性能，但 SiO2 含量不宜过低，否则导致烧结过程的液相量减少，烧结矿强度变差，可以适当减少烧结矿中MgO 含量来改善这一现象。
(3) 随着低 MgO 烧结矿配加镁质球团矿的发展，烧结矿中MgO含量将略有下降，这种炉料结构既能满足高炉的冶炼要求，同时又可改善烧结矿和球团矿的性能指标。因此，在未来的生产过程中，应 尽量减少烧结矿中的MgO 含量。
(4) 根据烧结原料条件的变化和炼铁新工艺的发展而不断优化烧结矿中的 MgO含量，可为整个高炉炼铁过程中 MgO的合理配置提供理论基础和技术依据。
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