劉祥1 ，杜群力 1 ，李響 2 ，唐繼忠 3 ，劉帥 2
（ 1. 鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009 ； 2. 鞍鋼股份有限公司煉鐵總廠，
遼寧 鞍山 114021 ； 3. 鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司，遼寧 營口 115007 ）
摘要： 綜合國內球團礦的試驗研究和生產實踐， 簡要介紹了鎂質球團礦的研究背景及
MgO改善球團礦高溫性能的基理，重點闡述了鎂質添加劑及生產工藝的選擇，論述了不同
MgO/SiO 2 比值對球團礦高溫性能的影響，并列舉、分析了鎂質球團礦在高爐實踐中的應用
情況。
關鍵詞： 鎂質球團礦；冶金性能；鎂質添加劑
高爐合理的爐料結構通常為高堿度燒結礦配加酸性球團礦。為維持高爐生產順行，一般要求高爐爐渣中 MgO 含量控制在 8%~11% 。 實際生產中，主要通過向燒結礦中添加含鎂熔劑的方式，保證爐渣中 MgO 含量滿足要求。 目前，在高鐵低硅鐵原料的條件下， MgO 含量超過一定值將造成燒結礦強度下降、燃料消耗增多，因此為了保證燒結礦質量， 一般將燒結礦中 MgO 含量控制在 2.0%以下［ 1-3 ］。
酸性球團礦因初始軟熔溫度低、 膨脹率高等特點，與高堿度燒結礦搭配作為高爐爐料，但使用比例不宜過大，否則將影響高爐爐料透氣性。 鎂質球團礦具有膨脹率低、高溫還原率高、軟熔性能好等優點，是煉鐵工藝方面的研究重點之一[4-8 ] 。
依據鎂質球團礦的優勢， 將部分原本添加在燒結中的含鎂熔劑轉移到酸性球團礦中， 不僅可改善酸性球團的高溫性能 , 還可緩解燒結生產所面臨的環境污染壓力， 使燒結礦和球團礦質量均得到改善。 同時，高爐爐料結構可以由“高堿度高鎂燒結礦 + 酸性球團礦”改為綜合性能更好的“高堿度低鎂燒結礦 + 鎂基球團礦”，達到節能降耗、提高高爐經濟技術指標的效果。 因此，開發研究鎂質球團礦技術，選擇適宜的鎂質添加劑和生產工藝，解決鎂質球團礦大面積推廣應用的“技術瓶頸”問題，意義重大。
1 MgO 改善球團礦高溫性能基理
球團礦的高溫性能主要取決于[5,9] 球團礦還原過程中核心部位存在著的富氏體及其熔融性能。富氏體能夠與渣相成分發生反應生成低熔點的液相， 改善球團礦高溫性能的根本途徑即提高渣相和富氏體的熔融溫度區間， MgO 的加入可以起到這個作用。 MgO-FeO 系狀態圖如圖 1[5,8-9]所示。
從圖1中可以看出，隨著固溶MgO含量的增多，系統熔點升高。 酸性球團礦中加入MgO可能形成的幾種礦物的熔點分別為鐵酸鎂（MgO·FeO）1720℃、斜頑輝石（MgO·SiO 2）1 525℃、錢橄欖石（2MgO·SiO 2）1890℃，均比鐵橄欖石（2FeO·SiO2）1205℃ 、富氏體（Fe x O）1369℃ 高。
Mg2+ 與 Fe2+ 離子半徑分別為0.78Ao和0.84Ao，二者可以互相取代而形成取代型固溶體 ［ 5 ］。在 MgO和 FeO 等分子形成的固溶體中，Mg和Fe可以任意地進入到氧最緊密堆積形式的骨架中。就整個結構來說，Mg與Fe的數目雖相等，但不是生成相當于MgFeO2的一定化合物，這些離子的分布是無規律的。Mg離子可以進入到球團礦的Fe 3O4中FeO的晶格內的任意位置， 形成結構式為（Fe0.1·Mg 0.9）O·Fe2O3和（Fe 0.4·Mg 0.6）O·Fe2O3的混合晶，使球團礦中FeO減少。此外，渣相中FeO的熔點也由于MgO的固溶而升高。 隨著 MgO· Fe2O3的還原，渣相中的MgO不斷增多，渣的熔點進一步升高。 由于 MgO 的作用，渣相和富氏體熔點升高，球團礦的軟熔溫度升高， 改善了球團的高溫還原性和荷重軟化性能。 MgO-FeO-SiO2系狀態圖如圖2[5,9]所示。
從圖 2 中可以看出， 鎂質球團礦在未加入MgO 或 MgO 加入量少時，球團礦中 FeO 沒有固溶或僅固溶了很少的 MgO ，其本身的熔融溫度不高，渣相熔點不高。 因此，在高溫還原時會很快出現熔融渣，球團礦軟化變形，氣孔被熔渣堵塞，球表層生成一層致密的金屬鐵殼，影響還原的進行。 但隨著 MgO 含量增加， 其渣相熔點向高溫區移動，且位于高溫區域， 球團礦的軟化溫度和熔化溫度均有所升高， 使球團的高溫還原性和荷重軟化性能得到改善。
2 鎂質球團礦的研究現狀
2.1 鎂質添加劑及生產工藝的選擇
2.1.1 鎂質添加劑的選擇
鎂質球團礦的優勢已在冶金行業內得到普遍認同，但其生產應用仍處于初級階段。 鎂質球團礦生產的關鍵技術主要是鎂質添加劑及粘結劑的選擇[10]。 針對此問題，國內一些科研單位和企業進行了相關的試驗室研究和工業試驗， 某些鋼鐵企業也進行了小規模的工業應用， 但技術難點始終沒有突破，限制了鎂質球團礦的生產和應用。
由于隨著球團礦中 MgO 含量的增加，生球強度有所降低，焙燒球強度也有所下 [10]，為了提高強度需相應增加粘結劑的使用量。 粘結劑為膨潤土時，增加其使用量會引起球團礦鐵品位降低，使SiO 2 及其他雜質的含量升高， 高爐渣量也相應增加；粘結劑為有機復合粘結劑時，雖可以提高球團礦鐵品位、降低 SiO 2 及其他雜質的含量，但價格較貴，限制了推廣應用。 表 1 為國內廠家生產鎂質球團礦使用的鎂質添加劑、粘結劑種類及配比情況。
從表 1 中可以看出，目前鎂質添加劑主要有輕燒鎂石粉、菱鎂礦、白云石、鎂橄欖石、蛇紋石及高鎂精礦等。 從化學成分看，鎂質添加劑中雜質元素應越少越好，鎂橄欖石、蛇紋石等類似添加劑會增加球團礦中 SiO 2 的含量，造成球團礦品位下降。 因此生產鎂質熔劑型球團礦可考慮使用優質輕燒鎂石粉、菱鎂礦、高鎂精礦或者與白云石的組合形式。
2.1.2 生產工藝的選擇
氧化球團礦生產工藝有豎爐、 帶式焙燒機和鏈蓖機—回轉窯三種， 50% 以上的球團礦由鏈蓖機—回轉窯生產。 三種球團法工藝比較及生產鎂質球團工業試驗見表 2 。
理論研究和實踐表明［8］：在一定焙燒溫度條件下，球團礦強度隨 MgO 含量的增加而降低，因此球團礦中配加 MgO 后， 為了提高球團礦的強度，應將焙燒溫度適當提高 30~50 ℃ ， 控制在 1 250~1 300 ℃ ， 溫度過高會造成過燒和降低爐體耐材、耐熱件使用壽命，且造成能源浪費。 因此，大型聯合鋼鐵企業比較適宜采用鏈蓖機—回轉窯生產工藝獲得高強度、成分均勻的優質鎂質球團礦。
2.2 鎂質球團礦高溫性能
球團礦高溫冶金性能對高爐冶煉過程有重要影響，尤其對高爐爐況的穩定、固體燃料的消耗影響較大。 球團礦屬于酸性爐料，除含鐵氧化物外，主要雜質成分為 SiO 2 。 鎂質球團礦中不僅 MgO 含量影響其高溫性能， MgO/SiO 2 比值對其高溫性能的影響更重要。因此，以下重點評述不同 MgO/SiO 2比值對球團礦高溫性能的影響。 圖 3 、 4 、 5 分別為MgO/SiO 2 比值對還原膨脹率、 還原度和軟化溫度的影響。
由圖 3 可見，文獻 13～18 中鎂質球團礦的還原膨脹率均隨 MgO/SiO 2 比值的增大而逐漸降低。當球團礦中 Fe 2 O 3 還原成 Fe 3 O 4 時，晶格變化產生楔形膨脹裂紋，晶格開裂產生體積膨脹，若膨脹應力大于球團礦固有的機械強度， 球團礦將自行破碎與粉化［8、10］。 球團礦中添加 MgO 后，通過氧化焙燒過程產生較多的鐵酸鎂， Mg 2+ 會均勻分布在富氏體內，進而導致在還原反應過程中 Fe 2 O 3 轉變為 Fe 3 O 4 ，晶格變化小，膨脹應力減弱，體積膨脹降低。另一方面， MgO可以使 2CaO · SiO 2 相穩定溫度區間提高， 當球團礦中 MgO 含量升高時，球團礦的膨脹率降低。
由圖 4 可見，文獻13 、16 、18中球團礦還原度隨MgO/SiO 2 比值的增大而提高，文獻14、17 中還原度隨 MgO/SiO 2 比值的增大而小幅度降低。球團礦還原性受氣孔率及渣相中難還原的鐵橄欖石和鈣鐵橄欖石含量影響較大，文獻13、18 中還原度提高主要由于渣相中難還原的鐵橄欖石和鈣鐵橄欖石含量減少；文獻16中還原度提高是因為使用了有機粘結劑，在氧化焙燒過程中大量氣體提高了球團孔隙度，進而改善了鎂質球團礦的還原性能；文獻14中鎂質添加劑為蛇紋石，引入過多 SiO 2 造成渣相中難還原的鐵橄欖石含量增多；文獻17還原度降低主要受渣相中難還原的鈣鐵橄欖石含量增加的影響。
由圖 5 可見，文獻 13~17 中球團礦的軟化溫度（料層收縮 10% 時的溫度）均隨 MgO/SiO 2 比值的增大而升高，酸性球團礦的高溫冶金性能主要取決于高溫還原過程中，球團核心未還原層中存在的富氏體，與渣相發生反應而生成的低熔點渣相。 隨著球團礦中 MgO 含量的增加［ 8-9 ］，鎂固溶體提高了渣相的熔融溫度，鎂富氏體的形成提高了富氏體的熔化溫度，同時MgO固溶于富氏體還可抑制FeO向渣內溶解，減少了低熔點液相的生成量。
3 鎂質球團礦高爐應用實踐
高爐配加鎂質球團礦后，其爐料結構由“高堿度高鎂燒結礦 + 酸性球團礦”改為 “高堿度低鎂燒結礦 + 鎂基球團礦”，綜合爐料冶金性能明顯改善，鎂質球團礦與燒結礦在軟熔溫度區間上的差異縮小，有利于高爐軟熔帶厚度的減小、料柱透氣性的提高和軟熔帶高度的下移， 對于高爐壁面溫度的穩定、 熱負荷的降低以及擴大間接還原度均有良好的影響，同時對高爐爐況的穩定、燃料消耗的降低有明顯的促進作用［28，30－31］。表 3 為國內廠家高爐使用鎂質球團礦情況。
由表 3 可以看出，高爐使用鎂質球團礦后，燃料比大幅度降低， 透氣性得到改善， 高爐穩定順行，爐前出鐵后粘溝現象明顯減少，工人勞動強度降低，入爐焦比降低，噴煤比升高，綜合煉鐵成本降低。 因此，“高堿度低鎂燒結礦 + 鎂基球團礦”的新型高爐爐料結構是降低生產成本、 節約燃耗的有效措施之一。
4 結語
（ 1 ） 開發研究低膨脹率、高溫還原率高、軟熔性能好鎂質球團礦，將高爐爐料結構由“高堿度高鎂燒結礦 + 酸性球團礦”改為“高堿度低鎂燒結礦 +鎂基球團礦”的爐料結構，是降低生產成本、節約燃耗的有效途徑之一。
（ 2 ） 開發價格低廉、雜質少、粘結性能好、分散性能好的優質復合粘結劑或鎂基復合粘結劑是解決鎂質球團礦大面積推廣應用的“技術瓶頸”問題的關鍵途徑之一。
（ 3 ） 對大型聯合鋼鐵企業，比較適宜采用鏈蓖機—回轉窯生產工藝獲得高強度、 成分均勻的優質鎂質球團礦。
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