李小松 ¹ ，楊廣慶 ² ，楊文康 ² ，尹思博 ¹ ，周子青 ¹

( 1． 華北理工大學以升創新教育基地，河北 唐山 0630092． 華北理工大學冶金與能源學院，河北省現代冶金技術重點試驗室，河北 唐山 063009)

摘 要: 實驗測定了生產中使用的釩鈦燒結礦與普通燒結礦的冶金性能，研究結果表明: 在還原性能方面，釩鈦燒結礦比普通燒結礦低溫還原粉化性差; 釩鈦燒結礦的中溫還原性、高溫還原性均比普通燒結礦差; 在軟化熔融性能方面，釩鈦燒結礦軟化開始的溫度較高、軟化終了的溫度較低、滴落溫度略低，壓差高，透氣性較差。

關鍵詞: 釩鈦燒結礦; 普通燒結礦; 冶金性能

1 前 言

為了應對鋼鐵業的不斷發展，鋼鐵企業的原料生產也在不斷變化，我國的爐料結構以高堿度燒結礦為主，配加少量酸性球團礦和塊礦 ^［1］。通過對高爐解剖研究得出 ^［2，3］，高爐煉鐵原料需要具有良好的冶金性能和合理的爐料結構。其中冶金性能主要為低溫還原粉化性能( RDI) 、還原性( RI) 以及軟熔性能，而高爐原料的這些冶金性能又直接影響著高爐操作的穩定性和冶煉過程中的能耗^［4］。釩鈦磁鐵礦是國際上公認的戰略資源，在我國發現很多釩鈦磁鐵礦礦源，充分利用這一巨大資源，具有重大的戰略意義。釩鈦燒結礦在攀鋼高爐爐料中占有很大比例，釩鈦磁鐵礦與普通礦在高爐冶煉過程中有很大不同，分析釩鈦燒結礦與普通燒結礦冶金性能間的差異有利于了解釩鈦燒結礦在高爐冶煉中的特點，對高爐操作具有指導意義。因此，本文分別測定了釩鈦燒結礦和普通燒結礦的冶金性能，以期為我國更好地利用釩鈦磁鐵礦資源提供參考。

2 原料性能與研究方法

2． 1 原料性能

實驗用普通燒結礦和釩鈦燒結礦分別取自萊鋼和攀鋼生產現場。原料化學成分如表 1所示。

2． 2 研究方法及設備

燒結礦的冶金性能主要包括低溫還原粉化性能、還原性能、荷重還原軟化熔融滴落性能。其各自的檢測方法如下:

2． 2． 1 低溫還原粉化性能

采用 GB/T13242 － 91 國標規定的《鐵礦石低溫粉化試驗靜態還原后使用冷轉鼓方法》進行。同 時，國 標 規 定 RDI _{+3． 15} 為 考 核 目 標，RDI _{+6． 3} 和 RDI _{－0． 5} 為參考目標。

2． 2． 2 還原性能

中溫還原性: 采用 GB/T13241 － 91 國標規定的《鐵礦石的還原性測定方法》測定 900 ℃中溫還原性。

高溫還原性: 采用熔滴爐測定了 1 400 ℃高溫還原性能，實驗方法同荷重還原軟化熔融滴落性能測定方法，實驗過程中不加荷重，用 ＲI 表示還原度。CO 不能還原 TiO₂ ，因此認為失重量全部是由鐵氧化物還原失氧所致，計算公式如式( 1) 所示^［5］。

式中，A 代表還原前試樣中 TFe 的質量分數，%; B 代表還原前試樣中 FeO 的質量分數，%;m ₀ 代表還原前試樣質量，g; m_t 代表還原達到設定溫度時試樣質量，g。

2．2．3 荷重還原軟化熔融滴落性能

燒結礦軟熔性能在熔滴爐中測定。其實驗設備如圖1 所示。主要包括了爐體、供給氣體控制系統、溫控系統和數據采集系統。

試驗的布料方式如下: 燒結杯上下為粒度 10～12．5 mm 的10 g 焦炭; 中部為半徑25 mm，高度為60 mm 的料柱; 試驗過程中使用的是石墨坩堝，為了方便下部通入還原性的氣體，使氣固更加充分的接觸，坩堝底部增加十二個孔洞。通入 CO 和N 2 的混合氣體，其通入比 例 為 3: 7，流 量 為10 L/min。升溫制度: 小于900 ℃時，8 ℃ /min; 大于900 ℃時，5 ℃ /min: 900 ℃時恒溫 30 min。室溫至500 ℃的升溫過程中，通入 N 2 ，500 ℃以后，通入還原氣體，當有渣鐵滴落時結束試驗，同時通入 N 2 保護一直降到室溫。試驗過程中爐料的荷重為1 kg/cm² 。

3 實驗結果及討論

3．1 低溫還原粉化性能

低溫還原粉化性是指燒結礦在低溫還原過程中發生碎裂粉化的特性，是燒結礦冶金性能的一項重要指標。燒結礦在還原時會產生破碎粉化現象，高爐在運行過程中存在很大風險，主要表現在高爐透氣性差，壓差高，冶煉強度難以提高，產量下降，焦比升高^［6］。表 2 為釩鈦燒結礦與普通燒結礦低溫還原粉化性對比表。

由表 2 可知，釩鈦燒結礦在還原溫度 500 ℃時，低溫還原粉化指數 RDI _+3．15 高達99．24%，幾乎不發生粉化。隨著還原溫度的提高，RDI _+3．15 的值迅速降低，在 700 ℃時達到最低值( 41． 94%) ，低溫還原粉化性能最差，溫度繼續升高，RDI _+3．15 的值升高，低溫還原粉化性能較之前大大改善，具體變化趨勢如圖2 所示。

普通燒結礦低溫粉化原因是六方體的赤鐵礦( Fe₂O₃ ) 還原成立方體的磁鐵礦( Fe₃O₄ ) 時發生體積膨脹，還原溫度通常為 500 ℃左右^［7］，而釩鈦燒結礦中主要含鐵物相是鈦赤鐵礦，其化學式為［m( Al、Fe)₂O₃ ·n( Fe、Mg、Mn) O·TiO₂ ］，是非常復雜的固溶體，在相同的氣氛下還原到鈦磁鐵礦需要更高的溫度，在 700 ℃時鈦赤鐵礦大量還原為鈦磁鐵礦，釩鈦燒結礦的低溫還原粉化最差，溫度繼續升高，出現浮士體和金屬鐵，降低了粉化率^［8］。研究表明普通燒結礦在 400 ～600 ℃低溫區粉化嚴重，通常以500 ℃下還原粉化指標表示^［9］。如表2 所示，在500 ℃時，普通燒結礦低溫還原粉化指數 RDI _+3．15 為83．80%。釩鈦燒結礦在700 ℃時粉化最嚴重，RDI _+3．15 僅有41．94%。

可見，釩鈦燒結礦的低溫還原粉化指數RDI _+3．15 不足普通燒結礦的一半。這是由于釩鈦磁鐵礦燒結過程中，TiO₂ 更容易與 CaO 生成鈣鈦礦( CaO·TiO₂ ) ，減少了粘結相，而在加熱還原過程中鈣鈦礦等物相膨脹系數不同，從而加劇了釩鈦燒結礦的低溫還原粉化性，最終導致高爐上部透氣性非常差。

3．2 還原性能

還原性是鐵礦石的根本性能，不僅直接影響煤氣利用率和燃料比，同時由于還原程度的不同，也將影響燒結礦的軟熔性能。

實驗分別測定了兩種燒結礦的900 ℃中溫還原性和 1 400 ℃ 高溫還原性，實驗結果如表 3所示。

由表3 可知，900 ℃時釩鈦燒結礦的還原度為76．78%，普通燒結礦還原度為 84． 90%; 1 400 ℃時釩鈦燒結礦還原度為86．80%，普通燒結礦還原度為96. 45%，可見，釩鈦燒結礦的中、高溫還原性要低于普通燒結礦。

釩鈦燒結礦中的主要含鐵物相鈦赤鐵礦是非常復雜的固溶體，較普通燒結礦中的赤鐵礦更難還原，這是釩鈦燒結礦還原性差的主要原因。隨著還原的進行，鐵氧化物中固溶的鈦氧化物含量增加，形成鈦鐵晶石、黑鈦石等更難還原的物相，從而使釩鈦燒結礦高溫還原性更差^［10］。

3．3 荷重還原軟化熔融滴落性能

試驗主要測定了爐料的以下主要特性，分別為: 軟化開始溫度 T₁₀ 、壓差陡升的溫度 T_S 、軟化區間 ΔT_B 、滴落溫度 T_d 、熔融區間 ΔT、最大壓差ΔPm 、透氣性 S 等指標，實驗結果見表4。

燒結礦在升溫還原過程中的軟熔特性主要取決于燒結礦在此過程中產生的高、低熔點礦物數量，燒結礦的軟化終了( 初熔) 溫度主要受高熔點礦物的影響。由表 4 可知，釩鈦礦軟化開始溫度T₁₀ 為1 138 ℃，比普通燒結礦軟化開始溫度 1 116℃高22 ℃，這是由于燒結礦軟化還原過程中，鐵氧化物被還原為 FeO( 浮士體) 和金屬鐵，FeO 不僅與 SiO₂ 、CaO 等生成低熔點液相，FeO 還與 TiO₂生成高熔點的固溶體^［11］，減少了釩鈦燒結礦中的液相量，致使釩鈦燒結礦的軟化溫度較普通燒結礦高; 陡升溫度即為軟化終了溫度，釩鈦燒結礦的軟化終了溫度為1 268 ℃，而普通燒結礦的軟化終了溫度高于釩鈦燒結礦為 1 300 ℃，同時，釩鈦燒結礦軟化區間為 130 ℃，普通燒結礦的軟化區間平均為184 ℃，釩鈦燒結礦的軟化區間小于普通燒結礦的軟化區間，相差 58 ℃; 釩鈦燒結礦的最大壓差為 20 757 Pa，普通燒結礦最大壓差為12 779 Pa，釩鈦燒結礦比普通燒結礦最大壓差高7 978 Pa。達到最高壓差溫度反而低 73 ℃; 滴落溫度方面，相差無幾，但是熔融區間攀鋼釩鈦燒結礦比萊鋼燒結礦高 18 ℃。而攀鋼釩鈦燒結礦的總特征值為2 969 kPa·℃，萊鋼燒結礦總特征值為1 612 kPa·℃，攀鋼釩鈦燒結礦的總特征值是萊鋼燒結礦總特值的2 倍左右。這些都說明釩鈦燒結礦的透氣性比普通礦的透氣性、熔滴性能差。

4 結 論

( 1) 釩鈦燒結礦的低溫還原粉化率隨還原溫度的升高先增加后降低，在 700 ℃時粉化最嚴重。其低溫還原粉化性能比普通燒結礦差。

( 2) 同普通燒結礦相比釩鈦燒結礦還原性能差。

( 3) 同普通燒結礦相比釩鈦燒結礦軟化開始的溫度高、軟化終了的溫度較低，軟化區間窄，滴落溫度較低，熔融區間相差不大; 釩鈦燒結礦最大壓差、總特征值是普通燒結礦的 2 倍左右，釩鈦燒結礦的透氣性遠遠不如普通燒結礦。

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