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(xué)以升創(chuàng)新教育基地，河北 唐山 0630092． 華北理工大學(xué)冶金與能源學(xué)院，河北省現(xiàn)代冶金技術(shù)重點(diǎn)試驗(yàn)室，河北 唐山 063009)

摘 要: 實(shí)驗(yàn)測(cè)定了生產(chǎn)中使用的釩鈦燒結(jié)礦與普通燒結(jié)礦的冶金性能，研究結(jié)果表明: 在還原性能方面，釩鈦燒結(jié)礦比普通燒結(jié)礦低溫還原粉化性差; 釩鈦燒結(jié)礦的中溫還原性、高溫還原性均比普通燒結(jié)礦差; 在軟化熔融性能方面，釩鈦燒結(jié)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(guān)鍵詞: 釩鈦燒結(jié)礦; 普通燒結(jié)礦; 冶金性能

1 前 言

為了應(yīng)對(duì)鋼鐵業(yè)的不斷發(fā)展，鋼鐵企業(yè)的原料生產(chǎn)也在不斷變化，我國(guó)的爐料結(jié)構(gòu)以高堿度燒結(jié)礦為主，配加少量酸性球團(tuán)礦和塊礦 ^［1］。通過對(duì)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(jié)構(gòu)。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(wěn)定性和冶煉過程中的能耗^［4］。釩鈦磁鐵礦是國(guó)際上公認(rèn)的戰(zhàn)略資源，在我國(guó)發(fā)現(xiàn)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(zhàn)略意義。釩鈦燒結(jié)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(jié)礦與普通燒結(jié)礦冶金性能間的差異有利于了解釩鈦燒結(jié)礦在高爐冶煉中的特點(diǎn)，對(duì)高爐操作具有指導(dǎo)意義。因此，本文分別測(cè)定了釩鈦燒結(jié)礦和普通燒結(jié)礦的冶金性能，以期為我國(guó)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(shí)驗(yàn)用普通燒結(jié)礦和釩鈦燒結(jié)礦分別取自萊鋼和攀鋼生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)。原料化學(xué)成分如表 1所示。

2． 2 研究方法及設(shè)備

燒結(jié)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(cè)方法如下:

2． 2． 1 低溫還原粉化性能

采用 GB/T13242 － 91 國(guó)標(biāo)規(guī)定的《鐵礦石低溫粉化試驗(yàn)靜態(tài)還原后使用冷轉(zhuǎn)鼓方法》進(jìn)行。同 時(shí)，國(guó) 標(biāo) 規(guī) 定 RDI _{+3． 15} 為 考 核 目 標(biāo)，RDI _{+6． 3} 和 RDI _{－0． 5} 為參考目標(biāo)。

2． 2． 2 還原性能

中溫還原性: 采用 GB/T13241 － 91 國(guó)標(biāo)規(guī)定的《鐵礦石的還原性測(cè)定方法》測(cè)定 900 ℃中溫還原性。

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

式中，A 代表還原前試樣中 TFe 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%; B 代表還原前試樣中 FeO 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%;m ₀ 代表還原前試樣質(zhì)量，g; m_t 代表還原達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)試樣質(zhì)量，g。

2．2．3 荷重還原軟化熔融滴落性能

燒結(jié)礦軟熔性能在熔滴爐中測(cè)定。其實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖1 所示。主要包括了爐體、供給氣體控制系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

試驗(yàn)的布料方式如下: 燒結(jié)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(yàn)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(gè)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(shí)，8 ℃ /min; 大于900 ℃時(shí)，5 ℃ /min: 900 ℃時(shí)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(dāng)有渣鐵滴落時(shí)結(jié)束試驗(yàn)，同時(shí)通入 N 2 保護(hù)一直降到室溫。試驗(yàn)過程中爐料的荷重為1 kg/cm² 。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jié)礦在低溫還原過程中發(fā)生碎裂粉化的特性，是燒結(jié)礦冶金性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。燒結(jié)礦在還原時(shí)會(huì)產(chǎn)生破碎粉化現(xiàn)象，高爐在運(yùn)行過程中存在很大風(fēng)險(xiǎn)，主要表現(xiàn)在高爐透氣性差，壓差高，冶煉強(qiáng)度難以提高，產(chǎn)量下降，焦比升高^［6］。表 2 為釩鈦燒結(jié)礦與普通燒結(jié)礦低溫還原粉化性對(duì)比表。

由表 2 可知，釩鈦燒結(jié)礦在還原溫度 500 ℃時(shí)，低溫還原粉化指數(shù) RDI _+3．15 高達(dá)99．24%，幾乎不發(fā)生粉化。隨著還原溫度的提高，RDI _+3．15 的值迅速降低，在 700 ℃時(shí)達(dá)到最低值( 41． 94%) ，低溫還原粉化性能最差，溫度繼續(xù)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(shì)如圖2 所示。

普通燒結(jié)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(shí)發(fā)生體積膨脹，還原溫度通常為 500 ℃左右^［7］，而釩鈦燒結(jié)礦中主要含鐵物相是鈦赤鐵礦，其化學(xué)式為［m( Al、Fe)₂O₃ ·n( Fe、Mg、Mn) O·TiO₂ ］，是非常復(fù)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(shí)鈦赤鐵礦大量還原為鈦磁鐵礦，釩鈦燒結(jié)礦的低溫還原粉化最差，溫度繼續(xù)升高，出現(xiàn)浮士體和金屬鐵，降低了粉化率^［8］。研究表明普通燒結(jié)礦在 400 ～600 ℃低溫區(qū)粉化嚴(yán)重，通常以500 ℃下還原粉化指標(biāo)表示^［9］。如表2 所示，在500 ℃時(shí)，普通燒結(jié)礦低溫還原粉化指數(shù) RDI _+3．15 為83．80%。釩鈦燒結(jié)礦在700 ℃時(shí)粉化最嚴(yán)重，RDI _+3．15 僅有41．94%。

可見，釩鈦燒結(jié)礦的低溫還原粉化指數(shù)RDI _+3．15 不足普通燒結(jié)礦的一半。這是由于釩鈦磁鐵礦燒結(jié)過程中，TiO₂ 更容易與 CaO 生成鈣鈦礦( CaO·TiO₂ ) ，減少了粘結(jié)相，而在加熱還原過程中鈣鈦礦等物相膨脹系數(shù)不同，從而加劇了釩鈦燒結(jié)礦的低溫還原粉化性，最終導(dǎo)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(shí)由于還原程度的不同，也將影響燒結(jié)礦的軟熔性能。

實(shí)驗(yàn)分別測(cè)定了兩種燒結(jié)礦的900 ℃中溫還原性和 1 400 ℃ 高溫還原性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表 3所示。

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

釩鈦燒結(jié)礦中的主要含鐵物相鈦赤鐵礦是非常復(fù)雜的固溶體，較普通燒結(jié)礦中的赤鐵礦更難還原，這是釩鈦燒結(jié)礦還原性差的主要原因。隨著還原的進(jìn)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(jié)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(yàn)主要測(cè)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(qū)間 ΔT_B 、滴落溫度 T_d 、熔融區(qū)間 ΔT、最大壓差ΔPm 、透氣性 S 等指標(biāo)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。

燒結(jié)礦在升溫還原過程中的軟熔特性主要取決于燒結(jié)礦在此過程中產(chǎn)生的高、低熔點(diǎn)礦物數(shù)量，燒結(jié)礦的軟化終了( 初熔) 溫度主要受高熔點(diǎn)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(jié)礦軟化開始溫度 1 116℃高22 ℃，這是由于燒結(jié)礦軟化還原過程中，鐵氧化物被還原為 FeO( 浮士體) 和金屬鐵，F(xiàn)eO 不僅與 SiO₂ 、CaO 等生成低熔點(diǎn)液相，F(xiàn)eO 還與 TiO₂生成高熔點(diǎn)的固溶體^［11］，減少了釩鈦燒結(jié)礦中的液相量，致使釩鈦燒結(jié)礦的軟化溫度較普通燒結(jié)礦高; 陡升溫度即為軟化終了溫度，釩鈦燒結(jié)礦的軟化終了溫度為1 268 ℃，而普通燒結(jié)礦的軟化終了溫度高于釩鈦燒結(jié)礦為 1 300 ℃，同時(shí)，釩鈦燒結(jié)礦軟化區(qū)間為 130 ℃，普通燒結(jié)礦的軟化區(qū)間平均為184 ℃，釩鈦燒結(jié)礦的軟化區(qū)間小于普通燒結(jié)礦的軟化區(qū)間，相差 58 ℃; 釩鈦燒結(jié)礦的最大壓差為 20 757 Pa，普通燒結(jié)礦最大壓差為12 779 Pa，釩鈦燒結(jié)礦比普通燒結(jié)礦最大壓差高7 978 Pa。達(dá)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(qū)間攀鋼釩鈦燒結(jié)礦比萊鋼燒結(jié)礦高 18 ℃。而攀鋼釩鈦燒結(jié)礦的總特征值為2 969 kPa·℃，萊鋼燒結(jié)礦總特征值為1 612 kPa·℃，攀鋼釩鈦燒結(jié)礦的總特征值是萊鋼燒結(jié)礦總特值的2 倍左右。這些都說明釩鈦燒結(jié)礦的透氣性比普通礦的透氣性、熔滴性能差。

4 結(jié) 論

( 1) 釩鈦燒結(jié)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(shí)粉化最嚴(yán)重。其低溫還原粉化性能比普通燒結(jié)礦差。

( 2) 同普通燒結(jié)礦相比釩鈦燒結(jié)礦還原性能差。

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

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