郭蘭芬 王金龍 劉曉明 魏瓊花
（河鋼集團邯鋼公司）
摘要：對邯鋼近四年的燒結礦低溫還原粉化指標（RDI+3.15 與相對應的化學成分、堿度和配礦結構等進行數據統計分析和研究，得出燒結礦的RDI+3.15與FeO、R2有較強的對應關系，精粉配比的增加可以改善燒結礦的低溫還原粉化性能。通過對燒結礦低溫還原粉化試驗前后的顯微組織進行分析,發現燒結礦經過低溫還原后產生裂紋粉化的區域與赤鐵礦關系密切,但不同形態的赤鐵礦產生裂紋的程度不同，尤其是骸形晶赤鐵礦裂紋縱橫交錯,嚴重影響燒結礦的粉化指標。
關鍵詞：燒結礦；粉化因素；研究
0 前言
邯鋼高爐入爐原料中燒結礦比例占70% ~80%，燒結礦質量的好壞直接影響高爐生產的穩定順行。燒結礦的低溫還原粉化性能（RDI）是爐料下降到400?600℃區間時[1]受煤氣還原作用產生不同程度粉化現象的指標，粉化嚴重時影響高爐透氣性，破壞爐況順行，對高爐有較大影響。有資料顯示[2]，燒結礦低溫還原粉化指數（RDI+3.15）提高5%，高爐產量提高1.5%，焦比降低1.55%，因此改善燒結礦低溫還原粉化指標對高爐生產有重大意義。
近幾年，邯鋼老區煉鐵部的燒結礦低溫還原粉化指標RDI+3.15較低，且波動較大，平均為65%，影響高爐料柱的透氣性，給高爐操作帶來了困難。為了尋找影響燒結礦低溫還原粉化指標的各種因素，進行了大量的數據統計分析、燒結杯試驗和對燒結礦微觀結構的分析，找到了提高燒結礦RDI+3.15的途徑，用于指導燒結生產。
1燒結礦化學成分與RDI的影響研究
根據近幾年邯鋼燒結使用的原料條件情況，收集并整理了 300余項燒結礦低溫還原粉化指標以及對應的化學成分，用Minitab軟件做燒結礦RDI與對應成分的散點圖，分析其關系。
1.1 燒結礦FeO含量對RDI的影響
1.1.1 數據分析
應用數據統計軟件分析得出燒結礦RDI+3.15隨FeO含量的變化趨勢，如圖1所示。
從圖1可以看出，燒結礦的FeO含量在5. 8%-10.9%時，隨著FeO含量的升高，RDI +3.15呈明顯增加趨勢。
1.1.2 燒結礦不同FeO含量對RDI+3.15影響的試驗
根據圖1分析可知，燒結礦FeO含量是影響RDI的主要因素之一，為了確保數據分析的準確性，利用燒結杯試驗研究了燒結礦FeO含量對RDI的影響，主要采取調整燒結焦粉配比來調整燒結礦中的FeO含量，試驗結果見表1，焦粉配加量與RDI+3.15 的關系如圖2所示。
從表1和圖2可以看出，隨著焦粉配加量和燒結礦FeO含量的增加，燒結礦低溫還原粉化指數RDI+3.15顯著上升，由53. 36%上升至68.53%。這說明FeO含量越高則還原粉化性能改善，FeO越低則還原粉化性加重，屬顯著因素。這是因為隨著焦粉配比的增加，燒結過程中燒結溫度升高,高溫保持時間延長，燒結礦中FeO含量升高，液相增多，燒結礦強度增加；但是，隨燒結礦中FeO含量的增加，燒結礦還原性降低，故根據實際情況FeO含量適量即可。
1.2 燒結礦中SiO2和CaO對RDI+3.15的影響
應用數據統計軟件分析得出燒結礦RDI +3.15上隨SiO2和CaO含量的變化趨勢，分別如圖3、圖4 所示。
從圖3、圖4可以看出，燒結礦中的SiO2含量在4.5%-5.5%時，隨著SiO2含量的升高，RDI+3.15略呈增加趨勢，但變化不大，趨勢不明顯；燒結礦中CaO含量在8. 7% ~ 11. 5%時，隨著CaO含量的升高，RDI+3.15有明顯增加趨勢,屬顯著因素。
1.3 燒結礦中MgO和Al2O3對RDI的影響
應用數據統計軟件分析得出燒結礦RDI+3.15隨MgO和Al2O3含量的變化趨勢，分別如圖5、圖6所示。
從圖5可以看出，燒結礦中MgO含量在1.5% -2.2%時，隨著MgO含量的升高，RDI +3.15有增加趨勢，屬次顯著因素。其原因[3]是Mg2 +進人磁鐵礦晶格中取代Fe2+，并填充于八面體空位中，從而降低了磁鐵礦的晶格缺陷程度，穩定了磁鐵礦，防止或減輕其氧化再生赤鐵礦,從而抑制了燒結礦的低溫還原粉化。
從圖6可以看出，隨著Al2O3含量的升高，邯鋼燒結礦RDI+3.15變化不明顯，為非顯著因素。
1.4 燒結礦中S和TiO2對RDI的影響
應用數據統計軟件分析得出燒結礦RDI+3.15隨S和TiO2含量的變化趨勢，分別如圖7、圖8所示。
從圖7、圖8可以看出，隨著S含量的升高，RDI +3.15的變化不明顯，圖中略顯增加趨勢，為非顯著因素；TiO2的大多數值小于0.18%, 隨著TiO2含量的升高，RDI +3.15趨勢線呈平緩直線，幾乎沒有變化,說明邯鋼原料TiO2值的波動對RDI+3.15影響較小，為非顯著因素。
2燒結礦的堿度對RDI的影響研究
2.1燒結礦堿度與RDI+3.15趨勢分析
應用數據統計軟件分析得出燒結礦RDI+3.15隨堿度的變化趨勢，如圖9所示。
從圖9可以看出，燒結礦中的堿度在1.72% ~2.25%時，隨著堿度的升高，RDI +3.15趨勢明顯增加，屬顯著因素。
2.2 不同堿度燒結礦的顯微結構分析
根據燒結礦的堿度、還原粉化指數數據統計以及礦物組織的分析,找出不同堿度范圍的RDI+3.15平均值與礦物組織結構的變化。將燒結礦堿度分為四個區間，分別是 1.7 ~1.79、1.8 ~1.89、1.9 ~ 1.99.2-2.2，不同堿度范圍的RDI變化趨勢如圖10所示。
從圖10可以看出,隨著堿度的提高，RDI+315的平均值幾乎呈直線上升。將堿度為1.7和2.0時的燒結礦進行顯微組織分析對比，其主要顯微結構如圖11所示(圖中，灰白色為磁鐵礦，灰色為鐵酸鈣，亮白色為赤鐵礦，暗灰色為玻璃相；黑色為孔洞)。
從圖11可以看出，燒結礦的堿度不同，主要顯微結構不同，生成的液相也不同，隨著堿度的升高，其礦物組成發生了明顯變化,交織熔蝕組織增多，斑粒狀組織減少,鐵酸鈣粘結相增多，骸形晶赤鐵礦減少。堿度為2.0的燒結礦，主要顯微結構是磁鐵礦與鐵酸鈣緊緊相連形成的交織熔蝕結構，磁鐵礦晶粒細小、呈渾圓狀它形晶,磁鐵礦被鐵酸鈣熔蝕充分,兩者之間有較大的接觸面和摩擦力，鑲嵌牢固，并且厚壁塊狀結構增多，提高了燒結礦的強度。無論從數據上還是燒結礦的微觀結構上看，適當提高堿度能抑制燒結礦低溫還原粉化。生產時，建議考慮燒結產能平衡的同時,適當提高燒結礦堿度，以改善燒結礦的低溫還原粉化指標。
3精礦比例對RDI+3.15的影響
3.1鐵精粉配比與RDI+3.15的趨勢分析
應用數據統計軟件分析得出燒結礦RDI+3.15隨精粉和礦粉配比的變化趨勢，分別如圖12、圖13所示。
從圖12、圖13可以看出，隨著精粉配加量的增加，進口礦的減少，燒結礦低溫還原粉化指標是增加趨勢。隨著國內精粉配加量的提高，燒結礦RDI+3.15有所改善。但由于精粉過多會惡化燒結料層透氣性,降低燒結生產率，實際配比應全面考慮。
3.2不同比例精粉的試驗
按現有的燒結配料結構和指標要求，配加不同比例的秘魯精粉，進行燒結杯試驗研究。燒結混合料按照二元堿度2. 15進行配料，料層厚度為700 mm，燒結點火時間1.5 min，點火負壓為6 kPa，燒結負壓為12 kPa，燒結冷卻結束后,對燒結餅進行單輻破碎、落下、粒度組成、轉鼓強度等一系列燒結礦指標檢驗。試驗方案和主要試驗數據分別見表3、表 4。
從表3、表4可以看岀，方案1與基準相比，配加了 3%的秘魯精粉，減少3%的智利礦粉，并相應調整了巴卡和巴混的配比；方案2與方案1相比，配加了 6%的秘魯精粉，減少3%的巴混礦粉。方案1的轉鼓強度略高于基準，方案1的成品率比基準提高了 1.8%；方案2的轉鼓強度最低，但滿足燒結礦的強度標準，方案2的成品率比基準提高了 1%，但略低于方案10從低溫還原粉化指標看，方案2高于方案1，高于基準，也就是說隨著精粉率的增加，低溫還原粉化指標明顯增加。
3.3 燒結配不同比例精粉的試驗分析
隨著精粉配加量的增加，燒結礦低溫還原粉化指標進而改善。其主要原因是國內精粉多為磁鐵礦(Fe3O4)，由于其在高溫處理時氧化放熱，給燒結高溫帶中增加熱量,為形成液相創造了條件；另一個原因是部分Fe3O4被還原，形成FeO，其中FeO易與脈石形成低熔點化合物，可燒性良好，當其參加燒結生產時，使得混合料中FeO含量的增加，在燒結過程中液相量增加，提高了燒結礦的強度。
對三個方案的燒結礦做微觀組織顯微分析。觀察發現:
(1)基準全礦粉燒結顯微結構，主要鐵相為磁鐵礦注要粘結相鐵酸鈣發育較充分，主要以板柱狀形態存在，枝狀少量存在；原生赤鐵礦含量較多約占17%，大多以自形半自形晶存在，以玻璃相粘結形成赤鐵礦斑晶;再生赤鐵礦含量約占6%，氣孔或試樣邊緣較多赤鐵礦形成骸形晶；氣孔含量豐富。(2)方案1和方案2配精粉的燒結礦顯微結構，主要鐵相為磁鐵礦，主要粘結相鐵酸鈣發育充分，與基準相比鐵酸鈣存在形態有變化，主要以針狀或枝狀存在,板柱狀少量存在;原生赤鐵礦含量減少，存在形態有的以玻璃相粘結形成赤鐵礦斑晶組織，有的赤鐵礦較致密以大顆粒存在;再生赤鐵礦多數以自形半自形晶存在,骸形晶少見。(3)從不同比例精粉配比的顯微鑒定分析，雖然三種方案試樣存在的礦物相同，但鐵酸鈣和赤鐵礦存在形態不同，精粉比例增加,雖然存在再生赤鐵礦，但顆粒狀的赤鐵礦還原時對燒結礦的破壞較小。此外，磁鐵礦含量增多，還原減弱，裂紋擴展過程的能量亦減弱。可見，燒結礦中FeO含量的升高，在燒結過程中可以減少Fe2O3生成，抑制冷卻過程中晶格轉變而造成的體積膨脹，提高了 RDI+3.15值。
綜上所述，燒結杯試驗無論是從轉鼓強度和低溫還原粉化指標還是從燒結礦顯微組織分析，燒結配料適當增加精粉配比有利于改善燒結礦的低溫還 原粉化指標。
4燒結礦RDI的顯微結構影響因素分析
4.1 燒結礦粉化前后試驗與顯微鑒定
選取邯鋼老區一燒車間的燒結礦，將燒結礦破碎篩分，制成10 ~ 12. 5 mm粒級的燒結礦試驗樣品，將其在(105 ±5)℃下干燥2 h。選擇8個10-12.5 mm粒級的燒結礦試樣，將選擇的燒結礦試樣手動制成光片,在顯微鏡下對其進行礦物組織分析,試樣的顯微組織如圖14所示。選取制備好的10 -12. 5 mm粒級的燒結礦試樣稱量500 g(包括已分析完畢的8個試樣)，根據國標做燒結礦低溫還原粉化試驗。在試驗結束后的試樣中找尋原制成光片的試樣，對其表面磨拋做顯微分析，具體如圖15所示。
從圖14可以看出，該燒結礦主體組織為它形晶磁鐵礦與鐵酸鈣形成交織熔蝕及熔蝕組織，鐵酸鈣發育充分，但形態存在一定差異,有粗大枝狀，有細小針狀，有板柱狀，次粘結相為玻璃相和硅酸二鈣。次要組織為斑粒狀組織，含量較少。礦樣中分布有若干大顆粒磁鐵礦。燒結礦中赤鐵礦含量較多，原生赤鐵礦有的以大顆粒狀存在，有的以玻璃相粘結形成赤鐵礦斑晶，部分小顆粒狀存在交織熔蝕組織內部；再生赤鐵礦有的以自形、半自形晶存在，大部分尺寸約為100 μm，邊緣或氣孔豐富區域可見發育成骸形晶，尺寸約300μm。
從圖14、圖15可以看出，燒結礦經過還原粉化試驗后，與原試樣對比，其中以它形晶磁鐵礦與鐵酸鈣形成交織熔蝕及熔蝕組織結構未發生明顯變化，磁鐵礦為主要組織的結構變化也較小，主要是赤鐵礦變化較明顯;致密的原生赤鐵礦晶粒間已出現較多細小裂紋；以玻璃相粘結的赤鐵礦晶粒局部出現裂紋；再生赤鐵礦大部分發生粉化已經找不到原來圖像位置，尤其是骸形晶數量減少，即使可見，自身變化特別大，產生較多裂紋，并且裂紋延伸到周圍的組織中。
4.2燒結礦低溫還原粉化后礦相結果分析
通過對燒結礦低溫還原粉化前后的顯微鑒定變化對比，發現交織熔蝕和熔蝕組織無明顯變化，主要產生裂紋的區域與赤鐵礦關系密切，但不同類型的赤鐵礦產生裂紋的程度不同。原生致密大顆粒赤鐵礦，晶粒上出現較多細小裂紋，還原氣體沿著細小裂紋進一步與赤鐵礦反應，逐漸增多，速度加快，形成縱橫交錯的裂紋,最終造成破碎粉化；以玻璃相粘結的原生赤鐵礦斑晶組織，部分較大晶粒出現細小裂紋，對燒結礦還原粉化有一定影響，但影響有限，小顆粒原生赤鐵礦還原后變應力比較小，不易產生裂紋，對燒結礦還原粉化影響較小；再生赤鐵礦經過低溫還原后表面可見條狀粗大裂紋，并向周圍組織延伸，縱深較廣，如果再通過外界的擠壓振動后，很容易碎裂，造成粉化，有的試樣邊緣部分原有的再生赤鐵礦已不可見，說明沒有經過周圍環境影響就已經粉化，尤其是骸形晶赤鐵礦，低溫還原后，數量明顯減少，即使可見，表面裂紋寬且長，說明再生赤鐵礦尤其是骸形晶對燒結礦低溫還原粉化有較大影響。
燒結礦低溫還原后出現不同形態的裂紋，主要原因是赤鐵礦在還原時發生晶格變化，體積膨脹約20%[4]，從而產生內應力,使燒結礦粉化，尤其是骸晶狀赤鐵礦，多數分布在礦樣邊緣且氣孔豐富，還原氣體與赤鐵礦容易接觸,還原膨脹擴展迅速，使晶粒周圍形成一層多裂紋、強度差的碎裂帶致使燒結礦粉化率嚴重增加。
5 結論
(1) 通過統計處理軟件分析邯鋼燒結礦化學成分與低溫還原粉化指標的關系，其中FeO、CaO和堿度是顯著因素，MgO是次顯著因素，SiO2>Al2O3，S和TiO2影響不顯著。
(2) 試驗表明，堿度和FeO含量的多少是邯鋼燒結礦低溫還原粉化指標的主要影響因素。
(3) 適當增加精粉配比可以改善燒結礦低溫還原粉化指標。但由于精粉過多，會惡化燒結料層透氣性，降低燒結生產率,實際配比應全面考慮。
(4) 從機理研究影響燒結礦低溫還原粉化率的組織結構變化。顯微分析，產生裂紋的區域與赤鐵礦關系密切，但不同類型的赤鐵礦產生裂紋的程度不同，骸形晶對燒結礦低溫還原粉化最為嚴重。
6 參考文獻
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