李神子1，2 ，潘向陽１，２ ，龍 躍１，２∗
(1. 華北理工大學 冶金與能源學院，河北 唐山 063210；2. 華北理工大學 現代冶金技術教育部重點實驗室，河北 唐山 063210)
摘要：在燒結工藝過程中，MgO 對燒結礦的冶金性能具有重要影響。隨著燒結原料條件的變化及煉鐵新技術的發展，燒結礦中適宜的 MgO 含量也隨之改變。介紹了燒結礦的來源及作用機理，系統地分析了原料條件和煉鐵新工藝對我國燒結礦中 MgO含量的影響。相較傳統的高堿度燒結礦+ 酸性球團礦的爐料結構低 MgO燒結礦+ 鎂質球團礦結構下的高爐焦比、燃料比及渣比都有所降低，是未來煉鐵的發展方向。
關鍵詞：燒結礦；MgO；高爐爐料結構；冶金性能；鎂質球團礦
0 引言
近年來，隨著鋼鐵企業的發展，燒結工藝水平有 了很大地提高，主要體現在燒結礦質量、產量以及燒結過程和設備等幾個方面。同時，燒結礦中MgO的 適宜含量也發生了變化。 MgO 含量變化對燒結礦的冶金性能影響顯著，導致其在高溫冶煉過程中的行為和作用也明顯不同。由于鋼鐵企業之間的燒結原料存在巨大差異，因此在燒結礦適宜的 MgO 含量方面存在很大分歧[1－3]，也使得改善燒結礦冶金性能的難度加大[4，5]。隨著煉鐵新工藝發展和設備條件的變化，低 MgO燒結礦配加鎂質球團礦已成為未來煉鐵發展的新趨勢。
這種低MgO燒結礦配加鎂質球團礦的爐料結構不僅可以滿足高爐的冶煉要求，而且可以提高燒結礦和球團礦的冶金性能。簡而言之，必須要不斷優化燒結礦中的MgO含量，使其能最大程度地提高燒結礦的質量。
1 MgO 的來源及作用機理
1.1 MgO 的來源
國內外高爐爐料結構如圖1 所示。由于技術水 平和礦石來源的不同，世界各地鋼鐵企業的高爐爐料結構也有較大差異。 在歐美，因其礦源多為細精礦，更適合球團礦的生產，因此高爐爐料主要以球團礦為主。 例如，美國的 AkSteel 公司采用的就是球團礦比例在90％ 以上的爐料結構，因此美國高爐爐料中的 MgO 主要來自球團礦。中國高爐使用的絕 大多數礦石為進口粉礦，而粉礦適宜燒結，這就決定了燒結礦是我國高爐爐料結構的主體。
我國用于燒結生產的原料主要為鐵礦粉、熔劑 和燃料，某沿海地區煉鐵廠燒結原料中 MgO 來源及含量百分比如表 1 所示。可知，燒結原料中的MgO大部分來自于白云石，其MgO含量為 20. 68％ ， 加入白云石的主要目的是：得到一定堿度的燒結礦，使高爐冶煉可以不加或少加熔劑，以利于提高高爐冶煉強度、降低焦比。
1.2 MgO 的作用機理
高爐冶煉過程受爐渣中MgO含量的影響較為顯著，主要表現在：可提高爐渣的脫硫能力和流動性，抑制爐內堿金屬的循環積累，有利于改善爐渣排堿率等[6]。由于燒結礦中的 MgO含量過高會影響其冶金性能，進而影響高爐生產。因此，當原料條件一定時，如何優化燒結礦中的MgO含量就顯得至關重要。
長久以來，MgO作為高爐煉鐵工藝的重要組成部分受到了廣泛關注，燒結礦作為高爐冶煉的主要原料，其低溫還原粉化指數(RDI)是影響燒結礦品質的重要因素，不僅會影響高爐上部的透氣性、高爐順行，同時對能耗的影響也十分顯著[7]。有研究表明[8]，燒結原料中加入適宜的MgO在一定程度上具有抑制燒結礦低溫還原粉化的作用。通常，MgO對燒結礦有積極地作用，其可固溶于2CaO•SiO2 以穩定相變，提高燒結礦強度。當MgO適量時，液相流動性增強，玻璃相減少，可增加液相界面張力。但含量高于 4％~ 5％ 時燒結礦則不易熔化且伴有生料，強度降低[9，10]。熔滴性是燒結礦在高爐內的重要指標，適宜的 MgO含量可改善燒結礦的軟熔性能，提高高爐透氣性，保證高爐順行，提高高爐生產率。而還原性對熔滴性也有一定影響，一般來說，原料的熔滴性好，還原性也會好。因此，加入MgO 可以達到降低焦比和節約原料的目的，獲得更好的經濟效益。
2 原料條件及工藝技術變化對燒結礦中MgO含 量的影響
燒結礦的化學成分對其質量的影響顯著，當燒結工藝參數一定時，適宜的化學成分在提高燒結礦冶金性能的同時還能保證高爐的順行，提高企業經濟效益[11]。
2.1 原料條件變化對燒結礦中MgO含量的影響
2.2.1 Al2O3 對燒結礦中MgO含量的影響
2009 ~ 2017 年我國進口鐵礦石的數量如圖2 所示。可知，近年來我國進口鐵礦石數量顯著提升，由 2009 年的6.3 億t增加至 2017年的 10.75 億t， 漲幅70.63％，這都源于我國鋼鐵企業的快速發展。
表2 所示為部分進口鐵礦石與國產鐵礦石中的 Al2O3 含量。可知，進口鐵礦石的 Al2O3 含量比國產鐵礦石高，這會造成爐渣中的Al2O3 含量相應增加，從而使得爐渣粘度增加、流動性變差，不利于高爐冶煉[12－14] 。另外，Al2O3 含量的增加會提高燒結礦的低溫還原粉化率， 此時，在原料中加入適量 MgO 以形成鎂橄欖石等多種高熔點物質，不但有利于提高燒結礦的低溫還原粉化性能和軟化熔融特性，而且因 MgO 具有一定降低高爐渣粘度的作用，可緩解因爐料中Al2O3含量增加、高爐渣粘度增大所帶來的不利影響[15－18]。由此可知，隨著入爐原料中Al2O3 含量的增加，須相應提高并優化MgO 含量，以最大限度地提高燒結礦的冶金性能，改善高爐冶煉條件。
2.1.2 SiO2 對燒結礦中 MgO含量的影響
表3 所示為2015 ~ 2018年沿海地區某煉鐵廠燒結礦中 SiO2 含量變化。
由表 3 可知，2015 年至2018 年期間燒結礦中SiO2含量呈逐年降低的趨勢，這源于低硅燒結技術的發展。 迄今為止，我國大部分燒結礦都是高鐵低硅燒結礦，一般品質較高的燒結礦中SiO2含量范圍為 4.8％ ~5.1％ [19，20] ，其優勢是：有利于燒結過程中液相量的增加以及燒結礦的固結成型，改善燒結礦的還原性和高溫冶金性能[21，22]。
閆志武等[23]就 SiO2對燒結礦影響的方面進行了研究，得出：當 SiO2含量在4.6％ ~ 5.9％ 范圍時，對燒結礦的低溫還原粉化有抑制作用。其還原粉化指數隨著 SiO2含量的增加逐漸增大。張金柱等[24]的研究表明：當 SiO2含量為4.84％ ~ 5.0％ 時，燒結礦中的鐵酸鈣及硅酸二鈣減少，燒結礦強度降低，在燒結工藝參數及堿度一定時，適當降低燒結原料的 MgO含量可促進鐵酸鈣生成，提高燒結礦強度，同時降低固體燃耗和返礦率，從而獲得更好的經濟效益。 因此，當燒結礦中 SiO2 含量較低時，鐵酸鈣和液相量也相應較少，此時需適當降低MgO含量來緩解這一現象。
2.2 工藝技術對燒結礦中 MgO含量的影響
目前，我國高爐爐料結構主要由高堿度燒結礦配加酸性球團礦以及部分天然塊礦組成，其中燒結礦的MgO 含量約控制在 1.3％ ~ 2.3％ [25－27]。高 MgO 燒結礦對高爐冶煉不利，而鎂質球團礦則對其有改善作用[28]，低 MgO 燒結礦配加鎂質球團礦是未來煉鐵的新發展方向，此爐料結構不僅能滿足高爐的冶煉要求，同時也可改善燒結礦和球團礦的性能。2015 年，某沿海地區鋼鐵企業采用了低 MgO 燒結礦配加鎂質球團礦的爐料結構進行高爐冶煉，與常規爐料結構相比，燒結礦冶金性能如表4所示，高爐冶煉指標如圖3所示。
由圖3 可知，低MgO燒結礦配加鎂質球團礦的爐料結構，其高爐焦比、燃料比和渣比均有所降低。主要原因是，燒結礦中高MgO含量會使Mg2+ 占據 Fe2＋ 空位形成高熔點難還原的鎂鐵橄欖石，抑制磁鐵礦氧化生成赤鐵礦，進而不利于鐵酸鈣礦物的形成，導致燒結固體燃耗增加且燒結礦強度和還原性能惡化[29，30]。因此，燒結過程中應盡量降低MgO含量。 由表4還可看出，低MgO燒結礦的冶金性能比高堿度燒結礦好些，但因其MgO含量較低，會導致爐渣中MgO量也低，因此需要加入鎂質球團礦調節爐渣中的MgO含量。這種調節方式可在降低燒結燃耗且改善燒結礦冶金性能的同時滿足高爐的冶煉要求，是未來煉鐵發展的方向。
3 燒結礦中MgO含量的現狀分析
由燒結實驗可知適量MgO對燒結礦有積極的作用，即能改善燒結礦的低溫還原粉化性能，提高燒結礦的軟熔性能等。隨著燒結技術的進步與高爐精料技術的發展，燒結礦的軟熔性能有所提高、一定程度上改善了其低溫還原粉化現象，若再繼續向燒結礦中添加過多的MgO反而會使燒結礦的冶金性能變差。不利于高爐冶煉，2015 ~ 2017 年國內大型鋼鐵企業燒結礦中平均MgO含量變化如表5所示。
由表5可知，2015 年和2016 年各鋼鐵企業燒結礦中MgO 含量波動較小，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％，相較其它企業。首鋼京唐燒結礦中平均MgO含量最低，約為 1.35％，這與其采用低MgO燒結礦及鎂質球團礦的爐料結構有關[31]。
受燒結原料條件、設備條件及工藝水平的制約，過去幾年燒結礦中MgO含量呈現逐年降低的趨勢，為此需不斷地優化MgO含量，使其在不同的設備水平、原料條件下，能最大限度地提高燒結礦的質量。對于燒結原料條件而言，MgO在燒結礦中主要起改善高爐爐渣流動性、穩定性的作用，但在燒結過程中磁鐵礦晶格中的 Fe2＋ 空位易被 Mg2＋ 占據，形成難還原的鎂鐵橄欖石，不利于燒結生產，故應適量降低MgO 的含量。當燒結液相量較少時，MgO含量的增加對燒結礦的固結強度不利，而當固結強度僅受限于硅酸鹽相變時，MgO 含量的增加則有利于燒結礦的固結強度，就目前燒結原料高品位、低 SiO2 的趨勢，應當適當降低MgO的含量。目前，燒結礦中適宜的MgO含量應控制在1.3％ ~2.3％ ，隨著原料條件的變化及低MgO燒結礦配加鎂質球團的發展，燒結礦中MgO含量將會被持續優化，未來幾年內，燒結礦中MgO含量將會有所降低。
4 結論
(1) 隨著我國進口鐵礦粉使用量的增加，高爐渣中Al2O3含量也隨之增加，造成了爐渣冶金性能下降，為適應這種變化，采取適當提高高爐渣中MgO 含量的方法，即在燒結礦中添加適量的MgO。使生產效率及成品率等諸多方面都有顯著提高，尤其在高溫軟熔性上表現的最為明顯。 此外，添加適量的MgO可以提高爐渣脫硫能力及渣鐵分離能力，有利于高爐冶煉順行。
(2) SiO2 是液相形成的基礎，對燒結礦的固結有重要影響，適量的 SiO2可降低高爐渣量和能耗。有利于燒結礦的還原性和高溫冶金性能，但 SiO2 含量不宜過低，否則導致燒結過程的液相量減少，燒結礦強度變差，可以適當減少燒結礦中MgO 含量來改善這一現象。
(3) 隨著低 MgO 燒結礦配加鎂質球團礦的發展，燒結礦中MgO含量將略有下降，這種爐料結構既能滿足高爐的冶煉要求，同時又可改善燒結礦和球團礦的性能指標。因此，在未來的生產過程中，應 盡量減少燒結礦中的MgO 含量。
(4) 根據燒結原料條件的變化和煉鐵新工藝的發展而不斷優化燒結礦中的 MgO含量，可為整個高爐煉鐵過程中 MgO的合理配置提供理論基礎和技術依據。
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