鄭亞增

（河鋼大河能源環境科技有限公司）

摘  要：國內各大鋼鐵企業對鋼渣的再利用均有不同程度的開發,鋼渣中 CaO 含量在 40%~50％,燒結料中配入一定比例的鋼渣，有利于改善燒結礦強度，提高燒結礦成品率，降低固體燃料消耗，還可以部分替代燒結熔劑降低生產成本,本論文在目前燒結工藝條件下,鋼渣參與配料對燒結生產的影響,還分析了配加鋼渣對生成成本的影響。

關鍵詞：鋼渣；燒結礦；配比 

1 國內外研究進展

轉爐鋼渣中的 CaO 含量在 40%~50％，主要以硅酸三鈣、硅酸二鈣、鐵酸鈣及游離 CaO 等低熔點礦物形式存在。燒結料中配入一定比例的鋼渣，一方面有利于燒結生產過程中液相的生成，改善燒結礦強度，提高燒結礦成品率，降低固體燃料消耗；另一方面，鋼渣可以部分替代燒結熔劑（石灰石、生石灰），實現資源的綜合利用。

通過相應的實踐證明，單配 1.5%~5%的鋼渣，能夠獲得更高品位的燒結礦，品位普遍能達到 58%以上。但是鋼渣總配比一旦超過8%，其生產就會處于不穩定狀態，特別是對堿度影響較大。

隨著鋼渣配入量的增加，燒結料性能和料層透氣性、燒結溫度、燒結速度及燒結利用系數有所提高，鋼渣對燒結礦冶金性能有很大的影響。隨鋼渣配比的增加，燒結礦的還原率呈現不斷降低的趨勢，而粉化性能卻得到了明顯的改善。

圖1

圖2 轉爐鋼渣代表性礦物的 SEM-BEI 照片

（a）大顆粒粒狀硅酸二鈣和邊部析出無定形狀鐵酸鈣；（b）硅酸二鈣內部固溶粒狀方鎂石顆粒；

（c）殘余狀鐵酸鈣形成 “破洞” 結構；（d）方鎂石邊部形成 RO 相包邊結構

2 高比例鋼渣處理對燒結經濟技術指標影響研究

2.1 研究意義

通過燒結杯實驗設備，進行不同鋼渣配加量下燒結杯實驗，探究不同鋼渣配加量對燒結經濟技術指標，如化學成分、轉鼓強度、成品率等的影響。

2.2研究目標

基于現場燒結各項指標制定燒結杯實驗方案，增加鋼渣在原料中的配比至5%以上，并減少鈣灰、鎂灰的配加量，以達到降低燒結過程CO2排放的目的。

2.3研究內容

設定點火負壓為8kPa，點火時間為1.5min，燒結負壓為14kPa條件下的七組燒結杯實驗。第一組實驗為預實驗，該組實驗目的在于按照現場燒結配比在探究合適燒結參數的同時，為燒結杯實驗提供返礦，返礦量設定為外配10%；第二至五組實驗燒結原料中鋼渣配比分別為2%，4%，5%，6%，7%，8%。

圖4 礦粉原料化學成分分析

圖5 礦粉原料化學成分分析

圖6 燒結杯實驗配礦方案

3 高比例鋼渣處理對燒結經濟技術指標影響研究

圖7 燒結杯實驗垂直燒結速度

圖8 燒結杯實驗混合料燒損率

垂直燒結速度分別受到粒度組成及液相生成量影響，當鋼渣配加量為2%時，由于燒結混合料粒度較大，根據實際燒結礦化學成分檢測結果可知，其SiO₂含量較少即液相生成量較少，因此其垂直燒結速度最大。

當鋼渣配比過大時，液相生成量過高，燒結時間延長，垂直燒結速率降低，該條件下易發生燒結過燒現象。

由于鋼渣中含有較高含量的S元素，S元素揮發程度不同以及磁鐵礦、赤鐵礦比例不同會導致不同實驗間存在較大的燒損差異。

圖9

隨鋼渣配加量增大，燒結礦轉鼓強度逐漸升高。鋼渣中CaO及SiO2含量較高，且CaO通常以硅酸二鈣和硅酸三鈣的礦物形態呈現，易與鐵礦物反應生成低熔點的鈣鐵橄欖石，鐵酸鈣等化合物，導致燒結過程液相增加。

當鋼渣配加量達到7%時，液相增多，含鐵相和膠結相結晶程度好，改變礦相結構，進而改善了燒結礦的轉鼓強度。而鋼渣配加量過大（8%），則導致液相過多，燒結礦呈現薄壁大孔結構，轉鼓指數顯著降低。

鋼渣配加量對燒結礦粒度組成影響明顯，隨著鋼渣配比增大，大粒級燒結礦占比呈現出逐漸增大趨勢，當鋼渣配比為5%和6%時，大粒級燒結礦占比基本保持一致，該燒結礦粒度組成趨勢與燒結礦轉鼓強度基本相同。

圖10

當鋼渣配比為7%時，燒結礦成品率最高為88.27%，當鋼渣配比繼續增大時成品率基本保持穩定，鋼渣配加對于提升燒結成品率具有一定優化作用。

隨著鋼渣配加量增大，燒結固體燃耗呈現出減小后升高趨勢，但當鋼渣配加量大于6%時，固體燃耗逐漸升高，實驗中固體燃耗均在52.44kg/t以上。

當鋼渣配比高于5%時，配加鋼渣可在一定程度上改善燒結制粒效果，提升燒結混合料粒度。

當鋼渣配加量為2%時，由于燒結混合料粒度較大，SiO2含量較少即液相生成量較少，因此其垂直燒結速度最大。當鋼渣配比過大時，液相生成量過高，燒結時間延長，垂直燒結速率降低，該條件下易發生燒結過燒現象。

鋼渣中CaO及SiO2含量較高，且CaO通常以硅酸二鈣和硅酸三鈣的礦物形態呈現，易與鐵礦物反應生成低熔點的鈣鐵橄欖石，鐵酸鈣等化合物，當鋼渣配比小于7%，隨鋼渣配加量增大，燒結礦轉鼓強度逐漸升高。

燒結礦粒度組成趨勢與燒結礦轉鼓強度基本相同，主要受到垂直燒結速度及固相反應過程液相生成量影響，當鋼渣配加量7%時轉鼓強度最高，鋼渣配比過高時，液相生成量過高，轉鼓指數降低。

不同鋼渣配加量條件下，燒結杯實驗成品率均在82%以上，達到了較高水平，該趨勢與燒結礦轉鼓強度基本保持一致，可知鋼渣配加對于提升燒結成品率具有一定優化作用。

當鋼渣配加量為2%時，燒結固體燃耗最高為54.79kg/t，隨著鋼渣配加量增大，燒結固體燃耗呈現出減小趨勢，配加鋼渣6%以下有利于減小燒結過程固體燃耗，但鋼渣配加量過高易引起固體燃耗上升。

4 高比例鋼渣處理對燒結礦冶金性能的影響研究

圖11

本次燒結杯實驗的燒結礦低溫還原粉化實驗按照中國國家標準（GB/T 13242—91）檢驗方法所使用的裝置及工藝參數進行實驗。

隨著鋼渣配比的增大，燒結礦低溫還原粉化指數呈現出先升高后降低趨勢。

結合燒結經濟技術指標分析可以看出，隨著鋼渣配加量的增大，燒結礦中SiO2化學成分含量升高，較多的赤鐵礦與CaO，Al2O3，SiO2形成了復合鐵酸鈣液相，進而有效避免了低溫還原粉化過程中的晶格轉變，導致燒結礦低溫還原粉化性能隨著鋼渣配加量的增大而逐漸改善。

在燒結堿度為2.10條件下，鋼渣配加量為5%時，燒結礦低溫還原粉化性能最優。

圖12

燒結杯實驗燒結礦還原度指數：

在相同堿度條件下，隨著鋼渣配加量增加，燒結礦還原性先由84.78%升高至88.66%，當鋼渣配加量為5%時出現還原性峰值，隨后還原性逐漸降低。

四組燒結礦FeO含量變化趨勢為逐漸降低，隨著燒結混合料中鋼渣占比的增加，燒結礦中復合鐵酸鈣含量增加有利于燒結礦的還原；但鋼渣加入過多后，使得整體礦相中硅酸鹽物相增加，抑制燒結礦的還原性。

圖13

隨著鋼渣配比增大增加，由于鎂鋁比相應增加，容易形成高熔點化合物，熔融終了溫度增大，其壓差也呈現增大的趨勢。

當鋼渣配比達到6%，熔融終了溫度最高，達到了1545℃，熔融終了溫度過高會造成燒結礦在高爐內不易滴落，影響高爐爐況的順行，當鋼渣配比為4%時燒結礦軟熔區間相對較窄，透氣性較好。

5 鋼渣中釩鈦在燒結過程中的遷移規律研究

圖14

圖15

樣品中硅酸鹽物相及復合鐵酸鈣物相較為明顯，同時樣品中含有一定量的Fe3O4、Fe2O3物相，且復合鐵酸鈣大多呈現針狀結構。

配加量為2%時，鈣鈦礦多呈不定形晶和他形晶填充于磁鐵礦晶粒間，部分呈樹枝狀集中分布，鈦磁鐵礦主要以自形、半自形晶形態存在，其間被玻璃質膠結形成斑狀結構；局部微區中鈦磁鐵礦與鈣鈦礦晶粒緊密相連，其間粘結相量較少。

配比為4%時，Ti元素主要以鈣鈦礦礦相存在于燒結礦中，此時，鈣鈦礦礦相仍然呈現出不定形和他晶形，主要填充于與復合鐵酸鈣相伴生的Fe2O3礦相及Fe3O4礦相之間。

配比為5%時，燒結礦礦相結構不均勻，主要為熔蝕結構和骸晶結構，局部為交織熔蝕結構和粒狀結構。鐵酸鈣和鈣鈦礦為主要膠結相。鐵酸鈣多呈柱狀及針狀他形晶。鈣鈦礦部分呈樹枝狀與復合鐵酸鈣物相交織分布中，少量為不定形晶和他形晶填充于磁鐵礦、赤鐵礦晶粒間。

配加量為6%時，鐵酸鈣和鈣鈦礦為主要膠結相,鐵酸鈣多呈柱狀和板狀。鈣鈦礦主要為不定形晶和他形晶填充于磁鐵礦、赤鐵礦及鐵酸鈣物相晶粒間，在一定程度上阻礙了鐵酸鈣及赤鐵礦物相的進一步連晶發展。

圖16

鈣鈦礦可以多種方式形成。熱力學分析表明，CaO-TiO₂、CaO-FeO-TiO₂、CaO-FeO-TiO₂、CaO-Fe₂O₃-TiO₂、CaO-Fe₂O₃-FeO-TiO₂和CaO-Fe₂O₃-2FeO-TiO₂之間的反應都產生了鈣鈦礦（CaO-TiO₂）。

然而，在實際實驗中，鈣鈦礦的形成取決于反應的動力學條件。上述反應可分為固相反應和液-固相反應，此外液-液相反應也是可能發生的。

結合SEM電鏡實驗及XRD檢測結果分析可知，在燒結過程的高溫條件下，Ti元素遷移及反應過程可由以下反應過程(1)-(8)表示，鐵酸鈣可能分解并還原，使更多的CaO與含TiO₂的礦物反應形成鈣鈦礦，即出現鈣鈦礦填充于鐵酸鈣交織結構阻礙鐵酸鈣進一步連晶的情況。因此，應結合現場釩鈦磁鐵礦燒結工藝參數調整堿度，優化燒結礦冶金性能。

圖17

6 結論

（1）隨著鋼渣配比的增大，燒結礦低溫還原粉化指數呈現出先升高后降低趨勢。結合燒結經濟技術指標分析可以看出，隨著鋼渣配加量的增大，燒結礦中SiO₂化學成分含量升高，較多的赤鐵礦與CaO，Al₂O₃，SiO₂形成了復合鐵酸鈣液相，進而有效避免了低溫還原粉化過程中的晶格轉變，導致燒結礦低溫還原粉化性能隨著鋼渣配加量的增大而逐漸改善。

（2）在相同堿度條件下，隨著鋼渣配加量增加，燒結礦還原性先由84.78%升高至88.66%，當鋼渣配加量為5%時出現還原性峰值，隨后還原性逐漸降低。當鋼渣配比達到6%，熔融終了溫度最高，達到了1545℃，鋼渣配比過高時，鎂鋁比相應提高，易導致軟熔區間增大，影響高爐冶煉過程透氣性，對高爐生產過程造成不利影響，當鋼渣配比為4%時燒結礦軟熔區間相對較窄，透氣性較好。

（3）在堿度為2.10條件下，隨著鋼渣配加量增大，燒結礦中TiO₂含量逐漸升高。含鈦燒結礦中的鈦主要以鈣鈦礦形式存在于燒結礦中，隨著燒結礦中鈦質量分數的升高，在燒結過程中會有少量的鈦溶于鐵酸鹽液相，因此鈣鈦礦常與磁鐵礦、赤鐵礦相以及復合鐵酸鈣礦相呈現出填充交織結構。隨著燒結礦中鈣鈦礦相增加，燒結礦中礦相復雜性增強，礦相逐漸不均勻化，主要的粘結礦相由復合鐵酸鈣相轉變為鐵酸鈣及鈣鈦礦相。當鋼渣配加比例進一步增大時，鈣鈦礦含量進一步增大，導致燒結礦相不均勻，阻礙鐵酸鈣液相的連晶發展，對于燒結礦強度產生不利影響。

參考文獻

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