铁矿烧结中铁酸钙形成的影响因素
范晓慧，孟 君，陈许玲，庄剑鸣，李 英，袁礼顺
(中南大学 资源加工与生物工程学院，湖南 长沙，410083)
摘 要：
摘 要：应用压团、焙烧方法，结合矿相分析，研究燃料配比、焙烧时间、焙烧温度、铁矿化学成分和铁矿粒度等因素对铁酸钙形成的影响。研究结果表明：随着燃料配比增加、焙烧时间延长及焙烧温度升高，各铁矿与氧化钙生成铁酸钙的量先增大后减小；适宜的燃料配比为0.5%，焙烧时间为13 min，焙烧温度为1 250～1 280 ℃；当铁矿粒度较大时，SiO2含量越高，生成铁酸钙的量越多；当铁矿粒度较小时，SiO2含量越高，生成铁酸钙的量就越少；粒度范围越宽的铁矿，生成铁酸钙的量越多。
关键词：
中图分类号：TF046.4 文献标识码：A 文章编号：1672-7207(2008)06-1125-07
Influence factors of calcium ferrite formation in iron ore sintering
FAN Xiao-hui, MENG Jun, CHEN Xu-ling, ZHUANG Jian-ming, LI Ying, YUAN Li-shun
(School of Resources Processing and Bioengineering, Central South University, Changsha 410083, China)
Abstract: Influences of fuel proportion, sintering time, roasting temperature, chemical composition and granularity size of iron ore on the formation of calcium ferrite were studied by means of agglomerating, roasting and minerals identification. The results show that the quantity of calcium ferrite increases and then reduces with the increase of fuel proportion, the prolonging of time and the rise of temperature. The fuel proportion is 0.5%, optimal conditions are as follows: time is 13 min, and temperature is 1 250-1 280 ℃. When iron ore granularity is coarse, the quantity of calcium ferrite increases with the increase of SiO2 content. When iron ore granularity is fine, the amount of calcium ferrite decreases with the increase of SiO2 content. Wider range of granularity of iron ore will produce longer the amount of calcium ferrite.
Key words: material containing iron; calcium ferrite; sintering
高炉精料是支撑我国钢铁工业快速发展的重要基础。入炉铁品位的提高是改善高炉精料中原料的主要方面。它虽然促进了高炉的技术进步，但也给优质炉料的生产带来了新的问题。我国烧结矿占入炉矿的80%左右，因此，提高入炉铁品位主要是提高烧结矿品位[1-3]。但是，随着烧结矿铁品位提高和SiO2含量下降，烧结矿中粘结相量减少，导致烧结矿强度降低，成品率下降，这不仅影响炉料的质量，还会影响正常生产[4-6]。因此，研究铁矿石与熔剂之间的反应特性，揭示在高铁低硅条件下如何增加粘结相量，在有限粘结相量条件下如何提高烧结矿强度，成为高炉精料的重要研究方向之一[7]。
铁酸钙是高碱度、高铁低硅烧结矿的主要粘结相，其生成量和结构是烧结矿质量的重要影响因素。20世纪80年代末90年代初，Matsuno等[8-17]进行了铁矿石与CaO反应特性的研究。主要方法是：将铁矿石磨细后与CaO试剂压片，在加热炉中焙烧(有的通入混合气体来模拟烧结气氛)后，通过显微镜观察研究铁酸钙生成特性。这些研究均是将铁矿石磨碎至一定的粒度后，再研究其与铁酸钙的反应特性，侧重于铁矿石的化学性质对铁酸钙生成的影响。实际上，不同矿石之所以表现出不同的成矿特性，除了化学成分不同外，还有一个重要因素是铁矿的粒度和粒度组成的影响。在此，本文作者研究燃料配比、烧结时间、焙烧温度以及铁矿化学成分和粒度对铁酸钙形成的影响，以便为评价各铁矿的成矿性能和指导配矿提供理论依据。
1 原料性能及试验方法
1.1 原料性能
试验所用原料的化学成分如表1所示，粒度组成如表2所示。
表1 烧结原料化学成分
Table 1 Chemical composition of sintering materials %
表2 铁矿石粒度组成
Table 2 Size distribution of iron ores
由表1和表2可见，除FSF矿外，其他6种铁矿的铁品位都较高(均大于64%)，其中，PF矿的铁品位最高，为67.22%，各矿的SiO2含量比较低(2%~5%)，烧损(Ig)均小于1.8%。从粒度组成看，FSF，CSF，MHSFC和MHSF这4种矿粒度较大；MHPF，MHPFC和PF这3种矿粒度小于0.5 mm的含量占85%以上；各粉矿中0.5~1 mm粒级含量较少。
1.2 试验方法
1.2.1 原料准备
将试验所用的铁矿样品在110 ℃的烘箱内干燥 2 h，冷却筛分，将各不同粒级矿分别保存。试验所用燃料和CaO由球磨机磨至一定的粒度(小于0.15 mm)。将每一种铁矿石样品与一定量的焦粉和CaO混合。为了保证铁酸钙粘结相的生成量，混合料的碱度确定为R=3.0。
1.2.2 压 团
将铁矿、燃料和CaO的混匀料50 g，在20 kN压力下，压制成直径为30 mm的矿粉小饼。
1.2.3 焙 烧
将压制的矿粉小饼放置室内风干后，在管炉内进行焙烧。焙烧时，从炉口到预热点以及从预热点到焙烧点均是采用相同的推进速度推入，冷却过程则是沿着相反方向进行(下面所讲的烧结时间就是指在焙烧点进行焙烧的时间)。
1.2.4 铁酸钙生成量的鉴定
将焙烧后的团块进行煮胶定型，然后磨片，在Leica DM RXp电动聚焦透返两用偏光显微镜下，对铁酸钙的生成情况通过QWIN图像分析软件进行面积定量统计，用铁酸钙的面积百分比来评价其生成量。
2 结果与分析
2.1 燃料配比对铁酸钙生成量的影响
烧结料中燃料配比(即燃料(焦粉)与矿物小饼原料的质量比)对烧结矿的矿物组成和结构有很大影响。本试验在焙烧温度为1 250 ℃，烧结时间为13 min，以MHSF为铁矿原料，研究燃料配比(0%，0.5%，1%和3%)对铁酸钙生成量的影响，结果如图1所示。各燃料配比的特征矿相见图2。
图1 燃料配比对生成铁酸钙量的影响
Fig.1 Effect of fuel ratio on content of calcium ferrite
燃料配比: (a) 0; (b) 0.5%; (c) 1%; (d) 3% A—孔洞；B—Fe2O3和Fe3O4；C—铁酸钙；D—金属铁；E—浮士体FeO
图2 燃料配比不同时的特征矿相
Fig.2 Microscopic structures for different fuel ratios
由图1可以看出：随着燃料配比的增加，铁酸钙的生成含量先增大后减小。在燃料配比为0.5%时，铁酸钙含量达最大值41.05%。结合图2所示矿相可以看出：当燃料配比为3%时，由于有金属铁和浮士体FexO出现，Fe2O3含量相对减少，从而导致最终生成铁酸钙的含量最少；燃料配比为1%，没有金属铁生成，但有较多浮士体FexO存在，故Fe2O3含量减少，进而导致最终生成铁酸钙的含量较少；当燃料配比为0.5%时，金属铁和浮士体FexO含量较少，铁的氧化物为磁铁矿和赤铁矿，生成大量铁酸钙；当燃料配比为0时，铁的氧化物为磁铁矿和赤铁矿，铁酸钙没有大量生成，其含量较少。由于实际烧结过程呈现局部还原气氛，所以，本研究采用的燃料配比为0.5%。
2.2 烧结时间对生成铁酸钙的影响
应用铁矿MHSF，在1 250 ℃、燃料配比为0.5%的条件下，研究烧结时间对生成铁酸钙含量的影响，
结果如图3所示。由图3可见：铁矿与CaO生成铁酸钙的含量随烧结时间的延长先增大后减小，烧结时间为5~9 min时，铁酸钙含量由11.13%迅速增加到31.01%；而当烧结时间由9 min延长到13 min时，铁酸钙含量由31.03%增加到41.50%；再延长烧结时间到17 min，铁酸钙含量由41.50%迅速降低到22.11%。因此，最优的烧结时间为13 min。
图3 烧结时间对生成铁酸钙量的影响
Fig.3 Effect of sintering time on content of calcium ferrite
2.3 焙烧温度对铁酸钙含量的影响
焙烧温度对铁酸钙含量的影响见图4，特征矿相见图5。
图4 焙烧温度对铁酸钙含量的影响
Fig.4 Effect of roasting temperatures on content of alcium ferrite
温度/℃：(a) 1 200；(b) 1 250；(c) 1 280；(d) 1 300 A—孔洞；B—铁氧化物；C—铁酸钙
图5 不同温度条件下的特征矿相(以MHSF为例)
Fig.5 Microscopic structure for different roasting temperatures
由图4可以看出，由于各种铁矿的化学成分和粒度不同，铁酸钙的生成含量也不相同。铁酸钙生成含量随着温度的升高先增大后减小：铁矿MHSF和MHSFC的铁酸钙生成最大含量的温度为1 250 ℃，其他各铁矿中生成铁酸钙最大含量的温度为1 280 ℃。说明烧结过程中铁酸钙生成温度范围为1 250~1 280 ℃。
结合图5可以看出，焙烧温度对矿相结构也有一定的影响：当焙烧温度为1 100~1 200 ℃时，生成10%~30%的铁酸钙，晶粒间未连接，强度低；当烧结温度升高为1 200~1 250 ℃时，生成30%~40%的铁酸钙，生成晶桥开始连接，有针状交织结构出现，强度较高；当烧结温度升高到1 250~1 280 ℃时生成40%~60%的铁酸钙，形成针状交织结构，强度最高；当烧结温度升高到1 280~1 300 ℃时，铁酸钙含量下降到20%~40%，铁酸钙的形貌也随着烧结温度的升高由针状变成柱状和板状结构，强度降低。
2.4 铁矿性能对铁酸钙含量的影响
2.4.1 化学成分对铁酸钙生成含量的影响
针对铁矿MHSF，用磨矿后粒度低于0.5 mm和粒度为1~3mm的铁矿和原矿筛出粒度低于0.5 mm和粒度为1~3 mm的铁矿和原矿进行对比试验，研究化学成分对铁酸钙生成量的影响，结果见表3。可以看出：对同一矿种，在粒度相同、Al2O3和 TFe含量相近的条件下，SiO2含量对铁酸钙生成量的影响比较大；在矿种粒度为1~3 mm时，SiO2含量越高，铁酸钙的含量就越多；当矿种粒度低于0.5 mm时，SiO2含量越高，铁酸钙的含量就越少。
表3 化学成分对铁酸钙生成量的影响
Table 3 Effect of chemical composition on calcium ferrite
针对不同矿种，化学成分对铁酸钙生成含量的影响如表4所示，特征矿相如图6所示。
表4 各矿石对铁酸钙最大生成含量的影响
Table 4 Effect of kinds of iron ore on maximum calcium ferrite
(a) FSF; (b) CSF; (c) MHSFC; (d) MHSF; (e) MHPFC; (f) MHPF; (g) PF A—孔洞；B—铁氧化物；C—铁酸钙
图6 各铁矿在铁酸钙最大生成量下的特征矿相
Fig.6 Microscopic structures in maximum calcium ferrite for different iron ores
比较FSF和CSF 2种粗粒度的铁矿可以看出：在粒度相近、Al2O3含量相同的条件下，SiO2含量越高，铁酸钙的生成量越多。MHSFC和MHSF也具有相同的规律；比较MHPFC和MHPF 2种细粒度的铁矿可以看出：在铁矿粒度相近、Al2O3含量相同的条件下，SiO2含量越高，铁酸钙的生成量略少。上述规律与同一矿种的规律一致。
2.4.2 粒度对铁酸钙生成量的影响
铁矿MHSF的原始平均粒度为2.78 mm，将其磨至粒度低于0.5 mm，1 mm和3 mm 3个不同的粒级范围，在温度为1 250 ℃，燃料配比为0.5%，焙烧时间为13 min的条件下，研究粒度范围对铁酸钙生成量的影响，结果如图7所示。
图7 粒度对生成铁酸钙量的影响
Fig.7 Effect of particle size on formation of calcium ferrite
由图7可以看出：在化学成分一定的条件下，铁矿与CaO生成铁酸钙的含量随铁矿粒度的增大而增大；粒度范围越宽，与CaO反应生成铁酸钙的含量越大。由表5也可以看出，平均粒度大于1 mm的铁矿，总体比平均粒度小于0.5 mm的铁矿与CaO反应生成酸钙的含量要大，并且平均粒度大于1 mm的铁矿，与平均粒度小于0.5 mm的铁矿相比，其最大铁酸钙生成含量的温度略低。
3 结 论
a. 实验所用各铁矿与氧化钙生成铁酸钙的含量随着燃料、焙烧温度、烧结时间的改变先增大后减 少。适宜的烧结时间为13 min，焙烧温度为1 250~ 1 280 ℃，在燃料配比为0.5%时铁酸钙的含量最大，说明铁酸钙易于在整体氧化局部弱还原气氛中形成。
b. 在其他条件相同的情况下，铁矿的SiO2含量对铁酸钙生成量的影响较大；铁矿粒度较粗时，若铁矿SiO2含量越高，则铁酸钙的含量就越多；铁矿粒度较细时，SiO2含量越高，则铁酸钙的含量就越少。
c. 在化学成分相同的条件下，铁矿与CaO生成铁酸钙的量随铁矿的粒度的增大而增多；粒度范围越宽的铁矿，铁酸钙的含量越大。
参考文献：
[1] 于 强. 铁精矿高铁低硅烧结技术[J]. 山西冶金, 2006, 29(2): 41-42.
YU Qiang. Low-SiO2 sintering technology of iron ore concentrates[J]. Shanxi Metallurgy, 2006, 29(2): 41-42.
[2] 傅菊英, 姜 涛, 朱德庆. 烧结球团学[M]. 长沙: 中南工业大学出版社, 1996: 225-232.
FU Ju-ying, JANG Tao, ZHU De-qing. Sintering and pelleting[M]. Changsha: Central South University of Technology Press, 1996: 225-232.
[3] 叶匡吾. 高炉炉料结构与精料[J]. 烧结球团, 2001, 26(3): 6-7.
YE Kuang-wu. BF burden composition and burden materials preparation[J]. Sintering and Pelleting, 2001, 26(3): 6-7.
[4] 范晓慧, 陈许玲, 李 骞, 等. 含钛铁精矿高铁低硅烧结技术[J]. 中南大学学报: 自然科学版, 2006, 37(3): 481-486.
FAN Xiao-hui, CHEN Xu-ling, LI Qian, et al. High iron and low silica sintering techniques of titaniferous iron concentrate[J]. Journal of Central South University: Science and Technology, 2006, 37(3): 481-486.
[5] 王荣成, 傅菊英. 高铁低硅烧结技术研究[J]. 钢铁, 2007, 42(6): 17-20.
WANG Rong-cheng, FU Ju-ying. Study on production of high Fe and low SiO2 sinter[J]. Iron and Steel, 2007, 42(6): 17-20.
[6] 陈 宏, 张美芳. 铁矿粉反应性研究[J]. 宝钢技术, 2001(5): 17-20.
CHEN Hong, ZHANG Mei-fang. Research on reactivity of iron ore fines[J]. Technical of Baosteel, 2001(5): 17-20.
[7] 刘振林. 铁矿石烧结的铁酸钙生成特性研究[J]. 山东冶金, 2003, 12(6): 46-48.
LIU Zhen-lin. Study of producing characteristics of monocalcium ferrite in iron ore sintering[J]. Shandong Metallurgy, 2003, 12(6): 46-48.
[8] Matsuno F, Harard T. Changges of mineral phases during the sintering of iron ore-lime stone system[J]. Transactions ISIJ, 1981, 21: 318.
[9] 黄柱成, 韩志国, 江 源, 等. MgO对以细磁铁精矿为主的低硅烧结的影响[J]. 中南大学学报: 自然科学版, 2005, 36(5): 800-806.
HUANG Zhu-cheng, HAN Zhi-guo, JIANG Yuan, et al. Influence of MgO on sinter mainly made from fine magnetite concentrate[J]. Journal of Central South University: Science and Technology, 2005, 36(5): 800-806.
[10] Maeda T, Ono Y. Kinetics of gaseous reduction of quaternary calcium ferrite[C]//Proceeding of The Six international Iron & Steel Congress. Nagoya; ISIJ. 1990.
[11] 吴胜利, 刘 宇, 杜建新. 铁矿石烧结基础特性之新概念[J]. 北京科技大学学报, 2002, 24(3): 254-257.
WU Sheng-li, LIU Yu, DU Jian-xin. The new conception of basic characteristic in iron sintering[J]. Journal of University of Science and Technology Beijing, 2002, 24(3): 254-257.
[12] Hsieh L H, Whiterman J A. Sintering conditions for simulating the formation of mineral phases in industrial iron ore sinter[J]. ISIJ International, 1989, 29(1): 318.
[13] Hsieh L H, Whiterman J A. Effect of oxygen potential on mineral formation in lime-fluxed iron ore sinter[J]. ISIJ International, 1989, 29(8): 625.
[14] Loo C E, Williarns R P, Mattews L T. Designing iron ore sinter mixes for optimum raw material utilization[C]//Proceeding of The Six international Iron & Steel Congress. Nagoya. ISIJ, 1990.
[15] Chaigneau R. Complex calcium ferrites in the blast furnace process[D]. Stevinweg: Delft University Press, 1994.
[16] 段东平, 王树同, 孔令坛. 微型烧结法分析[J]. 北京科技大学学报, 2000, 22(5): 422-426.
DUAN Dong-ping, WANG Shu-tong, KONG Ling-tan. Analyse in minisize sintering[J]. Journal of University of Science and Technology Beijing, 2000, 22(5): 422-426.
[17] 王海涛. 典型进口矿烧结特性研究[D]. 长沙: 中南大学资源加工与生物工程学院, 2005.
WANG Hai-tao. Research on the sintering characteristics of typical important iron ores[D]. Changsha: School of Resources Processing and Bioengineering, Central South University, 2005.
收稿日期：2008-01-20；修回日期：2008-03-25
基金项目：教育部新世纪优秀人才支持计划基金资助项目(NCET-05-0630)；国家自然科学基金和上海宝钢集团公司联合资助项目(50374080)
通信作者：范晓慧(1969-)，女，河北昌黎人，博士，教授，博士生导师，从事铁矿石造块与直接还原、钢铁冶金数学模型与人工智能研究；电话：0731-8830542；E-mail: csufanxiaohui@126.com
