刘川川
（河钢集团邯钢公司 生产制造部 河北 邯郸 056002）
摘 要：对邯钢常用8种铁矿粉的同化性、液相流动性、黏结相强度、铁酸钙生成能力等高温特性进行了研究，在此基础上，根据铁矿粉高温特性互补原理，设计了7组配矿方案并进行烧结杯实验，获得了较好的烧结效果，验证了基于铁矿粉高温特性的烧结优化配矿方法的可行性，为邯钢改善烧结矿质量、降低铁成本提供了对策。
关键词：铁前和原料；铁矿粉；高温特性；优化配矿
1 前言
邯钢高炉炉料结构主要以高碱度烧结矿、酸性球团矿和块矿为主，其中烧结矿占70%以上，长期以来，烧结配矿时，主要依据铁矿粉的化学成分和物理性能来选择铁矿粉种类，然后通过烧结杯试验搭配合理的配矿结构来组织生产，这种方法对指导烧结生产起到一定作用，但对于烧结矿成矿特性、质量指标深度研究和预测作用却十分有限。
不同铁矿粉具有不同的烧结特性，即使化学成分相近的矿粉，其烧结特性也可能有很大差别，其中铁矿粉的同化性、液相流动性、黏结相强度、铁酸钙生成特性亦是影响烧结矿成矿、质量指标的重要因素。因此，邯钢通过对常用8种铁矿粉高温特性的研究来指导并优化配矿方案，为改善烧结矿质量及冶金性能提供技术支撑。
2 邯钢烧结常用铁矿粉化学成分（表1）
表1 邯钢铁矿粉的化学成分 / %
Handan Iron and steel slag chemical composition
|
S |
TFe |
SiO2 |
CaO |
MgO |
TiO2 |
Al2O3 |
LOI |
|
|
涞源精粉 |
0.22 |
63.76 |
3.47 |
0.33 |
5.30 |
0.03 |
0.22 |
-1.00 |
|
高碱度精粉 |
0.19 |
50.92 |
6.71 |
14.79 |
3.40 |
0.46 |
1.42 |
-2.00 |
|
邯邢精粉 |
0.18 |
66.00 |
2.80 |
0.98 |
2.18 |
0.15 |
0.54 |
-1.00 |
|
PB粉 |
0.04 |
61.39 |
3.59 |
0.08 |
0.19 |
0.09 |
2.14 |
5.00 |
|
巴西卡粉 |
0.03 |
64.24 |
2.93 |
0.13 |
0.30 |
0.11 |
1.56 |
2.30 |
|
南非粉 |
0.03 |
63.41 |
6.28 |
0.19 |
0.22 |
0.07 |
1.47 |
0.88 |
|
纽曼粉 |
0.04 |
62.41 |
4.28 |
0.08 |
0.21 |
0.09 |
2.12 |
4.00 |
|
扬迪粉 |
0.03 |
57.13 |
5.71 |
0.07 |
0.22 |
0.09 |
1.43 |
11.05 |
（1）国内精粉中除了高碱度精粉外，其他精粉的品位均大于60%，其中邯邢精粉高达66%，国内3种矿粉铝硅比较低，均在0.20以下，对于控制高炉渣Al2O3含量有益；
（2）澳洲矿粉为赤铁矿、褐铁矿混合类型，其烧损较高，为4%-11.5%。PB、纽曼粉铝硅比较高，在0.50-0.60之间；扬迪粉的品位稍低，SiO2含量较高；
（3）巴西卡粉品位高，但铝硅比较高，为0.53，烧损低，为2.3%；
（4）南非粉品位较高，铝硅比较适宜，烧损低于1%。
3邯钢用铁矿粉的烧结高温特性研究
针对邯钢烧结常用8种铁矿粉进行了烧结高温特性实验测定，并明确它们互补原则，从而指导烧结优化配矿。
3.1同化特性
铁矿粉的同化特性反映其在烧结过程中与钙质溶剂反应生成液相的能力，实验中根据同化温度（即铁矿粉与CaO接触面上发生反应而开始熔化的最低温度）的高低来评价铁矿粉同化性能强弱。同化温度越低，则表明这种铁矿粉的同化性越强，液相生成越容易，反之亦然。而过高的同化性因生成液相量较多，会影响烧结料层透气性，故要求铁矿粉的同化性适宜。邯钢烧结常用铁矿粉同化温度如下表2：
表2 邯钢铁矿粉的最低同化温度 / ℃
The lowest temperature of Handan Iron and steel slag assimilation
|
原料名称 |
同化温度 |
原料名称 |
同化温度 |
|
涞源精粉 |
1353 |
巴西卡粉 |
1270 |
|
高碱度精粉 |
1225 |
南非粉 |
1235 |
|
邯邢精粉 |
1291 |
纽曼粉 |
1260 |
|
PB粉 |
1215 |
扬迪粉 |
1225 |
从结果看，PB粉、扬迪粉、高碱度精粉、南非粉的最低同化温度均低于1250℃，同化性较强；纽曼粉和巴西卡粉的最低同化温度介于1260-1280℃之间，同化性适中；邯邢和涞源精粉的最低同化温度大于1290℃，同化性较差。
在烧结配矿时应根据铁矿粉同化性的差异，互补搭配使用，以确保烧结液相生成量和透气性合适，从而提高烧结矿产率和强度。
3.2液相流动性
铁矿粉液相流动特性指铁矿粉在烧结过程中与CaO生成的液相的流动能力，它表征了铁矿粉烧结过程生成黏结相的“有效黏结范围”。 一般来说，液相流动性较高时，其粘结周围的物料的范围较大，因此可以提高烧结矿的强度；反之，液相流动性过低时，粘结周围物料的能力下降，导致烧结矿的气孔增加，使烧结矿的强度下降。但是，粘结相得流动能力不能过大，否则对周围物料的粘结层厚度会变薄，烧结矿易形成薄壁大孔结构，使烧结矿整体变脆，强度降低，也使烧结矿的还原性变差。由此可见，适宜的液相流动性是保证烧结矿有效固结的基础。实验中一般用液相流动性指数来衡量铁矿石的液相流动性。邯钢烧结常用铁矿粉液相流动性如下表3：
表3 邯钢铁矿粉的液相流动性指数
Handan Iron and steel slag fluidity of liquid phase
|
原料名称 |
液相流动性指数 |
原料名称 |
液相流动性指数 |
|
0.30 |
巴西卡粉 |
0.24 |
|
|
高碱度精粉 |
1.14 |
南非粉 |
1.42 |
|
邯邢精粉 |
0.17 |
纽曼粉 |
0.46 |
|
PB粉 |
0.24 |
扬迪粉 |
0.80 |
从结果看，邯邢精粉、PB粉、巴西卡粉、涞源精粉、纽曼粉、的液相流动性指数较低，均小于0.7；扬迪粉、高碱度精粉、南非粉的液相流动性指数适中，处于0.7～1.6范围内。
烧结配矿时，要考虑将不同液相流动性的矿粉搭配使用，保证混合料的液相流动性适宜，这对提高烧结成品率和强度具有积极意义。
3.3黏结相自身强度
黏结相自身强度指铁矿石在烧结生产过程中形成的液相对其周围的核矿石进行固结的能力，它在很大程度上决定了烧结矿的强度，足够的黏结相虽然是烧结矿的固结基础，但黏结相的自身强度也是非常重要的因素。实验中以小饼抗压强度值作为该矿粉的黏结相强度，邯钢烧结常用铁矿粉黏结相强度如下表4：
表4 邯钢铁矿粉的黏结相强度 / N
Handan Iron and steel slag binder strength
|
原料名称 |
粘结性强度/N |
原料名称 |
粘结性强度/N |
|
4904.0 |
巴西卡粉 |
4257.0 |
|
|
高碱度精粉 |
182.0 |
南非粉 |
2568.0 |
|
邯邢精粉 |
3923.4 |
纽曼粉 |
2524.0 |
|
PB粉 |
2461.0 |
扬迪粉 |
1015.0 |
烧结一般要求铁矿粉的黏结相强度＞2000N较合适。从结果看高碱度精粉、扬迪粉黏结相强度在2000N以下，高碱度精粉最低为182N，其他矿粉黏结相强度均大于2000N，巴西卡粉和涞源精粉都在4000N以上。因此在烧结配矿时，要根据互补原则，将不同黏结相矿粉搭配使用，从而提高烧结矿强度。
3.4铁酸钙（SFCA）生成特性
指铁矿石在烧结生产过程中复合铁酸钙的生成能力。在烧结粘结相中，复合铁酸钙（SFCA）粘结相是最优的，增加其含量既有利于提高烧结矿强度，又能改善烧结矿还原性。邯钢烧结常用铁矿粉矿物组成如下表5：
表5 邯钢铁矿粉微型烧结试样的矿物组成 / %
Handan Iron and steel slag micro sintering mineral composition of sample
|
矿粉名称 |
金属相 |
|
黏结相 |
气孔 |
||
|
磁铁矿 |
赤铁矿 |
|
铁酸钙 |
硅酸盐 |
||
|
0~5 |
15~20 |
|
30~35 |
25~30 |
20~25 |
|
|
高碱度精粉 |
35~40 |
5~10 |
|
0~5 |
40~45 |
15~20 |
|
邯邢精粉 |
30~35 |
5~10 |
|
0~5 |
40~45 |
25~30 |
|
PB粉 |
30~35 |
少量 |
|
15~20 |
30~35 |
18~23 |
|
巴西卡粉 |
少量 |
20~25 |
|
20~25 |
30~35 |
18~23 |
|
南非粉 |
15~20 |
10~15 |
|
10~15 |
25~30 |
35~40 |
|
纽曼粉 |
35~40 |
少量 |
|
25~30 |
20~25 |
40~45 |
|
扬迪粉 |
50~55 |
5~10 |
|
30~35 |
20~25 |
35~40 |
从结果看，涞源精粉、巴西卡粉和南非粉的铁酸钙生成能力较强，但南非粉气孔率较高，其黏结相强度相对稍差，高碱度精粉的铁酸钙生成量最少，其粘结想强度最差。
4烧结优化配矿研究
4.1配矿原则及方案设计
通过以上研究可知，每种铁矿粉都有独特烧结高温特性。配矿结构优化中应运用铁矿粉互补特性，进行不同品种、比例铁矿粉的搭配和组织，使混合矿各项高温特性指标处于适宜水平，最终确保烧结矿质量及冶金性能满足高炉强化需求。按照以上原则，并结合邯钢各品种含铁料资源情况，对烧结常用8种铁矿粉设计了7组烧结优化配矿方案（见表6）。
表6 邯钢优化配矿设计方案 / %
Design scheme of optimized ore blending in Handan Iron and Steel Company
|
编号 |
PB粉 |
纽曼粉 |
扬迪粉 |
巴卡粉 |
南非粉 |
邯邢精粉 |
涞源粉 |
高碱粉 |
钢渣 |
氧化铁皮 |
除尘灰 |
白云石 |
|
1 |
10.69 |
10.69 |
27.22 |
14.58 |
8.755 |
4.856 |
0 |
2.918 |
3.887 |
0.969 |
12.64 |
2.783 |
|
2 |
11.63 |
11.63 |
29.07 |
14.54 |
7.754 |
4.842 |
0 |
0 |
3.871 |
0.971 |
12.6 |
3.104 |
|
3 |
12.61 |
12.61 |
29.09 |
14.55 |
7.76 |
0 |
4.847 |
0 |
1.934 |
0.967 |
12.61 |
3.027 |
|
4 |
12.08 |
12.08 |
28.97 |
18.35 |
7.724 |
0 |
0 |
0 |
3.868 |
0.97 |
12.55 |
3.417 |
|
5 |
9.659 |
9.659 |
33.81 |
18.36 |
7.727 |
0 |
0 |
0 |
3.864 |
0.972 |
12.56 |
3.389 |
|
6 |
9.699 |
9.699 |
33.93 |
13.57 |
7.752 |
4.844 |
0 |
0 |
3.882 |
0.973 |
12.6 |
3.056 |
|
7 |
7.699 |
7.699 |
38.47 |
19.24 |
7.699 |
0 |
0 |
0 |
1.919 |
0.965 |
12.5 |
3.804 |
4.2烧结杯实验结果
4.2.1烧结技术指标
表7 配矿试验烧结过程的技术指标
Technical index of Proportioning Test of sintering process
|
编号 |
垂直烧结速度/mm·min-1 |
废气最高温度/℃ |
烧损率/% |
成品率/% |
利用系数/t·m-2·h-1 |
|
1 |
24.49 |
414.00 |
19.76 |
83.82 |
1.78 |
|
2 |
28.57 |
393.00 |
21.10 |
88.98 |
2.16 |
|
3 |
28.57 |
581.00 |
20.81 |
88.30 |
2.03 |
|
4 |
28.57 |
648.00 |
20.79 |
83.23 |
2.06 |
|
5 |
25.00 |
431.00 |
19.48 |
82.69 |
1.80 |
|
6 |
28.57 |
395.00 |
21.24 |
87.24 |
2.00 |
|
7 |
31.58 |
472.00 |
21.24 |
84.07 |
2.16 |
由表7可知，各组方案的成品率、烧结利用系数相差不大，其中方案2和方案7利用系数最高，达2.16t/m2/h。
表8 配矿试验烧结矿的粒度组成及转鼓强度/%
Particle size and drum strength of sinter Proportioning Test
|
试验 |
烧结矿粒级分布/% |
转鼓指数 |
|||||
|
>40mm |
25-40mm |
16-25mm |
10~16mm |
5~10mm |
<5mm |
||
|
1 |
2.91 |
12.69 |
25.83 |
21.10 |
21.29 |
16.18 |
65.60 |
|
2 |
4.49 |
9.75 |
23.44 |
27.02 |
24.28 |
11.02 |
57.35 |
|
3 |
3.42 |
14.88 |
19.67 |
26.73 |
23.16 |
12.15 |
68.71 |
|
4 |
4.84 |
9.25 |
22.47 |
22.61 |
24.06 |
16.77 |
62.78 |
|
5 |
4.20 |
18.61 |
25.42 |
21.22 |
19.79 |
10.77 |
69.27 |
|
6 |
2.32 |
8.12 |
23.93 |
27.48 |
25.38 |
12.76 |
69.36 |
|
7 |
3.19 |
10.35 |
23.68 |
23.97 |
22.88 |
15.93 |
70.00 |
由表8可知，各组方案的烧结矿小粒级的比例较高，5-10mm粒级在20%左右；各方案的转鼓强度差别不大，平均在66，方案7转鼓强度最高，达到70。
4.2.2烧结矿的冶金性能
表9 烧结矿的低温还原粉化率及中温还原性
Low temperature reduction, powdering rate and medium temperature reduction of sinter
|
编号 |
RDI+6.3/% |
RDI+3.15/% |
RDI-0.5/% |
还原度/% |
|
1 |
36.93 |
68.68 |
6.82 |
81.07 |
|
2 |
43.77 |
70.93 |
5.91 |
79.08 |
|
3 |
35.53 |
67.44 |
6.94 |
83.36 |
|
4 |
39.46 |
69.92 |
6.79 |
82.54 |
|
5 |
41.60 |
74.91 |
5.59 |
78.75 |
|
6 |
40.44 |
70.19 |
7.02 |
84.24 |
|
7 |
42.51 |
74.64 |
5.39 |
80.31 |
由表9可知，各方案低温还原粉化率及中温还原性相差不大，其中方案7低温还原粉化性能最好，还原度平均81.3%，方案6还原度最高，达84.24%。
综合以上分析，7组烧结优化配矿方案绝大多数获得了较好的烧结矿产量、质量及冶金性能指标，结果表明基于铁矿粉高温特性互补原理的烧结优化配矿方案具有科学性和可行性[1]，合理运用铁矿粉高温特性进行烧结配矿，可以提高烧结配矿的针对性和有效性，起到“事半功倍”的效果，对提高铁矿粉利用水平，改善烧结矿产质量指标，强化高炉冶炼，降低铁成本等有着重要的意义。
5生产效果
按照上述配矿互补原则及实验结果，近年来邯钢配矿结构中同化性较好的澳系矿粉占比45-50%，黏结相强度和铁酸钙生成能力较强的致密巴卡粉和南非粉配比在25%左右，同时考虑到烧结透气性和产量，国内精粉配比控制在5-10%，每年以此为框架调整并优化配矿结构，在烧结和高炉生产上效果良好（见表10、表11和表12）
表10 邯钢435m2烧结机生产指标情况
435m2 sintering machine production index
|
利用系数t/m3.h |
返矿率% |
品位稳定率% |
碱度稳定率% |
固体燃耗kg/t |
料层厚度mm |
机速m/min |
|
1.33 |
7.5 |
99.84 |
97.82 |
51 |
800 |
1.89 |
表11 烧结矿质量指标情况
The sinter quality indexes
|
烧结矿成分、强度及粒度 |
中温还原度% |
荷重软化温度（℃） |
||||||
|
Tfe% |
SiO2% |
R2% |
转鼓指数% |
平均粒度mm |
软化开始10% |
软化结束40% |
软化区间10-40% |
|
|
57.1 |
5.19 |
1.86 |
81.09 |
22.47 |
89.13 |
1092.4 |
1230.2 |
137.8 |
表12 邯钢3200m3高炉生产指标情况
Production indexes of 3200m3 blast furnace in Handan Iron and Steel Co.
|
烧结矿比例% |
利用系数t/m3.d |
焦比kg/t |
煤比kg/t |
燃料比kg/t |
煤气利用率% |
|
78% |
2.47 |
330 |
140 |
510 |
50.8 |
6结论
（1）邯钢烧结常用铁矿粉不仅在化学成分上存在差异，而且在同化性、液相流动性、黏结相自身强度、铁酸钙生成特性等高温性能方面也存在明显差异；
（2）基于铁矿粉高温特性互补原理的烧结优化配矿，是在全面掌握铁矿粉常温特性和高温特性的基础上，在满足烧结矿化学成分要求同时，实现铁矿粉在高温特性上互补搭配，以提高烧结配矿针对性和有效性，对改善烧结矿质量指标、降低铁成本有着重要意义；
（3）针对邯钢实际生产情况，基于铁矿粉高温特性互补原则设计的配矿方案，通过烧结杯实验验证了这一烧结优化配矿技术的科学性和可行性，并有效的指导了实际生产，使烧结矿质量指标能够满足高炉强化需求，对高炉顺行、降低燃耗有着积极意义。
参考文献
[1] 铁矿烧结优化配矿原理与技术，范晓慧，2013.2.