包钢低硅烧结工艺优化研究
摘要:为了提高入炉矿品位,降低高炉渣量,通过微型烧结试验研究了包钢低硅烧结条件下,烧结温度、配碳量、烧结矿碱度、SiO2 含量、MgO 含量等参数对烧结矿粘结相强度的影响,并在此基础上进行了烧结杯验证试验,为包钢优化低硅烧结工艺参数提供了依据。
关键词:低硅烧结,转鼓强度,工艺优化
1 前言
低硅烧结能改善烧结矿的冶金性能,减少高炉冶炼过程中产生的渣量,减薄软熔层,提高滴落带的透气性,因而有利于高炉顺行和降低焦比[1 ] 。同时,减少渣量还有利于增加高炉的喷煤量。一般认为铁矿石TFe 含量提高1 % ,高炉焦比降低2 % ,产量提高3 %。因而,低硅烧结能给企业带来巨大的经济效益。
随着包钢选矿技术的不断进步,铁精矿品位日趋提高,目前自产白云鄂博铁精矿的SiO2 含量已降低到210 %～410 % ,为低硅烧结矿的生产及高炉采用低硅烧结矿冶炼提供了物质基础。由于铁矿粉中的SiO2 是烧结过程中产生足够液相以使物料粘结的基础,也是保证烧结矿具有较高强度的前提,所以采用低硅铁矿粉烧结时,烧结矿质量特别是机械强度可能明显变差[2 ] 。尤其对于白云鄂博铁矿粉来说,由于富含CaF2 、K2O、Na2O ,在烧结过程中CaF2 可吸收 CaO 和SiO2 生成枪晶石,从而减少形成铁酸钙的有效CaO 数量,使铁酸钙的生成量显著降低; 而K2O 和Na2O 主要分布于硅酸盐玻璃质中, 是玻璃质的稳定剂,有利于玻璃质的形成,也会抑制铁酸钙的生成。因此,在碱度一定的情况下,包钢铁矿粉生产的烧结矿铁酸钙含量远低于普通烧结矿[3 ] ,低硅烧结矿的强度问题就更加突出。为此,我们通过微型烧结试验研究了包钢低硅烧结条件下,烧结温度、配碳量、烧结矿碱度、SiO2 含量、MgO 含量等参数对烧结矿粘结相强度的影响,并在此基础上进行了烧结杯验证试验,为包钢优化低硅烧结工艺参数提供了依据。
2 微型烧结试验
粘结相强度是指铁矿粉在烧结过程中所形成液相对其周围矿粉进行固结的能力。由于烧结矿是由粘结相粘结未熔含铁矿物而形成的非均质矿物,其含铁矿物的强度要高于粘结相强度,故粘结相自身强度就成为制约烧结矿强度的重要因素。在其他条件相同的情况下,粘结相自身强度高,烧结矿强度也高。故本文以粘结相强度为表征来研究相关烧结因素对烧结矿强度的影响。
首先采用红外微型烧结炉[1 ]就低硅烧结温度、碱度、SiO2 含量、MgO 含量对烧结试样粘结相强度(烧结基础特性) 的影响进行了四因素四水平正交试验,试验方案及结果列于表1 。试验所用矿粉为包钢烧结常用原料,其中自产精矿与澳矿配比为85∶15 ,褐铁矿粉为高硅矿,用量较少,主要用作SiO2 含量调节,各种原料的化学成分列于表2 。试验时,通过改变不同矿粉的配比来调整试样的SiO2 含量,加入CaO、MgO 等化学纯试剂调整试样的碱度和MgO 含量。
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根据正交试验结果(表1) 可知,极差越大, 对粘结相强度影响越大。各因素对包钢低硅烧结矿粘结相强度影响的强弱顺序是:烧结温度 > 碱度> MgO 含量> SiO2 含量。根据极差分析可知,A 条件(即SiO2 ) 中最优为A1 (表1 中 Σ(1) / 12 为451 ,粘结相强度最高值) ,依此类推, 粘结相强度的最优烧结参数水平为 A1B2C1D4 ,即SiO2 含量4.0 % ,碱度2.5 ,烧结温度1 200 ℃,MgO 含量116 %。
3 烧结杯验证试验
根据正交试验结果,选择三个具有代表性的试验点做烧结杯验证试验,试验编号分别为 1 # 、2 # 、3 # 。其中3 # 为正交试验粘结相强度的最优水平,即低硅、高碱度、低MgO 试样;1 # 和 2 # 分别为正交试验中粘结相强度最低和偏低的 7 # 和13 # 试验点,试样粘结相强度的排列顺序为3 # > 2 # > 1 # 。烧结温度的高低用配碳量来模拟。为了进一步研究配碳量和混合料水分的影响,对每个试验点的配碳量及混合料水分进行了微量调整。每个点做三次,获得相应的烧结矿筛分指数和转鼓强度。在此基础上,结合对烧结矿样组成、结构及矿相观察来分析确定包钢低硅烧结的最优工艺条件。
3.1 烧结杯试验方法及工艺参数
烧结杯试验所用矿粉与微型烧结试验相同,加入生石灰、石灰石和白云石来调整试样的碱度与MgO 含量,试验所用原料成分见表2 。按照各试验点的成分要求,先将配好的干料混匀,再加水放入滚筒中造球,要求大于3 mm 的小球占到总数的70 %左右,然后测量混合料水分;将造好的混合料小球布入Á200 mm 的烧结杯中,上面放200 g 焦炭点火,点火负压5 kPa , 烧结负压10 kPa ,当烧结废气温度降到200 ℃ 时烧结完成。取出烧结矿饼进行破碎、筛分,并检测其筛分指数和转鼓强度。
烧结杯试验在包钢炼铁厂实验室进行,其烧结工艺参数见表3 。
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3.2 试验结果及分析
烧结杯试验结果列于表4 。由表4 可知:
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(1) 对比1 # ～ 3 # 试验, 在试验所选配碳 (3.6 %～4.2 %) 范围内,各组试样的转鼓强度均随配碳量增加有所提高(参见图1) 。这说明, 保持适当的配碳量对增加烧结液相量、提高包钢低硅烧结矿的转鼓强度是有益的。
(2) 正交试验所得粘结相强度最优的3 # 试样其烧结杯试验的转鼓强度也是最好的。1 # 、 2 # 、3 # 试样的转鼓强度排列顺序为3 # > 2 # > 1 # ,与正交试验粘结相强度的排列顺序相一致, 验证了正交试验结果的正确性,再次说明粘结相强度这一烧结基础特性能很好地反映实际烧结矿的转鼓强度。对比各个试样的返矿平衡系数,3 # 试样最低,即粉化率最低。
(3) 将1 # 与2 # 两个高MgO 烧结试样进行对比,在配碳量相同的情况下,随碱度降低及SiO2 含量升高,烧结矿(MgO 含量≥2.8 %) 的转鼓指数有所提高。究其原因,主要是2 # 烧结试样中的MgO 矿化程度提高,试样中残余熔剂量减少,含镁高熔点矿物析出量降低,矿物组成减少,结构均匀化,使得烧结试样强度提高。故而,当MgO 含量较高时,需适当降低碱度、提高 SiO2 含量,确保MgO 的矿化和烧结液相数量的增加。为了保证低硅烧结矿具有较高的强度, 烧结矿中MgO 含量不宜很高。
(4) 在试验所选择的混合料水分范围内,随水分增加,烧结矿转鼓指数呈现增高的趋势。由此说明,保持适宜的混合料水分有利于混合料制粒,并改善烧结矿强度。
对转鼓强度最优的3 # 试样( R2.5 、MgO 1.60 %、SiO2 4.0 %、配碳3.8 %) 和转鼓强度较差的2 # 试样(R1.6 、MgO 2.8 %、SiO2 5.2 %、配碳4.0 %) 进行了矿相分析。其矿物组成列于表 5 ,烧结矿显微结构见图2 和图3 。
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3 # 试样为低硅(SiO24.0 %) 、高碱度(2.5) 、低MgO(1.60 %) 、低配碳量(平均3.8 %) 烧结试样; 而2 # 试样为高硅( SiO25.2 %) 、低碱度 (1.6) 、高MgO(2.8 %) 、高配碳量(平均4.0 %) 烧结试样,两者的烧结条件形成鲜明对照。从图2 、图3 可以看出,3 # 试样的显微结构以磁铁矿和铁酸钙构成的熔蚀交织结构为主,局部可见磁铁矿和玻璃相构成的斑状结构;2 # 试样的显微结构则以磁铁矿和玻璃相构成的斑状结构为主,局部可见磁铁矿和铁酸钙构成的熔蚀结构,交织结构少见。3 # 试样的铁酸钙含量高达 29 % ,而2 # 试样的铁酸钙含量只有13 % ,且玻璃相和磁铁矿含量均较多。究其原因,2 # 试样中MgO 含量较高(为2.8 %) ,烧结过程中MgO 可进入磁铁矿晶格中,具有稳定磁铁矿晶格的作用,不利于磁铁矿氧化为赤铁矿,因而对铁酸钙的生成具有抑制作用;其次,2 # 试样碱度较低 (为1.6) ,CaO 含量较少,亦不利于铁酸钙的生成,而SiO2 含量较高(为5.2 %) ,对玻璃相的形成具有促进作用。此外,较高的配碳量也会促进玻璃相的形成,而不利于铁酸钙的生成。由此可以认为,高碱度、低MgO、低配碳量是包钢低硅烧结的必要条件。本研究所得低硅烧结的最佳工艺条件为: SiO2 含量4.0 %、碱度2.5 、 MgO 含量1.6 %、配碳量3.8 %。
4 结 论
1) 微型烧结试验所得粘结相强度的排列顺序与烧结杯试验所得转鼓强度的排列顺序相一致,说明粘结相强度这一烧结基础特性能很好地反映实际烧结矿的转鼓强度。包钢低硅烧结的最佳工艺条件为:SiO2 含量4.0 %、碱度2.5 、 MgO 含量1.6 %、配碳量3.8 %。
2) 保持适宜的混合料水分,有利于改善混合料制粒,提高烧结矿转鼓强度;MgO 含量较高时,需适当降低碱度、提高SiO2 含量,确保MgO 的矿化和烧结液相量的增加。
3) 烧结过程中MgO 可进入磁铁矿晶格中, 具有稳定磁铁矿晶格结构的作用,不利于磁铁矿氧化为赤铁矿,因而对铁酸钙的生成具有抑制作用。控制较低的MgO 含量,是保证低硅烧结矿强度的必要条件。
4) 高碱度、低配碳是促进铁酸钙生成、抑制玻璃相产生、保证低硅烧结矿强度的关键,当包钢烧结矿SiO2 含量降低到4.0 %时,烧结矿碱度应维持在2.5 左右。
参考文献
[ 1 ] 段祥光,魏国良,王鑫1 包钢低硅烧结矿强度解析[J ]1 包钢科技,2006 ,32 (S1) :5 - 71
[ 2 ] 边妙莲1 低硅烧结及应对措施的研究[D]1 唐山:河北理工学院,20041
[ 3 ] 罗果萍,孙国龙,赵艳霞等1 包钢常用铁矿粉烧结基础特性[J ]1 过程工程学报,2008 ,8 (1) :198 - 2041
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