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高配比精矿对制粒效果及烧结过程的影响与作用机理

朱　旺^１，周建沣^１，杜鲲鹏^１，王春来^１，季志云^２，吕佳铭^２

（1.北京首钢股份有限公司，河北唐山064400;2.中南大学资源加工与生物工程学院，湖南长沙410083）

摘要：我国部分处于内陆地区的钢铁企业拥有丰富的铁矿资源，其部分自产铁精矿用于烧结生产对于降本增效具有重要意义。本文通过调整精矿和粉矿的配比进行混合、制粒，采用烧结杯模拟工业烧结过程，并检测垂直烧结速度、成品率、转鼓强度、利用系数等烧结指标，研究铁精矿配比对制粒效果、烧结指标的影响规律，解析其作用机理。结果表明：随着精矿配比从０提高到100%，料层透气性指数下降。原因在于：随着配比的不断增加，精矿的干燥脱粉率由7.71%上升至20.34%，导致制粒时容易出现小球兼并长大，使得制粒小球强度下降且易脱落粉碎从而影响料层透气性；当精矿配比从35%提高到50%时，料层透气性较好，烧结指标处于较优水平；提高精矿配比至100%时，成品烧结矿中赤铁矿质量分数由35.00%下降至22.20%，磁铁矿质量分数由28.4%增加至43.5%，铁氧化物总量有所增加，而铁酸钙质量分数由29.30%减少至25.00%，使得烧结矿强度降低。因此，适宜的精矿配比范围为35%~50%。研究结果对于铁精矿高配比应用于烧结生产具有重要指导作用。

关键词：铁矿烧结；精矿配比；制粒效果；烧结指标

近年来，我国粗钢产量持续超过10亿吨，巨大的钢铁产量需要消耗大量的铁矿资源!1-21。然而，我国铁矿主要依赖于进口。随着铁矿价格的持续走高，长期依赖进口铁矿资源的现状将严重影响钢铁企业的健康发展。为解决这一问题，国家提出了“基石计划”，其中明确提出加大自产铁矿的供给率。在此背景下，国内拥有自主矿山的钢铁企业逐步加大了铁精矿的产量，以发挥自产铁精矿的资源和价格优势[4

随着部分钢铁企业铁精矿产量的增加，在满足球团铁精矿需求的同时，需要提高烧结原料中铁精矿的配比，这对烧结生产提出了新的挑战。研究人员[5-6研究了精矿配比对烧结的影响，结果表明:铁精矿配比较小对制粒效果和烧结过程的影响不太明显;随着铁精矿配比的不断提升，制粒效果、烧结过程以及烧结矿产量和质量将产生显著变化。潘建等”研究表明，当精矿配比(质量分数)由24%增加到42%时，烧结料层透气性阳力由857Pa提高到1150Pa，垂直烧结速度由21.87 mm/min下降到18.38 mm/min，利用系数由1.14(m·h)降低到0.93t/(m·h)，转鼓强度由67.47%下降到64.13%，固体燃料消耗(无烟煤)由6.46 kg/t提高到70.42 kg/t，烧结成品矿的还原度指数(RI)由8.31%下降到78.76%，低温还原粉化率(>3.15mm)由70.71%下降到64.41%，烧结各项指标及烧结矿的冶金性能均出现较大幅度的恶化。何木光等研究表明，当磁铁精矿配比由46%增加到67%时，混合料的透气性指数由1.44JPU下降至1.17JPU，烧结速度由19.22mmmin下降至17.00mm/min，利用系数由1.21(m·h)下降至1.14t/(m·h)，转鼓强度从57.73%下降至55.73%。徐礼兵等研究了配加高比例精矿对烧结过程的影响，当精矿配比由50%增加到75%时，转鼓强度由68.13%下降至64.80%，利用系数由1.35t(m·h)下降至

1.10/(m·h)，成品率由65.34%下降至6.66%烧结矿<5 mm 粒级占比由 17.05%增长至 19.06%还原度指数也呈下降趋势。

另外，由于品位高、杂质含量低，一定比例的磁铁精矿配人烧结时，其氧化过程会放出大量的热，这不仅能够改善烧结矿的质量，而且具有节约固体燃料消耗的潜力!。但是，高配比精矿烧结会提高原料中的适宜水分，使得制粒过程中黏附粉增多，引起混合料中出现大量的细粒小球以及兼并长大情况，造成制粒小球的干燥脱粉率升高、烧结矿强度和料层透气性变差，最终导致烧结速度下降、烧结机利用系数下降、烧结液相生成能力减弱、铁酸钙生成量减少等[10-131，天外，有学者研究发现，大部分精矿的亲水性较好成球速率较快，易形成大于>8mm的大球和结构较致密的小球，此类球的出现并不利于烧结过程中Ca0矿化反应的发生，影响液相的生成，进而影响烧结矿的产量和质量[1-14]

本文致力于研究精矿配比对制粒效果和烧结过程的影响规律，并解析其机理;探究精矿配比从0提升至100%时，制粒效果(粒度组成、透气性、干燥脱粉率)和烧结指标(利用系数、烧结速度、成品率、转鼓强度以及烧结矿组分和显微结构)的变化，查明不同精矿配比下的适宜水分，确定适宜的精矿配比范围。本文研究结果对于充分发挥我国自产铁精矿资源优势，为钢铁企业烧结生产降本增效具有重要现实意义。

原料性能和研究方法1

1.1原料性能本研究以某钢铁厂的精矿和粉矿两种铁矿为主，配加少量轧皮、尾渣、瓦斯灰以及两种返矿。5种含铁原料以及燃料、熔剂和返矿的化学组成如表1所示，图1为精矿的粒度分布。由表1图1可知:精矿为典型的高品位磁铁精粉,其Te质

量分数为67.20%，日精矿的粒度较小，<0.074mm的粒级占比达到81.08%，平均粒度为0.043mm;粉矿为赤铁矿，其TFe质量分数为56.68%，其平均粒度为4.16mm。另外三种二次回收的含铁原料为轧皮、尾渣和瓦斯灰，其中，轧皮的TFeFe0质量分数分别为74.24%、4.59%，尾渣的Fe0、Ca0 质量分数分别为4.93%、18%，瓦斯灰的烧损为23.61%。熔剂中，生石灰的Ca0质量分数为7.33%，石灰石的Ca0 质量分数、烧损分别为49.33%、41.96%。焦粉的烧损为84.28%:返矿的 TFe质量分数为54.05%。

1.2 研究方法

1.2.1 混合、制粒方法

混合、制粒设备采用∅600mmx800mm的圆简混合机，混合机转速为15min、混合时间为3min、制粒时间为4min，混合过程中同步加水。按照配料方案的要求，将铁矿石、熔剂、焦粉、

返矿等烧结物料按质量配比进行称重配料。在混合料中加人设定的水量进行人工混合，再把混合料装入圆简混合机内混合、制粒。制粒后进行现场取样，然后分别检测混合料水分、粒度组成透气性、干燥脱粉率等。

制粒小球的强度用干燥脱粉率(α)来表示，以经过干燥后混合料中<1mm粒级小球的增加量来表征。对制粒后的混合料均匀取样800g，将其在温度为250℃、风速为0.5m/s的气流中完全干燥，然后检测干燥后混合料中<1mm粒级小球的增加量。

干燥脱粉率(a)的计算公式:

Q=-1m-r1mm(1)式中:r-1m为干燥后混合料中<1 mm 粒级小球的质量分数,%;“-1…为干燥前混合料中<1 mm粒级小球的质量分数,%。此外，制粒后原始小球的脱粉率记为0。

1.2.2 烧结杯试验

采用规格为∅180mmx700mm的烧结杯模拟工业烧结过程，烧结杯示意如图2所示。试验流程包括称重配料、混合、制粒、布料、点火、烧结、冷却、落下、筛分以及烧结矿质量检测等环节。烧结指标包括垂直烧结速度、成品率、转鼓强度、利用系数等。

试验步骤:按照配料方案进行称重配料，将称好的烧结物料经过混匀后放入圆简混合机中制粒，制粒时设置转速为15min，制粒时间为4 min;布料前，取ìkg粒度为10-16mm的成品烧结矿作为铺底料放入烧结杯底部，设置铺底料厚度约为20mm，然后将制粒后的混合料加入烧结杯中开始点火，设置点火温度为(1050±50)℃点火时间为1.5 min、保温时间为1min、点火及保温负压为4.5kPa;将负压调整为9kPa进行烧结，到达烧结终点后，立即调整负压至4.5kPa进行冷却，设置冷却时间为3min，然后将烧结矿倒入单齿辊破碎机中破碎，随后进行落下、筛分等操作。

将成品烧结矿经过煮胶、磨片、抛光等工序后制成可观察的光片，在显微镜下检测矿物组成、矿相结构等。采用LeicaDMRXP型光学显微镜以及Owin像分析软研究烧结矿的矿相1.2.3 研究方案

当配加一定比例精矿时，在一定范围内提高水分可以明显改善制粒效果。在精矿配比为85%的条件下，当配加7.75%和8.0%的水分时，>3mm粒级质量分数均小于40%。反观在配加8.5%及以上水分时，随着水分含量的增加，>3mm粒级颗粒的质量分数也在增加;当水分配加量从8.5%提高到9.25%时，>3mm粒级颗粒的质量分数

本研究只有一种精矿和一种粉矿，即在不断提高精矿比例的同时,等比例减小粉矿配比。在

前期的探索性研究中，发现精矿配比小于35%对烧结过程的整体影响不太显著。在保持精矿配比不断提高的情况下，保持碱度为2.15、焦粉配加量为5%，外配35%返矿，按照要求设计精矿配比从0到100%的原料配比方案，如表2所示。

烧结矿作为铺底料放入烧结杯底部，设置铺底料厚度约为20mm，然后将制粒后的混合料加入烧结杯中开始点火，设置点火温度为(1050±50)℃点火时间为1.5 min、保温时间为1min、点火及保温负压为4.5kPa;将负压调整为9kPa进行烧结，到达烧结终点后，立即调整负压至4.5kPa进行冷却，设置冷却时间为3min，然后将烧结矿倒入单齿辊破碎机中破碎，随后进行落下、筛分等操作。

2 结果与讨论

2.1 精矿配比对制粒的影响

试验研究精矿配比对制粒效果的影响，结果如图3所示。由图3可知:精矿配比对制粒效果的影响非常显著。当水分质量分数为7.75%时，可以看到随着精矿配比从0增长50%，>3mm粒级占比从59.73%下降至41.54%，其<0.5 mm 粒级占比从0.17%上升至1.19%，平均粒度由5.01mm降低至2.88 mm，透气性指数也由6.96 JPU降低至2.54JPU。在其他水分条件下也能够明显看到精矿配比的提高所带来的透气性恶化，这其中最主要原因就是随着精矿配比的增加，细粒级颗粒质量分数相应增加，混合料中颗粒与颗粒之间的空隙变少而导致透气性变差。

一点火罩

180.0 mm

风机

烧结杯

uu 0'002

铺底料

一炉箅条

风箱-

烟气流量

图2 烧结杯示意Fig.2 Schematic diagram of sintering pot

将成品烧结矿经过煮胶、磨片、抛光等工序后制成可观察的光片，在显微镜下检测矿物组成、矿相结构等。采用LeicaDMRXP型光学显微镜以及Owin像分析软研究烧结矿的矿相1.2.3 研究方案

当配加一定比例精矿时，在一定范围内提高水分可以明显改善制粒效果。在精矿配比为85%的条件下，当配加7.75%和8.0%的水分时，>3mm粒级质量分数均小于40%。反观在配加8.5%及以上水分时，随着水分含量的增加，>3mm粒级颗粒的质量分数也在增加;当水分配加量从8.5%提高到9.25%时，>3mm粒级颗粒的质量分数

增长了39.5%。而<0.5mm粒级质量分数下降19.86%。平均粒度增大1.61mm，透气性指数由3.76JPU提高至8.77 JPU。而在其他精矿配比的条件下，各项指标也呈现同样的趋势。但是随着水分的提高，<0.5mm粒级质量分数不断地减小，致使其占比逐渐趋向于0。这就说明在水分较高的条件下，<0.5mm粒级的颗粒几乎全部作为黏附粉参与制粒过程;而继续提高混合料水分出现小球兼并长大的情况，虽然透气性变好，但是小球的强度变低，且干燥后易脱粉。

10r

%/水耳买棣号限

25525精矿配比(质量分数)/%

95 10(

图4 精矿配比对适宜混合料水分的影响Fig,4 Effect of concentrate ratio on moisture of

suitable mixture配比从0升高到50%时，烧结速度由28.50%下降至27.05%，利用系数、成品率以及转鼓强度均小幅上升。利用系数在精矿配比为35%时达到最大值1.9V(m·h)，同时转鼓强度也达到最大值79.12%，成品率在精矿配比为50%时达到最大值83.35%。随着精矿配比从50%提高到100%，垂直烧结速度由27.25mm/min降低至24.29mm/min,利用系数由1.85(m·h)降低至1.44(m·h)成品率由83.35%下降至72.22%，转鼓强度由79.12%降低至62.15%。这是由于提高精矿配比导致混合料中细粒物料增多，便得制粒效果恶化

精矿配比对适宜混合料水分的影响如图4所示。由图4可知:当精矿配比由0提高至100%时，适宜水分随之由7.75%提高至9.25%。这是由于随着精矿配比的上升，原料中<0.5mm粒级颗粒的质量分数增加，给制粒带来很大困难，因此需要增加制粒水分以促进物料颗粒与水之间产生毛细力作用，使得物料颗粒之间相互黏结，形成具有一定粒度的小球，从而满足烧结要求，2.2 精矿配比对烧结指标的影响

在焦粉配比为5%、制粒时间为5min以及适宜的混合料水分条件下，试验得到精矿配比对烧结指标的影响如图5所示。由图5可知，当精矿同时使制粒小球强度下降、干燥过程中制粒小球易破损粉化，从而使料层透气性下降、烧结时间延长、烧结过程中高温保持时间也延长，影响烧结过程传质与传热，使得烧结矿产量与质量下降。因此，综合各项烧结指标后，确定铁精矿适宜配比范围为 35%~50%。

(a)烧结速率和利用系数;(b)成品率和转鼓强度1-烧结速度;2-利用系数;3-成品率;4-转强度。图5 精矿配比对烧结指标的影响

Fig,5 Influence of concentrate ratio on sintering index2.3 作用机理

2.3.1 制粒小球强度

在适宜混合料水分条件下，不同精矿配比下制粒小球强度的变化如图6所示。由图6可知，随着精矿配比的不断提高，其干燥脱粉率持续提升，当精矿配比由0上升至35%时，制粒小球的干燥脱粉率由7.71%上升至12.52%;在精矿配比由35%到50%时，其于燥脱粉率变化幅度较小;在精矿配比由50%提升到100%，其干燥脱粉率由13.95%提升到20.34%，表明在高配比精矿条件下制粒所得的小球在干燥过程中更容易破损，这会降低料层干燥预热带的透气性。这是因为随着精矿配比的提高，原料中黏附粉(<0.5mm)的含量增多，而在制粒过程中混合料中绝大部分黏附颗粒(<0.5mm)主要依靠水分的毛细力作用，以类似于滚雪球式的成层方式黏附在核颗粒表面长大。在干燥过程中水分被蒸发导致黏附颗粒脱落，制粒小球的干燥脱粉率自然上升。

2.3.2 矿物组成

采用光学显微镜和XRD对不同精矿配比条件下烧结矿中各种矿物及其含量进行统计分析，结果如图7、8所示。由图7可知:烧结矿中主要矿物为赤铁矿、磁铁矿、铁酸钙和硅酸盐。随着精矿配比由0提高到35%，烧结矿中赤铁矿质量分数由35.00%下降至29.30%，磁铁矿质量分数由28.40%增长到31.00%，此时烧结矿中的铁酸钙质量分数由29.30%增长到33.50%，黏结相总量有所增加;在铁精矿配比由35%提高到50%时烧结矿中的组分变化不大;随着铁精矿配比由50%提高至100%，赤铁矿质量分数下降了7%，磁铁矿质量分数增长了12%，铁酸钙质量分数下降了8%，硅酸盐质量分数增长了3%，此时黏结相总量有所降低。由图8可知，随着精矿配比的提高,赤铁矿含量呈下降趋势,磁铁矿含量呈上

升趋势，且相较于基准组，提高精矿配比，其2Ca0·Fe,0:黏结相含量有所下降，与光学显微镜所示结果基本吻合。2.3.3 矿相结构

精矿配比对烧结矿结构的影响如图9所示:由图9可知，当精矿配比为35%时，烧结矿熔融区存在较多针状、柱状铁酸钙,磁铁矿与铁酸钙

形成交织的熔蚀结构，且烧结矿熔融区的孔隙相对较少，这使烧结矿具有良好的强度;当精矿配比提高到50%时，烧结矿熔融区为磁铁矿与铁酸钙形成交织的熔蚀结构，针状铁酸钙含量降低铁酸钙含量略有下降。当精矿配比提高到75%时烧结矿熔融区为磁铁矿与铁酸钙形成交织的熔蚀结构，铁酸钙与磁铁矿的相对含量与精矿配比为35%~50%时有所降低，局部区域出现磁铁矿再结晶，这使得烧结矿强度有所降低;当精矿配比提高至100%时，磁铁矿含量明显增多，铁酸钙含量进一步减少，特别是针柱状铁酸钙，烧结矿熔融区仍由铁酸钙和磁铁矿构成，且铁酸钙针状、柱状结构并不明显，同时烧结矿中孔隙、裂纹相对增多，使得烧结矿强度进一步降低。

由上述研究结果分析可得:

(1)随着精矿配比的提高，原料中黏附颗粒(<0.5mm)比例上升，核颗粒(1~3mm)比例下降，导致制粒过程中物料缺少核颗粒难以长大成球。因此，制粒后混合料中粗颗粒含量减少，微细颗粒含量增多，粗颗粒之间的空隙被大量微细颗粒填满，使气流通过料层时受到阻力增大，原始料带的透气性变差。

采用精矿烧结时，大部分制粒小球由黏附颗粒与单个核颗粒构成，但随着精矿配比的提高“单核+黏附颗粒”结构的小球占比降低;由于缺乏起成核作用的颗粒以及水分分布不均匀，单纯黏附颗粒黏结形成的无核小球占比提高;由于精矿的亲水性良好，制粒小球间易发生兼并长大:“多核+黏附颗粒”结构的小球占比也有所提高后两种制粒小球主要依靠水的毛细力作用而形成在干燥过程中水分被蒸发，小球被还原为原始的<0.5mm粒级颗粒，导致干燥预热带的透气性下降。

受上述两者的共同影响下，随精矿配比的提高，烧结过程整体透气性下降，烧结时间变长，垂直烧结速度变慢，利用系数降低，同时对传质和传热过程也产生不利影响，降低了烧结矿质量。(2)烧结矿是依靠烧结过程中生成的液相将未熔化的铁矿颗粒润湿黏结，冷却后形成具有一定强度的多孔块状产物，因此液相生成量对于烧结矿质量有较大影响。随着精矿配比的提高，液相开始生成温度和完全生成温度上升，生成量减少，不利于颗粒间的黏结，还会使细小不规则的孔洞增多，导致烧结矿强度下降。

铁酸钙是高碱度熔剂性烧结矿中最主要的黏结相，起到黏结氧化铁和硅酸盐相的作用，而且针状、柱状铁酸钙黏结形成的烧结矿具有强度高、还原能力好等特点。随着精矿配比的提高，铁酸钙的生成量降低，特别是强度好的针状、柱状铁酸钙含量的降低，从而使烧结矿的成品率和转鼓强度降低。

3 结论

(1)精矿配比的提高会增加混合料细粒级颗粒的含量，参与制粒的细粒级颗粒随着精矿配比的提升而降低，使得制粒小球>3mm粒级颗粒减少，<0.5mm粒级颗粒增加，平均粒度与透气性指数降低;而过多的细粒级颗粒主要依靠水分的毛细力作用，在核颗粒的表面成层长大，使得干燥过程中水分蒸发进而导致干燥脱粉率明显提高。(2)随着精矿配比由0提高至35%，烧结矿中的赤铁矿含量降低，磁铁矿含量增加，铁酸钙

质量分数增加了4.2%，黏结相的总含量增加，此时烧结矿的强度较好;在精矿配比为35%~50%时，烧结矿中的组分含量波动不大;在精矿配比由50%提升到100%时，铁酸钙质量分数减小了12%，硅酸盐质量分数有小幅度增加，黏结相总量有所降低，同时烧结矿中孔隙、裂纹相对增多烧结矿的强度降低。

(3)精矿配比过高不仅会恶化制粒效果，而且会直接影响成品烧结矿的质量和产量，其范围不宜超过 50%。