详细信息  

(图)高品位烧结矿的研究与发展

日期:2012-05-07 13:17:52  点击:

张瑞堂 刘振林

(济钢科技质量部 250101

要:本文主要介绍了近年来国内外高品位烧结矿的研究和技术方面取得的长足进步,主要体现在高品位烧结矿的技术开发以及以SFCA为代表的优质粘结相生成理论研究等方面。

关键词:高品位 烧结 SFCA 开发

长期以来,高炉冶金工作者,希望生产一种含铁量很高的炉料,以获得高炉生产低渣量,低燃料消耗。当球团矿含铁量超过66%时,高炉使用效果很好。因此,冶金工作者们很希望生产出含铁量超过6061%并具有满足高炉生产需要的烧结矿。在这种希望下,瑞典皇家工学院Edstrom等人开始研究生产优化烧结矿并取得了长足的进展。优化烧结矿的含义是:具有高的含铁量(6566%)和自熔性。

1 高品位烧结矿的开发

高品位烧结矿的研究与生产主要集中在北欧国家和钢铁厂,其中研究成果最突出的是瑞典皇家工学院的Edstrom等人。他们从1986年下半年开始,在皇家工学院和Oxelosund钢厂的实验室中,使用大约装150千克混合料的烧结杯上进行研究高品位烧结矿的各种工艺方案,主要包括:磁铁精矿、赤铁矿(精矿)以及磁赤混合精矿生产优化烧结矿。在实验中,各种实验流程见图1

1.1 优化烧结矿的开发

优化烧结矿主要分为高铁高氧化钙和高铁高氧化镁烧结矿以及为解决炉渣成分和强度特性方面存在的问题而研究的复合优化烧结矿,这种烧结矿的优越性是能够满足高炉对冷强度、还原强度、还原性能的要求,以及高炉在低渣量操作时对软熔性能和高温性能的一些要求。瑞典、芬兰、法国等地的钢铁厂在实验室取得成功后,在生产试验期均未完全割弃正常的生产,而是缓缓提高烧结矿品位,试验期烧结矿品位保持在6063%左右,没有冒然把烧结矿品位一下提高到实验室的最高值6567%,也未试生产超高碱度或复合优化烧结矿。目前这几家钢铁厂的烧结矿品位均保持在60%左右的水平。

1 对烧结矿进行的各种检验

从含铁原料来看,磁、赤铁矿均可生产高品位烧结矿。在实验室中只需配入少量熔剂,如高铁高氧化镁优化烧结矿,实验所用的烧结混合料组成如下:磁性烧结细精矿(MAF)94%,橄榄石(Olivine)2.3% ,石灰石(Limestone1.7% ,生石灰(Burnt Lime2.0%[1]。在高铁高氧化钙优化烧结下,橄榄石从混合料中被完全抽出来,而用一定量的石灰石代替。如果使用3.5%的焦粉,使用这种混合料生产的烧结矿品位大约在65%,脉石氧化物的含量之和约8~9%。与普通烧结矿比,虽然烧结矿渣量减少了,但烧结矿强度足够了。

要创造铁酸钙大量生成的条件,在二氧化硅含量较低且稳定的情况下,就必须多配入氧化钙,提高烧结矿的碱度。这就是高铁高氧化钙烧结矿试验的初衷,而这种优化烧结矿不是自熔性的,也就不宜使用100%高铁高氧化钙烧结矿来作高炉炉料。高铁高氧化镁优化烧结矿的高温性能较好。与高铁高氧化钙相比,软化温度较高,软熔区间较小,因此该烧结矿可改善高炉料柱的透气性。

鉴于高铁高氧化钙烧结矿(简称HC)的自熔性较差,高铁高氧化镁优化烧结矿(简称HM)的强度和还原性较差,Edstrom等人决定采用复合烧结矿和非均质烧结矿合二为一的方案。这一方案是对烧结工艺的一个重要改进。

1.2 HCHM烧结矿的优化与改进

由于高铁高氧化钙优化烧结矿碱度较高,因此决定通过往高铁高氧化钙优化烧结矿的混合料中添加粗颗粒石英(36毫米),以生产一种“HCD”来改善碱度过高的状况。这是一种高铁高氧化钙的复合优化烧结矿。粗石英不仅提供了为改善烧结矿自熔性能所必须的二氧化硅,而且将同时保持不起反应,留在烧结矿基体中。HCDHC的结构相似,这是由于有相当大量的铁酸钙的缘故。

用生产HCD烧结矿同样的技术来生产HMD烧结矿时,向HM优化烧结矿的混合料中加入粗颗粒橄榄石的HMD烧结矿的冷强度与HM优化烧结矿相比并未改善。原先以为保留不变的粗颗粒橄榄石,有一部分与烧结料发生了反应。烧结矿的结构一部分由铁酸钙基质,另一部分由玻璃质渣相组成;一般来说,含硅酸二钙的玻璃粘结相,对烧结矿的强度是不利的。综上所述,HCDHMD优化烧结矿不仅品位高(6566%),而且具有高的还原性、好的还原强度和高温冶金性能,具有自熔能力,与焦炭灰分在一起,形成体积小、成分适宜的高炉炉渣。

2 高品位烧结矿的机理研究

多年来,世界各地的冶金研究工作者们围绕烧结

矿粘结相、铁矿物等所做的大量研究,对高品位烧结矿的生产研究有很大的借鉴作用。

高品位烧结矿的研究表明,以磁铁精矿为主生产的烧结矿中,铁酸钙含量很少,磁铁矿含量居多[2],有时高达5060%[3],以磁铁矿粉烧结的高铁高氧化钙优化烧结矿中,其主要矿物组成也是含有一定量钙、镁和钛的磁铁矿。高铁高氧化镁优化烧结矿也类似。可见高品位烧结矿与普通烧结矿在矿相结构上有很大差别。

2.1 高品位烧结矿粘结相的研究

高品位烧结矿面临的主要问题是如何解决由于铁高、硅低、渣量少而带来的强度、还原性和低温还原粉化问题。Edstrom等人以提高碱度和生产复合优化烧结矿的方式,较好地解决了如何增加烧结矿中铁酸钙含量的问题。研究结果认为,此种高品位烧结矿的粘结相是铁酸盐与一些硅酸盐的混合物。其中铁酸盐先从熔体中析出,硅酸盐最后固化。

2.2 复合铁酸钙(SFCA)的研究

有一种优质粘结相是SFCA,特别是针状SFCA,有良好的性能指标。发展以针状SFCA为主要粘结相的烧结矿是进一步改善高碱度烧结矿质量的根本途径。近年来的许多研究工作都在围绕此项技术进行。研究表明[4],当温度在1250~1280时纤细状铁酸钙较为发展,当1100~1200时,出现10~20%的铁酸钙(CF),但晶粒间尚未连接,所以强度较差;温度在1200~1250时,有20~30%的CF生成,晶桥连接,有针状交织结构出现,强度较好;当温度升高到1250~1280时有30~40%的CF生成,呈交织结构,强度最好;当温度升高到1280~1300时,只有10~30%的CF,结构由针状变为柱状或者棒状,强度有所升高,但还原性变差。低温烧结被认为是形成针状铁酸钙的有效工艺制度。通过低温烧结技术生产的烧结矿,作为高炉炉料,不但可以降低高炉焦比,而且可以提高生铁产量。

比利时的E.D.Costa等人在一项优化烧结矿中矿相组成以改善其性能的研究中做了有益的探索。以烧结混合料中粘结相的氧化钙含量和铁矿晶核的组成为基础开展研究,重点进行了不同种类反应物在粘结相中熔化温度的确定和矿物晶核反应性能的试验,发现:要获得相同的熔化温度,富铁矿要比贫铁矿所需要加入的氧化钙少得多;而且在较低的烧结温度下,针状SFCA大量出现,限制了粘附层中的石英与渣相的同化作用。并且在烧结杯试验中,得到了以赤铁矿富矿粉为主原料的高品位烧结矿(TFe59.3%SiO24.5% CaO9.4% Al2O30.7%MgO 0.1%),该烧结矿的质量指标很好,其冷强度、热强度、还原性、生产率均高,而且燃耗较低。Costa认为烧结指标好是由于所谓富矿粉生产烧结矿具有最高的原生赤铁矿和致密程度,使其粘结相指数提高,而且这种烧结矿中,大多是粗大的SFCA,玻璃相明显减少。从这项研究中可以看出,赤铁矿烧结矿中原生赤铁矿含量较高 ,对烧结矿强度和还原性是有利的。另外,在烧结混合料化学成分固定的情况下,烧结矿的矿相分布与烧结的最高温度呈现一定的关系,针状SFCA的含量随温度升高而减少,但烧结矿质量良好。这说明只要把粘附层化学成分与赤铁矿核心的比例关系调整好,烧结反应渣相的孔隙较多,就可以形成针状SFCA和微细孔包围致密赤铁矿晶核的结构。

北京科技大学的研究人员用高纯磁铁精矿为原料,采用电炉焙烧小饼的方法,研究了针状SFCA的形成过程和影响因素,为生产针状SFCA为主要粘结相的高品位优质烧结矿提供了理论依据。他们研究认为,随着碱度的提高,烧结矿中的二氧化硅由主要生成含铁硅酸盐渣相,变为大部分进入铁酸钙中。通过控制适当的温度、碱度、时间和Al2O3/ SiO2比,可以发展以针状SFCA为主要粘结相的烧结矿。而且磁铁矿和赤铁矿都能形成很好的针状铁酸钙交织结构;但磁铁矿在烧结过程中要有一个氧化转变过程,其烧结温度比赤铁矿低,因此燃耗也低,这一研究对高品位烧结矿的作用在于:对于能够满足一定成分的烧结混合料,完全可以烧结成以针状铁酸钙为主要粘结相的高品位烧结矿,这种烧结矿同样具备高产、少渣、低耗的优点。这一点与BHP研究结果很接近。BHP公司的研究人员,通过对磁铁矿烧结的基础研究和烧结杯研究发现[5]:如果磁铁矿在烧结过程中氧化,如果碱度和Al2O3含量合适,SFCA则能较容易生成。电子探针和X光分析证明所生成的SFCA为铁酸半钙,其中的铁部分被硅和铝代替。与从赤铁矿生成的SFCA一样,SFCA的含量与化学成分及温度有关。很明显,氧化气氛是生成SFCA的必要条件。研究也发现:在固定气氛下,磁铁矿的氧化取决于磁铁矿颗粒大小和温度。

对于高品位烧结矿以四氧化三铁连晶固结的研究目前很少。一项研究表明,烧结矿中磁铁矿含量高时,四氧化三铁有条件发展连晶固结;四氧化三铁同时以

三元铁酸钙的形式存在[6]。三元铁酸钙大多生于磁铁矿周围,一般很少与三氧化二铁共存。其晶体多为板状,大多以磁铁矿或钙、镁磁铁矿为基底,生成编织状结构。研究认为,这种三元铁酸钙的形成与二氧化硅无关,提高碱度或用高品位磁铁精矿和细粒度的氧化钙都有利于生成三元铁酸钙。

芬兰Rautaruukki等厂的生成实践证明,以磁铁精矿生产高品位烧结矿时适宜走四氧化三铁连晶固结的途径,形成以四氧化三铁普遍连晶为主要特征的磁铁矿高品位烧结矿。这一结果与Edstrom等人的研究结果相符。

3 结语

本文就近些年来国内外烧结工作者对高品位烧结矿技术的开发历程、取得的成果进行了总结性论述。回顾过去,高品位烧结矿技术对提升我国高炉节能降耗起到了重要作用;进入21世纪后,随着优质资源的不断减少,劣质资源的使用量在不断增加,迫切需要烧结工作者们尽快研究劣质资源的使用技术,使劣质资源的使用实现科学化、效益最大化。

参考文献

[1] Y.Omori E.KssAl.先进的铁矿石准备技术.第六届国际钢铁会议炼铁文集,1990

[2] 杨李香等.磁铁矿在不同气氛下的烧结行为,钢铁,1997,(9):16

[3] K.A.RAlpAla, E.U.Hettula, T.JokinenHigh iron sintering at Koverhar IIronmaking Conference Proceedings 1992

[4] 徐瑞图等.炼铁原料准备技术的新发展及对八五的建议,中国铁矿石烧结研究,1997.

[5]R.DawsonRecent Development in Iron Ore Sintering Ironmaking and Steelmakering ,1993202):135159

[6]任允芙.钢铁冶金岩相学.北京:冶金工业出版社,1986164页■

联系方式:

联 系 人:刘振林 、 硕士、高级工程师

办公电话:(053188865466

邮政编码:250101

机:13583164171

联系地址:济南市工业北路21号济钢科技质量部