铁矿粉流动性能研究分析毕业论文.doc

北京科技大学本科生毕业设计（论文）铁矿粉流动性能研究分析毕业论文目录摘要1Abstract2引言11文献综述21.1我国铁矿粉资源利用概况21.2铁矿粉烧结工艺概述41.3化学成分对烧结矿质量的影响61.3.1含Fe品位的影响61.3.2脉石成分的影响61.4烧结基础特性81.4.1同化性能91.4.2液相流动性能91.4.3粘结相强度101.4.4铁酸钙生成性能121.5液相流动性的测定与评价122烧结矿粉的理化基础特性152.1化学成分152.1.1TFe和FeO含量152.1.2脉石成分含量172.2烧损242.3小结253液相流动性指数测定263.1实验设备与方法263.2实验结果与分析273.3铁矿粉流动性能的影响因素283.4优化配矿建议304液相流动性能新探索324.1实验设备与方法324.2实验结果344.3分析与讨论374.3.1可熔铁矿粉流动性能探究374.3.2未熔铁矿粉流动性能探究404.3.3探索实验的优点和可靠性415铁酸钙液相流动性能探索435.1实验方法435.2实验结果445.3分析与讨论46结论50参 考 文 献51附录A 外文原文54附录B 外文译文61致谢75- 2 -北京科技大学本科生毕业设计（论文）引言近两年来，我国生铁产量已经达到7亿吨左右。鉴于目前国内、外经济放缓，钢铁需求量下降，国内钢铁已呈现明显的产能过剩现象。虽然2012年下半年铁矿石、焦炭等原燃料价格有所下降，但是钢材价格下降的幅度更大，且随着劳动力成本的增加，使得大部分钢铁厂处于亏损边缘。因此，低成本炼铁对国内钢铁企业的生存至关重要。劳动力成本的增加，加快了国内高炉大型化的步伐，并因此提高了对入炉焦炭质量的要求。如果依靠降低焦炭质量来降低高炉的炼铁成本，往往会适得其反；而采用合理配矿、提高铁矿粉的性价比，实践已证明可降低高炉炼铁成本。为了高效、合理地利用低质铁矿粉，最大限度的降低炼铁成本，需要对铁矿粉烧结基础特性的测定方法及进展进行全面、深入地分析，顺应其发展趋势。流动性是指在烧结过程中铁矿粉与CaO反应生成液相的流动能力，即生成液相的粘性(与粘度有一定的相关性)，是烧结基础特性的重要组成部分。它表征了粘结相的有效粘结范围，对烧结强度有重要影响。不同种类的铁矿粉由于其自身化学成分、结晶水含量、致密度等特性的不同，使液相流动性有所差别。从烧结工艺看，烧结温度及烧结混合料的碱度均会影响粘结相的流动性。目前衡量铁矿粉流动性能的主要指标是流动性指数，为了保证在试验温度内形成的渣相有较好的流动性，通常将二元碱度选为4.0，将混合一定量CaO的铁矿粉试样压片后，放在耐高温的合金垫片上(也可采用Al2O3垫片)，将试样放入竖式高温炉中，分阶段快速升温到预定温度后恒温保持4 min，冷却后测量铁矿粉与CaO 混合试样熔化后形成液相的摊开面积，计算得到流动性指数。该方法测定的流动性指数是在基于一个温度点的数值，而实际烧结过程中，温度是有偏析的，靠近燃料处温度较高，远离燃料处温度较低。于是在不同的温度段，铁矿粉有不同的液相流动情况。因此，根据某个温度下的液相流动面积来推断其在烧结过程中的实际液相流动面积是不足的。并且这也只是一个终点参数，无法描述液相流动的过程。1文献综述1.1我国铁矿粉资源利用概况根据有关资料可知，世界铁矿石的可开采储量为1500亿吨。巴西、澳大利亚、印度、加拿大和南非等国的储量约占世界总储量的78 %。按目前的铁矿石开采速度，世界铁矿资源可保证100年以上。世界铁矿资源分布的特点是南半球国家富铁矿床多，如巴西、澳大利亚、南非等国；北半球国家贫铁矿床多，如前苏联、美国、加拿大、中国等国。我国铁矿石富矿少、贫矿多，97%的铁矿石为30%以下的低品位铁矿，国内尚存大量未被开发利用的难选铁矿。1序号地区可开采储量主要矿石类型1澳大利亚309赤铁矿、褐铁矿、马拉曼巴矿2巴西616多孔赤铁矿、镜铁矿、铁英岩3印度134赤铁矿、磁铁矿4南非28赤铁矿5委内瑞拉18多孔赤铁矿、镜铁矿、铁英岩6加拿大62镜铁矿、磁铁矿世界铁矿石年产量约为11亿t，中国是世界最大的铁矿石生产国,年产量为217亿t，巴西和澳大利亚的铁矿石产量分别为213亿t和211亿t，它主要铁矿石生产国还有俄罗斯、印度、乌克兰、加拿大及南非等。我国已查明铁矿资源储量607亿吨，预测资源量1000亿吨以上，占世界第3位2。我国铁矿床类型多，地质条件复杂，矿石品位低，平均品位仅为30%左右，以中低品位矿为主，富矿资源储量只占1.8%，而贫矿储量占97.7%3。而且中小矿多，大矿少，特大矿更少。矿石类型复杂，难选矿和多组分共(伴)生矿所占比重大。难选赤铁矿和多组分共生铁矿石储量各占全国总储量的1/3。我国铁矿石类型多，有磁铁矿、钒钛磁铁矿、赤铁矿，另外还有褐铁矿、菱铁矿和镜铁矿。磁铁矿是我国最主要的铁矿石原料，属易选、利用率高的矿石类型,其储量和开采量均居各类铁矿石之首,探明储量约占总储量50%，主要分布于辽宁、河北、山西、山东、安徽和内蒙古等省区；赤铁矿含铁量在30%50%，含磷高，属难选矿石，探明储量约占总储量18%，主要分布在辽宁、湖北、河北、四川、湖南和内蒙等省区；钒钛磁铁矿含铁品位一般在30%以下，伴生V、Ti等贵重金属，矿床规模大、易采易选，探明储量约占总储量14%，主要分布于四川和河北两省。我国铁矿中硫、磷、二氧化硅等有害组分含量高，多组分共生铁矿石占了很大比重，而且有用组分嵌布粒度细，因此采选难度大、效率低、铁矿石产量难以满足国内需求4。以攀枝花钒钛磁铁矿为例，该矿床属岩浆型矿床，已探明铁矿资源总量近100 亿吨，占全国铁矿资源总量的16.5左右，矿区铁矿石平均品位为25%47.5%，选矿后铁精矿品位为5456%5。而我国从巴西、澳大利亚进口的原矿石品位为60%68，不用经过选矿工序。从我国铁矿石资源情况来说，适量的进口铁矿石满足我国的经济发展，已是必然趋势。然而由于我国过分依赖国外铁矿石资源，我国的钢铁企业为此付出了沉重的代价，当前如果现在我们还不能立即着手准备充分利用国内现有的铁矿资源，包括低品位铁矿资源，大幅提高国内铁矿石占消费的比重，扭转我国钢铁工业发展过度依赖国外铁矿资源，过度依赖进口铁矿石的局面，我们还会付出更高的代价。因此从建立安全稳定的供应体系出发，加强国产铁矿石生产，增加国产铁矿石自给率，是确保钢铁行业和我国国民经济发展的重要策略。与国外大型的铁矿企业相比，我国铁矿开采企业规模小，选冶技术装备落后，劳动生产率和资源利用率低，资源普遍储备不足。而我国虽然贫矿较多，但有开采利用潜力的低品位矿石数量还是很可观的，我国钢铁工业发展过度依赖国外铁矿资源所付出的代价远远大于低品位铁矿资源开发利用可能产生的环境代价。所以加大对低品位矿石的开采和利用也有着重要的意义，但由于低品位矿石对于冶炼技术有着较高的要求，因此开发低品位需要我国钢铁企业引进先进开采和冶炼技术，促进冶炼精料技术和高炉操作技术的进步。更大程度上利用好低品位矿石6。国内钢铁企业应根据世界铁矿石资源特点和供应状况,依据最新的配矿理论及技术,合理选择和有效利用国内外铁矿石资源,从而达到降低钢铁生产成本、增强企业竞争力的目的。1.2铁矿粉烧结工艺概述自从19世纪末开始，钢铁企业就已经开始考虑铁矿粉以及包括含铁废料、粉尘、烟道灰、硫酸渣等工业过程废料和副产品的造块方法7。在100多年的发展过程中，烧结理论也日趋完善。目前，对铁矿粉烧结工艺的定义可概括为8-10：将各种粉状含铁原料，按要求配入一定数量的燃料和熔剂，均匀混合制粒后布到烧结设备上点火烧结；燃料燃烧产生高温区，高温区内发生一系列物理化学反应，混合料中部分易熔物质发生软化、熔化，产生一定数量的液相，液相物质润湿其它未熔化的矿石颗粒；高温区在抽风作用下不断向负压方向运动，经历高温过后，随着温度的降低，液相物质将矿粉颗粒粘结成块。这个过程叫做烧结。烧结的主要目的是：(1)将粉状料制成具有高温强度的快装料以适应高炉冶炼、直接还原等在流体力学方面的要求；(2)通过烧结改善铁矿石的冶金性能，是高炉冶炼指标得到改善；(3)通过烧结去除某些有害杂质，回收有益元素达到综合利用资源和扩大铁矿石原料资源。现代烧结生产抽风烧结过程，是将铁矿粉、熔剂、燃料、代用品及返矿按一定比例配成烧结混合料，添加适量的水分，经过混合和制粒后铺到烧结台车上，在一定负压下点火，在强制抽风的作用下，料层内燃料自上而下燃烧，产生热量，混合料在高温下发生一系列的物理、化学变化，部分散料熔化生成液相，冷却后粘结周围物料，最终固结生成烧结矿。烧结是液相粘结的固结过程。烧结过程中产生一定数量的液相,是烧结原料固结成块的基础11在燃料燃烧产生的高温作用下，固相反应中产生的低熔点化合物首先熔化,形成液相，并将其它未熔化的部分粘结起来，冷却后成为多孔质的块矿。烧结过程中产生的液相数量是决定烧结矿的强度和成品率的主要因素12。烧结矿的生产先后经历了2个主要的发展时期，分别是最初的自熔性或低碱度烧结矿和现在的高碱度烧结矿。前者的粘接相以硅酸盐熔体为主，而后者则以复合铁酸钙(SFCA)为主。SFCA理论是低温烧结工艺的理论基础。SFCA被认为是烧结矿中质量最佳的粘结相，传统意义上对其认识包含：它的强度和还原性等均优良；只能在相对较低的烧结温度(12501280 )下获得，其形态随温度变化而变化等13；低温烧结的理论基础就是SFCA理论，温度过高不仅不利于SFCA的生成，反而会使铁酸钙的形态发生变化，甚至发生分解而减少。郭兴敏等对SFCA的形成机理进行了研究14，并对前人的大量工作做了很好的总结15。烧结矿属于人造富矿。烧结原料中除了富矿粉，还可以利用高炉炉尘、转炉炉尘、轧钢皮、铁屑、硫酸渣等其它钢铁及化工业的废料，使废料得到有效利用，做到变“废”为宝，变“害”为利16。此外，烧结过程还可以脱除8090%的S和F、As等有害杂质，因此大大减轻了高炉冶炼过程中的脱硫任务，烧结矿碱度降低，有利于烧结过程中脱硫17。烧结工艺流程图如图1.1图1.1烧结工艺流程图随着烧结生产技术的不断发展和烧结自动化技术的应用,烧结工艺不断完善,烧结生产稳定顺行,利于节能降耗随着烧结矿质量的提高,高炉顺行,焦比和燃耗降低,改善了高炉生产指标,推动了钢铁业的发展。1.3化学成分对烧结矿质量的影响1.3.1含Fe品位的影响含Fe品位是铁矿石最重要的评价指标之一，矿石品位基本上决定了矿石的价格，即冶炼的经济性。市场上往往以含Fe量单位数计价。因为Fe含量越高的矿石，脉石含量越低，则冶炼时所需溶剂量和形成的渣量也越少，用于分离渣与铁所耗能量降低。1.3.2脉石成分的影响矿石中除Fe以外的其它化合物统称为脉石。脉石的成分包括SiO2、Al2O3、CaO和MgO，还有少量S、P、K、Na、Cu、Pb、Zn、F等有害元素。(1) SiO2对烧结的影响高SiO2型烧结矿，当碱度2.0时，随着碱度的提高，粘结相中铁酸钙及硅酸二钙含量增加，并出现硅酸三钙，烧结矿还原强度不断提高，粉化率降低18-19。低SiO2型烧结矿物组成与碱度的关系，类似于高SiO2型烧结矿。相同碱度下，SiO2含量低时，粘结相数量少，所以其强度低于高SiO2型。另外，由于低SiO2型烧结矿中低熔点粘结相少，而高熔点的基体Fe2O3或Fe3O4多，因此，烧结矿低SiO2型软化温度普遍高于高SiO2型。同时，又由于SiO2含量低，生成硅酸二钙数量少，破坏力小，故还原粉化小。低SiO2型烧结矿在碱度1.72.8时，Fe2O3出现高峰，主要是冷却过程中由Fe3O4氧化而成的所谓再生的骸晶状菱形赤铁矿。(2) Al2O3对烧结的影响当烧结料中含Al2O3较高时，可生成含Al2O3硅酸盐，促进复合铁酸钙的生成，减少硅酸钙的生成，从而降低粘结相的温度，提高烧结矿的氧化度，降低其粉化率，对改善烧结矿的性质起良好作用。并且Al2O3能加宽针状铁酸钙存在的温度范围：没有Al2O3时，大约为1180 1230 ；含有适量的Al2O3时，针状铁酸钙存在的温度可以达到1300 20-21。另外，针状铁酸钙的生成量与Al2O3/SiO2值有关。据报道：针状铁酸钙最大生成量对应的Al2O3/SiO2值为0.30.35。但是，烧结料中的Al2O3含量也应控制，若Al2O3含量过高，使高炉渣中Al2O3含量超过22%25%时，炉渣难熔而不易流动，使冶炼造成困难。通常高炉渣中Al2O3含量控制在16%以下。(3) CaO对烧结的影响由于铁矿粉中脉石成分主要是酸性氧化物，为保证烧结矿达到一定要求的碱度，通常需要加入一些碱性氧化物作为溶剂。铁矿石烧结过程中CaO是主要熔剂，对烧结过程中液相的形成起着决定作用。随着CaO量的增加，烧结过程中通过固相反应形成较多的低熔点化合物，随着烧结过程中温度的升高，则会有较多的液相生成。而在烧结过程要求液相要适量，如果烧结过程中液相量不足会导致粉矿存在，烧结强度降低，成品率下降。同时如果烧结过程中形成的液相量太多，一方面不利于烧结过程中气体的通过；另一方面，液相冷却形成粘结相的强度要低于矿石自身强度22-23。因此，液相量过多则冷却后粘结相过多，导致烧结矿的强度降低。(4)MgO对烧结的影响铁矿粉中的MgO，一方面能提高硅酸盐熔体的结晶能力，减少玻璃质含量，从而提高烧结矿强度；另一方面，加入适量MgO，由于出现新的含镁矿物可使硅酸盐熔化温度降低，其低熔点化合物可以完全熔融，增加了烧结料层中的液相数量；另外，由于MgO的存在，减少了硅酸二钙与难还原的钙铁橄榄石、铁橄榄石生成的机会。但是若铁矿粉中MgO含量过高，也有负面影响：一是MgO提高了形成熔体的液相温度，降低了熔体的过热度，导致熔体流动性降低24；二是MgO为高熔点物质，在相同的烧结温度下，随着MgO含量的增加烧结过程中形成的液相量也在逐渐减少。因此，MgO含量的增加会降低烧结矿的强度。(5) 有害元素硫在钢凝固过程中以FeFeS共晶形式凝固在晶界上，在加热过程中先熔化，造成“热脆”现象。烧结球团脱硫率80%90%，高炉中脱硫率90%以上。磷化物聚集在晶界周围减弱晶粒间结合力，使钢冷却时发生很大的脆性，从而导致钢的“冷脆”现象。高炉冶炼也不能脱磷，全部还原静茹生铁。铜在高炉冶炼中全部还原进入生铁，当铜含量超过0.3%时，钢焊接性能降低，并产生“热脆”现象。铅的密度大于铁水，不溶于铁水，极易渗入砖缝，破坏炉底砌砖。另外，铅在高炉内有富集现象，造成高炉结瘤。锌易还原，不溶于铁水，在高炉内有挥发现象，在炉底低温处可冷凝沉淀，使砖缝膨胀，严重时会引起高炉结瘤。砷在高炉冶炼过程中全部还原进入生铁，砷能使钢增加脆性，并使钢的焊接性能变坏。氟过高会使炉内成渣过早，不利于矿石还原，且其渣会侵蚀高炉风口及炉衬。氟有循环富集现象，与碱金属结合是造成高炉结瘤的原因之一。碱金属在炉内有“自动富集”倾向，会破坏炉衬，造成炉墙结厚和结瘤；破坏焦炭的高温强度，扩大直接还原，导致焦比上升；降低人造富矿的热强度，破坏高炉顺行。1.4烧结基础特性烧结基础特性是吴胜利教授根据对铁矿粉在烧结过程中的高温物理化学行为的探索性研究而提出的新概念。所谓铁矿石的烧结基础特性, 就是指铁矿石在烧结过程中呈现出的高温物理化学性质。它反映了铁矿石的烧结行为和作用，亦是评价铁矿石对烧结过程以及烧结矿质量所做贡献的基本指标。铁矿石的烧结基础特性主要包括：同化性能、液相流动性能、粘结相强度性能、铁酸钙生成性能、连晶性能、粘附粉/核矿石的高温结合性能，等等。目前与这一研究项目相关的国内外其他研究者的工作还很少。在国外，为数不多的研究工作仅限于对铁矿粉的同化性(反应性)的评价方面25-27，而且对铁矿粉的同化性在烧结过程中的影响机理和定量化方面仍缺乏认识。1.4.1同化性能所谓铁矿粉的同化特性就是铁矿粉在烧结过程中与CaO 反应的能力。在铁矿粉烧结过程中，烧结矿的粘结相的形成始于CaO和Fe2O3的固相反应，而最终得到以铁酸钙为主的矿物组成。因此，铁矿粉的同化性成为考察铁矿粉的烧结基础特性的重要指标。铁矿粉的同化性表征其在烧结过程中生成液相的难易程度，是烧结矿有效固结的基础。因此，研究铁矿粉的同化性，对合理利用铁矿石资源及优化配矿提供技术基础。以铁酸钙作为烧结矿的主要粘结相时，烧结矿的强度和还原性都很好。因此，要获得铁酸钙体系液相，首先取决于矿石的同化作用。由于铁矿石成分不同(如磁铁矿主要成分为Fe3O4，而赤铁矿为Fe2O3)，同时其自身的致密性、结晶水含量、SiO2 含量也有所不同，因而不同铁矿石的同化性必然存在差别28。早在80年代初，新日铁开发了两种测定铁矿石同化性的试验方法。试验表明：褐铁矿的同化性明显高于赤铁矿和磁铁矿29。一般来说，若铁矿粉的同化性好，则其易于和CaO反应生成铁酸钙液相，作为主要粘结相，从而对烧结矿强度的改善有一定的促进作用，烧结矿的强度也较好；若铁矿粉的同化性不好，则液相量少，不利于铁矿石的粘结，影响强度；但矿石的同化性也不能太高，如果同化性太高，则烧结过程中大量液相的生成会使起骨架作用的核矿石大大减少，从而恶化烧结透气性，影响烧结矿的产量。由此可见，铁矿粉的同化性好坏对烧结矿的性能有很大的影响，因此有必要研究各种铁矿粉的同化性以利于烧结指标的改善。1.4.2液相流动性能液相流动特性是指烧结过程中铁矿粉与CaO反应生成的液相的流动能力，它表征的是粘结相的“有效粘结范围”。不同种类的铁矿粉由于自身特性的不同，在烧结过程中形成的液相流动性也各不同。因此可以通过配矿设计来控制烧结液相的流动性，掌握各铁矿粉的液相流动性对提高烧结矿的产量、质量具有重要意义。高碱度烧结矿的固结主要是依靠发展液相来实现，液相量对烧结矿强度有重要的影响，若液相生成量适度、粘度适宜时，烧结矿形成微孔海绵状结构，这种烧结矿还原性好、强度高30。虽然铁矿石的同化性揭示了低熔点液相生成能力，但同化性和熔化温度的高低并不能完全反映有效液相量的多少。因为，一种物质的“熔化”并不代表其一定就会“流动”。因而，对烧结矿强度有实际意义的是液相的流动性，即CaO与矿石生成的液相的流动能力。一般来说，液相流动性较高时，其粘结周围的物料的范围也较大，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，易导致烧结矿中气孔率增加，从而使烧结矿的强度下降。但是，粘结相的流动性也不能过大，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。已有研究结果表明，烧结矿的结构强度取决于残留原矿和黏结相的自身强度及二者之间的接触程度，合理地控制液相的流动性可确保接触程度，从而有利于烧结矿获得足够的强度31。因此，液相流动性是烧结矿强度的一项重要控制因素，适宜的液相流动性才是烧结矿强度的保障。因而比较各种矿石粘结相的液相流动性对认识以这些矿石为粉矿粘结而成的烧结矿的强度有重要的指导意义32。1.4.3粘结相强度粘结相强度是指铁矿粉在烧结过程中形成的液相对其周围的矿粉进行固结的能力，它对烧结矿的强度有着至关重要的作用。由烧结矿显微结构可知,烧结矿的强度主要取决于三部分:铁矿物相的强度、粘结相的强度和粘结相与铁矿物相间的粘结强度。铁矿物相本身具有较好的强度,因此对烧结矿强度起限制作用的粘结相自身的强度和粘结相与铁矿物相间的粘结强度。烧结矿是由粘结相（熔化物）粘结未熔的含铁矿物固结而成，因而粘结相和未熔的含铁矿物的自身强度对烧结矿强度有重要的作用。若粘结相和含铁矿物的自身强度高，则在其他条件相同的情况下，烧结矿的强度也高。低温烧结下形成的非匀质结构，其含铁矿物的自身强度要高于粘结相强度，故在烧结工艺条件一定的情况下，粘结相的强度就成为制约烧结矿强度的因素33-35。根据以往的研究结果可知，粘结相的矿物组成和结构不同，其机械强度也不同；矿粉种类不同，生成的粘结相的矿物组成和结构不同，这种不同是影响烧结矿强度的重要因素之一。铁矿粉烧结粘结相自身强度的影响因素主要可分为两个方面，其一属于内应，其二属于外因。前者有烧结温度、气氛、烧结矿二元碱度等；后者是生成粘结相的铁矿粉的自身特性，如铁矿粉的熔融特性、矿物学特性36。在先进的低温烧结工艺原则下, 烧结温度和气氛应属于不能任意改变的因素。烧结矿二元碱度受高炉炉料结构的制约， 但是在一定范围内可以调整。提高碱度可使CaO与铁氧化物的接触面积增大, 有利于改善生成低熔点液相的反应热力学、动力学条件。CaO的介入还能够削弱硅氧复合阴离子组成的网状结构，有助于降低液相的粘度，改善粘结相的结构；另外，烧结矿二元碱度的提高，有助于增加粘结相中复合铁酸钙矿物。这些因素均对粘结相强度的提高有积极作用。但是，碱度升高后若出现过度熔化或者液相粘度过低，会使烧结体形成薄壁大孔的脆弱结构。影响粘结相的自身强度。另外，CaO的加入量过多，容易生成高熔化温度, 且粉化倾向严重的硅酸二钙(C2S)，导致粘结相的自身强度下降。由此可见，二元碱度对铁矿粉粘结相自身强度的影响很复杂。它与铁矿粉的自身特性发生综合作用, 故应该根据具体情况统筹考虑。铁矿粉的粘结相强度的测定和评价方法是采用微型烧结法测定粘附粉试样小饼烧结后的抗压强度，以此用来评价铁矿粉粘结相自身强度。试样的抗压强度定义为：单个烧成后试样小饼压溃时所承受的最小压力，即量纲为：N(牛顿)/个(试样)。铁矿粉的粘结相自身强度特性表征的是铁矿粉在烧结过程中形成的粘结相对其周围的核矿石进行有效固结的能力，对烧结的产量及质量有重要影响。不同种类的铁矿粉, 在烧结条件下形成的粘结相自身强度特性各不相同。这种差异除了受烧结二元碱度的影响之外，主要与铁矿粉的化学成分、矿物组成、同化能力、液相流动能力SFCA生成能力以及水化程度等自身特性密切相关。通过实验研究可以掌握铁矿粉的粘结相自身强度特性。这有助于实现真正意义的烧结优化配矿，为进一步改善烧结矿的产量及质量指标提供技术依据。1.4.4铁酸钙生成性能铁酸钙生成性能是指在烧结过程中复合铁酸钙的生成能力。铁矿粉烧结的理论和实践都明：在烧结粘结相中，复合铁酸钙(SFCA)粘结相是最优的。增加烧结矿中的复合铁酸钙含量既有利于提高烧结矿的强度，又有利于改善烧结矿的还原性。如果烧结矿中的复合铁酸钙数量较多且大多以熔蚀交织状态存在，则烧结矿的还原性和强度均会明显改善。1.5液相流动性的测定与评价液相流动性的大小一般可用黏度来衡量。但是，铁矿粉烧结产生的液相的黏度要比冶金炉渣大得多，在试验所确定的温度和时间条件下，无法用通常测定炉渣黏度的方法来确定烧结液相的流动性大小。国内普遍的做法是采用“基于流动面积的粘度测定法”37。将要考察的试样压制成小饼，然后根据实验条件在高温下焙烧；随着温度的逐渐升高，试样开始形成低熔点化合物；当烧结温度达到该化合物的熔化温度时试样逐渐瘫软，液相开始生成；随着温度的继续升高，过热度增大，液相逐渐呈流动状态，试样的垂直投影面积变大；实验结束后取出冷却了的小饼试样，根据试样流动后的面积来确定其流动性。实验装置如图1.2所示：1石英管，2热电偶，3试样台及升降装置，4温控仪电流表，5温控仪显示器，6温控仪设置键，7温度表，8气体流量表及调节旋钮，9升降装置速率表及调节旋钮，10气体转换开关，11电源开关，12升降装置开关，13红外线快速高温炉图1.2微型烧结实验装置示意图为客观比较铁矿粉烧结液相流动性的大小，定义了一个流动性指数38-41:液相流动性指数描述的是试样因液相流动而呈现出的面积增长率，其数值越大，则流动性越强。若烧结后试样未出现熔化流动，即试样面积仍为原始面积，则其流动性指数为零。具体实验方法是：将铁矿粉制成细粉状(100目)，干燥后待用；在一定的压力下，压制成8 mm5 mm的矿粉小饼试样。然后，将铁矿粉小饼试样放入微型烧结实验装置(图1.2)中按一定的烧结制度进行焙烧。待试样冷却到100 以下后取出，测定烧结后试样的垂直投影面积，即为流动面积。根据式(1.1)计算流动性指数。该方法测定的流动性指数是在基于一个温度点(考虑低温烧结原则，实验温度选取在1250 左右)的数值，而实际烧结过程中，温度是有偏析的，靠近燃料处温度较高，远离燃料处温度较低。于是在不同的温度段，铁矿粉有不同的液相流动情况。因此，根据某个温度下的液相流动面积来推断其在烧结过程中的实际液相流动面积是不足的。并且这也只是一个终点参数，无法描述液相流动的过程。2烧结矿粉的理化基础特性烧结铁矿粉的理化基础特性，包括化学成分、粒度、升温过程烧损和结晶水分解特性，是烧结矿原料的最基础的性能。2.1化学成分2.1.1TFe和FeO含量化学成分是评价铁矿粉常温特性最基本和首要的指标，目前国内大都对烧结铁矿粉中含铁氧化物采用化学分析。铁矿粉中的TFe和Fe的含量对烧结过程有很大的影响，表2-1为实验烧结铁矿粉TFe和Fe的含量。TFe和FeO进行了两次取样进行化学分析，第一次分析两次，第二次分析一次。将其结果取平均值。表2-1烧结铁矿粉中TFe和FeO含量(%)矿粉名称TFeFeO试验1试验2试验3平均值相对平均偏差试验1试验2试验3平均值相对平均偏差草楼精粉68.6269.3069.5269.150.5130.7130.5029.3830.201.80海南富粉62.5863.6163.8763.350.812.272.625.533.4739.48PB粉60.3161.3059.7560.450.931.481.200.681.1226.19麦克粉59.1760.1458.3559.221.041.541.810.471.2742.06海南精粉60.2960.8456.8259.322.8121.9322.8821.1922.002.67铁镁粉55%55.2654.9456.8255.671.3722.4021.7321.9522.031.13氧化铁皮52.9153.1853.9653.350.7642.7642.8544.4743.361.71印尼粉53.8754.3751.2353.162.424.113.264.744.0412.83秘鲁精粉70.1572.8471.4171.47 1.2829.0229.2526.828.36 3.66FMG火箭粉57.5258.7456.37 57.54 1.390.571.221.40 1.06 30.9359%印度粉49.4248.9550.4149.59 1.100.750.881.290.97 21.69梅山精粉58.4258.6657.5158.20 0.7919.00 16.10 14.90 16.67 9.33图2-1和图2-2分别为按含量大小排列的烧结铁矿粉中TFe和FeO的含量图2-1烧结铁矿粉中TFe的含量(%)图2-2烧结铁矿粉中FeO的含量(%)图2-1中秘鲁精粉的TFe在70%以上；含TFe在60%70%之间的有草楼精粉/海南富粉、PB粉；含TFe在57%60%的有海南精粉、梅山精粉、麦克粉和FMG火箭粉；含TFe在55%56%的有铁镁粉55%；含TFe小于55%的有氧化铁皮、印尼粉、59%印度粉。TFe在60%以上的秘鲁精粉、草楼精粉、海南富粉和PB粉为优良，特别是秘鲁精粉和草楼精粉。氧化铁皮和印尼粉含TFe在53 %左右，为品位较低的矿粉，而59%印度粉的含铁量低于50%，是品位很低的原料。从图2-2可见，氧化铁皮和草楼精粉FeO含量分别超过40%和30%；秘鲁精粉、海南精粉和铁镁粉55%的FeO含量在22.0%27.3%之间；其它原料的FeO含量都小于4.04%。2.1.2脉石成分含量矿石中除Fe以外的其它化合物统称为脉石。脉石的成分包括SiO2、Al2O3、CaO和MgO，还有少量S、P、K、Na、Cu、Pb、Zn、F等有害元素。目前国内大都对烧结铁矿粉中主要脉石氧化物都采用荧光衍射分析。表2-2给出了用荧光衍射分析得到南钢烧结料的主要氧化物含量。图2-3至图2-6分别给出了按含量大小排列的烧结原料中主要氧化物的含量。表2-2烧结铁矿粉中主要氧化物的含量(%)矿粉名称SiO2Al2O3CaOMgO草楼精粉2.670.280.200.20海南富粉4.770.860.410.35PB粉4.502.820.230.19麦克粉5.122.920.230.12海南精粉6.960.880.935.97铁镁粉55%5.310.370.559.04氧化铁皮6.442.237.991.50印尼粉9.614.572.661.30梅山精粉3.97 1.25 3.06 1.21秘鲁精粉1.40 0.29 0.32 0.56FMG火箭粉5.58 2.77 0.46 0.1459%印度粉7.03 7.81 2.52 0.64图2-3铁矿粉中SiO2含量(%)图2-4铁矿粉中Al2O3含量(%)图2-5铁矿粉中CaO含量(%)图2-6铁矿粉中MgO含量(%)(1)SiO2对烧结的影响高SiO2型烧结矿，当碱度2.0时，随着碱度的提高，粘结相中铁酸钙及硅酸二钙含量增加，并出现硅酸三钙，烧结矿还原强度不断提高，粉化率降低。低SiO2型烧结矿物组成与碱度的关系，类似于高SiO2型烧结矿。相同碱度下，SiO2含量低时，粘结相数量少，所以其强度低于高SiO2型。另外，由于低SiO2型烧结矿中低熔点粘结相少，而高熔点的基体Fe2O3或Fe3O4多，因此，烧结矿低SiO2型软化温度普遍高于高SiO2型。同时，又由于SiO2含量低，生成硅酸二钙数量少，破坏力小，故存放粉化小。低SiO2型烧结矿在碱度1.72.8时，Fe2O3出现高峰，主要是冷却过程中由Fe3O4氧化而成的所谓再生的骸晶状菱形赤铁矿。由图2-3可见，TFe含量低的低品质铁矿粉的SiO2的含量都较高。如印尼粉的含量在8.8%9.6%；59%印度粉、海南精粉和氧化铁皮的SiO2含量在6.4%7.1%之间，梅山精粉、草楼精粉和秘鲁精粉SiO2的含量小于4%；其他铁矿粉SiO2的含量在4.21%5.6%之间。(2)Al2O3对烧结的影响当烧结料中含Al2O3较高时，可生成含Al2O3硅酸盐，促进铁酸钙的生成，减少硅酸钙的生成，从而降低粘结相的温度，提高烧结矿的氧化度，降低其粉化率，对改善烧结矿的性质起良好作用。并且Al2O3能加宽针状铁酸钙存在的温度范围。没有Al2O3时，大约为1180 1230 ；含有适量的Al2O3时，达到1300 时还有针状铁酸钙的存在。另外，针状铁酸钙的生成量与Al2O3/SiO2值有关。据报道：针状铁酸钙最大生成量对应的Al2O3/SiO2值为0.30.35。但是，烧结料中的Al2O3含量也应控制，若Al2O3含量过高，使高炉渣中Al2O3含量超过22%25%时，炉渣难熔而不易流动，使冶炼造成困难。通常高炉渣中Al2O3含量控制在16%以下。在图2-4中印尼粉的Al2O3含量在3.7%5.5%之间，而59%印度粉的Al2O3含量达到了7.81%；Al2O3含量在2.2%2.92%的有麦克粉、PB粉、FMG火箭粉和氧化铁皮；梅山精粉的Al2O3含量在1%2%；其他铁矿粉的Al2O3的含量小于1%。(3)CaO对烧结的影响由于铁矿粉中脉石成分主要是酸性氧化物，为保证烧结矿达到一定要求的碱度，通常需要加入一些碱性氧化物作为溶剂。矿粉中的CaO含量高，必然节省为中和酸性氧化物所进入的溶剂，对降低燃料消耗有利的。如图2-5所示，氧化铁皮中CaO含量很高，近8%；梅山精粉CaO含量为3.2%；印尼粉、59 %印度粉的CaO含量在2.2%2.5%；海南精粉CaO含量在1%左右；而其它的CaO含量都小于0.55%。(4)MgO对烧结的影响铁矿粉中的MgO，一方面能提高硅酸盐熔体的结晶能力，减少玻璃质含量，从而提高烧结矿强度；另一方面，加入适量MgO，由于出现新的含镁矿物可使硅酸盐熔化温度降低，其低熔点化合物可以完全熔融，增加了烧结料层中的液相数量；另外，由于MgO的存在，减少了硅酸二钙与难还原的钙铁橄榄石、铁橄榄石生成的机会。但是若铁矿粉中MgO含量过高，也有负面影响：一是它阻碍了铁酸钙的生成；二是如果氧化镁过多，在烧结过程中形成以镁硅钙石等多种以玻璃质为基体的低熔点物相，各种相结晶膨胀系数差异加大，致使烧结矿冷却时产生应力集中而粉化。如图2-6所示，铁镁粉55%的MgO含量超过8%；海南精粉MgO含量在3.60%5.97%之间；氧化铁皮、梅山精粉和印尼粉的MgO含量在1.30%1.87%之间；其它的MgO含量都小于0.5%。由前面对主要氧化物的分析，可以大体上判断秘鲁精粉、草楼精粉质量最为优良。相对59%印度粉和印尼粉为低品质矿粉。而其它处于中间的铁矿粉也需要看其它的成分来确定。表2-3给出了荧光衍射分析得到的烧结铁矿粉中微量物质的化学成份。图2-7图2-11给出了烧结铁矿粉中不同的微量的含量，同样在图中是按含量高低的顺序排列的。表2-3烧结铁矿粉中微量物质化学成份(%)矿粉名称MnOPTiO2ClSV2O5草楼精粉0.065 0.046 0.110 0.006 0.019 0.014 海南富粉0.092 0.100 0.130 0.016 0.025 0.009 PB粉0.260 0.850 0.220 0.013 0.079 0.075 麦克粉0.190 0.012 0.160 0.009 0.150 0.007 海南精粉0.150 0.094 0.140 0.017 0.031 /铁镁粉55 %0.440 0.062 0.320 0.017 0.056 /氧化铁皮0.600 0.190 6.500 0.018 0.034 /印尼粉0.085 0.079 0.120 0.012 0.034 /梅山精粉0.310 0.190 0.130 0.020 0.370 0.120 秘鲁精粉0.030 0.040 0.050 0.070 0.120 0.010 FMG火箭粉0.360 0.060 0.120 0.020 0.050 /59%印度粉1.200 0.070 0.440 0.030 0.150 0.020 图2-7铁矿粉中MnO含量(%)图2-8铁矿粉中P含量(%)图2-9铁矿粉中TiO2含量(%)图2-10铁矿粉中Cl含量(%)图2-11铁矿粉中S含量(%)59%印度粉MnO含量为1.2%，氧化铁皮、印尼粉和铁镁粉55%MnO含量为0.5%0.6%，其它的MnO含量都在0.31%以下，见图2-7。PB粉的P含量分别为0.85%，氧化铁皮和梅山精粉的P含量近0.20 %，海南富粉和海南精粉的P含量在0.1%左右，其它矿粉的含P量都在0.08%以下，如图2-8所示。图2-9中，氧化铁皮和印尼粉的TiO2含量分别为6.5%和1.21%，其它的TiO2含量都小于0.4%。秘鲁精粉Cl含量近0.07%，其它的Cl含量都在0.03%以下，见图2-10。由图2-11可见，梅山精粉和铁镁粉55%的S含量在0.35%0.40%之间，麦克粉和59%印度粉的S含量为0.15%，其他的矿粉的S含量均小于0.079%。2.2烧损烧损指铁矿粉在烧结过程中水分的蒸发、结晶水的逸出和氧化物的分解等，导致矿石重量损失。烧损的大小很大程度上影响着烧结固体燃料消耗的高低。表2-4为烧结铁矿粉的烧损分析结果。第一次取样每个矿粉做两组平行分析试验(试验1和2)，第二次取样，每个试样重新分析(试验3)，给出平均值和相对平均偏差。与前面测定铁矿粉中TFe和FeO含量的方法相同。表2-4铁矿粉的烧损(%)名称试验1试验2试验3平均值相对平均偏差草楼精粉-3.20-3.10-3.15-3.151.06海南富粉0.302.201.251.2550.67PB粉6.306.106.206.201.08麦克粉7.207.307.257.250.46海南精粉1.201.201.201.200.00铁镁粉55%1.501.301.401.404.76氧化铁皮0.700.000.350.3566.67印尼粉7.106.606.856.852.43梅山精粉5.54.94.95.10 5.23秘鲁精粉-2.47-2.20-1.8-2.16 -11.03FMG火箭粉9.3010.9010.610.27 6.2859%印度粉8.648.908.98.81 1.31在表2-4中海南富粉和氧化铁皮的相对偏差都很大，超过50%，这两种铁矿粉不均匀。将表2-4中铁矿粉的烧损平均值按大小顺序作图，见图2-12。在图1-12中，除秘鲁精粉和草楼精粉外，其余矿粉烧损值均为正值，表明这些铁矿粉几乎没有结晶水，高温下FeO被还原。FMG火箭粉、59%印度粉、麦克粉和PB粉烧损值较高，在6%10.9%之间。其为褐铁矿，由于含有一定量的结晶水，烧损较其他铁矿粉要高，配矿时应控制配加比例。其它矿粉的烧损都小于2.2 %。图2-12铁矿粉的烧损(%)2.3小结烧结铁矿粉的理化基础特性主要包括化学成分、烧损等。其中化学成分当中影响烧结性能的指标主要是品位、Al2O3的含量、MgO的含量、有害元素的含量、SiO2的含量。品位越大越好，其中秘鲁精粉的含铁量最高。Al2O3的含量在0.3%为最好，样品中59%印度粉的Al2O3的含量最高，达到了7.81%，草楼精粉的Al2O3含量最低，为0.28%。有害元素含量低于0.1%时为宜。在一定范围内，CaO的含量越大越好，在做评价模型时，以所有试样样品中的最大值为标准，样品中氧化铁皮的CaO含量最高，达到了8%。MgO的含量也是在一定范围内最好，以试样样品中MgO含量最高的铁镁55%的含量9.04%为标准。铁矿粉的烧损有正有负，其中草楼精粉和秘鲁精粉的烧损为负值，出现负值是因为有的矿粉中的Fe是以低价态的形式出现的，在焙烧过程中会被氧化而吸收空气中的氧，使样品质量增加而出现负值。3液相流动性指数测定3.1实验设备与方法本实验采用的12种铁矿粉来国内外各地，其化学成分、烧损如前文所示。本实验采用的设备是微型烧结性能装置，如图3-1所示。1石英管，2热电偶，3试样台及升降装置，4温控仪电流表，5温控仪显示器，6温控仪设置键，7温度表，8气体流量表及调节旋钮，9升降装置速率表及调节旋钮，10气体转换开关，11电源开关，12升降装置开关，13红外线快速高温炉图3-1微型烧结性能实验装置实验采用“基于流动面积的粘度测定法”。即：将要考察的试样压制成小饼，然后根据实验条件在高温下焙烧；随着温度的逐渐升高，试样开始形成低熔点化合物；当烧结温度达到该化合物的熔化温度时试样逐渐瘫软，液相开始生成；随着温度的继续升高，过热度增大，液相逐渐呈流动状态，试样的垂直投影面积变大；实验结束后取出冷却了的小饼试样，根据试样流动后的面积来确定其流动性。目前流动性能的主要评价指标是流动性指数，是由我校吴胜利教授首先提出的：液相流动性指数描述的是试样因液相流动而呈现出的面积增长率，其数值越大，则流动性越强；若烧结后试样未出现熔化流动，即试样面积仍为原始面积，则其流动性