熔滴性(申威)

1、基于铁矿粉同化性和流动性预测烧结矿熔滴性能的研究摘要：以往评价铁矿粉同化性、流动性的指标分别只涉及温度和面积增长率，考虑因素单一，无法很好地结合烧结矿的熔滴性能对配矿方案的可行性进行判断。本文采用可视卧式高温炉在同化性实验和流动性实验中获得了温度、时间、升温速率、面积等数据，使用了综合实验过程各种重要信息的特征数对铁矿粉同化性和流动性进行了定量描述。提取同化性实验和流动性实验中重要参数与熔滴实验中重要参数进行对照，提出了能预测烧结矿熔滴性能的熔融性能特征数(R)。对5种配矿方案进行实验验证，发现熔融性能特征数(R)的变化趋势和程度与熔滴实验中熔滴性能总特性值(S)相近。因此，熔融性能特征数能对

2、烧结矿的熔滴性能提供预判，为烧结配矿提供指导。关键词：同化性，流动性，熔滴实验，烧结，配矿Previous evaluation index on iron ore powder assimilability, liquidityrespectively involves only temperature and area of growth, few factorconsidered, those index cant combine with sinter melt-dropping property to judge the feasibility of the ore matching

3、 scheme. we adopted visual horizontal high temperature furnace in assimilability and liquidity experiment, the data such as temperature, time, heating rate and area were received, characteristics numbers that integratedall kinds of important information in experiment were used to measure iron ore po

4、wder assimilation and liquidity. Important parameters in assimilation and liquidity experiment were extracted, we contrasted those parameters with molten drop testparameters, the total property value of sintering basic characteristics(K) was put forward, this index has the same changing trend and de

5、gree with total property value (S)inmolten drop test. K can predict the drop properties of sinter, and provide guidance for sintering ore matchingKeywords: assimilability; fluidity; molten drop test; sintering; ore matching1 前言高炉内软熔带的形成及其位置，对炉内煤气流分布和还原过程都会产生明显的影响，因此，成品烧结矿的软熔性能显得尤为重要。目前普遍使用烧结基础特性实验、烧

6、结杯实验等手段指导配矿，通过熔滴实验对成品烧结矿的软熔性能进行检测。熔滴实验时间长，任务量大，一些钢铁企业甚至委托其他单位进行实验，由此可见研究能提前预判烧结矿熔滴性能的方法对指导配矿是很有意义。熔滴实验是在高温下进行的熔融反应过程，与铁矿粉的烧结基础特性有很大的关联，尤其是铁矿粉的同化性和流动性。铁矿粉的同化性能是指铁矿粉中铁氧化物与CaO的反应能力，反映了铁矿粉在烧结过程中生成液相的难易程度，对烧结矿成矿有至关重要的作用1-2。铁矿粉的流动性能是指烧结过程中铁矿粉与CaO反应生成液相的流动能力。烧结液相自身特性及其流动能力是影响烧结固结好坏，乃至烧结矿冶金性能优劣的重要因素3-4。为了明确

7、烧结基础特性与熔滴实验之间的联系，降低配矿方面的工作量，本文对国外10种常见的铁矿粉进行了研究，以期对实际烧结生产配矿提供指导。2 同化性及流动性实验2.1 实验原理及方法本文拟定测量5种配矿方案的同化性和流动性，配矿方案如表1所示。配矿方案所涉及的10中矿粉的成分如表2所示表1配矿方案成分表（质量分数 %）Table 1 Composition table of ore mixing recipes (%)序号矿粉方案1方案2方案3方案4方案51巴烧粉10.610.610.610.610.62巴卡粉20.819.817.815.812.83高硅澳粉25252525254杨地粉10101010

8、105马萨杰2.42.42.42.42.46南非粉4.54.54.54.54.57秘鲁原矿2.82.82.82.82.88秘鲁粗粉4.54.54.54.54.59秘鲁球团粉3333310毅星粉01358表2 铁矿粉的化学成分（质量分数）Table 2 Chemical composition of iron ores （%）序号TFeSiO2CaOMgOAl2O3K2ONa2OZnO162.37 5.60 0.25 0.16 1.71 0.013 0.005 0.005 263.68 3.05 0.24 0.17 1.73 0.012 0.008 0.011 359.750.220.149.5

9、00.111.710.0200.009457.58 5.32 0.22 0.16 1.22 0.005 0.015 0.005 557.02 4.43 0.41 0.26 2.44 0.017 0.034 0.007 664.24 4.31 0.20 0.14 1.77 0.230 0.019 0.007 756.59 9.28 2.04 2.43 1.44 0.380 0.230 0.280 867.44 2.37 1.30 0.98 0.34 0.052 0.306 0.008 967.80 2.80 0.67 0.78 0.53 0.120 0.080 0.010 1065.400.69

10、0.140.120.310.0160.0490.004目前企业普遍使用“最低同化温度”和“基于流动面积的粘度测定法”分别来定量描述铁矿粉流动性和烧结液相流动性能的强弱。使用“最低同化温度”表征特矿粉同化性能的方法，由于升温速率太快导致了明显的热滞后效应，从而无法准确判定最低同化温度，因此需要多次改变目标温度进行实验；使用“基于流动面积的粘度测定法”表征铁矿粉烧结液相流动性能的方法，很多高品位矿粉在相应的实验温度（1280）下不会熔化，因此使用这种方法无法表征这一类矿粉流动性的强弱。此外，国内一些学者外还提出了其他评价方法5-8，这些方法各有其考虑的出发点及优点，同时这些方法存在或忽略了过程信息

11、或用多个指标评价流动性不方便使用的特点。基于以上情况，为了能综合全面地描述铁矿粉同化性和流动性的强弱，本文将采用一种全新的评价方法，该方法能综合了烧结过程中的各种信息，且方便使用。本文涉及的实验设备有：可视卧式高温炉（型号：CI16-DIL，额定功率为8 kW）、摄像及记录系统、压片机、供气系统，装置示意图如图1所示。图1 实验装置示意图Fig 1 Diagram of the experiment device实验所用的CaO为粒度149 m分析纯，铁矿粉粒度149 m，为了模拟熔滴实验过程中的还原性气氛环境，本实验配入了粒度149 m的焦粉。在测定流动性实验中，考虑高碱度且液相数量约占1/

12、3的烧结矿的粘结相特点，试样二元碱度定为4.05，试样二元碱度定为4.0。在一定压力和时间下，用压片机压制直径8mm（5-6）mm（CaO和铁矿粉）的圆柱形试样和直径24mm4mm（铁矿粉）的圆饼形垫片。将圆柱置于垫片，放置炉中按设定升温制度(室温600，15min-1；6001150，10min-1；1150以上，5min-1)及相应的实验气氛（室温1150 ，氮气，3 Lmin-1；1150 实验结束，3 Lmin-1，空气）进行焙烧，图像和数据信息由计算机系统在升温过程中采集，为了确保计算机采集系统和记录系统的稳定运行，摄像拍摄间隔设为3 s。同化性实验以流动性实验为基准，在相同的压力和

13、时间下，用压片机压制直径8mm（5-6）mm（铁矿粉）的圆柱和直径24mm4mm（CaO）的垫片。将圆柱置于圆片上，放置炉中按相同的升温制度，及相同的实验气氛进行焙烧，图像和数据信息由计算机系统在升温过程中采集。实验试样的示意图如图2所示，图3和图4分别是同化实验和流动实验过程特征图。(1) 流动性实验(2) 同化性实验图2实验试样示意图Fig 2 Diagram of theexperiment sample(a) 未同化(b) 开始同化(c) 同化增强(d) 同化结束图3同化性实验过程特征图Fig 3Thecharacteristic images in assimilability te

14、st(e) 未流动(f) 开始流动(g) 流动增强(h) 流动结束图3流动性实验过程特征图Fig 3Thecharacteristic images in fluidity test2.1 配碳量的确定为了准确获得烧结基础特性和熔滴性能之间的联系，力求同化性、流动性实验和熔滴实验中的熔体成分接近。在熔滴实验中由于CO的还原作用，渣相主要成分是FeO、CaO和SiO2。在同化性、流动性实验中，在不配碳的情况下，渣相主要成分是Fe3O4、Fe2O3、CaO和SiO2，向试样中添加焦粉时，C能促使Fe3O4和Fe2O3向FeO甚至Fe转变。当配碳量为1416%时Fe元素在烧结矿中的主要存在形式为Fe

15、xO9。同化性和流动性实验实际上是模拟烧结过程中某一颗粒的行为和变化，因此实验中将配碳量控制在15%时，实验中熔体成分主要为FeO、CaO和SiO2，和熔滴实验熔体成分是接近的。2.2 实验结果及分析本文对同化性的定量描述将采用以实际生产温度基准的量纲为1的“同化反应特征数”10。同化反应的起始点定义为铁矿粉试样与CaO试样接触面出现润湿角的那一时刻，设起点时刻为t1，温度为T同1；同化反应终点定义为铁矿粉试样在CaO试样上方完全摊平且形态不再发生变化的那一时刻，设终点时刻为t2，温度为T同2。考虑了实际生产中烧结温度的同化反应特征数的计算公式如下：式中：TH为同化反应特征数，其量纲为1；V为

16、同化反应的体积分数，%；t为同化反应时间，即同化反应开始到同化反应结束所需要的时间（t2t1），s；n为烧结温度（1290）与同化温度比较所得，每大于10K增加1，不足10K的部分取分数，同化温度小于烧结温度取正值，大于烧结温度取负值；T同为同化反应温度，即同化反应起点与同化反应终点温度平均值(T同2+T同1)/2，K；H为升温速率（实验中在1200以上的升温速率），K/s。在此基础上所测得的同化性实验结果如表3所示表3 同化性特征数实验数据Table 3 The experimental data of assimilation characteristics number同化反应参数n/1

17、V/%t/sT同/KH/(Ks-1)TH/1方案10.410033012860.0836.20方案20.651003311283.50.0837.33方案30.910032812810.0838.78方案41.310031612770.08311.99方案51.651003181273.50.08315.14对铁矿粉流动性的定量描述将以同化特征数为参考，建立以实际生产温度为基准的量纲为1的流动性特征数模型，用此特征数来定量描述铁矿粉流动性强弱。该特征数综合了铁矿粉烧结液相过程中各种重要信息，如升温速率、液相流动温度、流动时间等参数，该特征数的建立做出了如下假设：（1）对流动性实验过程进行分析，

18、发现圆柱形矿粉试样在升温过程中其高度收缩经历了慢速快速慢速三个明显阶段，而且快速阶段均包含了高度收缩20%至70%之间的过程。实际烧结过程是一个高温且迅速的过程，因此认为流动性实验中试样高度下降了20%和70%处分别为烧结液相有效流动的起点和终点；（2）液相流动起点的时刻为t1，温度为T流1，试样面积为S1；终点时刻为t2温度为T流2，试样面积为S2；（3）定义流动参数为：式中：F为流动参数，其量纲为1；为面积增长率，即流动起点到终点液相流动面积增长率()，%；t为液相流动时间，即流动起点到终点所需时间（t2t1），s；T流为流动温度，即流动起点温度与终点温度平均值(T流2+T流1)/2，K；

19、H为升温速率（实验中在1200以上的升温速率），K/s；（4）考虑到实际烧结温度T标与流动温度T流之间存在差异，因此需对流动参数F进行修正。冶金中实际流体具有黏性，即黏度，而影响流动性的重要因素是其黏度，于是做出如下修正：美国G.W.Healg教授对粘度与温度之间关系做了具体应用的研究11，给出：式中，为粘度，T为温度，const为常数，由此可得出粘度在实际烧结温度T标与流动温度T流之间的关系为：由于黏度是阻碍流体流动的主要原因，因此可以认为粘度变化k倍，流动性则变化倍，于是对流动性特征数LD做出了如下定义：在此基础上所测得的流动性实验结果如表4所示表4 流动性特征数实验数据Table 4 T

20、he experimental data of fluidity characteristics number流动过程参数/1t/sT/KH/(Ks-1)T标/KLD/1方案17.4716913360.08312903.70方案27.4817313370.08312903.57方案37.431801340.50.08312903.26方案47.371841346.50.08312902.93方案57.2918813500.08312902.71实验结果表明，方案1至方案5随着毅星粉配比逐渐增加和巴卡粉配比的减少，同化性呈现增强趋势，流动性呈现出减弱趋势，当毅星粉的配比小于3%时，矿粉的同化性能

21、和流动性能比较符合实际生产要求，当毅星粉配比大于3%时，矿粉的同化性能和流动性能明显地偏离了理想数值（根据对实际烧结生产用矿高温特性的统计结果，TH=68时同化性适宜，LD3.8流动性适宜），分析其原因可能是由于毅星粉较巴卡粉品位更高、SiO2含量更低以及毅星粉中TiO2含量较高造成的。铁矿粉烧结中的液相成分主要是铁氧化物与CaO反应生成的铁酸钙，当矿粉中铁氧化物含量较高时，在测定同化性实验中圆柱矿粉试样能在较低的温度下较快地完成与CaO垫片的反应，同时TiO2会与CaO反应钙钛矿，因此毅星粉的添加对同化性是有利的；而在流动性实验中，当矿粉中SiO2含量较低时，导致在流动性实验中配加的CaO减

22、少，生成的液相减少，此外TiO2也会争夺CaO，造成熔点升高，因此毅星粉的添加对流动性是不利的。综上分析，可以初步预测毅星精粉可在小比例范围内替代巴卡粉进行烧结生产，但不可大比例地互替，当配比超过3%后可能会产生明显的烧结指标恶化的现象。3 熔滴实验3.1 实验结果及分析按照表1中的配矿方案进行烧结杯实验，将所得到的烧结矿进行熔滴实验，实验结果的主要指标如表5所示。表5 熔滴实验数据Table 5 The data of molten drop test实验参数T10%/T50%/T1/TS/Pm/PaTd/T2/S/KPa方案11147135020313904556141929117.91方

23、案21140134620613944230142228104.72方案31155135720213964675143539163.22方案41167137721013954934144752231.09方案51174139822413995112145253244.97注：T10%：软化开始温度，即料层收缩10%时的温度； T50%：软化终了温度，即料层收缩50%时的温度； T1：软化温度区间，T1=T50%-T10% Ts：开始熔融温度，即压差开始陡升（Ps=490Pa）时的温度； Td：分别为开始滴落温度，即第一滴熔体滴下时的温度； Pm：熔融状态时的最大压差值； T2：软熔温度区间，T2

24、=Td-Ts；S：熔滴性能总特性值，S=(Pm-Ps)T2熔滴实验结果显示，随着毅星粉配比的逐渐增加，开始熔融温度(TS)基本上没有大的变化，而软熔温度区间(T2)、最大压差值(Pm)及熔滴性能总特性值(S)呈现出增大的趋势。分析其原因可能是由于毅星粉与巴卡粉中FeO的含量几乎相当，而熔融开始温度(TS)取决于FeO低熔点渣的熔点；同时由于毅星粉中TiO2含量较高，TiO2易在熔融过程中参与高温反应，造成液相熔点升高、粘度增大，由此造成了开始滴落温度(Td)升高、最大压差值(Pm)增大。现代高炉炼铁要求烧结矿的开始熔融温度要高，熔滴区间要窄，熔滴过程的最大压差要低。尽管目前熔滴实验没有统一的标

25、准，出于对熔滴实验数据的对比,我们发现当毅星粉配比较低时（含量3%），对烧结矿冶金性能的影响是可以接受的，当毅星粉配比较高时，烧结矿冶金性能将会明显地恶化。3.2 讨论美国学者L.A.Haas等提出，熔滴性能总特性S值，是一个比软熔温度区间(T2=Td-Ts)更好的指标，因为它包含了温度区间(T2)和压降大小P=Pm-Ps,。12由此可见，单从铁矿粉同化性和流动性的角度考虑烧结配矿的问题是不够全面地，需提出一个综合性的指标。考虑到：（1）P=(Pm-Ps)，Ps为定值，Pm取决于滴落带的厚度、渣相量及渣相黏度13。流动性特征数LD实际上反映的是烧结液相粘度的强弱【？】，并且LD与粘度呈负相关；

26、（2）熔滴实验中熔体主要成分FeO、CaO和SiO2之间存在如下化学反应：根据相图14可知，低熔点渣相为CaOFeOSiO2。开始熔融温度(Ts)取决于含FeO的低熔点渣的熔点15，所以开始熔融温度(Ts)反映的是生成CaOFeOSiO2渣相温度。在测定铁矿粉同化性的实验中，FeO和SiO2存在于圆柱形试样中，CaO存在于圆饼形垫片中，所以CaOFeOSiO2在圆柱形试样和圆饼形垫片的接触面上生成。同化反应起始温度(T同1)反映的是试样和垫片界面上开始生成液相(即渣相CaOFeOSiO2)的温度，和开始熔融温度(Ts)具有相同的含义；（3）滴落温度受试样中渣、铁相的数量的影响，既可取决于渣相的

27、熔点，也可取决于铁相熔点16，其含义是液相大量生成的起点。流动性实验和熔滴实验中熔体成分是接近的，液相流动起点温度(T流1)反映的也是液相大量生成的起点；（4）熔滴性能总特性值S=(Pm-Ps)T2=P(Td-Ts)；于是提出熔融特性参数：虽然K与S具有相近的含义，但是K考虑的因素不够全面。升温速率(H)和时间(t)是一对相互制约且影响熔融性能的参数，所以定义熔融性能特征数：熔融性能特征数的量纲为1，对式（10）进行量纲分析，Q1、分别表示熔融过程所吸收的热量和时间，Q2、分别表示外部的供热量和供热时间，因此熔融性能特征数的物理意义为熔融过程中单位时间内的吸热量与供热量之比。图5是熔滴性能总特

28、性值与熔融特性参数对比结果，图6是熔滴性能总特性值与熔融性能特征数对比结果。图5 熔滴性能总特性值与熔融特性参数对比图Fig 5 The comparison diagram of K and S图6 熔滴性能总特性值与熔融性能特征数对比图Fig 5 The comparison diagram of R and S由图5和图6可知，熔滴性能总特性值、熔融特性参数和熔融性能特征数这三者的变化趋势和程度是很相近的，但是熔融性能特征数包含信息是全面的，而且具有明确的物理含义，因此可以确定，使用熔融性能特征数对烧结矿的软熔性能进行预测是可行的。4 结论（1）在测定铁矿粉同化性能的实验中，本文使用了较

29、以往不同的方法，该方法综合了铁矿粉同化反应过程中各种重要信息，如升温速率、同化反应温度和同化反应速度等参数，因此对铁矿粉同化性能描述是更全面的。同时，以该方法为依据，提出了测定铁矿粉流动性能的新方法，该方法和同化性评价方法具有一些相似的特点，即基于多因素考虑定义了评价指标。（2）尽管目前有多种方法指导配矿，但是验证配矿方案的烧结杯实验任务量还是很大，本文所使用的测定铁矿粉同化性和流动性的方法能对烧结矿的冶金性能提供初步的预判，减少一些不必要的烧结杯实验。（3）本文所提出的熔融性能特征数与熔滴性能总特性值具有相近的含义，因此使用熔融性能特征数对烧结配矿方案进行验证，能为烧结矿质量提供进一步的预判

30、，减少烧结杯实验量，提高配矿的质量。（4）通过计算得到，5种配矿方案的S与R比值的平均值为3.26，因此推荐烧结矿的熔融性能特征数R12.27 （对高炉炉料来说，S值40 KPa是适宜的12）。参考文献1 KASAI E. Preface to the Special Issue on “Recent Progress of the Research on the Iron Ore Agglomeration Process”J. ISIJ international, 2005, 45(4): 413-413.2 Loo C E. A perspective of goethitic ore

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