孫健寧 ，劉小杰 ，嚴照照 ，盧建光，呂慶

（1. 華北理工大學冶金與能源學院，河北 唐山 063009；2. 華北理工大學現(xiàn)代冶金技術(shù)重點實驗室，河北 唐山 063009；3. 河鋼集團邯鄲公司，河北 邯鄲 056009）

1 前 言

隨著國內(nèi)鋼鐵行業(yè)的迅猛發(fā)展，煉鐵技術(shù)的不斷創(chuàng)新，富礦產(chǎn)量減少，貧鐵礦石開采量增加，燒結(jié)球團的地位在未來會越來越重要[1]。球團礦合理的堿度、SiO2和MgO 含量不僅對球團礦自身的冶金性能產(chǎn)生影響，也能提高高爐生產(chǎn)過后高爐爐況的穩(wěn)定性，同時也能滿足高爐造渣的基本要求[2]。澳大利亞、巴西等國采購礦粉，導致鋼鐵企業(yè)增加了對國外礦粉的依賴性，而近年來國外的礦物價格也逐漸攀升，使鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)成本提高。

我國大部分鋼鐵企業(yè)的高爐都是采用的高堿度燒結(jié)礦配加酸性球團或者天然塊礦，該搭配下能極大發(fā)揮球團礦品位高，強度高的優(yōu)越性，但是酸性球團會導致軟熔性能差，同時使得軟熔帶透氣性下降[3]。潘向陽對堿度對球團礦的冶金性能及抗壓強度的研究得出：隨著堿度的增加，焙燒球團礦抗壓強度呈先上升后下降的趨勢，當堿度為1.0 時，焙燒溫度控制在1250℃時，焙燒球團礦抗壓強度達到最大，滿足實際生產(chǎn)對抗壓強度的要求[4]。

對于高爐正常冶煉，提高高爐入爐料中的MgO 被認為是最重要的一種方法和途徑。通過提高球團礦中的MgO 含量不僅能提高爐渣中的MgO含量，而且還能提高球團礦的冶金性能[5]。張淑會等對MgO 對球團礦的抗壓強度的研究得出：當MgO 含量較高時，液相增多阻礙連晶，并且Mg2+進入Fe3O4晶粒阻礙了Fe3O4的氧化，使得球團礦的抗壓強度下降[6]。李乃堯等對MgO 對球團礦綜合冶金性能的影響的研究得出：隨著MgO 的增加MgO 的固溶阻礙了鐵元素的氧化和遷移，從而影響赤鐵礦的再結(jié)晶，使球團礦的抗壓強度下降[7]。

SiO2對球團礦的抗壓強度和冶金性能有著重要的影響，全國各個鋼鐵企業(yè)也通過對硅粉的運用對成本的降低。青格勒等人研究了低硅對球團礦的影響得出：隨著SiO2含量的降低，球團礦的還原膨脹率惡化[8]。所以提高SiO2含量對球團礦冶金性能有所幫助，但王黎光通過對SiO2對球團結(jié)構(gòu)的影響研究得出：添加化學純SiO2會使球團礦的氣孔和硅酸鹽都增加，使球團礦的抗壓強度降低[9]?？箟簭姸仁呛饬壳驁F礦的一個很重要的指標，邯鋼高爐目前球團礦的加入量大約在20%左右，生產(chǎn)使用的礦粉種類繁多，其所生產(chǎn)的球團礦質(zhì)量差，抗壓強度較低，所以針對調(diào)整不同礦粉的搭配調(diào)節(jié)SiO2含量從而能使邯鄲球團礦抗壓強度達到最優(yōu)，提出此試驗研究，同時結(jié)合FactSage 模擬軟件的使用為邯鋼球團礦的實際生產(chǎn)提出重要依據(jù)。

2 試驗方法

2.1 試驗原料及設(shè)備

試驗原料：本試驗采用邯鋼實際生產(chǎn)所使用的五種礦粉（邯邢精粉、安徽精粉、沙河精粉、燕山礦粉、PMC 礦粉、）和膨潤土。試驗所需的試驗設(shè)備有：圓盤造球機、電子稱、烘箱、球團焙燒爐、X- 射線衍射儀、偏光顯微鏡、蔡司場發(fā)射掃描電子顯微鏡。所需的試驗原料化學成分及不同含量SiO2的球團的配比方案見表1、2。

2.2 試驗步驟：

表1 礦粉的主要化學成分/%Table 1 Main chemical components of the ore powder

表2 配礦試驗方案/%Table 2 Test scheme of the matching ore

（1）制備生球：將四種礦粉按照比例稱量好加水混勻，選取50 g 的礦粉放到烘箱中測水分含量，半個小時后，稱量干燥后的礦粉質(zhì)量，計算出礦粉中的含水量，并將已經(jīng)混勻好的料蓋住進行燜料，將燜好的料放入直徑為1000 mm 的圓盤造球機（傾角為45°，圓邊高度為230 mm）中制備生球，轉(zhuǎn)速為20 r/min。（其中工藝參數(shù)選擇為選擇的主要工藝參數(shù)為：膨潤土加入量2.0%、造球時間13 min、干燥溫度300℃）。

（2） 測定生球抗壓強度： 將直徑為10 ～ 12.5 mm 的單個生球放置于抗壓強度測試機上，直至生球破裂為止，天平上的數(shù)據(jù)就為每個球團礦生球的抗壓強度，每次測20 個生球的抗壓強度，取平均值就為該批次球團礦的抗壓強度。

（3） 測定生球落下強度： 將直徑為10 ～12.5 mm 的生球于0.5 m 的高度自由落下至10 mm厚的鋼板上記下球落下不破裂的次數(shù)。每組采用20 個小球，為了減少誤差，計算平均值時去掉數(shù)據(jù)中的最小值與最大值，其余20 個數(shù)據(jù)的平均值作為該組試驗的數(shù)據(jù)。

（4）焙燒生球：取1 kg 完整的生球放入耐高溫吊籃中，并將其吊籃放入球團焙燒爐中進行預(yù)熱，焙燒和冷卻，共計時間45 min。其中預(yù)熱20 min，焙燒15 min。冷卻10 min。其中干燥風速0.9 m/s、料層厚度90 mm、預(yù)熱溫度900℃、焙燒溫度1300℃。

（5）采用偏光顯微鏡對焙燒球團礦進行礦相分析并結(jié)合蔡司場發(fā)射掃描電子顯微鏡對焙燒球團礦進行微觀掃描，同時運用X- 射線衍射儀并結(jié)合Jade 軟件對焙燒球團礦進行圖譜分析。最后結(jié)合FactSage軟件對焙燒球團礦進行液相模擬分析。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 生球性能的測定結(jié)果和分析

表3 生球性能結(jié)果與分析Table 3 Results and analysis of the pellet property

從表中可以得出通過對不同礦粉的搭配隨著SiO2含量的增加，成球率趨于下降，SiO2含量從3.0增加到5.0 下降不是很明顯，當SiO2含量增加到7.0 時成球率下降較明顯，但成球率都穩(wěn)定在90%以上，SiO2含量為3.0 時，成球率最高，達到了95.3%。生球的抗壓強度呈直線下降，當SiO2含量為3.0 時，生球的抗壓強度最高，達到11.6/N。生球的落下強度也隨著SiO2含量的增加而趨于緩慢的下降，但下降不太明顯，都穩(wěn)定在4.1 ～ 4.5 之間。造成以上結(jié)果的原因主要是由于為了控制SiO2的含量增加了PMC 礦粉的配比，而邯鋼球團礦所使用的PMC 礦粉和邯邢精粉粒度非常細，這樣礦粉的比表面積越大，自由能也越大，成球率越高，所造出的生球也非常密實，強度也很強。綜上所述當SiO2含量為3.0 時對成球率和生球的性能是最有利的。

3.2 球團礦的抗壓強度結(jié)果和分析

3.2.1 球團礦的抗壓強度

圖1 球團礦抗壓強度Fig.1 Compressive strength of pellet ores

從圖中可知，隨著SiO2含量的增加球團礦的抗壓強度逐漸下降，且下降趨勢非常明顯。SiO2含量為3.0 時，球團礦的抗壓強度最強，平均達到了3255 N，SiO2含量為7.0 時，球團礦的抗壓強度最差，平均只有2357 N。形成這種結(jié)果的主要原因由于隨著SiO2含量的增加，球團礦中的硅酸鹽礦物增多，一方面少量的硅酸鹽礦物能產(chǎn)生較少的液相，而較少的液相有助于球團礦的粘結(jié)，使得球團礦的抗壓強度的增強，但過多的液相對球團礦的抗壓強度起到了破壞的作用，另一方面，過多的硅酸鹽會阻礙球團礦中赤鐵礦晶粒的結(jié)晶和再結(jié)晶，這對球團礦的抗壓強度的降低起到了主要影響，我們可以通過球團礦的礦相，掃描電鏡并結(jié)合模擬軟件對以上分析的原因加以證明。

3.2.2 球團礦礦相對抗壓強度分析

圖2 球團礦外部礦相圖片F(xiàn)ig .2 Picture of outer ore phase of the pellets

從圖2 可以看出，每組球團礦的氧化非常充分，球團礦中的未氧化的Fe3O4較少，球團礦中Fe2O3互聯(lián)優(yōu)良，球團礦整體的抗壓強度都比較的好且都能達到2000 N 以上。當SiO3含量為3% 時，可以從礦相圖上看出，球團礦中Fe2O3晶粒粗大，而且Fe2O3晶?；ヂ?lián)網(wǎng)狀組織也非常多，顯微結(jié)構(gòu)非常緊密，并且球團礦中的鈣鐵橄欖石含量較少，均勻的分布在Fe2O3晶粒周圍，少量的鈣鐵橄欖石與Fe2O3膠結(jié)良好，球團礦中的孔洞較少，整體骨架形成，球團礦的抗壓強度最高；當球團礦中SiO2含量增加到5% 時，球團礦中Fe2O3晶粒較大，F(xiàn)e2O3晶?；ヂ?lián)網(wǎng)狀組織也較多，顯微結(jié)構(gòu)相對緊密，球團礦中的鈣鐵橄欖石含量較多，且分布不是很均勻，阻礙了Fe2O3晶粒的再結(jié)晶，同時球團礦外部出現(xiàn)的孔洞的尺寸也相對較大，影響了球團礦的抗壓強度，致使球團礦的抗壓強度降低；當SiO2含量為7% 時，可以從礦相圖中看出，F(xiàn)e2O3晶粒較小，F(xiàn)e2O3晶?；ヂ?lián)較差，球團礦中的鈣鐵橄欖石含量很多，過多的鈣鐵橄欖石阻礙了Fe2O3晶粒連晶，其中產(chǎn)生的孔洞數(shù)量也比較的多，嚴重破壞了球團礦的抗壓強度，也導致了球團礦的抗壓強度下降明顯。

圖3 球團礦內(nèi)部礦Fig .3 Picture of inner ore phase of the pellets

從圖3 分析可知，一般情況下球團礦的邊緣和中層氧化程度較好，但三組球團礦的內(nèi)部氧化也都基本上完全，未氧化Fe3O4的同樣不是很多這進一步說明了五組球團礦的抗壓強度都達到2000 N 以上。當SiO2含量為3% 時，內(nèi)部孔洞較少且孔洞尺寸不是很大，F(xiàn)e2O3晶粒連晶緊密，球團礦強度很強；當SiO2含量為5% 時，內(nèi)部孔洞很多，孔洞尺寸較大，F(xiàn)e2O3晶粒連晶相對密實，晶粒尺寸也較大；當SiO2含量為7% 時，內(nèi)部孔洞非常多，且尺寸很大，F(xiàn)e2O3晶粒非常小，晶粒連晶非常少，球團礦強度下降。

3.2.3 球團礦的掃描電鏡結(jié)果與分析

圖4 球團礦掃描電鏡Fig. 4 Scanning electron microscope image of the pellets

不同SiO2含量的球團礦的掃描電鏡見圖4，當SiO2含量為3% 時，赤鐵礦晶粒分布均勻，晶粒尺寸較大，連晶密集，且周圍硅酸鹽礦物較少，隨著球團礦中SiO2含量增加，SiO2進入到赤鐵礦晶粒之間，形成了硅酸鹽礦物，硅酸鹽礦物包圍著赤鐵礦晶粒，阻礙了晶粒之間的接觸，使赤鐵礦晶粒間的連晶程度變差，而球團礦強度主要依靠赤鐵礦晶粒之間的連晶來獲得，當SiO2含量為7% 時，赤鐵礦晶粒尺寸很小，分布混亂，晶粒之間縫隙較大，且硅酸鹽含量增加阻礙赤鐵礦晶粒再結(jié)晶；SiO2以復(fù)雜離子團形式進入到球團礦中，使硅酸鹽網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，結(jié)構(gòu)單元更加復(fù)雜，導致硅酸鹽礦物的熔化性溫度升高，產(chǎn)生液相量增多，影響赤鐵礦晶粒的連晶；同時硅酸鹽礦物強度低，在受到外力作用下很容易就碎了，所以球團礦的抗壓強度隨著SiO2含量增加而降低。

3.2.4 球團礦X- 射線衍射圖譜及分析

圖 5 球團礦X- 射線衍射圖譜Fig .5 X-ray spectrum of the pellets

從圖XRD 上分析可知, 三種不同SiO2含量的球團礦的主要礦物組成基本相同，都基本為赤鐵礦，鈣鐵橄欖石。隨著球團礦中SiO2含量增加，焙燒的球團礦中所含的鈣鐵橄欖石含量增加，且增加幅度明顯，少量的鈣鐵橄欖石所形成的液相有助于膠結(jié)，從而使球團礦的抗壓強度上升，這與之前的礦相分析相互印證，但過多的鈣鐵橄欖石一方面阻礙赤鐵礦晶粒的結(jié)晶和再結(jié)晶，另一方面過多的鈣鐵橄欖石所形成的液相對球團礦起到了嚴重的破壞作用，球團礦的抗壓強度下降，而這與之前高倍掃描電鏡結(jié)果相吻合。

3.3 FactSage 軟件對球團礦液相量的模擬結(jié)果與分析

FactSage 對球團礦液相量模擬結(jié)果見圖6。

圖6 球團礦液相量模擬結(jié)果Fig .6 Simnlation results of pellets in liguid phase

根據(jù)FactSage 軟件模擬得出的液相量可知，隨著SiO2含量的增加液相量明顯增加，且增加幅度很大，這嚴重破壞了赤鐵礦晶粒的結(jié)晶和再結(jié)晶，從而造成抗壓強度的下降，這也與之前的礦相分析和掃描電鏡分析結(jié)果相吻合，從而從另一個角度說明了本試驗的結(jié)論，也是對本試驗的補充。

4 結(jié) 論

（1）隨著SiO2含量的增加，成球率下降，生球的抗壓強度和落下強度也都下降，但水分變化不大。

（2）隨著SiO2含量的增加，球團礦的抗壓強度直線下降，SiO2含量在3% 時強度最強，在7% 時強度最差，但五組球團礦的抗壓強度都在2000 N 以上，全都達到了鋼廠實際生產(chǎn)中對抗壓強度的基本要求。

（3）隨著SiO2含量的增加，球團礦中的鈣鐵橄欖石增多，阻礙Fe2O3晶粒的結(jié)晶與再結(jié)晶，使球團礦的抗壓強度降低，同時隨著SiO2含量的增加，運用FactSage 模擬軟件算出，液相量也明顯增多這也對球團礦的抗壓強度產(chǎn)生了影響。