張天啟

（銅陵市旋力特殊鋼有限公司，安徽 銅陵 244000）

摘  要：低溫還原粉化性能對高爐透氣性影響較大，嚴重時影響高爐上部料柱的透氣性，破壞爐況順行。造成燒結礦低溫還原粉化的原因是多方面的，有礦種、配碳、堿度、MgO、SiO₂、FeO、Al₂O₃、TiO₂、B₂O₃等因素。堿度、MgO和SiO₂對RDI起到了雙重性作用。Al₂O₃、TiO₂對燒結礦RDI起到了負面作用；B₂O₃可改善燒結礦RDI。通過分析總結出造成燒結礦還原粉化的原因及措施。

關鍵詞：燒結礦，低溫還原粉化，原因，控制措施

1、前  言

低溫還原粉化性能（也稱500℃低溫還原粉化率，用RDI表示）指燒結礦進入高爐后，下降到400～600℃的區間，受到來自高爐下部煤氣的還原作用，燒結礦中的赤鐵礦發生還原反應（Fe₂O₃→Fe₃O₄→FeO），還原為磁鐵礦時體積膨脹約10%，產生極大內應力，造成碎裂粉化，嚴重時影響高爐上部料柱的透氣性，破壞爐況順行。

RDI是評價燒結礦冶金性能重要指標之一，寶鋼等企業均與常規化學成分一樣按批檢驗。

生產實踐證明，燒結礦的RDI_+3.15減少10%，高爐產量降低3%以上，燃料比上升1.5%。

我國冶金行業標準（YB/T421-2005）規定RDI_+3.15≥72%，低于標準超過10%的一般應噴灑處理。新修訂的（YB/T421-2014）規定RDI_+3.15≥68%。另外高爐上部影響透氣性只占15%，不要太過分強調低溫還原粉化率，而影響下部透氣性和還原性。注：本文中指RDI_+3.15。

2、燒結礦還原粉化后的顯微結構

武鋼研究院通過燒結礦還原粉化實驗后，其顯微結構變化：主要是赤鐵礦發生了明顯的還原反應，特別是原生致密塊狀赤鐵礦顆粒還原成磁鐵礦時產生了很多裂紋（見圖2、圖3)：

孔洞邊緣的次生骸晶赤鐵礦還原后，自身產生了裂紋，而且裂紋延伸到周圍的基質中(見圖4）。在玻璃相中分布的粒狀赤鐵礦發生還原反應后，玻璃相中有細裂紋產生（見圖5）。

但是有部分粒狀赤鐵礦未發生還原反應，特別是分布在鐵酸鈣交織結構中的赤鐵礦顆粒，仍保留原燒結礦結構(見圖7）；針狀鐵酸鈣與磁鐵礦形成的交織熔蝕結構未發生明顯改變，無裂紋(見圖6)。

3、影響燒結礦還原粉化主要原因及措施

（1）原生赤鐵礦顆粒，由于顆粒粒度大，比較致密，還原時產生的相變應力比較集中，還原后形成大量裂紋，對還原粉化有明顯的影響。當赤鐵礦顆粒很細時，還原后相變應力比較小，還原后不易產生裂紋。措施：控制赤鐵礦進廠粒度，+8mm粒級小于5%。

（2)產生裂紋的區域與赤鐵礦關系密切，赤鐵礦含量越多，粉化越嚴重，赤鐵礦是引起燒結礦還原粉化的主要因素。措施：配加一些非釩鈦磁鐵礦。

（3)燒結礦中的赤鐵礦集中分布對燒結礦還原粉化影響比較大，分散分布對還原粉化影響比較小。措施：基于這個原因，提高混合料的混勻效率，可以減少粉化。

（4)分布在氣孔周圍的次生骸晶赤鐵礦對燒結礦還原粉化影響比較大。措施：減少燒結礦中A1₂O₃含量以降低粘結相的粘度，促進小氣孔的合并及排出，從而減小燒結礦的氣孔率和骸晶狀赤鐵礦的數量；

名詞解釋：【原生】-初始的，最初的，未經任何外力、內力改變的個體。【次生】-第二次生成的，間接造成的，派生的。【骸晶】-指晶體生長過程中，沿著角頂或晶棱方向生長特別迅速，從而形成晶面中心相對凹陷的骨架。主要是在溶質供應不充足的條件下形成。多半在聚冷下和低粘度的熔融階段由初始礦物最終形成。

4、造成燒結礦還原粉化的原因

造成燒結礦低溫還原粉化的原因是多方面的，有礦種、配碳、堿度、MgO、SiO₂、FeO、Al₂O₃、TiO₂、B₂O₃等因素。堿度、MgO和SiO₂對RDI起到了雙重性作用。Al₂O₃、TiO₂對燒結礦RDI起到了負面作用；B₂O₃可改善燒結礦RDI。

（1）礦種對RDI的影響

一些研究表明，使用巴西精粉、巴卡粉的RDI指標較差，但是赤鐵礦與褐鐵礦對RDI的影響，暫無定論。從某種程度上講，還原性好的礦粉，其RDI指標較差；較高赤鐵礦配比對于燒結礦RDI不利，而提高磁鐵礦（地方粉）配比，有利于RDI指標。

也有實驗表明，隨著FMG礦粉配比增加，燒結礦的低溫還原粉化性能改善。主要原因是FMG礦粉熔點及同化溫度較低，為生成更多的復合鐵酸鈣提供了條件，從而改善低溫還原粉化性能。

（2）SiO₂含量對RDI影響

SiO₂是燒結過程形成粘結相的主要成分，一定含量的SiO₂有利于液相形成和RDI的改善。SiO₂含量偏低，會使液相減少，整個組織可能細化，易產生應力集中，導致燒結礦RDI變差。但是SiO₂添加量過高，會生成大量的正硅酸鈣，在燒結礦冷卻階段會發生正硅酸鈣（C₂S）晶型的轉變，這樣會造成燒結礦的自然粉化，從而降低燒結礦的強度，也會使燒結礦的RDI惡化。

 圖8 燒結礦Si0₂與RDI_+3.15指標關系

（3）FeO含量對RDI的影響

    FeO提高，燒結礦RDI_+3.15得到明顯改善。但是FeO＞9.7%時，燒結溫度偏高，燒結形成大孔薄壁結構，還原氣氛增強，易于還原的鐵酸鈣含量降低，還原性顯著降低。

因此，從冶金性能指標看，燒結礦Fe0在8.0%左右較適宜。

    （4）堿度對RDI的影響

    堿度R=1.78時，RDI較差；堿度R由1.78增加到2.53，RDI指標逐漸改善，但堿度R大于2.05時，對RDI的影響不明顯。

RDI主要由于燒結礦冷卻時再生赤鐵礦的還原所引起的。隨著燒結礦堿度的增加，赤鐵礦含量增加，而再生赤鐵礦和硅酸鹽玻璃相含量減少。因而隨著燒結礦堿度的增加，低溫還原粉化指標變好。同時燒結礦還原度RI也增加。

試驗表明，隨著燒結礦堿度的增加，燒結礦的冶金性能改善。對于低溫還原粉化指標，燒結礦堿度在1.95～2.20之間較適宜；對于燒結礦的還原性能，堿度在2.05～2.30之間較好。

（5）配碳量對RDI的影響

當配碳量增高，還原性氣氛增強，還原性差的鈣鐵橄欖石含量增加，骸晶狀赤鐵礦減少，有利于吸收還原過程中赤鐵礦的還原相變應力的硅酸鹽類液相量增加。因此，隨配碳量增加，低溫還原粉化性能改善，但還原性能變差。

由上述分析可知，單一通過提高配碳量來改善低溫還原粉化性能，而犧牲還原性能是不可取的。

（6）MgO含量對RDI的影響

適量的MgO含量，可改善RDI指標。主要原因是Mg²⁺進入磁鐵礦晶格，形成了鎂尖晶石，穩定了磁鐵礦晶格結構，降低燒結礦過程中次生赤鐵礦生成，改善了燒結礦RDI。

但是，MgO對燒結礦有雙重作用，含量過高時，粉化指標惡化。主要是因為MgO添加量過高導致了鐵酸鈣大量的減少，玻璃質含量相對增加，并且粘結相更易形成鎂橄欖石和鈣鐵橄欖石，導致燒結礦強度下降，惡化粉化性能。

（7）Al₂O₃含量對RDI的影響

燒結礦孔隙度以及鐵酸鈣會隨著Al₂O₃的增加而明顯增加，鐵酸鈣自身不易粉化，但是很容易還原，導致Fe₂O₃的還原速度加快。同時，形成了一定量強度很差的玻璃相，Al₂O₃添加量越高，玻璃相的斷裂韌性就越低，使產生的裂紋迅速擴展，導致了燒結礦RDI惡化。

從圖9可以看出，Al₂O₃逐漸升高，促進了RDI指標的惡化。Al₂O₃/SiO₂在低硅條件下，Al₂O₃的負面作用更顯著。所有一般要求Al₂O₃/SiO₂比值控制在0.1～0.35范圍內（見圖10）。

（8）TiO₂含量對RDI的影響

經研究證明，TiO₂成數倍進入燒結礦的玻璃相，造成玻璃相在低溫還原過程中碎裂，導致RDI降低。

當燒結原料中TiO₂＞0.4％會產生嚴重的低溫還原粉化，攀鋼和承鋼燒結原料為釩鈦磁鐵礦，RDI_+3.15低于40％，嚴重影響高爐上部透氣性和高爐技術經濟指標。

（9）B₂O₃對RDI的影響

硼在燒結礦中可改善Mg²⁺的活性，進入到正硅酸鈣中的Mg²⁺增多，取代鈣離子，產生鈣鎂橄欖石，同時鈣離子和赤鐵礦結合生成鐵酸鈣，燒結礦中的鈣鎂橄欖石和鐵酸鈣含量增加，正硅酸鈣含量降低；硼還可以促進正硅酸鈣晶粒細化，分布更加均勻，有利于降低還原過程中晶型轉變的應力，減輕了燒結礦的還原粉化性。在配礦中添加3%的硼鎂精礦，還原粉化指數RDI_+3.15升高了4.19%，即在燒結礦加入硼后，硼進入到燒結過程中的初期液相，降低了液相的粘度，使燒結中的流動性得到了改善，從而改善了燒結過程的透氣性，空氣進入較多，同時改善了離子擴散條件，有利于鈣離子向Fe₂O₃表面擴散，促進了針狀鐵酸鈣的生成和長大，使燒結礦的還原粉化性能得到了改善。

5、結  論

    目前多使用進口富礦，RDI_+3.15很難再提高了。想要提高，最好的方法就是配加20%～30%磁鐵精礦粉，其他諸如提高FeO和MgO的方法均不可取。提高FeO，還原性就會降低，當然RDI就低了。提高MgO和堿度，更不提倡。

噴氯化鈣，能提高RDI約10%～20%；但進入高爐后，部分氯通過高爐煤氣進入煤氣管道系統，與水蒸汽結合后加速了高爐除塵系統管道內襯鋼板的腐蝕。

為改善燒結礦的低溫還原粉化性能，需要從化學成分、燒結溫度和燒結氣氛三方面進行工藝調節，減少骸晶狀赤鐵礦和氣孔結構所占比例，增加鐵氧化物與針狀鐵酸鈣構成的交織結構的含量。在燒結生產工藝控制上要從以下幾方面入手：

（1）控制原燃料粒度。鐵礦粉+8mm要小于5%，燃料和熔劑粒度-3mm合格率要大于80%，

（2）控制燒結礦成分。SiO₂ 5.0%～5.3%，A1₂O₃/SiO₂ 0.1～0.35，MgO 1.8%～2.0%，綜合考慮還原性和還原粉化指標，堿度在1.9～2.2較適宜。

（3）強化制粒過程，增大混合料準顆粒的直徑以改善燒結料層透氣性，發展氧化性氣氛，提高針狀鐵酸鈣的生成量，從而增加交織結構的數量。

（4）降低燒結溫度以減少鐵酸鈣分解，減少再生磁鐵礦和再生赤鐵礦的含量，增加交織結構并降低骸晶狀赤鐵礦的含量。降低燒結溫度的方法是減少配碳量，但是為了保證燒結過程中生成足夠的有效粘結相，需要降低燒結礦中MgO和A1₂O₃的含量，同時需要利用熱風燒結、偏析布料等技術發展均質燒結，以保證燒結溫度控制在有利于鐵酸鈣液相穩定的區間，防止局部過熱或過冷而導致有效粘結相數量減少。

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