郭會良，薛玉卿，玄振法，徐佳鋒，李 勝

（山東泰山鋼鐵集團有限公司，山東 濟南 ２７１１００）

摘要：為保證燒結礦具有良好的冶金性能，同時提高料層透氣性，本文通過分析料面裂縫的形狀、長度和生長規律，研究裂縫產生的原因及其與點火溫度之間的關系，采用光學顯微鏡查看裂縫處燒結礦的微觀組織，并對裂縫處燒結礦進行力學分析。結果表明：在一定范圍內，隨著點火溫度的升高，裂縫條數呈增加趨勢，當點火溫度大于１１５０℃時，裂縫條數反而呈減少趨勢；隨著點火溫度的升高，裂縫產生的位置逐漸后移，即點火溫度越高，裂縫的產生時間越晚；隨著點火溫度的升高，燒結礦中 ＦｅＯ質量分數呈下降趨勢，但當溫度超過 １１５０℃后，燒結礦中ＦｅＯ質量分數反而呈上升趨勢；裂縫處燒結礦內有大量針狀鐵酸鈣，存在適當的晶間裂縫和孔洞，且赤鐵礦含量適中，質量優于內部的燒結礦；裂縫的產生能改善料層內部空氣流通，增加料層透氣性，進而改善燒結礦質量。理論計算結果表明，固熔物的斥力大于引力（Ｆ_引 ＜Ｆ_斥 ），且固相物強度小于液相表面張力（ξ＜ε_豎 ）是裂縫產生的必要條件。本文研究成果可為改善實際燒結生產提供理論依據。

關鍵詞：鐵礦燒結；料面裂縫；點火溫度；化學成分；ＦｅＯ；受力狀態

鐵礦燒結是在高溫環境下生產具有一定物理化學性能和冶金性能燒結礦的工序，其是鋼鐵工業最常用的原料處理方法^［１］ 。在我國高爐爐料結構中，燒結礦的配比一般在 ７０％以上，個別企業甚至達到了 ８５％，而 ２０２３年我國高爐煉鐵中燒結礦的總用量也達到了 １３７３億噸^［２］ 。燒結工序消耗了大量的煤、天然氣、電等能源，其綜合能源消耗占整個鋼鐵行業的 ７５％以上。此外，燒結礦的物理化學和冶金性能對后續產品的影響也比較大，其質量控制是鋼鐵企業一直關注的重點^［３］ 。

料面裂縫是燒結生產中的常見現象，這些裂縫會增大料層的透氣性，但同時也會產生熱量損失和燒結礦快速冷卻等不利影響。在生產過程中，很難通過操作來抑制或促進料面裂縫的產生，因此很難有效發揮裂縫的有利影響。針對裂縫產生的原因，郭會良等^［４］通過優化水分質量分數來改善球團生產過程中的成球率，而成球率與球團表面的裂縫有直接關系；欽禮文等^［５］研究了燒結溫度和時間對燒結礦氣孔特征的影響，發現隨著燒結溫度由 １２００℃升高到 １４００℃，燒結礦的氣孔率先升高后降低，并在 １２８０℃時達到峰值，氣孔形態呈不規則狀、變化不大，得出氣孔是料面裂縫產生的內在原因；宋鶴鍇等^［６］分析了燒結礦黏結相氣孔率的影響因素，發現隨著 ＳｉＯ_２ 質量分數的增加氣孔率先增加后減小，隨著 Ａｌ_２Ｏ_３ 質量分數的增加氣孔率逐漸減小，黏結相的強度則隨著氣孔率的增加而減小，氣孔的性質間接影響著燒結礦裂縫的產生。

目前，研究人員多采用優化水分、溫度和化學成分等措施來改善燒結、球團礦的質量，而從料面裂縫的角度來深入探究其成因及其對產品質量的影響則較少。為此，本文通過分析燒結料面裂縫產生的原因，闡述裂縫與點火溫度之間的關系，同時以裂縫內部燒結礦的化學成分和質量為研究對象，探討其與裂縫之間的影響關系，以期為提高燒結礦質量、降低鋼鐵生產成本、控制燒結過程參數提供借鑒與參考。

１ 裂縫的形狀、長度和生長規律

某燒結廠備用 １８０ｍ２燒結機的寬度為 ３３ｍ，料層厚度為 ７００ｍｍ，臺車機速的可調 范 圍 為１０～１９ｍ／ｍｉｎ，點火采用焦爐煤氣，點火溫度為（１０５０±５０）℃；燒結原料選用常用的 ＰＢ粉、楊迪粉和南非粉，熔劑為生石灰。在實際運行中，設置該燒結機的臺車機速為 １８ｍ／ｍｉｎ，燒結礦堿度為 １８，待燒結機運行平穩后統計裂縫產生的物 理條件。

１.１ 裂縫的形狀

燒結料面產生的裂縫有不同的形狀，本文將這些裂縫分為 ４類：① 橫紋，即垂直于燒結欄板的裂縫；② 半橫紋，即橫紋中有的裂縫較短，裂縫的兩端最多僅有一端與欄板接觸；③ 貫穿紋，即橫紋中裂縫兩端貫穿整個料面；④ 縱紋，即平行于燒結欄板的裂縫。具體裂縫形狀如圖 １所示。選取生產平穩的 ３個時間段（每個時間段為３０ｍｉｎ），統計半橫紋、貫穿紋和縱紋 ３種裂縫的條數。統計結果表明，裂縫中半橫紋的數量最多（１９條），其次是貫穿紋（９條），縱紋的數量最少（４條）。

１.２ 裂縫的長度

實際燒結料面裂縫不是直線，因此測量裂縫長度時作如下幾點假設：① 將裂縫首尾的直線距離近似看作該裂縫的長度；② 在燒結機運行過程中，裂縫的長度會逐漸增長，選取離燒結終點 １／３處作為測量的位置。統計裂縫的長度時，選取正常生 產 時 的 ６個 時 間 段，設 置 每 個 時 間 段 為３０ｍｉｎ，得到裂縫長度統計結果如表１所示。由表１可以看出： ＜３ｍ的裂縫幾乎全部為半橫紋，少量為縱紋，［３，４）ｍ的裂縫數量總計為 ８條（貫穿紋為 ５條），≥４ｍ的裂縫為 ３條（縱紋為 ２條）；另外，所有裂縫中半橫紋的數量最多，占總數量的 ７４％，且大多數半橫紋的長度為［１，２）ｍ和［２，３）ｍ，貫穿紋和縱紋的長度均較大。

１.３ 裂縫的生長規律

燒結料面裂縫是一個緩慢生長的過程，即隨著燒結過程的進行其長度慢慢增加。在試驗過程中，以燒結點火器末端為起點，以燒結料面末端倒數第三輛臺車為終點，每隔 １個臺車的距離連續測量同一裂縫的長度。為避免不同長度裂縫之間相互影響，設置終點裂縫的長度為 １００％，其他時間點的長度按其百分比（簡稱“長度百分比”）進行統計，連續測量 １０組數據，取其平均值進行繪圖，結果如圖 ２所示。由圖 ２可以看出，隨著燒結過程的進行，同一裂縫的長度逐漸增加，裂縫的產生一般在燒結進行到 １０％時開始，即距離點火器末端為 ４～５ｍ，隨后則以極快的速度生長；當燒結進行到 ４０％時，其長度達到總長度的 ８０％左右，再往后其生長速度逐漸減緩；當達到燒結進行到 ６０％時，裂縫基本趨于最大值，后續基本保持不變。因此，裂縫生長最快的區域一般是在燒結過程的前、中期，即燒結過程進行到 ２０％～４０％時。

２ 裂縫與點火溫度的關系

２.１ 點火溫度對裂縫數量的影響

點火溫度是燒結生產時點火器點著燒結料面的火焰溫度，其是點火器的重要參數。一般點火溫度越高，越容易點著料面的固體燃料，但是點火溫度過高會造成點火煤氣的浪費，從而增加生產成本。在試驗過程中，選用相同的燒結原料配比，將點火溫度設定為 ９５０、１０５０、１１５０℃和 １２５０℃，在燒結料面末端倒數第三輛臺車位置查看裂縫的數量，選取生產平穩的 ３個時間段，每個時間段為 ３０ｍｉｎ，結果如圖 ３所示。由圖３可以看出，在一定溫度范圍內，隨著點火溫度的升高，裂縫條數呈增加趨勢，當點火溫度大于 １１５０℃時，裂縫的條數反而呈減少趨勢。可知，在一定溫度范圍內，點火溫度的升高對裂縫的產生有利，但是超過該范圍后，點火溫度的升高對裂縫的產生不利。這主要是因為溫度的升高有利于燒結料內部燃料的充分燃燒，從而使得物料產生化學反應，而當溫度過高時，燒結料面溫度升高較快，反應產生的大量熱量導致溫度升高到物料的熔點之上，快速冷卻后導致料面固結，致使裂縫不容易形成。

另外，在一定溫度范圍內，溫度對縱紋產生的數量影響較小，尤其是溫度為 １０５０、１１５０℃時，二者產生的縱紋數量相同，且繼續提高溫度對縱紋的產生數量影響不大，因此，溫度不是縱紋產生的最主要因素。

２.２ 點火溫度對裂縫生長速度的影響

在不同的點火溫度下進行勻速燒結，選用相同的配比，分別跟蹤測量所有裂縫的長度，選取終點裂縫的長度百分比為 １００％，其他時間點的長度按相應百分比進行統計，結果如圖 ４所示。由圖 ４可以看出：隨著點火溫度的提升，產生裂縫的位置逐漸后移，即點火溫度越高，裂縫的產生時間越晚；而且在裂縫生長到 ３０％以下時，裂縫生長速度隨著溫度的升高逐漸后移，但當裂縫生長到 ３０％以上時，溫度為 １０５０℃時的生長速度逐漸超過 ９５０℃時的生長速度，同時，點火溫度為 １１５０℃和 １２５０℃時也出現相同的現象，即生長到 ８５％左右時，高溫物料實現對低溫物料生長速度的反超。但在不同的溫度環境下，幾乎所有裂縫的生長都在燒結進行到 ６０％時達到最大值，即停止生長。

２.３ 點火溫度對裂縫處燒結礦化學成分的影響

化學成分直接影響燒結礦的質量。研究表明，裂縫處燒結礦的化學成分與內部有較大區別，尤其是 ＦｅＯ的質量分數^{［７－９］} 。在不同點火溫度條件下，分別選取燒結終點時裂縫處距離料面 １０ｃｍ的物料進行 ＦｅＯ質量分數檢測，同時檢測遠離裂縫的內部燒結礦的化學成分，結果如表 ２所示。由表 ２可以看出：在一定范圍內，隨著點火溫度的升高，裂縫處燒結礦 ＦｅＯ質量分數呈下降趨勢，但溫度當超過 １１５０℃時，該值反而略有上升。產生這種現象的原因可能是，在低于１１５０℃時，隨著溫度的升高，裂縫的產生較容易，而裂縫處會涌入大量新鮮空氣，導致裂縫中氧氣過剩，而在高溫下燒結礦與氧氣發生氧化反應，ＦｅＯ被氧化成 Ｆｅ_３Ｏ_４和 Ｆｅ_２Ｏ_３，導致 ＦｅＯ質量分數下降；而當溫度過高時，生成的液相較多，使得多孔的物料減少，從而降低了空氣與燒結礦接觸，導致 ＦｅＯ質量分數升高。內部燒結礦的 ＦｅＯ質量分數則較穩定，不受裂縫和點火溫度的影響。

３ 裂縫處燒結礦的質量

不同位置燒結礦的質量有很大的區別，分別取若干 １０５０℃下燒結機正常運行狀態下生產的燒結礦，選取位置為裂縫處和燒結礦的內部（非裂縫），在 １００倍的光學顯微鏡下查看微觀組織，結果如圖５所示。由圖 ５可以看出：裂縫處燒結礦內有大量針狀鐵酸鈣，赤鐵礦多成骸晶狀，有適當的晶間裂縫和孔洞，且赤鐵礦含量適中；而燒結礦內部，存在大量未反應的赤鐵礦，針狀鐵酸鈣的數量極少，且晶間裂縫不規則，無大孔現象。從微觀結構可以初步判斷裂縫處燒結礦形成了穩定的針狀鐵酸鈣，而內部的燒結礦則存在欠燒現象。產生這種現象的原因可能是，裂縫處能實現內部和外部的空氣流通，使得附近有充足的氧氣，便于燃料的燃燒和反應的進行，同時，空氣的流通有助于燒結礦的降溫，增加了料層的透氣性，使得表層物料無論成分還是質量都優于內部燒結礦。

４ 裂縫的形成過程與力學分析

料面裂縫在點火之后一段時間內產生，并且隨著時間的推移，裂縫的數量和長度都增大，在燒結中、后期基本定型。將裂縫的形成過程分為原始狀態、干燥狀態、熔化狀態、凝固狀態 ４個階段，如圖 ６所示。由圖 ６（ａ）可知：在裂縫形成初期或點火初期，料層內為均勻的制粒小球，這些小球呈密集堆積狀態，小球之間有少量的堆積空隙，有的被更小的粉末填充，有的則是孔洞形態。由偏析布料原理可知，越往下料層中的小球越大、孔洞越多。此處，為分析其形成過程，將料層中物料簡化為制粒小球，并且大小一致。由圖 ６（ｂ）可知：點火完成后，燃料開始燃燒，料層內部溫度開始上升，制粒小球內的水分率先蒸發出來，結構也變得更為密實。由于水分的損失，原先被水分占據的空間得到釋放，形成了水分孔洞，這些水分孔洞沒有規律性，在制粒小球的任何位置都可能發生，這種狀態也稱為干燥狀態。

由圖 ６（ｃ）可知：當溫度進一步升高時，水分得以全部蒸發，而制粒小球中的燃料達到著火點，這些燃料的燃燒使得物料發生化學變化，形成大量鐵酸鈣等低熔點物質，這些低熔點物質形成液相，而高熔點物質仍然以固溶體的形式存在。此時，料層的化學成分與起初的制粒小球完全不同，有大量新物相產生，由于液相的生成和水分的蒸發，整個料面高度緩慢下降，整個料層在此時最為緊密，幾乎沒有空隙，固溶體有大有小，排列也沒有次序，液相填充在固溶體的空隙中。由圖 ６（ｄ）可知：隨著燃燒的完成，整個料層溫度下降，液相也逐漸變成固相，體積開始收縮，在應力的作用下，收縮速度快的區域率先形成裂縫。由于裂縫的形成具有連續性，已形成裂縫的區域逐漸斷裂開來，形成更大的裂縫，進而擴展到料層內部，這一過程稱為凝固過程。

在體系產生裂縫的過程中，有眾多力的參與，其受力狀態如圖 ７所示。在燒結礦處于熔化狀態和凝固狀態之間時，不同固溶體之間的距離是不同的，距離越近，越容易看成是一個整體，二者在液相的包裹下連接更緊密；而距離相對較遠的兩個固溶體之間隔著液相，是一個固 －液 －固的兩相界面，其連續性較差。由圖 ７可知，假設 Ａ、Ｂ兩個固溶體相距較遠，而 Ａ左側有較多相鄰固溶體，Ｂ右側有較多固溶體，相鄰固溶體之間由于液相黏度的存在會相互吸引，假設吸引力為ｆ_１（Ｎ）和 ｆ_４（Ｎ），在眾多吸引力的作用下，最終 Ａ左側的固溶體給 Ａ的吸引力為 ｆ_２（Ｎ），Ｂ右側給 Ｂ的吸引力為 ｆ_３ （Ｎ），這兩個力分別有使 Ａ、Ｂ量固溶體向相反方向移動的趨勢。除了這兩個力之外，分子之間存在引力與排斥力，也存在因熱脹冷縮產生的應力，這些力與 ｆ_２、ｆ_３ 共同作用在Ａ、Ｂ兩物體上，其宏觀受力可表示為 Ｆ_１（Ｎ）和Ｆ_２（Ｎ），這兩個力的方向相反。

在 Ａ、Ｂ量固溶體之間存在著低熔點液相，這些液相的表面和內部都存在張力，這些張力分 解到水 平 和 豎 直 方 向 上 用 ε_１（Ｎ）、ε_２（Ｎ）和ε_３（Ｎ）、ε_４（Ｎ）表示，因此，對于該區域，水平方向的受力可用如式（１）、（２）所示。

Ｆ_引 ＝ε_１＋ε_２ （１）

Ｆ_斥 ＝Ｆ_１＋Ｆ_２ （２）

式中：Ｆ引 為水平方向液相的凝聚力（Ｎ），有將Ａ、Ｂ兩物體相互拉近的趨勢；Ｆ斥為水平方向上的宏觀力（Ｎ），有將兩物體向相反方向移動的趨勢。

由此可以看出：當 Ｆ_引 ＞Ｆ_斥 時，兩物體相互接近，Ａ、Ｂ物體之間不會產生裂縫；當 Ｆ_引 ＜Ｆ_斥 時， 兩物體相互遠離，Ａ、Ｂ物體之間有可能產生裂縫。此外，在豎直方向上的張力 ε_３和 ε_４有讓連接的液相區域逐漸變細的趨勢，當連接的液相區域變細到零時，液相斷開，產生孔洞或裂縫，而阻止這一變細的力為固相物的強度，用 ξ（Ｎ）表示。

則豎直方向的引力為

ε_豎 ＝ε_３＋ε_４ （３）

因此，若 ξ≥ε_豎 時，固相物強度較大，液相的應力不足以將液相連接區域變得更細，也就不會有裂縫產生；反之，固相物強度小，有產生裂縫的趨勢。因此，要想有裂縫的產生并持續增大，該區域的受力必須同時滿足 Ｆ_引 ＜Ｆ_斥 和 ξ＜ε_豎 的條件。

５ 結 論

（１）在一定范圍內，隨著點火溫度的升高，裂縫數量呈增加趨勢，且燒結礦裂縫處的 ＦｅＯ質量分數呈現下降趨勢；當點火溫度大于 １１５０℃時，裂縫的數量反而呈減少趨勢，同時，燒結礦中裂縫處 ＦｅＯ質量分數略有上升。

（２）裂縫處燒結礦內有大量針狀鐵酸鈣，存在適當的晶間裂縫和孔洞，且赤鐵礦含量適中，微觀結構優于內部的燒結礦。

（３）裂縫的產生在理論上能增加料層的透氣性和改善裂縫處燒結的微觀結構，是有利的方面，但同時也能改變料層內部氣流的運動，減少遠離裂縫處流經的空氣量，出現欠燒現象。另外，根據理論分析，裂縫的產生需滿足 Ｆ_引 ＜Ｆ_斥 和 ξ＜ε_豎 的條件。

參考文獻：

[1] 潘向陽，馬保良，龍躍，等 ＭｇＯ對鐵礦粉燒結液相生成特性的影響［Ｊ］燒結球團，２０１８，４３（６）：２９－３３

[2] 張國成，羅國蘋，柴軼凡，等 堿度對燒結礦液相形成性能和微觀結構特性的影響［Ｊ］鋼鐵研究學報， ２０２１，３３（７）：５８４－５９２

[3] 劉征建，李思達，張建良，等 國內超高堿度燒結礦生產實踐及發展趨勢［Ｊ］鋼鐵，２０２２，５７（１）：３９－４７

[4] 郭會良，紀召毅，亓磊，等 礦粉中四種水分對球團生產的影響［Ｊ］山東冶金，２０２０，４２（５）：２７－３０  

[5] 欽禮文，劉磊，包國營，等 燒結溫度和時間對燒結礦氣孔特征的影響［Ｊ］華北理工大學學報（自然科學 版），２０２３，４５（４）：１－６

[6] 宋鶴鍇，吳勝利，周恒 鐵礦燒結黏結相氣孔率影響因素分析［Ｊ］中國冶金，２０１９，２９（５）：１５－２１

[7] 臧保文，羅雙華 提高 ＦｅＯ對燒結礦質量的研究［Ｊ］山西冶金，２０２１，４２（２）：１０－１１；３３

[8] 陸洋，張薇 氧化鈣活性對固相燒結反應的影響［Ｊ］無機鹽工業，２０１２，４４（７）：１６－１８

[9] 吳宏亮，羅云飛，周江虹，等 富氧協同煙氣循環對燒結礦質量指標和 ＣＯ排放的影響［Ｊ］中南大學學報 （自然科學版），２０２２，５３（４）：１１７９－１１８８