细磨海砂矿烧结特性及其对烧结矿质量影响机理

工程科学学报，第38卷，第4期：468-475,2016年4月 Chinese Journal of Engineering,Vol.38,No.4:468-475,April 2016 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2016.04.004:http://journals.ustb.edu.cn 细磨海砂矿烧结特性及其对烧结矿质量影响机理 张亚鹏，张建良四，王振阳，刘征建，刘兴乐 北京科技大学治金与生态工程学院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:zhang.jianliang(@hotmail..com 摘要通过细磨海砂矿研究其粒级分布、微观结构和烧结高温特性的变化，结合烧结杯试验、扫描电镜能谱分析等研究方 法考察海砂矿粒级分布对烧结矿质量的作用机理.经细磨后海砂刊矿颗粒不规则程度增大，制粒性能得到改善.随着海砂矿粒 度变细，其烧结高温特性呈现出与普通铁矿粉相反规律，其中海砂矿3（细磨25m的海砂矿）与海砂矿1（未经细磨的海砂 矿)相比，同化温度升高21℃，1280℃时液相流动性指数减小0.35，细磨后海砂矿与C0反应生成钙钛矿增多，阻碍同化反应 进行，生成的液相黏度增大.配加8%海砂矿3的烧结矿广与配加相同比例海砂矿1相比，还原性提高3.8%，细磨后海砂矿在 混合料中分布更加均匀，造成烧结矿中含钛物相质点增多，还原中产生众多微细裂纹，利于还原气体扩散. 关键词海砂矿旷：烧结：粒级分布：微观结构：同化性：流动性 分类号T℉046 Sintering characteristics of titanium sands after grinding and its influence mechanism on the quality of sinter ZHANG Ya-peng,ZHANG Jian-liang,WANG Zhen-yang,LIU Zheng jian,LIU Xing-e School of Metallurgical and Ecological Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:zhang.jianliang@hotmail.com ABSTRACT The size distribution,microstructure and high temperature properties of titanium sands after grinding were studied in the paper.The influence and mechanism of titanium sands on the sinter quality were identified by sinter pot test and scanning electron microscopy and energy dispersive spectrometry (SEM-EDS)test.It is found that the micromorphology of titanium sands becomes more irregular after grinding,and the granulation gets strengthened.Meanwhile,the high temperature characteristics of sintering are differ- ent with the common iron ore fines:when titanium sands become finer,the assimilation temperature improves by 21 C,and the liquid phase fluidity index decreases by 0.35 at 1280 C.The reason for these differences is that titanium sands after grinding react with CaO to produce more perovskite,which can hinder the assimilation reaction and get the liquid phase stickier.In comparison with unground titanium sands,the reduction index (RI)of sinters produced with 8%of ground titanium sands in blends improves by 3.8%.The reasons are that titanium sands are distributed more uniformly in blends after grinding,resulting in the increase of phase particles con- taining titanium in sintered ores,and many microcracks emerge in the reduction reaction,which is in favor of reducing gas diffusion. KEY WORDS titanium sands:sintering;particle size distribution:microstructure:assimilation:fluidity 使用含钛炉料护炉已成为高炉长寿的重要手段，是，海砂矿粒度较粗，各粒级均匀分布，颗粒形状比较 利用含钛海砂矿生产烧结矿可以作为高炉的护炉原 规则，结构致密，表面光滑，T0,含量和熔点比较高，其 料，且目前世界上优质铁矿石资源越来越紧缺，铁矿石 在烧结中的应用受到限制.因此，海砂矿烧结物化特 资源劣化成为不争的事实Ⅲ，海砂矿作为一种中低品 性及机理研究对指导烧结优化配矿具有积极指导 位含钛铁矿石资源越来越受到冶金工作者的重视.但 作用. 收稿日期：2015-0205 基金项目：国家自然科学基金资助项目(U1260202,51174023)

工程科学学报，第 38 卷，第 4 期: 468--475，2016 年 4 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 38，No． 4: 468--475，April 2016 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2016． 04． 004; http: / /journals． ustb． edu． cn 细磨海砂矿烧结特性及其对烧结矿质量影响机理 张亚鹏，张建良，王振阳，刘征建，刘兴乐 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083  通信作者，E-mail: zhang． jianliang@ hotmail． com 摘 要 通过细磨海砂矿研究其粒级分布、微观结构和烧结高温特性的变化，结合烧结杯试验、扫描电镜能谱分析等研究方 法考察海砂矿粒级分布对烧结矿质量的作用机理． 经细磨后海砂矿颗粒不规则程度增大，制粒性能得到改善． 随着海砂矿粒 度变细，其烧结高温特性呈现出与普通铁矿粉相反规律，其中海砂矿 3 ( 细磨 25 min 的海砂矿) 与海砂矿 1 ( 未经细磨的海砂 矿) 相比，同化温度升高 21 ℃，1280 ℃时液相流动性指数减小 0. 35，细磨后海砂矿与 CaO 反应生成钙钛矿增多，阻碍同化反应 进行，生成的液相黏度增大． 配加 8% 海砂矿 3 的烧结矿与配加相同比例海砂矿 1 相比，还原性提高 3. 8% ，细磨后海砂矿在 混合料中分布更加均匀，造成烧结矿中含钛物相质点增多，还原中产生众多微细裂纹，利于还原气体扩散． 关键词 海砂矿; 烧结; 粒级分布; 微观结构; 同化性; 流动性 分类号 TF046 Sintering characteristics of titanium sands after grinding and its influence mechanism on the quality of sinter ZHANG Ya-peng，ZHANG Jian-liang ，WANG Zhen-yang，LIU Zheng-jian，LIU Xing-le School of Metallurgical and Ecological Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China  Corresponding author，E-mail: zhang． jianliang@ hotmail． com ABSTＲACT The size distribution，microstructure and high temperature properties of titanium sands after grinding were studied in the paper． The influence and mechanism of titanium sands on the sinter quality were identified by sinter pot test and scanning electron microscopy and energy dispersive spectrometry ( SEM-EDS) test． It is found that the micromorphology of titanium sands becomes more irregular after grinding，and the granulation gets strengthened． Meanwhile，the high temperature characteristics of sintering are differ￾ent with the common iron ore fines: when titanium sands become finer，the assimilation temperature improves by 21 ℃，and the liquid phase fluidity index decreases by 0. 35 at 1280 ℃ ． The reason for these differences is that titanium sands after grinding react with CaO to produce more perovskite，which can hinder the assimilation reaction and get the liquid phase stickier． In comparison with unground titanium sands，the reduction index ( ＲI) of sinters produced with 8% of ground titanium sands in blends improves by 3. 8% ． The reasons are that titanium sands are distributed more uniformly in blends after grinding，resulting in the increase of phase particles con￾taining titanium in sintered ores，and many microcracks emerge in the reduction reaction，which is in favor of reducing gas diffusion． KEY WOＲDS titanium sands; sintering; particle size distribution; microstructure; assimilation; fluidity 收稿日期: 2015--02--05 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( U1260202，51174023) 使用含钛炉料护炉已成为高炉长寿的重要手段， 利用含钛海砂矿生产烧结矿可以作为高炉的护炉原 料，且目前世界上优质铁矿石资源越来越紧缺，铁矿石 资源劣化成为不争的事实［1］，海砂矿作为一种中低品 位含钛铁矿石资源越来越受到冶金工作者的重视． 但 是，海砂矿粒度较粗，各粒级均匀分布，颗粒形状比较 规则，结构致密，表面光滑，TiO2含量和熔点比较高，其 在烧结中的应用受到限制． 因此，海砂矿烧结物化特 性及机理研究对指导烧结优化配矿具有积极指导 作用．

张亚鹏等：细磨海砂矿烧结特性及其对烧结矿质量影响机理 ·469 胡宾生等四研究海砂矿对烧结过程的影响，认为 锥形法和微型烧结法研究不同粒级分布的海砂矿同化 烧结混合料中海砂矿的配比应该严格控制在20%以 性和液相流动性，结合烧结杯试验探讨海砂矿对烧结 内：王志远和何明杰田、吕庆等研究海砂对烧结矿产 过程及烧结矿治金性能的影响，同时运用扫描电镜研 质量的影响，认为随着海砂矿在烧结混合料中配比增 究烧结矿的矿物组成和显微结构以及烧结矿中T元 加，烧结矿还原性变好，低温还原粉化性能变差，海砂 素的分布特征，分析不同粒级分布海砂矿的烧结特性 矿配加量应控制在5%~10%左右.蔡幸福和田铁 及其对烧结矿质量的作用机理 磊可研究配加海砂矿的烧结混合料烧结特性，并在此 1 试验原料和研究方法 基础上探讨海砂对烧结过程的影响，提出海砂合理配 加量为10%. 1.1试验原料 前人的研究主要针对未经细磨的海砂矿对烧结过 原料包括海砂矿等5种烧结用铁矿粉、2种钙基 程及烧结矿质量的影响.笔者通过将海砂矿细磨，采 熔剂以及烧结杯试验所用焦粉和返矿，各种烧结原料 用激光粒度分析仪分析海砂矿的粒级分布，分别采用 的化学成分和铁矿粉的粒度组成分别见表1和表2. 表1各种烧结原料的化学成分（质量分数） Table 1 Chemical composition of raw materials in sintering % 原料种类 TFe Si02 Cao Mgo A203 TiOz LOI H20 海砂矿 55.63 4.13 0.60 3.74 3.38 11.41 3.14 1.10 巴西矿1 63.31 6.30 0.24 0.22 1.14 0.03 2.02 3.01 巴西矿2 64.76 2.88 0.19 0.23 1.40 0.04 2.66 5.20 澳矿 61.68 3.64 0.22 0.21 2.10 0.06 5.06 5.80 杨迪矿 57.23 5.59 0.22 0.21 1.36 0.06 10.64 8.80 返矿 55.17 5.84 11.36 1.45 2.10 0.05 0.49 0.00 石灰石 1.00 49.5 4.00 41.43 生石灰 5.70 6.50 6.40 10.00 焦粉 4.50 4.00 0.60 3.00 0.00 85.5 1.65 表2铁矿粉粒度组成（质量分数） 海砂矿中的主要物相有磁铁矿相(Fe,O,)、钛铁 Table 2 Particle size distribution of iron ores 会 矿相(FeTiO,)、钛铁尖晶石相(Fe2TiO,)、铁橄榄石相 矿粉种类>8mm 8~5mm5~3mm3~1mm <1mm (Fe,SiO,)和镁铁尖晶石相(MgFe,0,).另外，根据文 海砂矿 一 100.00 献表明海砂矿尖晶石相中的Mg、T、V等元素还以类 澳矿 9.45 9.09 20.79 11.90 48.77 质同象形式代替磁铁矿相中Fe元素，形成各元素含量 巴西矿1 12.54 7.82 20.51 32.02 27.11 不同的固溶体，从而形成致密的海砂矿颗粒.这些矿 巴西矿2 10.37 4.22 14.52 16.24 54.65 物结构致密、熔点较高，使海砂矿同化性和液相流动性 杨迪矿 22.85 20.63 14.11 21.27 21.14 等烧结高温特性变差，影响烧结矿质量提高.本文通 过细磨改变海砂矿粒级分布和微观形貌，以改变海砂 海砂矿T℉e质量分数相对较低，只有55.63%，属 矿的烧结物化特性 于中低品位铁矿：相比其他几种进口矿粉，海砂矿粒度 1.2研究方法 较小，属于含钒钛磁铁精矿，在烧结制粒过程中无法成1.2.1海砂矿细磨试验和粒级分布检测 为“核颗粒”，通过激光粒度分析可知绝大多数海砂颗 取相同质量干燥后的海砂矿，分别在Bod功能指 粒尺寸在0.10~0.45mm之间，在烧结混合制粒中主 数球磨机中细磨10min和25min,与未经细磨的海砂 要以“中间颗粒”形式存在，若不经细磨将不利于混合 矿分别使用LMS-30型激光粒度分析仪进行粒度检 料制粒；两种巴西矿和澳矿均为赤铁矿，杨迪矿的烧损 测：另取三种粒级分布的海砂矿和烧结杯试验所得烧 率高达10.64%，属于褐铁矿，这四种铁矿粉中>1mm 结矿制成d20mm×10mm光片，在FEI0 uanta250型电 的矿粉颗粒均超过50%，在烧结制粒过程中成为“核 子扫描显微镜下观察不同粒级分布海砂矿的形貌特征 颗粒”，有利于烧结混合料制粒.海砂矿最明显的特征 和烧结矿的微观结构，分析粒级分布和矿粉颗粒形貌 是Ti02质量分数很高，达到11.41%，属于含钛磁铁 对烧结制粒的影响，研究烧结矿中T元素的赋存 矿，对海砂矿进行X射线衍射分析，见图1. 状态

张亚鹏等: 细磨海砂矿烧结特性及其对烧结矿质量影响机理 胡宾生等［2］研究海砂矿对烧结过程的影响，认为 烧结混合料中海砂矿的配比应该严格控制在 20% 以 内; 王志远和何明杰［3］、吕庆等［4］研究海砂对烧结矿产 质量的影响，认为随着海砂矿在烧结混合料中配比增 加，烧结矿还原性变好，低温还原粉化性能变差，海砂 矿配加量应控制在 5% ～ 10% 左右． 蔡幸福和田铁 磊［5］研究配加海砂矿的烧结混合料烧结特性，并在此 基础上探讨海砂对烧结过程的影响，提出海砂合理配 加量为 10% ． 前人的研究主要针对未经细磨的海砂矿对烧结过 程及烧结矿质量的影响． 笔者通过将海砂矿细磨，采 用激光粒度分析仪分析海砂矿的粒级分布，分别采用 锥形法和微型烧结法研究不同粒级分布的海砂矿同化 性和液相流动性，结合烧结杯试验探讨海砂矿对烧结 过程及烧结矿冶金性能的影响，同时运用扫描电镜研 究烧结矿的矿物组成和显微结构以及烧结矿中 Ti 元 素的分布特征，分析不同粒级分布海砂矿的烧结特性 及其对烧结矿质量的作用机理． 1 试验原料和研究方法 1. 1 试验原料 原料包括海砂矿等 5 种烧结用铁矿粉、2 种钙基 熔剂以及烧结杯试验所用焦粉和返矿，各种烧结原料 的化学成分和铁矿粉的粒度组成分别见表 1 和表 2． 表 1 各种烧结原料的化学成分( 质量分数) Table 1 Chemical composition of raw materials in sintering % 原料种类 TFe SiO2 CaO MgO Al2O3 TiO2 LOI H2O 海砂矿 55. 63 4. 13 0. 60 3. 74 3. 38 11. 41 3. 14 1. 10 巴西矿 1 63. 31 6. 30 0. 24 0. 22 1. 14 0. 03 2. 02 3. 01 巴西矿 2 64. 76 2. 88 0. 19 0. 23 1. 40 0. 04 2. 66 5. 20 澳矿 61. 68 3. 64 0. 22 0. 21 2. 10 0. 06 5. 06 5. 80 杨迪矿 57. 23 5. 59 0. 22 0. 21 1. 36 0. 06 10. 64 8. 80 返矿 55. 17 5. 84 11. 36 1. 45 2. 10 0. 05 0. 49 0. 00 石灰石 — 1. 00 49. 5 4. 00 — — 41. 43 — 生石灰 — 5. 70 6. 50 6. 40 — — 10. 00 — 焦粉 — 4. 50 4. 00 0. 60 3. 00 0. 00 85. 5 1. 65 表 2 铁矿粉粒度组成( 质量分数) Table 2 Particle size distribution of iron ores % 矿粉种类 ＞ 8 mm 8 ～ 5 mm 5 ～ 3 mm 3 ～ 1 mm ＜ 1 mm 海砂矿 — — — — 100. 00 澳矿 9. 45 9. 09 20. 79 11. 90 48. 77 巴西矿 1 12. 54 7. 82 20. 51 32. 02 27. 11 巴西矿 2 10. 37 4. 22 14. 52 16. 24 54. 65 杨迪矿 22. 85 20. 63 14. 11 21. 27 21. 14 海砂矿 TFe 质量分数相对较低，只有 55. 63% ，属 于中低品位铁矿; 相比其他几种进口矿粉，海砂矿粒度 较小，属于含钒钛磁铁精矿，在烧结制粒过程中无法成 为“核颗粒”，通过激光粒度分析可知绝大多数海砂颗 粒尺寸在 0. 10 ～ 0. 45 mm 之间，在烧结混合制粒中主 要以“中间颗粒”形式存在，若不经细磨将不利于混合 料制粒; 两种巴西矿和澳矿均为赤铁矿，杨迪矿的烧损 率高达 10. 64% ，属于褐铁矿，这四种铁矿粉中 ＞ 1 mm 的矿粉颗粒均超过 50% ，在烧结制粒过程中成为“核 颗粒”，有利于烧结混合料制粒． 海砂矿最明显的特征 是 TiO2 质量分数很高，达到 11. 41% ，属于含钛磁铁 矿，对海砂矿进行 X 射线衍射分析，见图 1． 海砂矿中的主要物相有磁铁矿相( Fe3 O4 ) 、钛铁 矿相( FeTiO3 ) 、钛铁尖晶石相( Fe2 TiO4 ) 、铁橄榄石相 ( Fe2 SiO4 ) 和镁铁尖晶石相( MgFe2O4 ) ． 另外，根据文 献表明海砂矿尖晶石相中的 Mg、Ti、V 等元素还以类 质同象形式代替磁铁矿相中 Fe 元素，形成各元素含量 不同的固溶体，从而形成致密的海砂矿颗粒． 这些矿 物结构致密、熔点较高，使海砂矿同化性和液相流动性 等烧结高温特性变差，影响烧结矿质量提高． 本文通 过细磨改变海砂矿粒级分布和微观形貌，以改变海砂 矿的烧结物化特性． 1. 2 研究方法 1. 2. 1 海砂矿细磨试验和粒级分布检测 取相同质量干燥后的海砂矿，分别在 Bond 功能指 数球磨机中细磨 10 min 和 25 min，与未经细磨的海砂 矿分别使用 LMS--30 型激光粒度分析仪进行粒度检 测; 另取三种粒级分布的海砂矿和烧结杯试验所得烧 结矿制成 20 mm × 10 mm 光片，在 FEI Quanta250 型电 子扫描显微镜下观察不同粒级分布海砂矿的形貌特征 和烧结矿的微观结构，分析粒级分布和矿粉颗粒形貌 对烧结 制 粒 的 影 响，研 究 烧 结 矿 中 Ti 元 素 的 赋 存 状态． · 964 ·

·470 工程科学学报，第38卷，第4期 4000 1 Fe0 2FeTio 铁矿石 3-Fe,TiO 3000 4 Fe.SiO A1.0,垫片 a() 2000 1(000 20 mm 40 mm 22 图2铁矿石同化特性试样示意图 10 2030 4050607080. 90 Fig.2 Schematic illustration of iron ore samples for assimilation 20/ characteristics test 图1海砂X射线衍射谱 Fig.1 XRD pattern of titanium sands 3,按照二元碱度R=4.0与分析纯Ca0试剂混合，取 混匀粉0.8g在15MPa压强下压制成Φ8.0mm的圆柱 1.2.2锥型法测铁矿石同化性 形试样，将试样置于铁铬铝垫片上放入微型烧结试验 将未经细磨的海砂矿（海砂矿1）以及细磨10min 装置中按照一定的升温制度进行焙烧，焙烧后的试样 (海砂矿2)和25min的海砂矿（海砂矿3）在105℃烘 利用图像处理软件测定试样的流动面积，进而计算出 千2h后分别压制成底面边长为7mm、高20mm的三 液相流动性指数，具体方法见文献6].同时，按照表 角锥，另外称取一定质量的分析纯C0化学试剂以15 3中所示混匀矿粉配比测定混匀矿粉的液相流动性 MPa压强将其压制成中20mm圆形薄片：将矿粉三角 指数. 锥垂直置于Ca0圆形薄片之上（见图2），然后将试样 1.2.4烧结杯试验和烧结矿治金性能检测 整体放入卧式电热炉中进行焙烧.利用电荷耦合器件 按照各烧结原料的质量配比进行烧结混合料配 (charge coupled device,CCD)摄像机系统采集试样变 料，配料中三种粒级分布的海砂矿（即未经细磨的海 化的图像，由图像中三角锥形状和高度的改变情况获 砂矿、细磨l0min的海砂矿和细磨25min的海砂矿) 取矿粉的同化温度 均分别进行配加量为8%的烧结杯试验，烧结控制烧 另外，将两种巴西矿、澳矿和杨迪矿细磨至0.074 结矿二元碱度R=2.0,烧结混合料水分为6.80%，返 mm以下，然后将三种粒级分布的海砂矿分别与这四 矿平衡系数为B=1.0±0.05，烧结配料中焦粉配比为 种铁矿粉按照一定比例混合均匀，测定混合矿粉的同 4.10%.烧结杯尺寸为300mm×850mm,烧结料层厚 化特性.混合矿粉配比见表3.混合矿1中未配加海 度为800mm,控制烧结点火温度1050℃、点火负压6 砂矿，混合矿2、混合矿3和混合矿4中分别配加8% kPa及抽风负压l6kPa.烧结杯试验所得烧结矿按照 的海砂矿1、海砂矿2和海砂矿3. 国标GB/T13241一1991和GB/T13242一1991中试验 1.2.3微型烧结法测定铁矿石液相流动性 方法测定其低温还原粉化性能和还原性.对烧结矿中 分别取一定质量的海砂矿1、海砂矿2和海砂矿 T0,矿物类型进行扫描电镜分析. 表3混合矿粉配比表（质量分数） Table 3 Composition of iron ore blends 矿种 巴西矿1 巴西矿2 澳矿 杨迪矿 海砂矿1 海砂矿2 海砂矿3 混合矿1 15.0 30.0 35.0 20.0 混合矿2 15.0 27.0 32.0 18.0 8.0 一 混合矿3 15.0 27.0 32.0 18.0 8.0 混合矿4 15.0 27.0 32.0 18.0 8.0 2试验结果与分析 代表粒度中值) 随着细磨时间的增加，海砂矿粒级分布范围变宽， 2.1海砂矿粒级分布对混合料制粒性能的影响 粒度变小.海砂矿1粒级分布范围很窄，海砂矿颗粒 通过铁矿粉细磨试验和激光粒度检测得到未经细 大小均匀，绝大多数海砂颗粒尺寸在100~450μm之 磨的海砂矿（海砂矿1）、细磨10min（海砂矿2)和细 间，在此范围内海砂矿粒级呈现正态分布，其中粒级在 磨25min(海砂矿3)的海砂矿粒级分布，见图3(Po 150~210um的海砂颗粒约占总量的55%，未经细

工程科学学报，第 38 卷，第 4 期 图 1 海砂 X 射线衍射谱 Fig． 1 XＲD pattern of titanium sands 1. 2. 2 锥型法测铁矿石同化性 将未经细磨的海砂矿( 海砂矿 1) 以及细磨 10 min ( 海砂矿 2) 和 25 min 的海砂矿( 海砂矿 3) 在 105 ℃ 烘 干 2 h 后分别压制成底面边长为 7 mm、高 20 mm 的三 角锥，另外称取一定质量的分析纯 CaO 化学试剂以 15 MPa 压强将其压制成 20 mm 圆形薄片; 将矿粉三角 锥垂直置于 CaO 圆形薄片之上( 见图 2) ，然后将试样 整体放入卧式电热炉中进行焙烧． 利用电荷耦合器件 ( charge coupled device，CCD) 摄像机系统采集试样变 化的图像，由图像中三角锥形状和高度的改变情况获 取矿粉的同化温度． 另外，将两种巴西矿、澳矿和杨迪矿细磨至 0. 074 mm 以下，然后将三种粒级分布的海砂矿分别与这四 种铁矿粉按照一定比例混合均匀，测定混合矿粉的同 化特性． 混合矿粉配比见表 3． 混合矿 1 中未配加海 砂矿，混合矿 2、混合矿 3 和混合矿 4 中分别配加 8% 的海砂矿 1、海砂矿 2 和海砂矿 3． 1. 2. 3 微型烧结法测定铁矿石液相流动性 分别取一定质量的海砂矿 1、海砂矿 2 和海砂矿 图 2 铁矿石同化特性试样示意图 Fig． 2 Schematic illustration of iron ore samples for assimilation characteristics test 3，按照二元碱度 Ｒ = 4. 0 与分析纯 CaO 试剂混合，取 混匀粉 0. 8 g 在 15 MPa 压强下压制成 8. 0 mm 的圆柱 形试样，将试样置于铁铬铝垫片上放入微型烧结试验 装置中按照一定的升温制度进行焙烧，焙烧后的试样 利用图像处理软件测定试样的流动面积，进而计算出 液相流动性指数，具体方法见文献［6］． 同时，按照表 3 中所示混匀矿粉配比测定混匀矿粉的液相流动性 指数． 1. 2. 4 烧结杯试验和烧结矿冶金性能检测 按照各烧结原料的质量配比进行烧结混合料配 料，配料中三种粒级分布的海砂矿( 即未经细磨的海 砂矿、细磨 10 min 的海砂矿和细磨 25 min 的海砂矿) 均分别进行配加量为 8% 的烧结杯试验，烧结控制烧 结矿二元碱度 Ｒ = 2. 0，烧结混合料水分为 6. 80% ，返 矿平衡系数为 B = 1. 0 ± 0. 05，烧结配料中焦粉配比为 4. 10% ． 烧结杯尺寸为 300 mm × 850 mm，烧结料层厚 度为 800 mm，控制烧结点火温度 1050 ℃、点火负压 6 kPa 及抽风负压 16 kPa． 烧结杯试验所得烧结矿按照 国标 GB / T13241—1991 和 GB / T13242—1991 中 试 验 方法测定其低温还原粉化性能和还原性． 对烧结矿中 TiO2矿物类型进行扫描电镜分析． 表 3 混合矿粉配比表( 质量分数) Table 3 Composition of iron ore blends % 矿种 巴西矿 1 巴西矿 2 澳矿 杨迪矿 海砂矿 1 海砂矿 2 海砂矿 3 混合矿 1 15. 0 30. 0 35. 0 20. 0 — — — 混合矿 2 15. 0 27. 0 32. 0 18. 0 8. 0 — — 混合矿 3 15. 0 27. 0 32. 0 18. 0 — 8. 0 — 混合矿 4 15. 0 27. 0 32. 0 18. 0 — — 8. 0 2 试验结果与分析 2. 1 海砂矿粒级分布对混合料制粒性能的影响 通过铁矿粉细磨试验和激光粒度检测得到未经细 磨的海砂矿( 海砂矿 1) 、细磨 10 min ( 海砂矿 2) 和细 磨 25 min ( 海砂矿 3) 的海砂矿粒级分布，见图 3 ( P50 代表粒度中值) ． 随着细磨时间的增加，海砂矿粒级分布范围变宽， 粒度变小． 海砂矿 1 粒级分布范围很窄，海砂矿颗粒 大小均匀，绝大多数海砂颗粒尺寸在 100 ～ 450 μm 之 间，在此范围内海砂矿粒级呈现正态分布，其中粒级在 150 ～ 210 μm 的海砂矿颗粒约占总量的 55% ，未经细 · 074 ·

张亚鹏等：细磨海砂矿烧结特性及其对烧结矿质量影响机理 471 100 1 海砂矿1.P=213.514m 海砂矿2.P-77.81μm 16 80 80 40 10 40 86 20 5 20 4 10 0 10 to 粒径/μm 粒径m 100 海砂3P=20.66um 80 0 3 2 20 10-1 1 10 10 粒径/um 图3海砂矿粒级分布 Fig.3 Size distribution of titanium sands 磨的海砂矿粒级对烧结混合料制粒过程不利.经细磨 细磨而被完全破碎，颗粒形状不规则程度大大增加，比 后海砂矿粒级分布发生明显变化，海砂矿2的粒级主 表面积明显增大 要集中在46~108μm之间，约占总量的60%左右，小 从混合料制粒角度讲，随着海砂矿粒度变细，比表 于100μm的颗粒占总量的77%：海砂矿3的粒度较 面积增大，有利于混合料制粒切.其机理可以解释为： 细，绝大多数海砂颗粒在5~76um之间，大于0.1mm 在烧结混合料制粒过程中，颗粒的形成与长大是靠烧 的只占总量的4%.海砂矿经过细磨后，其微观形貌也 结混合料中核颗粒和黏附粉在水分的作用下，黏附粉 发生很大变化，见图4 不断地黏附在核颗粒上完成的.在混合料制粒过程 海砂矿1颗粒较为圆润，大多为准球形，海砂矿颗 中，充当核颗粒的是烧结返矿、焦粉、富矿粉等粒度较 粒表面棱角不明显.这是因为海砂矿长期浸泡于海水 粗的颗粒，而黏附粉是颗粒较细的铁精粉、熔剂等.其 中，不断地被海水冲刷，使得颗粒表面光滑，粒级分布 中，核颗粒要求粒度范围一般为1.0~3.0mm,黏附粉 均匀.海砂矿2中出现一些长条状、三角状和较小的 粒度一般要小于100μm(即<0.1mm).在混合料制 不规则颗粒，比表面积变大，这有利于混合料制粒性能 粒过程中要尽可能减少粒度为0.1~1.0mm中间粒级 的提高.海砂矿3中的大部分海砂矿原始颗粒均由于 的颗粒，因为此范围内的矿粉颗粒既不宜作为混 海砂矿1 海砂矿2 海砂矿3 500 pm 500 jm 图4不同粒级分布的海砂矿微观形貌 Fig.4 Micromorphology of titanium sands with different particle size distributions

张亚鹏等: 细磨海砂矿烧结特性及其对烧结矿质量影响机理 图 3 海砂矿粒级分布 Fig． 3 Size distribution of titanium sands 磨的海砂矿粒级对烧结混合料制粒过程不利． 经细磨 后海砂矿粒级分布发生明显变化，海砂矿 2 的粒级主 要集中在 46 ～ 108 μm 之间，约占总量的 60% 左右，小 于 100 μm 的颗粒占总量的 77% ; 海砂矿 3 的粒度较 细，绝大多数海砂颗粒在 5 ～ 76 μm 之间，大于 0. 1 mm 的只占总量的 4% ． 海砂矿经过细磨后，其微观形貌也 发生很大变化，见图 4． 图 4 不同粒级分布的海砂矿微观形貌 Fig． 4 Micromorphology of titanium sands with different particle size distributions 海砂矿 1 颗粒较为圆润，大多为准球形，海砂矿颗 粒表面棱角不明显． 这是因为海砂矿长期浸泡于海水 中，不断地被海水冲刷，使得颗粒表面光滑，粒级分布 均匀． 海砂矿 2 中出现一些长条状、三角状和较小的 不规则颗粒，比表面积变大，这有利于混合料制粒性能 的提高． 海砂矿 3 中的大部分海砂矿原始颗粒均由于 细磨而被完全破碎，颗粒形状不规则程度大大增加，比 表面积明显增大． 从混合料制粒角度讲，随着海砂矿粒度变细，比表 面积增大，有利于混合料制粒［7］． 其机理可以解释为: 在烧结混合料制粒过程中，颗粒的形成与长大是靠烧 结混合料中核颗粒和黏附粉在水分的作用下，黏附粉 不断地黏附在核颗粒上完成的． 在混合料制粒过程 中，充当核颗粒的是烧结返矿、焦粉、富矿粉等粒度较 粗的颗粒，而黏附粉是颗粒较细的铁精粉、熔剂等． 其 中，核颗粒要求粒度范围一般为 1. 0 ～ 3. 0 mm，黏附粉 粒度一般要小于 100 μm ( 即 ＜ 0. 1 mm) ． 在混合料制 粒过程中要尽可能减少粒度为 0. 1 ～ 1. 0 mm 中间粒级 的颗粒［8--11］，因为此范围内的矿粉颗粒既不宜作为混 · 174 ·

·472 工程科学学报，第38卷，第4期 合料核颗粒，也不能作为黏附粉.未经细磨的海砂矿1 1350 不同粒级游砂村 粒级小于0.1mm的颗粒只占5%左右，绝大部分海砂 矿颗粒粒径均在0.1~0.45mm之间，如不经细磨处 1305 1300 1205 1284 理，则海砂矿绝大部分属于中间粒级的粗颗粒，且表面 光滑，不易黏附于核颗粒表面，从而以散料状形式存 配加不司粒级海砂利的混合矿 在，这对于烧结混合料制粒非常不利，也不利于烧结过 12 1229 1227 程中料层透气性的改善.因此，经过细磨后，海砂矿粒 1219 度变细，从而使海砂矿成为混合料制粒中的黏附粉，有 1200 1186 利于混合料制粒性能的提高 2.2海砂矿粒级分布对铁矿石同化特性的影响 1150 海砂矿1海砂矿2海砂矿3混合矿1混合和2混合矿3混合矿4 采用锥形法测定海砂矿1、海砂矿2、海砂矿3以 图5不同粒级的海砂矿与混合矿同化温度比较 及配加不同粒级分布海砂矿的混合矿同化温度.三种 Fig.5 Assimilation temperature of titanium sands and blend ores 不同粒级的海砂矿同化温度以及混合矿同化温度见 2.3海砂矿粒级分布对铁矿石液相流动性的影响 图5. 采用微型烧结法研究海砂矿1、海砂矿2、海砂矿3 当海砂矿1的同化温度为1284℃：随着海砂粒级 以及配加不同粒级分布海砂矿的混合矿液相流动性指 组成变小，海砂矿的同化温度升高，海砂矿3的同化温 数变化规律.不同粒级的海砂矿以及混合矿液相流动 度达到1305℃，相比海砂矿1的同化温度升高21℃， 性指数变化见图6. 也就是说海砂的粒度越细，其同化性越差.另外，当混 从图6(a)中可以发现：随着试验温度的升高，不 合矿粉中不配加海砂时，混合矿粉的同化温度为1186℃： 同粒级分布海砂矿的液相流动性指数均呈增大趋势 配加不同粒度海砂后，混合矿粉的同化温度逐渐升高， 当温度T-1240℃时，三种粒度下的海砂矿液相流动 表现出与海砂相似的规律 性指数均为0；当T=1280℃时，海砂矿的液相流动性 通常情况下，铁矿粉粒度越细，其同化性越 指数大小顺序为海砂矿1>海砂矿2>海砂矿3：当 好2，而海砂矿在同化性能方面则表现出相反的规 T=1320℃时，海砂矿的液相流动性指数大小顺序为 律.出现这种现象的原因是海砂中含钛相主要为钛铁 海砂矿3>海砂矿2>海砂矿1，与T=1280℃时的液 矿相(FeTiO,)和钛铁尖晶石相(Fe,Ti0,),其中钛铁矿 相流动指数顺序相反， 相在海砂中呈菱形网格晶状分布4，在磨矿过程中 对于同一种铁矿粉来说，影响铁矿粉液相流动性 钛铁矿相网格晶状结构被破坏，分散于磨细的海砂中： 的因素主要是温度和同化性.结合同化性试验结果可 在进行同化性试验时钛铁矿相与Ca0接触面积增大， 以发现，不同粒级分布的海砂矿同化温度均在1280℃ 促进钙钛矿的生成，而钙钛矿相属于高熔点难熔物，进 以上，在试验温度为T=1240℃时海砂矿与Ca0反应 而阻碍铁酸钙液相生成，使海砂矿同化温度升高，因此 还不能生成液相，故此温度下不同粒度的海砂液相流 随着海砂矿粒级变细，其同化温度升高，同化性能 动性指数为0：当T=1280℃时，海砂与Ca0反应生成 变差. 的液相开始流动，由于海砂矿粒度越细生成的高熔点 fa) 2.0 .5 浴 1.0 0.5 。一混合付1 ■一为砂矿】 ◆一混合2 ◆一海砂2 ·混合3 0.0 ▲一海砂3 ★一混合矿4 1240 1280 1320 1240 1260 1280 13(0 1320 实验温度/ 实险温世工 图6不同粒级分布的海砂矿(a）和混合矿(b)液相流动性 Fig.6 Liquid-phase fluidity index of titanium sands (a)and blend ores (b)

工程科学学报，第 38 卷，第 4 期 合料核颗粒，也不能作为黏附粉． 未经细磨的海砂矿 1 粒级小于 0. 1 mm 的颗粒只占 5% 左右，绝大部分海砂 矿颗粒粒径均在 0. 1 ～ 0. 45 mm 之间，如不经细磨处 理，则海砂矿绝大部分属于中间粒级的粗颗粒，且表面 光滑，不易黏附于核颗粒表面，从而以散料状形式存 在，这对于烧结混合料制粒非常不利，也不利于烧结过 程中料层透气性的改善． 因此，经过细磨后，海砂矿粒 度变细，从而使海砂矿成为混合料制粒中的黏附粉，有 利于混合料制粒性能的提高． 2. 2 海砂矿粒级分布对铁矿石同化特性的影响 采用锥形法测定海砂矿 1、海砂矿 2、海砂矿 3 以 及配加不同粒级分布海砂矿的混合矿同化温度． 三种 不同粒级的海砂矿同化温度以及混合矿同化温度见 图 5． 当海砂矿 1 的同化温度为 1284 ℃ ; 随着海砂粒级 组成变小，海砂矿的同化温度升高，海砂矿 3 的同化温 度达到 1305 ℃，相比海砂矿 1 的同化温度升高 21 ℃， 也就是说海砂的粒度越细，其同化性越差． 另外，当混 合矿粉中不配加海砂时，混合矿粉的同化温度为 1186 ℃; 配加不同粒度海砂后，混合矿粉的同化温度逐渐升高， 表现出与海砂相似的规律． 图 6 不同粒级分布的海砂矿( a) 和混合矿( b) 液相流动性 Fig． 6 Liquid-phase fluidity index of titanium sands ( a) and blend ores ( b) 通常 情 况 下，铁 矿 粉 粒 度 越 细，其 同 化 性 越 好［12--13］，而海砂矿在同化性能方面则表现出相反的规 律． 出现这种现象的原因是海砂中含钛相主要为钛铁 矿相( FeTiO3 ) 和钛铁尖晶石相( Fe2TiO4 ) ，其中钛铁矿 相在海砂中呈菱形网格晶状分布［14--16］，在磨矿过程中 钛铁矿相网格晶状结构被破坏，分散于磨细的海砂中; 在进行同化性试验时钛铁矿相与 CaO 接触面积增大， 促进钙钛矿的生成，而钙钛矿相属于高熔点难熔物，进 而阻碍铁酸钙液相生成，使海砂矿同化温度升高，因此 随着海 砂 矿 粒 级 变 细，其 同 化 温 度 升 高，同 化 性 能 变差． 图 5 不同粒级的海砂矿与混合矿同化温度比较 Fig． 5 Assimilation temperature of titanium sands and blend ores 2. 3 海砂矿粒级分布对铁矿石液相流动性的影响 采用微型烧结法研究海砂矿 1、海砂矿2、海砂矿3 以及配加不同粒级分布海砂矿的混合矿液相流动性指 数变化规律． 不同粒级的海砂矿以及混合矿液相流动 性指数变化见图 6． 从图 6( a) 中可以发现: 随着试验温度的升高，不 同粒级分布海砂矿的液相流动性指数均呈增大趋势． 当温度 T = 1240 ℃ 时，三种粒度下的海砂矿液相流动 性指数均为 0; 当 T = 1280 ℃ 时，海砂矿的液相流动性 指数大小顺序为海砂矿 1 ＞ 海砂矿 2 ＞ 海砂矿 3; 当 T = 1320 ℃时，海砂矿的液相流动性指数大小顺序为 海砂矿 3 ＞ 海砂矿 2 ＞ 海砂矿 1，与 T = 1280 ℃ 时的液 相流动指数顺序相反． 对于同一种铁矿粉来说，影响铁矿粉液相流动性 的因素主要是温度和同化性． 结合同化性试验结果可 以发现，不同粒级分布的海砂矿同化温度均在 1280 ℃ 以上，在试验温度为 T = 1240 ℃ 时海砂矿与 CaO 反应 还不能生成液相，故此温度下不同粒度的海砂液相流 动性指数为 0; 当 T = 1280 ℃ 时，海砂与 CaO 反应生成 的液相开始流动，由于海砂矿粒度越细生成的高熔点 · 274 ·