钒钛烧结料床竖向不均匀烧结

D0L:10.13374h.issnl001-053x.2011.06.019 第33卷第6期 北京科技大学学报 Vol.33 No.6 2011年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun.2011 钒钛烧结料床竖向不均匀烧结 白永强程树森四 北京科技大学治金与生态工程学院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:chengsusen@metall.usth.edu.cn 摘要通过对钒钛烧结料床的不同料层进行测温，研究了不同深度烧结料成矿过程的温度变化曲线，利用火焰前锋速度和 成矿前锋速度两个参数评价了台车竖向烧结的不均匀程度.结果表明：随着料层深度的增加，火焰前锋和成矿前锋迁移速度 下降，说明台车下部料床的结构变化大，烧结透气性恶化：加强偏析布料效果，增大台车下部料粒的平均粒度和热态强度，对 提高钒钛矿烧结利用系数至关重要.同时，对不同深度处的烧结矿进行矿相分析表明，钒钛烧结矿由磁铁矿、赤铁矿、铁酸钙、 硅酸钙、钙钛矿和玻璃相六种主要矿物组成，随着料层深度的增加，磁铁矿、硅酸钙和钙钛矿含量增多，铁酸钙和赤铁矿含量 下降. 关键词钒钛磁铁矿；烧结：成矿：透气性：矿相分析 分类号T℉046.4 Inhomogeneous vertical sintering of a sintering feed bed for vanadium-titanium magnetite BAI Yong-qiang,CHENG Shu-sen School of Metallurgical and Ecological Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author.E-mail:chengsusen@metall.ustb.edu.cn ABSTRACT Changes in temperature of vanadium-titanium magnetite sintering feed at different depths during mineralization processes were studied by measuring the temperature values of different sintering layers.Two quantitative parameters,flame front speed and min- eralization front speed,were defined to evaluate the inhomogeneous degree of vertical sintering.The results show that the flame front speed and mineralization front speed decrease with increasing layer depth,indicating that there is a serious structural change in the low- er region of the sintering feed bed and the sintering permeability deteriorates.Promoting the charge segregation and increasing the mean diameter and thermal intensity of quasi-particles in the lower region of the sintering feed bed are of great importance for enhancing the sinter productivity.Simultaneously,mineralogical analysis of sinters at different sintering layers show that the vanadium-titanium mag- netite sinter ore consists of magnetite,hematite,calcium ferrite,dicalcium silicate,perovskite,and vitreous mineral.With the layer depth increasing,the contents of magnetite,dicalcium silicate and perovskite increase,while the contents of hematite and calcium fer- rite decrease. KEY WORDS vanadium-titanium magnetite:sintering;mineralization:permeability:mineralogical analysis 钒钛磁铁矿是一种重要的铁矿石资源，其在垂直烧结速度小，烧结矿成品率低：烧结矿的强度 冶炼过程中可以生成高熔点碳氮化钛，起到保护 和低温还原粉化率则与原料的成分特点和成矿过 炉缸和延长高炉寿命的作用-习.但是，钒钛磁铁 程的热制度有关，钒钛磁铁精矿烧结过程中液相 矿烧结过程中存在许多问题，烧结机利用系数低， 生成量少，烧结矿强度较低，成品率不高，并且高 能耗大，烧结矿的冷态强度和低温还原粉化性能 含量T02和A山，03对改善烧结矿低温还原粉化性 较差.钒钛磁铁矿烧结利用系数低的原因是 能非常不利.为了提高烧结利用效率和烧结 收稿日期：201007-21 基金项目：“十一五”国家科技支撑计划资助项目(No.2006BAE03A01):国家自然科学基金资助项目(No.60872147)

第 33 卷 第 6 期 2011 年 6 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 33 No． 6 Jun． 2011 钒钛烧结料床竖向不均匀烧结 白永强 程树森 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083 通信作者，E-mail: chengsusen@ metall． ustb． edu． cn 摘 要 通过对钒钛烧结料床的不同料层进行测温，研究了不同深度烧结料成矿过程的温度变化曲线，利用火焰前锋速度和 成矿前锋速度两个参数评价了台车竖向烧结的不均匀程度． 结果表明: 随着料层深度的增加，火焰前锋和成矿前锋迁移速度 下降，说明台车下部料床的结构变化大，烧结透气性恶化; 加强偏析布料效果，增大台车下部料粒的平均粒度和热态强度，对 提高钒钛矿烧结利用系数至关重要． 同时，对不同深度处的烧结矿进行矿相分析表明，钒钛烧结矿由磁铁矿、赤铁矿、铁酸钙、 硅酸钙、钙钛矿和玻璃相六种主要矿物组成，随着料层深度的增加，磁铁矿、硅酸钙和钙钛矿含量增多，铁酸钙和赤铁矿含量 下降． 关键词 钒钛磁铁矿; 烧结; 成矿; 透气性; 矿相分析 分类号 TF046. 4 Inhomogeneous vertical sintering of a sintering feed bed for vanadium-titanium magnetite BAI Yong-qiang，CHENG Shu-sen School of Metallurgical and Ecological Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China Corresponding author，E-mail: chengsusen@ metall． ustb． edu． cn ABSTRACT Changes in temperature of vanadium-titanium magnetite sintering feed at different depths during mineralization processes were studied by measuring the temperature values of different sintering layers． Two quantitative parameters，flame front speed and min￾eralization front speed，were defined to evaluate the inhomogeneous degree of vertical sintering． The results show that the flame front speed and mineralization front speed decrease with increasing layer depth，indicating that there is a serious structural change in the low￾er region of the sintering feed bed and the sintering permeability deteriorates． Promoting the charge segregation and increasing the mean diameter and thermal intensity of quasi-particles in the lower region of the sintering feed bed are of great importance for enhancing the sinter productivity． Simultaneously，mineralogical analysis of sinters at different sintering layers show that the vanadium-titanium mag￾netite sinter ore consists of magnetite，hematite，calcium ferrite，dicalcium silicate，perovskite，and vitreous mineral． With the layer depth increasing，the contents of magnetite，dicalcium silicate and perovskite increase，while the contents of hematite and calcium fer￾rite decrease． KEY WORDS vanadium-titanium magnetite; sintering; mineralization; permeability; mineralogical analysis 收稿日期: 2010--07--21 基金项目:“十一五”国家科技支撑计划资助项目( No． 2006BAE03A01) ; 国家自然科学基金资助项目( No． 60872147) 钒钛磁铁矿是一种重要的铁矿石资源，其在 冶炼过程中可以生成高熔点碳氮化钛，起到保护 炉缸和延长高炉寿命的作用［1--2］． 但是，钒钛磁铁 矿烧结过程中存在许多问题，烧结机利用系数低， 能耗大，烧结矿的冷态强度和低温还原粉化性能 较差［3--4］． 钒钛磁铁矿烧结利用系数低的原因是 垂直烧结速度小，烧结矿成品率低; 烧结矿的强度 和低温还原粉化率则与原料的成分特点和成矿过 程的热制度有关，钒钛磁铁精矿烧结过程中液相 生成量少，烧结矿强度较低，成品率不高，并且高 含量 TiO2 和 Al2O3 对改善烧结矿低温还原粉化性 能非常不利［5--6］． 为了提高烧结利用效率和烧结 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2011.06.019

第6期 白永强等：钒钛烧结料床竖向不均匀烧结 ·695· 矿质量，冶金工作者在提高烧结料床透气性、优化 结过程的研究尚不多见，评估不均匀程度、调整操 配矿及调整烧结矿成分方面做了大量工作) 作参数以减缓烧结矿质量偏析的工作也比较少 通过烧结杯实验，研究者对烧结矿生产过程进行 本文对烧结台车上不同深度处烧结料的温度进行 了模拟，研究了配矿、混料和烧结操作参数对烧结 了测量，得到了台车不同深度处烧结料成矿过程 速度和返矿率等烧结过程指标的影响，分析了其 的温度曲线，计算得出不同料段的火焰前锋速度 对烧结矿强度、低温还原粉化率和高温还原性等 和成矿前锋速度，得到了烧结台车竖直方向上烧 质量指标的影响规律；矿相观察也作为一种常用 结过程的不均匀程度并分析其原因：同时，在烧结 的分析手段，用来解释烧结工艺参数和烧结矿质 料床的不同深度处进行烧结矿取样，分析了烧结 量间的相互关系0.但是，烧结机生产过程中 矿样品的结构和矿物组成，得到了温度制度对钒 的许多技术并未应用于烧结杯实验，如二次混合 钛磁铁矿成矿过程和烧结矿质量的影响规律. 制粒、蒸汽预热和九辊布料技术，烧结杯的生产指 1实验过程 标及其烧结矿质量指标与实际生产过程存在很大 差别，对烧结料床的透气性以及烧结矿质量等均 1.1实验条件 产生较大的影响，烧结杯实验得到的结果不能直 实验期间对某厂烧结机生产的原料特点进行了 接用于指导烧结机生产 分析，焦末和钙镁混合灰分别作为燃料和熔剂；中和 钒钛磁铁矿烧结的另一个主要问题是烧结矿 料由四种含铁原料混合而成，包括钒钛磁铁精矿粉 质量偏析比较严重，同一批烧结矿的治金性能相 A、B,普通磁铁精矿粉和赤铁矿富矿粉：返矿由自返 差较大.通过矿相分析发现烧结矿的结构和矿物 矿和高炉返矿组成.受破碎能力的限制，焦末粒度 组成存在较大的差别，这也是钒钛烧结矿成品率 较粗，<3mm的比例仅占60%左右；钙镁混合灰粒 低和质量较差的原因之一·分析烧结矿质量偏析 度较细，<3mm的比例达90%以上；磁铁精矿粉粒 的原因，进而调整生产工艺，减小烧结过程的不均 度较细，<200目的矿粉比例达到60%以上，核粒子 匀程度，对于提高钒钛烧结矿的综合质量和成品 所占比例较低.烧结原料的化学成分和配比如表1 率具有重要意义，目前，关于钒钛磁铁矿不均匀烧 所示. 表1烧结原料的化学成分（质量分数） Table 1 Chemical composition of raw materials used in sinter producing % 原料 Fer Fe0 Ca0 Si02 TiOz AL203 Mgo V205 烧损 配比 钒粉A 63.18 24.53 1.33 3.73 3.81 1.40 1.14 0.50 0.50 41.0 钒粉B 60.64 27.52 0.66 2.68 3.47 1.89 1.28 0.68 0.50 5.0 普粉 62.11 28.24 2.21 4.58 0.47 0.14 0.95 0.116 1.37 5.0 赤铁矿 67.35 0.55 1.03 3.58 0.32 1.93 1.20 0.073 5.30 15.0 返矿 53.52 8.50 9.63 5.16 2.69 2.04 3.03 0.36 20.0 混合灰 60.00 5.00 2.00 14.50 15.00 9.5 焦粉 0.51 6.18 4.04 75.00 4.5 烧结料一次混合及二次混合的时间分别为 4m长的预热段和保温段：台车运行速度为 2min和3min,粒径<3mm的颗粒所占比例较大.烧 1.5mmin-1,烧结负压基本维持在16kPa左右.由 结台车宽度为4500mm,高度为700mm;由于钒钛 此可见，实际生产过程中烧结料床的结构是无法在 磁铁矿烧结料床透气性较差，铺底料厚度达到70~ 烧结杯中实现的，烧结操作工艺也存在较大的不同 80mm,由粒径10~15mm的成品烧结矿组成；烧结 1.2实验方法 料在二次混合机和布料矿槽内进行蒸汽预热，料温 (1)烧结料测温.在台车侧板上钻取四个孔， 普遍达到60℃之上以减小过湿带的厚度；采用梭式 其高度分别距台车项面200、300、400和500mm.在 布料机、圆辊给料机和九辊布料科器联合布料，加强烧 该烧结台车进入点火保温炉之前，将四根800mm长 结机竖直方向上的布料偏析：台车下部设有松料器， 的刚玉管插入烧结料床内，当此台车出点火保温炉 用来增大料床下部透气性：烧结料点火温度为 后，迅速将四支S形热电偶分别插入四根预埋的刚 1150±50℃，点火负压14kPa,点火前后分别设有 玉管内，对四个不同深度的烧结料层进行测温，并通

第 6 期 白永强等: 钒钛烧结料床竖向不均匀烧结 矿质量，冶金工作者在提高烧结料床透气性、优化 配矿及调整烧结矿成分方面做了大量工作［7--9］． 通过烧结杯实验，研究者对烧结矿生产过程进行 了模拟，研究了配矿、混料和烧结操作参数对烧结 速度和返矿率等烧结过程指标的影响，分析了其 对烧结矿强度、低温还原粉化率和高温还原性等 质量指标的影响规律; 矿相观察也作为一种常用 的分析手段，用来解释烧结工艺参数和烧结矿质 量间的相互关系［10--11］． 但是，烧结机生产过程中 的许多技术并未应用于烧结杯实验，如二次混合 制粒、蒸汽预热和九辊布料技术，烧结杯的生产指 标及其烧结矿质量指标与实际生产过程存在很大 差别，对烧结料床的透气性以及烧结矿质量等均 产生较大的影响，烧结杯实验得到的结果不能直 接用于指导烧结机生产． 钒钛磁铁矿烧结的另一个主要问题是烧结矿 质量偏析比较严重，同一批烧结矿的冶金性能相 差较大． 通过矿相分析发现烧结矿的结构和矿物 组成存在较大的差别，这也是钒钛烧结矿成品率 低和质量较差的原因之一． 分析烧结矿质量偏析 的原因，进而调整生产工艺，减小烧结过程的不均 匀程度，对于提高钒钛烧结矿的综合质量和成品 率具有重要意义． 目前，关于钒钛磁铁矿不均匀烧 结过程的研究尚不多见，评估不均匀程度、调整操 作参数以减缓烧结矿质量偏析的工作也比较少． 本文对烧结台车上不同深度处烧结料的温度进行 了测量，得到了台车不同深度处烧结料成矿过程 的温度曲线，计算得出不同料段的火焰前锋速度 和成矿前锋速度，得到了烧结台车竖直方向上烧 结过程的不均匀程度并分析其原因; 同时，在烧结 料床的不同深度处进行烧结矿取样，分析了烧结 矿样品的结构和矿物组成，得到了温度制度对钒 钛磁铁矿成矿过程和烧结矿质量的影响规律． 1 实验过程 1. 1 实验条件 实验期间对某厂烧结机生产的原料特点进行了 分析，焦末和钙镁混合灰分别作为燃料和熔剂; 中和 料由四种含铁原料混合而成，包括钒钛磁铁精矿粉 A、B，普通磁铁精矿粉和赤铁矿富矿粉; 返矿由自返 矿和高炉返矿组成． 受破碎能力的限制，焦末粒度 较粗，＜ 3 mm 的比例仅占 60% 左右; 钙镁混合灰粒 度较细，＜ 3 mm 的比例达 90% 以上; 磁铁精矿粉粒 度较细，＜ 200 目的矿粉比例达到 60% 以上，核粒子 所占比例较低． 烧结原料的化学成分和配比如表 1 所示． 表 1 烧结原料的化学成分( 质量分数) Table 1 Chemical composition of raw materials used in sinter producing % 原料 Fet FeO CaO SiO2 TiO2 Al2O3 MgO V2O5 烧损 配比 钒粉 A 63. 18 24. 53 1. 33 3. 73 3. 81 1. 40 1. 14 0. 50 0. 50 41. 0 钒粉 B 60. 64 27. 52 0. 66 2. 68 3. 47 1. 89 1. 28 0. 68 0. 50 5. 0 普粉 62. 11 28. 24 2. 21 4. 58 0. 47 0. 14 0. 95 0. 116 1. 37 5. 0 赤铁矿 67. 35 0. 55 1. 03 3. 58 0. 32 1. 93 1. 20 0. 073 5. 30 15. 0 返矿 53. 52 8. 50 9. 63 5. 16 2. 69 2. 04 3. 03 0. 36 — 20. 0 混合灰 — — 60. 00 5. 00 — 2. 00 14. 50 — 15. 00 9. 5 焦粉 — — 0. 51 6. 18 — 4. 04 — — 75. 00 4. 5 烧结料一次混合及二次混合的时间分别为 2 min和3 min，粒径 ＜ 3 mm 的颗粒所占比例较大． 烧 结台车宽度为 4 500 mm，高度为 700 mm; 由于钒钛 磁铁矿烧结料床透气性较差，铺底料厚度达到 70 ～ 80 mm，由粒径 10 ～ 15 mm 的成品烧结矿组成; 烧结 料在二次混合机和布料矿槽内进行蒸汽预热，料温 普遍达到 60 ℃之上以减小过湿带的厚度; 采用梭式 布料机、圆辊给料机和九辊布料器联合布料，加强烧 结机竖直方向上的布料偏析; 台车下部设有松料器， 用来增大料床下部透气性; 烧结料点火温度为 1 150 ± 50 ℃，点火负压 14 kPa，点火前后分别设有 4 m 长 的 预 热 段 和 保 温 段; 台车运行速度为 1. 5 m·min － 1 ，烧结负压基本维持在 16 kPa 左右． 由 此可见，实际生产过程中烧结料床的结构是无法在 烧结杯中实现的，烧结操作工艺也存在较大的不同． 1. 2 实验方法 ( 1) 烧结料测温． 在台车侧板上钻取四个孔， 其高度分别距台车顶面 200、300、400 和 500 mm． 在 该烧结台车进入点火保温炉之前，将四根 800 mm 长 的刚玉管插入烧结料床内，当此台车出点火保温炉 后，迅速将四支 S 形热电偶分别插入四根预埋的刚 玉管内，对四个不同深度的烧结料层进行测温，并通 ·695·

·696· 北京科技大学学报 第33卷 过上位机程序存储于计算机数据库内.测温的四个 高于1280℃后易于分解，而铁酸钙是高碱度烧结矿 料层由上至下分别用L1、L2、L3和L表示，四个料层 的主要黏结相，铁酸钙的数量和强度均随T的升高 的温度分别用T1、T2、T3和T4来表示，由此可以得到 而变差，并且钙钛矿和硅酸钙等高熔点化合物随T。 不同深度处烧结料成矿的温度变化曲线，计算不同 的增大而快速增加，破坏了烧结矿的强度和低温粉 料段(L,L2、L,LLL,)的火焰前锋速度和成矿前锋 化性能，因此烧结温度不宜过高.高温保持时间tk 速度，分析产生偏析烧结的原因. 是指烧结料温度高于1280℃的时间段，t越大意 (2)矿相分析.当烧结台车运行至烧结机尾 味着高熔点化合物的生成量越多，铁酸钙的黏结能 时，停止烧结机系统的运转，将该烧结台车吊出，在 力越差，烧结矿的性能变差 四个测温料层取烧结矿样品，由上至下分别命名为 2.2测温结果 S、S2、S和S4·将四组烧结矿样进行破碎、热镶和 图1为实验测得的不同料层的烧结温度曲线， 抛光，在偏光显微镜下观察矿样S,、S2、S,和S的结 曲线T、T2、T,和T4分别描述了料层LL2L3和L4 构特点，运用数点法对不同烧结矿样的矿物组成进 处烧结料在成矿过程中的温度变化.由曲线T,可 行定量分析：结合成和矿过程中的温度变化曲线，研究 见，据烧结料床表面500mm深处的烧结料初始温度 不同温度制度下钒钛磁铁矿的矿相特点和成矿 为64℃，高于水汽的冷凝温度，说明经蒸汽预热的 机理. 烧结料在烧结过程中几乎不经历水汽冷凝阶段，烧 2测温结果与分析 结料床的过湿带很薄，即过湿带的阻力损失较小. 图1显示火焰前锋到达料层L、L2L,和L的时刻 2.1参数定义 分别为烧结点火后的10.11、17.48、25.32和 为了描述烧结机上钒钛磁铁矿烧结过程的特 33.78min,烧结料段L,L2、L2L和LL.的局部火焰 点，分析竖直方向上烧结过程的不均匀程度，笔者定 前锋速度分别为13.57、12.75和11.82 mm*min-1, 义了几个定量参数进行分析 燃烧带迁移速度在逐渐降低，即可推知钒钛烧结 燃烧带迁移速度是用来表征烧结机生产效率的 料床的透气性在逐渐恶化.成矿前锋到达料层 重要参数之一，研究者通常运用火焰前锋速度 LL2、L和L4的时刻分别为烧结点火后的 (flame front speed,FFS)来描述烧结带的迁移速 16.85、26.06、37.72和49.73min,烧结料段LL2、 度2-，本文定义了局部火焰前锋速度((local1ame L2L3和L3L,的成矿前锋速度分别为10.86、8.58 front speed,LFFS),它更适合研究台车竖直方向上 和8.33 mm.min',相对于料层L1向料层L2的成 烧结过程的不均匀性；火焰前锋的温度为800℃，即 刊矿前锋迁移速度，料层L2向料层L的迁移速度明 烧结料温度达到800℃时说明此料层进入燃烧阶 显下降，这说明台车上部300mm的烧结料成矿结束 段，火焰迁移时间表示火焰前锋由某一料层迁移至 后，台车下部混合料的烧结速度急剧降低 下一料层所需的时间，用某一料段的火焰迁移距离 (本文中为100mm)除以该料段内的火焰迁移时间， 1400 即可得到该料段的局部火焰前锋速度.另外，烧结 1200 料床的透气性决定了火焰前锋速度，某阶段的火焰 前锋速度大小反映了此阶段烧结料床透气性的 800 火焰 好坏. 前锋 另一项重要参数是烧结料的熔融时间tmh,研 究者认为烧结料温度高于1100℃时处于熔融状态， 低于1100℃时表示烧结过程结束，即成矿前锋到达 2230 38 此料层，烧结矿的矿物组成和矿相结构基本不再变 点火后时间mn 化.研究者对烧结矿强度和成矿熔融时间t之间 图1不同料层的烧结温度曲线 的关系进行了分析，发现熔融相的数量随t的 Fig.1 Temperature curves of sintering feed at different layers 延长而增多，烧结矿强度也随之增强. 烧结温度T。也是描述烧结过程的一项重要参 表2列出了料层L,、L2L和L,处烧结料的熔 数，是指烧结过程经历的最高温度.T,对烧结矿的 融时间、高温时间和烧结温度.大量的烧结研究表 矿相结构有较大的影响1，例如烧结矿内铁酸钙在 明，普通磁铁矿烧结过程的熔融时间普遍在3~

北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 过上位机程序存储于计算机数据库内． 测温的四个 料层由上至下分别用 L1、L2、L3 和 L4表示，四个料层 的温度分别用 T1、T2、T3 和 T4来表示，由此可以得到 不同深度处烧结料成矿的温度变化曲线，计算不同 料段( L1L2、L2L3、L3L4 ) 的火焰前锋速度和成矿前锋 速度，分析产生偏析烧结的原因． ( 2) 矿相分析． 当烧结台车运行至烧结机尾 时，停止烧结机系统的运转，将该烧结台车吊出，在 四个测温料层取烧结矿样品，由上至下分别命名为 S1、S2、S3 和 S4 ． 将四组烧结矿样进行破碎、热镶和 抛光，在偏光显微镜下观察矿样 S1、S2、S3 和 S4的结 构特点，运用数点法对不同烧结矿样的矿物组成进 行定量分析; 结合成矿过程中的温度变化曲线，研究 不同温度制度下钒钛磁铁矿的矿相特点和成矿 机理． 2 测温结果与分析 2. 1 参数定义 为了描述烧结机上钒钛磁铁矿烧结过程的特 点，分析竖直方向上烧结过程的不均匀程度，笔者定 义了几个定量参数进行分析． 燃烧带迁移速度是用来表征烧结机生产效率的 重要 参 数 之 一，研究者通常运用火焰前锋速度 ( flame front speed，FFS) 来描述烧结带的迁移速 度［12--13］，本文定义了局部火焰前锋速度( local flame front speed，LFFS) ，它更适合研究台车竖直方向上 烧结过程的不均匀性; 火焰前锋的温度为 800 ℃，即 烧结料温度达到 800 ℃ 时说明此料层进入燃烧阶 段，火焰迁移时间表示火焰前锋由某一料层迁移至 下一料层所需的时间，用某一料段的火焰迁移距离 ( 本文中为 100 mm) 除以该料段内的火焰迁移时间， 即可得到该料段的局部火焰前锋速度． 另外，烧结 料床的透气性决定了火焰前锋速度，某阶段的火焰 前锋速度大小反映了此阶段烧结料床透气性的 好坏． 另一项重要参数是烧结料的熔融时间 tmelt，研 究者认为烧结料温度高于 1 100 ℃时处于熔融状态， 低于 1 100 ℃时表示烧结过程结束，即成矿前锋到达 此料层，烧结矿的矿物组成和矿相结构基本不再变 化． 研究者对烧结矿强度和成矿熔融时间 tmelt之间 的关系进行了分析［14］，发现熔融相的数量随 tmelt的 延长而增多，烧结矿强度也随之增强． 烧结温度 Tp也是描述烧结过程的一项重要参 数，是指烧结过程经历的最高温度． Tp对烧结矿的 矿相结构有较大的影响［15］，例如烧结矿内铁酸钙在 高于 1 280 ℃后易于分解，而铁酸钙是高碱度烧结矿 的主要黏结相，铁酸钙的数量和强度均随 Tp的升高 而变差，并且钙钛矿和硅酸钙等高熔点化合物随 Tp 的增大而快速增加，破坏了烧结矿的强度和低温粉 化性能，因此烧结温度不宜过高． 高温保持时间 tpeak 是指烧结料温度高于 1 280 ℃ 的时间段，tpeak越大意 味着高熔点化合物的生成量越多，铁酸钙的黏结能 力越差，烧结矿的性能变差． 2. 2 测温结果 图 1 为实验测得的不同料层的烧结温度曲线， 曲线 T1、T2、T3 和 T4分别描述了料层 L1、L2、L3 和 L4 处烧结料在成矿过程中的温度变化． 由曲线 T4 可 见，据烧结料床表面 500 mm 深处的烧结料初始温度 为 64 ℃，高于水汽的冷凝温度，说明经蒸汽预热的 烧结料在烧结过程中几乎不经历水汽冷凝阶段，烧 结料床的过湿带很薄，即过湿带的阻力损失较小． 图 1 显示火焰前锋到达料层 L1、L2、L3 和 L4的时刻 分别为烧结点火后的 10. 11、17. 48、25. 32 和 33. 78 min，烧结料段 L1L2、L2L3 和 L3L4的局部火焰 前锋速度分别为 13. 57、12. 75 和 11. 82 mm·min － 1 ， 燃烧带迁移速度在逐渐降低，即可推知钒钛烧结 料床的 透 气 性 在 逐 渐 恶 化． 成矿前锋到达料层 L1、L2、L3 和 L4 的时刻分别为烧结点火后的 16. 85、26. 06、37. 72 和 49. 73 min，烧结料段 L1L2、 L2L3 和 L3L4 的成矿前锋速度分别为 10. 86、8. 58 和8. 33 mm·min － 1 ，相对于料层 L1 向料层 L2 的成 矿前锋迁移速度，料层 L2 向料层 L3 的迁移速度明 显下降，这说明台车上部 300 mm 的烧结料成矿结束 后，台车下部混合料的烧结速度急剧降低． 图 1 不同料层的烧结温度曲线 Fig． 1 Temperature curves of sintering feed at different layers 表 2 列出了料层 L1、L2、L3 和 L4处烧结料的熔 融时间、高温时间和烧结温度． 大量的烧结研究表 明，普通磁铁矿烧结过程的熔融时间普遍在3 ～ ·696·

第6期 白永强等：钒钛烧结料床竖向不均匀烧结 ·697· 5min;而由表2可见，钒钛磁铁矿烧结的熔融时间 均粒径的增大，有利于改善烧结料床的原始透气性， 达到了6~14min,远高于普通磁铁矿烧结，这是由 增大钒钛磁铁矿的垂直烧结速度：有利于增强布料 于钒钛磁铁矿的成分特点是低硅、高钛和高铝，熔融 的偏析度，减小下部料床的阻力损失：颗粒强度的增 液相的生成量较少，烧结工作者常通过提高混合料 大使得原始透气性得以保留，防止颗粒因温度升高 中的配碳量，以延长熔融时间、增加液相量和提高成 和压力增加而破碎，下部料床的烧结透气性得到进 品率.料层L,和L2处烧结料的熔融时间t分别 一步改善。另外，料床透气性的改善增加了废气带 为6.09min和7.67min,料层L3和L,处烧结料的熔 走的热量，缓解了因自动蓄热量过大导致的下层烧 融时间迅速增加为11.2min和14.1min,台车下部 结料过熔，避免了下部料床透气性的严重恶化.总 区域烧结料的液相量远高于上部烧结料，不均匀烧 之，强化制粒可以有效改善钒钛磁铁矿烧结料床的 结现象严重；t的增大有利于提高烧结矿强度，但 透气性，降低烧结过程的不均匀程度：减少原始混合 t太大不利于改善烧结矿还原性和烧结料床透气 料中的配碳量，可以降低下部料床的烧结温度，缩短 性，其值需控制在合理范围内。烧结料高温保持时 烧结料的熔融时间和高温保持时间，但需要提高点 间tek的变化规律与t一致，台车竖直方向上存在 火温度和增大烧结初期的保温段长度，避免配碳量 较大的差异，由1.85min增长至8.35min;在tmh可 降低导致的上部料床烧结温度偏低. 以保证生成足够液相量的条件下，要求t越小越 3矿相分析 好，以减少正硅酸钙和钙钛矿等高熔点矿物的生成. 烧结温度也随料层深度的增加而提高，由料层L的 3.1成分分析 1299℃增加至料层L,的1369℃；铁酸钙黏结相随 对此工艺条件下的烧结矿元素分析表明，不同 温度升高大量分解，更多的化学成分熔入液相中，冷 位置烧结矿的元素组成基本相同.其中，TFe质量 凝过程中生成更多高熔点化合物，不利于提高烧结 分数为55.52%，Ca0、Si02、Ti02、Al203、Mg0和 矿质量.总之，在现行的操作工艺下，钒钛磁铁矿烧 V,0,的质量分数分别为9.47%、4.93%、2.82%、 结过程的热制度不合理，烧结透气性较差，不均匀烧 2.31%、2.89%和0.34%.但是，由烧结料床的测温 结现象比较严重.因此，应以钒钛磁铁矿的原料特 结果得知，烧结台车上混合料自上而下进行烧结时， 点及其烧结工艺特点为基础，调整烧结矿的生产工 混合料的烧结温度、熔融时间和高温保持时间在不 艺参数，从而提高烧结矿的产量和质量. 断变化，由此推知不同深度烧结矿的矿物组成必然 表2不同料层处烧结料的fmele和Tt 存在较大的差异.表3列出了在四个测温料层上所 Table 2 and Tvalues of sintering feed at different layers 取烧结矿样的矿物组成，钒钛烧结矿主要由六种矿 熔融时间， 高温时间， 烧结温度， 物组成，包括磁铁矿、赤铁矿、复合铁酸钙(SFCA)、 料层 tmeht /min ‘eal/min Ta/℃ 正硅酸钙、钙钛矿和玻璃质，还有少量的残余熔剂和 6.09 1.85 1299 镁质浮氏体.与普通高碱度烧结矿相比，钒钛烧结 马 7.67 4.08 1329 矿含有一定数量的钙钛矿，SFCA含量相对较少，这 L 11.2 6.25 1358 是导致钒钛烧结矿低温还原粉化性能较差的重要原 14.1 8.35 1369 因.随着料层深度的增加，烧结矿中赤铁矿和SFCA 含量呈下降趋势，高温还原性会因此而变差；磁铁 2.3工艺优化 矿、正硅酸钙和钙钛矿含量增加，烧结矿的冷态机械 对图1和表2进行分析可知，钒钛烧结矿的火 强度变差：玻璃质矿物含量变化不大 焰迁移速度和烧结成矿速度明显偏小，即烧结料床 3.2矿物结构分析 的透气性较差，尤其是进入烧结过程的中后期，烧结 前文己经讨论过，虽然烧结原料的化学成分不 料床的烧结透气性更差，烧结过程的不均匀程度较 变，但是不同料层的烧结矿因烧结过程中温度变化 大.熔融时间的增加是烧结台车下部料床透气性变 曲线不同，必然会导致矿物组成的差异，笔者通过成 差的直接原因，而导致熔融时间增加的原因包括热 分分析证实了上述论断，并且发现了矿物组成的变 量生成量大和热量散失速度小两个方面，强化烧结 化规律.为了研究钒钛磁铁精矿粉的烧结成矿机 料制粒可以有效地解决以上问题.提高成球性较好 理，以及温度制度的变化对其成矿过程的影响，本文 的富矿粉的配比，可以增加核粒子的比例，从而增大 对四组烧结矿样的矿物结构进行了微观研究，得到 烧结料颗粒的平均粒径、提高颗粒的冷热强度.平 了不同温度制度下钒钛烧结矿的矿相结构特点，分

第 6 期 白永强等: 钒钛烧结料床竖向不均匀烧结 5 min; 而由表 2 可见，钒钛磁铁矿烧结的熔融时间 达到了 6 ～ 14 min，远高于普通磁铁矿烧结，这是由 于钒钛磁铁矿的成分特点是低硅、高钛和高铝，熔融 液相的生成量较少，烧结工作者常通过提高混合料 中的配碳量，以延长熔融时间、增加液相量和提高成 品率． 料层 L1 和 L2 处烧结料的熔融时间 tmelt分别 为 6. 09 min 和 7. 67 min，料层 L3 和 L4处烧结料的熔 融时间迅速增加为 11. 2 min 和 14. 1 min，台车下部 区域烧结料的液相量远高于上部烧结料，不均匀烧 结现象严重; tmelt的增大有利于提高烧结矿强度，但 tmelt太大不利于改善烧结矿还原性和烧结料床透气 性，其值需控制在合理范围内． 烧结料高温保持时 间 tpeak的变化规律与 tmelt一致，台车竖直方向上存在 较大的差异，由 1. 85 min 增长至 8. 35 min; 在 tmelt可 以保证生成足够液相量的条件下，要求 tpeak越小越 好，以减少正硅酸钙和钙钛矿等高熔点矿物的生成． 烧结温度也随料层深度的增加而提高，由料层 L1 的 1 299 ℃增加至料层 L4的 1 369 ℃ ; 铁酸钙黏结相随 温度升高大量分解，更多的化学成分熔入液相中，冷 凝过程中生成更多高熔点化合物，不利于提高烧结 矿质量． 总之，在现行的操作工艺下，钒钛磁铁矿烧 结过程的热制度不合理，烧结透气性较差，不均匀烧 结现象比较严重． 因此，应以钒钛磁铁矿的原料特 点及其烧结工艺特点为基础，调整烧结矿的生产工 艺参数，从而提高烧结矿的产量和质量． 表 2 不同料层处烧结料的 tmelt、tpeak和 Tpeak Table 2 tmelt，tpeak and Tpeak values of sintering feed at different layers 料层 熔融时间， tmelt /min 高温时间， tpeak /min 烧结温度， Tpeak /℃ L1 6. 09 1. 85 1 299 L2 7. 67 4. 08 1 329 L3 11. 2 6. 25 1 358 L4 14. 1 8. 35 1 369 2. 3 工艺优化 对图 1 和表 2 进行分析可知，钒钛烧结矿的火 焰迁移速度和烧结成矿速度明显偏小，即烧结料床 的透气性较差，尤其是进入烧结过程的中后期，烧结 料床的烧结透气性更差，烧结过程的不均匀程度较 大． 熔融时间的增加是烧结台车下部料床透气性变 差的直接原因，而导致熔融时间增加的原因包括热 量生成量大和热量散失速度小两个方面，强化烧结 料制粒可以有效地解决以上问题． 提高成球性较好 的富矿粉的配比，可以增加核粒子的比例，从而增大 烧结料颗粒的平均粒径、提高颗粒的冷热强度． 平 均粒径的增大，有利于改善烧结料床的原始透气性， 增大钒钛磁铁矿的垂直烧结速度; 有利于增强布料 的偏析度，减小下部料床的阻力损失; 颗粒强度的增 大使得原始透气性得以保留，防止颗粒因温度升高 和压力增加而破碎，下部料床的烧结透气性得到进 一步改善． 另外，料床透气性的改善增加了废气带 走的热量，缓解了因自动蓄热量过大导致的下层烧 结料过熔，避免了下部料床透气性的严重恶化． 总 之，强化制粒可以有效改善钒钛磁铁矿烧结料床的 透气性，降低烧结过程的不均匀程度; 减少原始混合 料中的配碳量，可以降低下部料床的烧结温度，缩短 烧结料的熔融时间和高温保持时间，但需要提高点 火温度和增大烧结初期的保温段长度，避免配碳量 降低导致的上部料床烧结温度偏低． 3 矿相分析 3. 1 成分分析 对此工艺条件下的烧结矿元素分析表明，不同 位置烧结矿的元素组成基本相同． 其中，TFe 质量 分数 为 55. 52% ，CaO、SiO2、TiO2、Al2O3、MgO 和 V2O5的质量分数分别为 9. 47% 、4. 93% 、2. 82% 、 2. 31% 、2. 89% 和 0. 34% ． 但是，由烧结料床的测温 结果得知，烧结台车上混合料自上而下进行烧结时， 混合料的烧结温度、熔融时间和高温保持时间在不 断变化，由此推知不同深度烧结矿的矿物组成必然 存在较大的差异． 表 3 列出了在四个测温料层上所 取烧结矿样的矿物组成，钒钛烧结矿主要由六种矿 物组成，包括磁铁矿、赤铁矿、复合铁酸钙( SFCA) 、 正硅酸钙、钙钛矿和玻璃质，还有少量的残余熔剂和 镁质浮氏体． 与普通高碱度烧结矿相比，钒钛烧结 矿含有一定数量的钙钛矿，SFCA 含量相对较少，这 是导致钒钛烧结矿低温还原粉化性能较差的重要原 因． 随着料层深度的增加，烧结矿中赤铁矿和 SFCA 含量呈下降趋势，高温还原性会因此而变差; 磁铁 矿、正硅酸钙和钙钛矿含量增加，烧结矿的冷态机械 强度变差; 玻璃质矿物含量变化不大． 3. 2 矿物结构分析 前文已经讨论过，虽然烧结原料的化学成分不 变，但是不同料层的烧结矿因烧结过程中温度变化 曲线不同，必然会导致矿物组成的差异，笔者通过成 分分析证实了上述论断，并且发现了矿物组成的变 化规律． 为了研究钒钛磁铁精矿粉的烧结成矿机 理，以及温度制度的变化对其成矿过程的影响，本文 对四组烧结矿样的矿物结构进行了微观研究，得到 了不同温度制度下钒钛烧结矿的矿相结构特点，分 ·697·

·698 北京科技大学学报 第33卷 析了其对烧结矿质量的影响 层的烧结透气性较好.图2()是由块状铁酸钙和 表3不同料层烧结矿的矿物组成（体积分数） 磁铁矿形成的熔蚀结构(SFCA/M熔蚀结构)，强度 Table 3 Mineralogical compositions of sinters at different sintering lay- 和还原性较好，略低于SFCA/M交织结构.磁铁矿 ers % 颗粒和玻璃质矿物形成的粒状结构(V/M粒状结 矿样 构)含量相对较少，如图2（©）所示，此结构的强度和 赤铁矿 20-25 16-20 15 12 还原性较差.烧结矿中赤铁矿以残存赤铁矿和骸晶 磁铁矿 30-35 35-40 光 40~45 状再生赤铁矿两种形式存在，如图2(c)、(d)所示， 复合铁酸钙 27-30 25-30 20 15 残存赤铁矿的存在说明某些区域矿化不完全，但其 正硅酸钙 3-5 5~7 5-8 7~10 对烧结矿的质量影响不大：骸晶状赤铁矿集中出现 钙钛矿 4-5 57 6≈10 8-10 在烧结矿的孔洞附近，还原过程中产生恶性膨胀，裂 玻璃相 5 5 纹扩展得不到有效控制，低温还原粉化性能较差. 其他 1 <1 1 SFCA/M熔蚀结构和VIM粒状结构内出现少量钙 钛矿，如图2(b)、(©)所示，钙钛矿会削弱黏结结构 图2为烧结矿样S,的微观结构，磁铁矿、赤铁 的强度，降低低温还原粉化性能.综合台车表面下 矿、SFCA和玻璃质矿物的体积分数分别为30%~ 200mm处混合料的温度曲线和烧结矿矿相分析，可 35%、20%~25%、27%~30%和6%，由这些矿物 以推断此区域附近的烧结矿质量较好，但烧结温度 组成了三种黏结相结构.含量最多的是由针状铁酸 和熔融时间若再减小则不利于烧结矿强度和粒度的 钙与磁铁矿构成的交织结构(SFCA/M交织结构)， 增大，即台车上部（表面至200mm深处）仍有较多 如图2(a)所示，此结构的强度和还原性俱佳；针状 的烧结矿强度和粒度达不到质量要求，因此应提高 铁酸钙更容易在低温氧化性气氛下生成，说明此料 点火温度并延长保温时间 a 504m M一磁铁矿：F一SFCA:H一赤铁矿：V一玻璃质矿物：L一正硅酸钙：P一钙钛矿 图2矿样S,的矿相结构.(a)SFCA/M交织结构：(b)SFCA/M熔蚀结构：(c)VIM粒状结构：(d)赤铁矿形态 Fig.2 Mineralogical structures of sinter S:(a)SFCA/M interwoven structure:(b)SFCA/M molten structure;(c)V/M granular structure; (d)hematite structure

北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 析了其对烧结矿质量的影响． 表 3 不同料层烧结矿的矿物组成( 体积分数) Table 3 Mineralogical compositions of sinters at different sintering lay￾ers % 矿样 S1 S2 S3 S4 赤铁矿 20 ～ 25 16 ～ 20 15 12 磁铁矿 30 ～ 35 35 ～ 40 40 40 ～ 45 复合铁酸钙 27 ～ 30 25 ～ 30 20 15 正硅酸钙 3 ～ 5 5 ～ 7 5 ～ 8 7 ～ 10 钙钛矿 4 ～ 5 5 ～ 7 6 ～ 10 8 ～ 10 玻璃相 6 5 5 5 其他 1 ＜ 1 1 — M—磁铁矿; F—SFCA; H—赤铁矿; V—玻璃质矿物; L—正硅酸钙; P—钙钛矿 图 2 矿样 S1 的矿相结构． ( a) SFCA/M 交织结构; ( b) SFCA/M 熔蚀结构; ( c) V/M 粒状结构; ( d) 赤铁矿形态 Fig． 2 Mineralogical structures of sinter S1 : ( a) SFCA/M interwoven structure; ( b) SFCA/M molten structure; ( c) V/M granular structure; ( d) hematite structure 图 2 为烧结矿样 S1 的微观结构，磁铁矿、赤铁 矿、SFCA 和玻璃质矿物的体积分数分别为30% ～ 35% 、20% ～ 25% 、27% ～ 30% 和 6% ，由这些矿物 组成了三种黏结相结构． 含量最多的是由针状铁酸 钙与磁铁矿构成的交织结构( SFCA/M 交织结构) ， 如图 2( a) 所示，此结构的强度和还原性俱佳; 针状 铁酸钙更容易在低温氧化性气氛下生成，说明此料 层的烧结透气性较好． 图 2( b) 是由块状铁酸钙和 磁铁矿形成的熔蚀结构( SFCA/M 熔蚀结构) ，强度 和还原性较好，略低于 SFCA/M 交织结构． 磁铁矿 颗粒和玻璃质矿物形成的粒状结构( V/M 粒状结 构) 含量相对较少，如图 2( c) 所示，此结构的强度和 还原性较差． 烧结矿中赤铁矿以残存赤铁矿和骸晶 状再生赤铁矿两种形式存在，如图 2( c) 、( d) 所示， 残存赤铁矿的存在说明某些区域矿化不完全，但其 对烧结矿的质量影响不大; 骸晶状赤铁矿集中出现 在烧结矿的孔洞附近，还原过程中产生恶性膨胀，裂 纹扩展得不到有效控制，低温还原粉化性能较差． SFCA/M 熔蚀结构和 V/M 粒状结构内出现少量钙 钛矿，如图 2( b) 、( c) 所示，钙钛矿会削弱黏结结构 的强度，降低低温还原粉化性能． 综合台车表面下 200 mm 处混合料的温度曲线和烧结矿矿相分析，可 以推断此区域附近的烧结矿质量较好，但烧结温度 和熔融时间若再减小则不利于烧结矿强度和粒度的 增大，即台车上部( 表面至 200 mm 深处) 仍有较多 的烧结矿强度和粒度达不到质量要求，因此应提高 点火温度并延长保温时间． ·698·