SiO2对烧结矿冶金性能及微观结构的影响

工程科学学报，第38卷，第7期：913919,2016年7月 Chinese Journal of Engineering,Vol.38,No.7:913-919,July 2016 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2016.07.004:http://journals.ustb.edu.cn S0,对烧结矿冶金性能及微观结构的影响 闫志武”，张建良”，张亚鹏”，陈子罗”，王耀祖”，高斌区，张艳》 1)北京科技大学治金生态与工程学院，北京1000832)青岛特殊钢铁有限公司，青岛266043 ☒通信作者，E-mail:gaobin3747@163.com 摘要为给高铁低硅烧结矿的生产提供理论依据，设计烧结矿碱度R为1.8、1.9和2.0，每种碱度下以Si02含量为变量， 产生12组配矿方案进行烧结杯实验，研究S0,对烧结矿冶金性能及微观结构的影响.结果表明：S02质量分数从4.8%~ 5.7%增加时，其冷态强度逐渐增加，最大增幅为8%：烧结矿还原性逐渐降低，降幅区间为从86.80%到81.01%：还原粉化指 数RDI,5逐渐增大，增幅区间为从75.95%到87.21%；对于软熔性能，其软化开始温度T。在4.8%~5.4%的Si02含量区间 先升高，在5.4%-5.7%之间又降低，而软化区间有变宽的趋势.选定一个碱度水平R=2.0,烧结矿Si02质量分数在4.8% 一5.7%范围变化时，其微观结构由熔蚀状向针柱状发展，结构均匀性逐渐提高，主要矿物组成由赤铁矿向铁酸钙发展，且低 温还原粉化的骸晶状赤铁矿逐渐消失 关键词烧结：二氧化硅：治金性能：微观结构 分类号TF046 Effects of SiO,on the metallurgical properties and microstructure of sinter YAN Zhi-wu,ZHANG Jian-liang",ZHANG Ya-peng,CHEN Zi-uo,WANG Yao-u,GAO Bin,ZHANG Yan?) 1)School of Metallurgical and Ecological Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Qingdao Special Steel Co.,Ltd.,Qingdao 266043,China Corresponding author,E-mail:gaobin3747@163.com ABSTRACT In order to provide a theoretical basis for the production of high iron and low silica sinter,the basicity (R)was set to 1.8,1.9 and 2.0,the Si0,content was variable for each alkalinity,and then 12 groups of ore blending schemes were generated to proceed with sinter pot tests.After that,the influences of SiO on the metallurgical properties and microstructure of sinter were re- searched.The results show that when the Si0,content increases from 4.8%to 5.7%,the cold intensity gradually increases,and the greatest growing rate is 8%:the sinter reducibility tends to lower,and the decreasing range is from 86.80%to 81.01%;the reduc- tion degradation index (RDI.3.s)gradually increases,and the growing range is from 75.95%to 87.21%.For softening-melting properties,the apparent initial softening temperature (To)previously increases in the range from 4.8%to 5.4%and then decreases in the range from 5.4%to 5.7%,and the softening range has a widening trend.Selected a alkalinity level R=2.0,when the SiO content changes in the range of 4.8%to 5.7%,the microstructure of sinter develops from an ablation shape to a needlelike and co- lumnar shape,the structural uniformity gradually improves,and the main mineral composition changes from hematite to calcium fer- rite.Skeletal crystalline hematite,which leads to a low temperature reduction degradation phenomenon,gradually disappears. KEY WORDS ore sintering:silicon dioxide:metallurgical properties:microstructure 烧结矿是国内高炉炼铁的主要原料，其质量将直 铁低硅的烧结矿，一般认为高品质烧结矿其S0,含量 接影响到高炉炉况和钢铁产量.目前我国高炉追求高 应小于5%，这样的烧结矿有利于降低高炉渣量，保证 收稿日期：201507-24 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51174023,01260202)

工程科学学报，第 38 卷，第 7 期: 913--919，2016 年 7 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 38，No． 7: 913--919，July 2016 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2016． 07． 004; http: / /journals． ustb． edu． cn SiO2 对烧结矿冶金性能及微观结构的影响 闫志武1) ，张建良1) ，张亚鹏1) ，陈子罗1) ，王耀祖1) ，高 斌1) ，张 艳2) 1) 北京科技大学冶金生态与工程学院，北京 100083 2) 青岛特殊钢铁有限公司，青岛 266043  通信作者，E-mail: gaobin3747@ 163． com 摘 要 为给高铁低硅烧结矿的生产提供理论依据，设计烧结矿碱度 Ｒ 为 1. 8、1. 9 和 2. 0，每种碱度下以 SiO2 含量为变量， 产生 12 组配矿方案进行烧结杯实验，研究 SiO2 对烧结矿冶金性能及微观结构的影响． 结果表明: SiO2 质量分数从 4. 8% ～ 5. 7% 增加时，其冷态强度逐渐增加，最大增幅为 8% ; 烧结矿还原性逐渐降低，降幅区间为从 86. 80% 到 81. 01% ; 还原粉化指 数 ＲDI + 3. 15逐渐增大，增幅区间为从 75. 95% 到87. 21% ; 对于软熔性能，其软化开始温度 T10在4. 8% ～ 5. 4% 的 SiO2 含量区间 先升高，在 5. 4% ～ 5. 7% 之间又降低，而软化区间有变宽的趋势． 选定一个碱度水平 Ｒ = 2. 0，烧结矿 SiO2 质量分数在 4. 8% ～ 5. 7% 范围变化时，其微观结构由熔蚀状向针柱状发展，结构均匀性逐渐提高，主要矿物组成由赤铁矿向铁酸钙发展，且低 温还原粉化的骸晶状赤铁矿逐渐消失． 关键词 烧结; 二氧化硅; 冶金性能; 微观结构 分类号 TF046 Effects of SiO2 on the metallurgical properties and microstructure of sinter YAN Zhi-wu1) ，ZHANG Jian-liang1) ，ZHANG Ya-peng1) ，CHEN Zi-luo1) ，WANG Yao-zu1) ，GAO Bin1)  ，ZHANG Yan2) 1) School of Metallurgical and Ecological Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) Qingdao Special Steel Co． ，Ltd． ，Qingdao 266043，China  Corresponding author，E-mail: gaobin3747@ 163． com ABSTＲACT In order to provide a theoretical basis for the production of high iron and low silica sinter，the basicity ( Ｒ) was set to 1. 8，1. 9 and 2. 0，the SiO2 content was variable for each alkalinity，and then 12 groups of ore blending schemes were generated to proceed with sinter pot tests． After that，the influences of SiO2 on the metallurgical properties and microstructure of sinter were re￾searched． The results show that when the SiO2 content increases from 4. 8% to 5. 7% ，the cold intensity gradually increases，and the greatest growing rate is 8% ; the sinter reducibility tends to lower，and the decreasing range is from 86. 80% to 81. 01% ; the reduc￾tion degradation index ( ＲDI + 3. 15 ) gradually increases，and the growing range is from 75. 95% to 87. 21% ． For softening-melting properties，the apparent initial softening temperature ( T10 ) previously increases in the range from 4. 8% to 5. 4% and then decreases in the range from 5. 4% to 5. 7% ，and the softening range has a widening trend． Selected a alkalinity level Ｒ = 2. 0，when the SiO2 content changes in the range of 4. 8% to 5. 7% ，the microstructure of sinter develops from an ablation shape to a needle-like and co￾lumnar shape，the structural uniformity gradually improves，and the main mineral composition changes from hematite to calcium fer￾rite． Skeletal crystalline hematite，which leads to a low temperature reduction degradation phenomenon，gradually disappears． KEY WOＲDS ore sintering; silicon dioxide; metallurgical properties; microstructure 收稿日期: 2015--07--24 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 51174023，U1260202) 烧结矿是国内高炉炼铁的主要原料，其质量将直 接影响到高炉炉况和钢铁产量． 目前我国高炉追求高 铁低硅的烧结矿，一般认为高品质烧结矿其 SiO2 含量 应小于 5% ，这样的烧结矿有利于降低高炉渣量，保证

·914 工程科学学报，第38卷，第7期 稳定顺行0.但是，S0,作为烧结矿中黏结相的成分， 本研究结合国内钢铁厂烧结生产实际，设计不同 其含量过低也会造成烧结矿某些性能的降低回：SiO, 碱度条件下以Si0,含量为变量的配矿方案进行烧结 过低会导致烧结矿中出现骸晶状结构的赤铁矿，而赤 杯实验，烧结矿理论Si02质量分数区间为4.8%~ 铁矿的晶形变化是引起低温还原粉化的主要原因四 5.4%,T℉e质量分数在54%~56%范围内，保持其他 烧结料中矿石原料的组成是决定烧结矿中不同矿 成分基本不变.对烧结矿治金性能及微观结构进行分 物组成的内在因素，烧结矿的矿物组成及其结构，对烧 析，得到SiO,含量对烧结矿强度、治金性能和微观结 结矿的质量有着十分重大的影响.改善烧结料的组 构的影响规律，在保证烧结矿质量的前提下，降低烧结 成，可以抑制不利于质量改善的因素，进而提高烧结矿 成本，保证高炉稳定顺行 质量.近些年，学者们研究不同原料组成对烧结矿 1 实验原料及方案 的影响，为生产中烧结矿质量的提高提供坚实的理论 基础.刘清才等研究表明Mg0含量增加有利于提 本次实验原料均来源于某沿海钢铁企业，其化学 高烧结矿的低温还原粉化性能，但Mg0含量增加将导 成分见表1.实验所用铁矿粉中，含铁品位波动较小， 致烧结矿TFe含量的降低：于文涛等发现A山0，质量 大部分处于62%~65%之间，矿粉D和矿粉F全铁 分数由2.0%增加到3.5%时，转鼓强度下降，致低温 (TFe)为57%左右，在铁矿粉中处于最低，矿粉C的 还原粉化指数RDI,as先下降后增加，还原性呈先增 TFe最高，将近65%，矿粉A、矿粉B和矿粉E的TFe均达 加后下降：何木光等圆研究表明随着T0,质量分数增 到62%以上，矿粉E的TFe更是达到63.39%：矿粉D的 加，烧结矿转鼓强度略有降低，矿物结构的黏结性与结 Si02含量最高，达到5.99%，矿粉C的Si02含量最低，为 晶性变差，软熔区间变宽，软化温度和熔融温度在一定 2.30%,矿粉B的Si02含量为3.50%，其余铁矿粉Si02含 范围内有所波动，成矿性能变差 量均在4%以上.烧结杯实验工艺参数见表2 表1烧结原料化学成分（质量分数） Table 1 Chemical compositions of sintering raw materials % 原料名称 TFe SiOz Ca0 Mgo A203 MnO LOI 水分 矿粉A 62.50 5.00 0.07 0.02 1.89 0.09 0.43 2.85 9.00 矿粉B 62.00 3.50 0.03 0.01 2.16 0.09 0.24 5.70 8.94 矿粉C 64.68 2.30 1.50 0.12 0.65 2.15 7.50 矿粉D 57.73 5.99 0.04 0.01 1.62 0.05 0.03 10.16 8.99 矿粉E 63.39 4.51 0.03 0.01 1.94 0.06 0.03 2.24 6.00 矿粉F 57.15 5.93 0.19 0.07 2.58 0.09 0.23 5.10 9.10 轻烧白云石 1.80 50.70 31.50 14.60 生石灰 0.16 79.90 5.40 7.80 表2烧结杯工艺参数 Table 2 Sinter pot process parameters 烧结杯尺寸/ 铺底料/ 水质量 一混时间/ 二混时间/ 点火温度/ 点火时间/ 点火负压/ 烧结负压/ mm? kg 分数1% min min 3 min kPa kPa b300×700 3 7.5-8.0 3 1050 1.5 8 11 采用不同的配矿方案，设计理论Si02质量分数 值基本一致，每一个含量下又对应着三种碱度(1.8、 (4.8%、5.0%、5.4%和5.7%)为变量，并设定二元碱 1.9和2.0).实验中烧结矿转鼓强度为冷转鼓强度， 度(R)为1.8、1.9和2.0进行纵向比较.详细配矿方 使用标准转鼓进行测定.随着S0,含量的增加及二元 案见表3（烧结返矿为外配）.烧结杯实验所得烧结矿 碱度的纵向变化，SO2含量对烧结矿转鼓强度的影响 的化学成分见表4. 见图1.图中横坐标Si0,含量均选取实测值 2实验结果及分析 从图1中可以看到，在三个碱度水平下，Si02含量 在相应区间内增加时（设计区间为4.8%~5.7%），烧 2.1Si0,含量对烧结矿强度的影响 结矿的转鼓指数均呈现升高的趋势.这是因为碱度不 本次实验中，配矿计算的烧结矿理论SO,质量分 变时随SiO02含量的增加，烧结过程中产生的液相量增 数分别为4.8%、5.0%、5.4%和5.7%，且与实测含量 多，通过足够的液相可将其邻近的铁精粉黏结起来，黏

工程科学学报，第 38 卷，第 7 期 稳定顺行［1］． 但是，SiO2 作为烧结矿中黏结相的成分， 其含量过低也会造成烧结矿某些性能的降低［2］; SiO2 过低会导致烧结矿中出现骸晶状结构的赤铁矿，而赤 铁矿的晶形变化是引起低温还原粉化的主要原因［3］． 烧结料中矿石原料的组成是决定烧结矿中不同矿 物组成的内在因素，烧结矿的矿物组成及其结构，对烧 结矿的质量有着十分重大的影响． 改善烧结料的组 成，可以抑制不利于质量改善的因素，进而提高烧结矿 质量［4--5］． 近些年，学者们研究不同原料组成对烧结矿 的影响，为生产中烧结矿质量的提高提供坚实的理论 基础． 刘清才等［6］研究表明 MgO 含量增加有利于提 高烧结矿的低温还原粉化性能，但 MgO 含量增加将导 致烧结矿 TFe 含量的降低; 于文涛等［7］发现 Al2O3质量 分数由 2. 0% 增加到 3. 5% 时，转鼓强度下降，致低温 还原粉化指数 ＲDI + 3. 15 先下降后增加，还原性呈先增 加后下降; 何木光等［8］研究表明随着 TiO2 质量分数增 加，烧结矿转鼓强度略有降低，矿物结构的黏结性与结 晶性变差，软熔区间变宽，软化温度和熔融温度在一定 范围内有所波动，成矿性能变差． 本研究结合国内钢铁厂烧结生产实际，设计不同 碱度条件下以 SiO2 含量为变量的配矿方案进行烧结 杯实验，烧结矿理论 SiO2 质量分数区 间 为 4. 8% ～ 5. 4% ，TFe 质量分数在 54% ～ 56% 范围内，保持其他 成分基本不变． 对烧结矿冶金性能及微观结构进行分 析，得到 SiO2 含量对烧结矿强度、冶金性能和微观结 构的影响规律，在保证烧结矿质量的前提下，降低烧结 成本，保证高炉稳定顺行． 1 实验原料及方案 本次实验原料均来源于某沿海钢铁企业，其化学 成分见表 1． 实验所用铁矿粉中，含铁品位波动较小， 大部分处于 62% ～ 65% 之间，矿粉 D 和矿粉 F 全铁 ( TFe) 为 57% 左右，在铁矿粉中处于最低，矿粉 C 的 TFe 最高，将近65%，矿粉 A、矿粉 B 和矿粉 E 的 TFe 均达 到62%以上，矿粉 E 的 TFe 更是达到 63. 39%; 矿粉 D 的 SiO2 含量最高，达到 5. 99%，矿粉 C 的 SiO2 含量最低，为 2. 30%，矿粉 B 的 SiO2 含量为3. 50%，其余铁矿粉 SiO2 含 量均在4%以上． 烧结杯实验工艺参数见表2． 表 1 烧结原料化学成分( 质量分数) Table 1 Chemical compositions of sintering raw materials % 原料名称 TFe SiO2 CaO MgO Al2O3 TiO2 MnO LOI 水分 矿粉 A 62. 50 5. 00 0. 07 0. 02 1. 89 0. 09 0. 43 2. 85 9. 00 矿粉 B 62. 00 3. 50 0. 03 0. 01 2. 16 0. 09 0. 24 5. 70 8. 94 矿粉 C 64. 68 2. 30 — — 1. 50 0. 12 0. 65 2. 15 7. 50 矿粉 D 57. 73 5. 99 0. 04 0. 01 1. 62 0. 05 0. 03 10. 16 8. 99 矿粉 E 63. 39 4. 51 0. 03 0. 01 1. 94 0. 06 0. 03 2. 24 6. 00 矿粉 F 57. 15 5. 93 0. 19 0. 07 2. 58 0. 09 0. 23 5. 10 9. 10 轻烧白云石 — 1. 80 50. 70 31. 50 — — — 14. 60 — 生石灰 — 0. 16 79. 90 5. 40 — — — 7. 80 — 表 2 烧结杯工艺参数 Table 2 Sinter pot process parameters 烧结杯尺寸/ mm2 铺底料/ kg 水质量 分数/% 一混时间/ min 二混时间/ min 点火温度/ ℃ 点火时间/ min 点火负压/ kPa 烧结负压/ kPa 300 × 700 3 7. 5 ～ 8. 0 5 3 1050 1. 5 8 11 采用不同的配矿方案，设计理论 SiO2 质量分数 ( 4. 8% 、5. 0% 、5. 4% 和 5. 7% ) 为变量，并设定二元碱 度( Ｒ) 为 1. 8、1. 9 和 2. 0 进行纵向比较． 详细配矿方 案见表 3( 烧结返矿为外配) ． 烧结杯实验所得烧结矿 的化学成分见表 4． 2 实验结果及分析 2. 1 SiO2 含量对烧结矿强度的影响 本次实验中，配矿计算的烧结矿理论 SiO2 质量分 数分别为 4. 8% 、5. 0% 、5. 4% 和 5. 7% ，且与实测含量 值基本一致，每一个含量下又对应着三种碱度( 1. 8、 1. 9 和 2. 0) ． 实验中烧结矿转鼓强度为冷转鼓强度， 使用标准转鼓进行测定． 随着 SiO2 含量的增加及二元 碱度的纵向变化，SiO2 含量对烧结矿转鼓强度的影响 见图 1． 图中横坐标 SiO2 含量均选取实测值． 从图 1 中可以看到，在三个碱度水平下，SiO2 含量 在相应区间内增加时( 设计区间为 4. 8% ～ 5. 7% ) ，烧 结矿的转鼓指数均呈现升高的趋势． 这是因为碱度不 变时随 SiO2 含量的增加，烧结过程中产生的液相量增 多，通过足够的液相可将其邻近的铁精粉黏结起来，黏 · 419 ·

闫志武等：S02对烧结矿治金性能及微观结构的影响 915 表3烧结杯实验配矿方案 Table 3 Ore blending schemes for sinter pot tests 编号 矿粉A矿粉B 矿粉C矿粉D 矿粉E 矿粉F 返矿 轻烧白云石焦粉 生石灰 方案1 13.80 13.80 1380 13.11 14.49 14.87 6.47 4.96 4.73 1.8 方案2 19.28 10.33 11.70 17.21 10.33 14.81 6.40 4.69 5.25 1.8 方案3 20.46 23.87 10.23 13.64 14.70 6.67 4.90 5.52 1.8 方案4 18.30 8.81 20.33 10.17 10.17 14.61 6.43 4.87 6.32 1.8 方案5 13.68 13.68 13.68 13.00 14.37 14.87 6.47 4.96 5.28 1.9 方案6 19.11 10.24 11.60 17.06 10.24 14.81 6.40 4.69 5.85 1.9 方案7 20.28 23.66 1014 13.52 1470 6.6 4.90 6.12 1.9 方案8 18.14 8.73 20.15 10.08 10.08 14.61 6.43 4.87 6.91 1.9 方案9 13.57 13.57 13.57 12.89 14.25 14.87 6.47 4.96 5.86 2.0 方案10 18.94 10.15 11.50 16.91 10.15 14.81 6.4 4.69 6.45 2.0 方案11 20.11 23.46 10.05 13.41 14.70 6.67 4.90 6.70 2.0 方案12 17.98 8.66 19.98 10.00 10.00 14.61 6.43 4.87 7.50 2.0 表4烧结矿化学成分 69 Table4 Chemical composition of sinter R=1.8 ·R=1.9 (设计)二 质量分数/% +-R=2.0 实验方案 元碱度，RTFe Fe0 Mgo Al2O3 Si02 ￥65/ 方案1 1.8 55.706.902.061.794.66 方案2 1.8 56.305.49 2.19 1.95 5.08 61 方案3 1.8 55.205.292.492.315.42 60 方案4 1.8 56.006.202.51 2.445.75 59 58 方案5 1.9 56.106.322.171.98 4.71 方案6 1.9 55.405.04 2.421.82 5.11 576474849505525354556575859 Si0,质量分数/% 方案7 1.9 55.105.16 2.552.205.45 图1实际Si02含量对烧结矿转鼓强度的影响 方案8 1.9 54.705.54 2.432.075.81 Fig.1 Effect of SiO2 content on the tumbler strength of sinter 方案9 2.0 55.005.702.33 1.814.83 方案10 2.0 55.105.492.091.81 5.02 传 ·-R=1.8 方案11 2.0 55.005.042.422.335.51 86 -R-1.9 R=2.0 方案122.054.106.112.521.995.77 84 4- 结相的量增多，使得烧结矿强度升高回.此外，三个碱 80 度条件下烧结矿的转鼓强度变化幅度基本一致，在相 同Si02含量条件下，随着烧结矿碱度提高，转鼓强度 升高，故Si02质量分数在4.8%~5.7%范围内，适当 76 提高烧结矿碱度有利与烧结矿转鼓强度的提高. 74 2.2S02含量对烧结矿低温还原粉化性能的影响 4.64.74.84.95.05.15.25.35.45.55.65.75.85.9 Si0,质量分数% 按照中国国家标准(GB/T13242一1991)检验方 法所使用的装置及工艺参数进行实验，探究SiO2含量 图2S02含量对烧结矿低温还原粉化性能的影响 对烧结矿低温还原粉化性能的影响@.Si0,含量对 Fig.2 Effect of Si0,content on the RDI performance of sinter 烧结矿低温还原粉化性能的影响见图2. 求，可以在碱度为1.8、1.9和2.0时降低烧结矿中 整体来看，在Si02含量范围内，此次实验的12种 Si02含量.在各个碱度水平下，随Si02含量的增加， 烧结矿的低温还原粉化指数满足RDI,5≥72%，均达 烧结矿的低温还原粉化指数RDI,a5逐渐增大，抑制 到一级品，说明含有4.8%Si02的烧结矿满足生产要 了烧结矿的低温还原粉化现象，改善烧结矿低温还原

闫志武等: SiO2 对烧结矿冶金性能及微观结构的影响 表 3 烧结杯实验配矿方案 Table 3 Ore blending schemes for sinter pot tests 编号 矿粉 A 矿粉 B 矿粉 C 矿粉 D 矿粉 E 矿粉 F 返矿 轻烧白云石 焦粉 生石灰 Ｒ 方案 1 13. 80 13. 80 1380 13. 11 14. 49 — 14. 87 6. 47 4. 96 4. 73 1. 8 方案 2 19. 28 10. 33 11. 70 17. 21 10. 33 — 14. 81 6. 40 4. 69 5. 25 1. 8 方案 3 20. 46 23. 87 — 10. 23 — 13. 64 14. 70 6. 67 4. 90 5. 52 1. 8 方案 4 18. 30 8. 81 — 20. 33 10. 17 10. 17 14. 61 6. 43 4. 87 6. 32 1. 8 方案 5 13. 68 13. 68 13. 68 13. 00 14. 37 — 14. 87 6. 47 4. 96 5. 28 1. 9 方案 6 19. 11 10. 24 11. 60 17. 06 10. 24 — 14. 81 6. 40 4. 69 5. 85 1. 9 方案 7 20. 28 23. 66 — 10. 14 — 13. 52 14. 70 6. 67 4. 90 6. 12 1. 9 方案 8 18. 14 8. 73 — 20. 15 10. 08 10. 08 14. 61 6. 43 4. 87 6. 91 1. 9 方案 9 13. 57 13. 57 13. 57 12. 89 14. 25 — 14. 87 6. 47 4. 96 5. 86 2. 0 方案 10 18. 94 10. 15 11. 50 16. 91 10. 15 — 14. 81 6. 4 4. 69 6. 45 2. 0 方案 11 20. 11 23. 46 — 10. 05 — 13. 41 14. 70 6. 67 4. 90 6. 70 2. 0 方案 12 17. 98 8. 66 — 19. 98 10. 00 10. 00 14. 61 6. 43 4. 87 7. 50 2. 0 表 4 烧结矿化学成分 Table 4 Chemical composition of sinter 实验方案 ( 设计) 二 元碱度，Ｒ 质量分数/% TFe FeO MgO Al2O3 SiO2 方案 1 1. 8 55. 70 6. 90 2. 06 1. 79 4. 66 方案 2 1. 8 56. 30 5. 49 2. 19 1. 95 5. 08 方案 3 1. 8 55. 20 5. 29 2. 49 2. 31 5. 42 方案 4 1. 8 56. 00 6. 20 2. 51 2. 44 5. 75 方案 5 1. 9 56. 10 6. 32 2. 17 1. 98 4. 71 方案 6 1. 9 55. 40 5. 04 2. 42 1. 82 5. 11 方案 7 1. 9 55. 10 5. 16 2. 55 2. 20 5. 45 方案 8 1. 9 54. 70 5. 54 2. 43 2. 07 5. 81 方案 9 2. 0 55. 00 5. 70 2. 33 1. 81 4. 83 方案 10 2. 0 55. 10 5. 49 2. 09 1. 81 5. 02 方案 11 2. 0 55. 00 5. 04 2. 42 2. 33 5. 51 方案 12 2. 0 54. 10 6. 11 2. 52 1. 99 5. 77 结相的量增多，使得烧结矿强度升高［9］． 此外，三个碱 度条件下烧结矿的转鼓强度变化幅度基本一致，在相 同 SiO2 含量条件下，随着烧结矿碱度提高，转鼓强度 升高，故 SiO2 质量分数在 4. 8% ～ 5. 7% 范围内，适当 提高烧结矿碱度有利与烧结矿转鼓强度的提高． 2. 2 SiO2 含量对烧结矿低温还原粉化性能的影响 按照中国国家标准( GB / T 13242—1991) 检验方 法所使用的装置及工艺参数进行实验，探究 SiO2 含量 对烧结矿低温还原粉化性能的影响［10］． SiO2 含量对 烧结矿低温还原粉化性能的影响见图 2． 整体来看，在 SiO2 含量范围内，此次实验的 12 种 烧结矿的低温还原粉化指数满足 ＲDI + 3. 15≥72% ，均达 到一级品，说明含有 4. 8% SiO2 的烧结矿满足生产要 图 1 实际 SiO2 含量对烧结矿转鼓强度的影响 Fig． 1 Effect of SiO2 content on the tumbler strength of sinter 图 2 SiO2 含量对烧结矿低温还原粉化性能的影响 Fig． 2 Effect of SiO2 content on the ＲDI performance of sinter 求，可以 在 碱 度 为 1. 8、1. 9 和 2. 0 时 降 低 烧 结 矿 中 SiO2 含量． 在各个碱度水平下，随 SiO2 含量的增加， 烧结矿的低温还原粉化指数 ＲDI + 3. 15 逐渐增大，抑制 了烧结矿的低温还原粉化现象，改善烧结矿低温还原 · 519 ·

·916 工程科学学报，第38卷，第7期 粉化性能.这是由于SiO2含量的增加有利于促进复合 更快.此S02含量范围内，烧结矿的还原度指数均满 铁酸钙的生成，同时有利于促进钙铁橄榄石等硅酸 足RI≥78%，为烧结矿中的一级品，Si02含量为区间 盐液相的生成，使得烧结矿中骸晶状赤铁矿减少.另 内最低(4.8%)时烧结矿的是相对最高的，说明可 外，碱度在1.8~2.0时，烧结矿低温还原粉化指数 以在碱度为1.8、1.9和2.0时降低烧结矿中Si02含 RDI.s随碱度的增加而提高，故提高烧结矿碱度可以 量.另外可看出碱度在1.8~2.0时，烧结矿还原性能 改善烧结矿低温还原粉化性能。 随碱度的增加是提高的. 2.3Si02含量对烧结矿还原性能的影响 2.4Si0,含量对烧结矿软熔性能的影响 还原性是评价烧结矿的一个非常重要的指标.改 目前国内外的软熔性能实验尚未形成统一的标 善烧结矿的还原性能，可提高其在高炉内间接还原的 准，本软化滴落性能实验以北京科技大学制定的铁矿 比例，进而实现节能降耗☒.还原性实验按照中国国 石熔滴性能试验设备和方法进行实验.该方法在 家标准(GB/T13241一1991)检验方法所使用的装置及 荷重条件、温度制度和气氛方面都基本上模拟高炉的 工艺参数进行实验圆.Si0,含量对烧结矿还原性能 条件，装料坩埚分三层，中间为烧结矿，上下铺有两层 的影响见图3 焦炭，最高实验温度可达到1600℃，实验温度和料层 收缩率均由计算机自动记录.烧结矿软熔实验的工艺 -R-1.8 参数如表5所示. -R=19 +R=2.0 表5软熔性能实验工艺参数 Table 5 Technological parameters of softening-melting performance test 序号 项目 实验条件 1 试样 粒度为10~12.5mm,试样高度约为80mm 82 坩埚 石墨坩埚，内径75mm 3 还原气体成分 30%C0+70%N2 8964748495051525354555657585.9 4 实验荷重 1kg'em-2 Si0,质量分数/% 5 还原气体流量 15 L.min-1 图3S02含量对烧结矿还原性能的影响 本次研究中烧结矿的软熔性能用软化开始温度 Fig.3 Effect of SiO,content on the reduction performance of sinter (T。为试样软化收缩10%的温度)与软化温度区间 由图可知，在三个碱度水平下，随Si02含量的增 (△T,=T。-T。,即软化终了温度与软化开始温度的 加，烧结矿的还原性呈现下降的趋势.这是因为SO, 差值)两个指标来衡量.SiO2含量对烧结矿软熔性能 含量的增加使得烧结矿中钙铁橄榄石等难还原硅酸盐 的影响见图4.理论Si0,含量与实际Si0,含量基本一 相增加，烧结矿还原性降低.当碱度R为1.8时，在 致，所以分析中直接使用理论S02含量区间进行 Si02质量分数为4.8%~5.0%范围内，还原度指数下 论述 降幅度更大：而对于碱度1.9和2.0，当Si02质量分数 由图4可知：对于软化开始温度，当Si02含量在 在5.0%~5.7%的范围内时，烧结矿还原度指数下降 4.8%~5.4%内增加时，T。逐渐升高，升高幅度较高： I100 210 -R=1.8 -R=1.8 ◆-R=1.9 -R=19 1080 R=2.0 205 +R=20 200 1060 195 51040 190 1020 185 10064748495055立5354556575859 18q64748495055克5354556575859 Si0,质量分数/% Si0,质量分数/% 图4Si02含量对烧结矿软熔性能的影响 Fig.4 Effect of Si0,content on the softening-melting performance of sinter

工程科学学报，第 38 卷，第 7 期 粉化性能． 这是由于 SiO2 含量的增加有利于促进复合 铁酸钙的生成［11］，同时有利于促进钙铁橄榄石等硅酸 盐液相的生成，使得烧结矿中骸晶状赤铁矿减少． 另 外，碱度在 1. 8 ～ 2. 0 时，烧结矿低温还原 粉 化 指 数 ＲDI + 3. 15随碱度的增加而提高，故提高烧结矿碱度可以 改善烧结矿低温还原粉化性能． 2. 3 SiO2 含量对烧结矿还原性能的影响 还原性是评价烧结矿的一个非常重要的指标． 改 善烧结矿的还原性能，可提高其在高炉内间接还原的 比例，进而实现节能降耗［12］． 还原性实验按照中国国 家标准( GB / T13241—1991) 检验方法所使用的装置及 工艺参数进行实验［13］． SiO2 含量对烧结矿还原性能 的影响见图 3． 图 3 SiO2 含量对烧结矿还原性能的影响 Fig． 3 Effect of SiO2 content on the reduction performance of sinter 图 4 SiO2 含量对烧结矿软熔性能的影响 Fig． 4 Effect of SiO2 content on the softening-melting performance of sinter 由图可知，在三个碱度水平下，随 SiO2 含量的增 加，烧结矿的还原性呈现下降的趋势． 这是因为 SiO2 含量的增加使得烧结矿中钙铁橄榄石等难还原硅酸盐 相增加，烧结矿还原性降低． 当碱度 Ｒ 为 1. 8 时，在 SiO2 质量分数为 4. 8% ～ 5. 0% 范围内，还原度指数下 降幅度更大; 而对于碱度 1. 9 和 2. 0，当 SiO2 质量分数 在 5. 0% ～ 5. 7% 的范围内时，烧结矿还原度指数下降 更快． 此 SiO2 含量范围内，烧结矿的还原度指数均满 足 ＲI≥78% ，为烧结矿中的一级品，SiO2 含量为区间 内最低( 4. 8% ) 时烧结矿的 ＲI 是相对最高的，说明可 以在碱度为 1. 8、1. 9 和 2. 0 时降低烧结矿中 SiO2 含 量． 另外可看出碱度在 1. 8 ～ 2. 0 时，烧结矿还原性能 随碱度的增加是提高的． 2. 4 SiO2 含量对烧结矿软熔性能的影响 目前国内外的软熔性能实验尚未形成统一的标 准，本软化滴落性能实验以北京科技大学制定的铁矿 石熔滴性能试验设备和方法进行实验［14］． 该方法在 荷重条件、温度制度和气氛方面都基本上模拟高炉的 条件，装料坩埚分三层，中间为烧结矿，上下铺有两层 焦炭，最高实验温度可达到 1600 ℃，实验温度和料层 收缩率均由计算机自动记录． 烧结矿软熔实验的工艺 参数如表 5 所示． 表 5 软熔性能实验工艺参数 Table 5 Technological parameters of softening-melting performance test 序号 项目 实验条件 1 试样 粒度为10 ～ 12. 5 mm，试样高度约为80 mm 2 坩埚 石墨坩埚，内径 75 mm 3 还原气体成分 30% CO + 70% N2 4 实验荷重 1 kg·cm － 2 5 还原气体流量 15 L·min － 1 本次研究中烧结矿的软熔性能用软化开始温度 ( T10为试样软化收缩 10% 的温度) 与软化温度区间 ( ΔTA = T40 － T10，即软化终了温度与软化开始温度的 差值) 两个指标来衡量． SiO2 含量对烧结矿软熔性能 的影响见图 4． 理论 SiO2 含量与实际 SiO2 含量基本一 致，所以分析中直接使用理论 SiO2 含 量 区 间 进 行 论述． 由图 4 可知: 对于软化开始温度，当 SiO2 含量在 4. 8% ～ 5. 4% 内增加时，T10逐渐升高，升高幅度较高; · 619 ·

闫志武等：S02对烧结矿治金性能及微观结构的影响 *917· 而当Si02质量分数在5.4%~5.7%范围内增加时， SiO2+Fe0一→CSF,从而导致T。降低，烧结矿Si02在 T。呈现降低趋势，碱度越高，降低趋势越平缓：Si02质 此范围内增加时其还原性的急剧下降也是T。降低的 量分数为5.4%时，To达到最大值，将近1100℃.To 一个原因，即在相同的还原条件下，高硅烧结矿中F,0 越高意味着软熔带的位置越靠高炉下部，铁矿石的间 将更少地被还原为金属铁，使进入渣中的Fe,0相应增 接还原发展更充分的 加，因而使此时的烧结矿具有较低的软熔温度☑ 对上述现象的机理进行分析：首先T。的升高是由 对于软化温度区间△T,在三个碱度水平下，随 于碱度不变时，随烧结矿SiO2含量的增加，Ca0也相 Si02含量的增加，AT整体上逐渐升高，升高趋势较为 应增加，由烧结矿液相CaO-FeO-SiO2体系平衡相图 平缓，最大的变化幅度大约在10℃左右，影响程度较 可知在Si0,含量增加过程中，易形成且先形成正硅酸 弱，软化温度区间的升高对于高炉治炼是不利的，恶化 钙(2Ca0Si02)这一稳定化合物，2Ca0·Si02熔点很高 透气性的同时甚至会对高炉的顺行造成阻碍 (2130℃)，故烧结矿随Si02含量的增加，其软化开始 2.5Si0,含量对烧结矿微观结构的影响 温度升高：其次Si02含量在5.4%~5.7%范围内， 在此项研究中，用扫描电子显微镜探究碱度R= T。出现降低趋势可能是由于烧结矿SiO2含量处于很 2.0时Si0,含量对烧结矿微观结构的影响，以解释 高水平时，由相图可知，会形成熔点相比较低的偏硅酸 SO2对烧结矿强度、还原性以及低温还原粉化性的影 钙(Ca0·Si02)稳定化合物，而且偏硅酸钙易与Fe0反 响规律.SO,含量对烧结矿微观结构的影响见图5和 应形成钙铁橄榄石(CSF,熔点1230℃)，反应为Ca0· 图6. 200μm 200um 200um 200m 1一赤铁矿：2一铁酸钙：3一硅酸盐类渣相：4一孔洞 图5Si02含量对烧结矿微观结构的影响.(a)e(Si02)=4.83%:(b)n(Si02)=5.02%:(c)w(Si02)=5.51%;(d)w(Si02)=5.77% Fig.5 Effect of Si0,content on the microstructure of sinter:(a)i (Si0,)=4.83%:(b)(Si0,)=5.02%:(c)(Si0,)=5.51% (d)地(Si02)=5.77% 由图5(a)可知，Si02含量为4.83%时，显微结构 随Si02含量的增加，结构均匀性逐渐改善，完全变为 较为不均匀，黏结相主要为片状赤铁矿，零星分布着一 熔蚀状与针状均匀交织的结构，针状铁酸钙比例大大 点熔蚀状与条状铁酸钙，针状铁酸钙很少：而到图5 增加，赤铁矿存在的比例下降，区域中看到的赤铁矿很 (b)中Si0,含量为5.02%时，可明显看到铁酸钙与赤 少，而且硅酸盐也开始明显增加.因此总的来看，碱度 铁矿的交织熔蚀结构，结构均匀性有所改善，铁酸钙比 R=2.0,Si0,质量分数在4.83%~5.77%增加时，烧结矿 例增加且针状铁酸钙明显开始发展：在图5（©，d)中， 微观结构的均匀性逐渐改善，主要黏结相由赤铁矿向铁

闫志武等: SiO2 对烧结矿冶金性能及微观结构的影响 而当 SiO2 质量分数在 5. 4% ～ 5. 7% 范围内增加时， T10呈现降低趋势，碱度越高，降低趋势越平缓; SiO2 质 量分数为 5. 4% 时，T10 达到最大值，将近 1100 ℃ ． T10 越高意味着软熔带的位置越靠高炉下部，铁矿石的间 接还原发展更充分［15］． 对上述现象的机理进行分析: 首先 T10的升高是由 于碱度不变时，随烧结矿 SiO2 含量的增加，CaO 也相 应增加，由烧结矿液相 CaO--FeO--SiO2 体系平衡相图 可知在 SiO2 含量增加过程中，易形成且先形成正硅酸 钙( 2CaO·SiO2 ) 这一稳定化合物，2CaO·SiO2熔点很高 ( 2130 ℃ ) ，故烧结矿随 SiO2 含量的增加，其软化开始 温度升高［16］; 其次 SiO2 含量在 5. 4% ～ 5. 7% 范围内， T10出现降低趋势可能是由于烧结矿 SiO2 含量处于很 高水平时，由相图可知，会形成熔点相比较低的偏硅酸 钙( CaO·SiO2 ) 稳定化合物，而且偏硅酸钙易与 FeO 反 应形成钙铁橄榄石( CSF，熔点 1230 ℃ ) ，反应为 CaO· SiO2 + FeO CSF → ，从而导致 T10降低，烧结矿 SiO2 在 此范围内增加时其还原性的急剧下降也是 T10降低的 一个原因，即在相同的还原条件下，高硅烧结矿中 FexO 将更少地被还原为金属铁，使进入渣中的 FexO 相应增 加，因而使此时的烧结矿具有较低的软熔温度［17］． 对于软化温度区间 ΔTA，在三个碱度水平下，随 SiO2 含量的增加，ΔTA整体上逐渐升高，升高趋势较为 平缓，最大的变化幅度大约在 10 ℃ 左右，影响程度较 弱，软化温度区间的升高对于高炉冶炼是不利的，恶化 透气性的同时甚至会对高炉的顺行造成阻碍． 2. 5 SiO2 含量对烧结矿微观结构的影响 在此项研究中，用扫描电子显微镜探究碱度 Ｒ = 2. 0 时 SiO2 含量对烧结矿微观结构的影响，以 解 释 SiO2 对烧结矿强度、还原性以及低温还原粉化性的影 响规律． SiO2 含量对烧结矿微观结构的影响见图 5 和 图 6． 1—赤铁矿; 2—铁酸钙; 3—硅酸盐类渣相; 4—孔洞 图 5 SiO2 含量对烧结矿微观结构的影响． ( a) w( SiO2 ) = 4. 83% ; ( b) w( SiO2 ) = 5. 02% ; ( c) w( SiO2 ) = 5. 51% ; ( d) w( SiO2 ) = 5. 77% Fig． 5 Effect of SiO2 content on the microstructure of sinter: ( a) w( SiO2 ) = 4. 83% ; ( b) w( SiO2 ) = 5. 02% ; ( c) w ( SiO2 ) = 5. 51% ; ( d) w( SiO2 ) = 5. 77% 由图 5( a) 可知，SiO2 含量为 4. 83% 时，显微结构 较为不均匀，黏结相主要为片状赤铁矿，零星分布着一 点熔蚀状与条状铁酸钙，针状铁酸钙很少; 而到图 5 ( b) 中 SiO2 含量为 5. 02% 时，可明显看到铁酸钙与赤 铁矿的交织熔蚀结构，结构均匀性有所改善，铁酸钙比 例增加且针状铁酸钙明显开始发展; 在图 5( c，d) 中， 随 SiO2 含量的增加，结构均匀性逐渐改善，完全变为 熔蚀状与针状均匀交织的结构，针状铁酸钙比例大大 增加，赤铁矿存在的比例下降，区域中看到的赤铁矿很 少，而且硅酸盐也开始明显增加． 因此总的来看，碱度 Ｒ = 2. 0，SiO2 质量分数在 4. 83% ～ 5. 77% 增加时，烧结矿 微观结构的均匀性逐渐改善，主要黏结相由赤铁矿向铁 · 719 ·