含铁炉料间高温交互作用对初渣生成行为的影响

工程科学学报，第38卷，第11期：1546-1552,2016年11月 Chinese Journal of Engineering,Vol.38,No.11:1546-1552,November 2016 D0l:10.13374/j.issn2095-9389.2016.11.006:http://journals.ustb.edu.cn 含铁炉料间高温交互作用对初渣生成行为的影响 吴胜利四，王来信，王玉珏，张加丛 北京科技大学治金与生态工程学院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:wushengli@usth.cdu.cn 摘要为了考察高炉内烧结矿与块矿间的高温交互反应对其初渣生成行为的影响，本文采用试验研究结合理论计算的方 法，研究烧结矿、块矿及其二者混合炉料的初渣生成行为及其初渣特性.结果表明：单种块矿或烧结矿的初渣生成温度区间 宽：烧结刊矿旷与块矿间的高温交互反应能显著改善块矿的初渣生成行为，并降低其初渣黏度：铁矿石间高温交互反应程度的强 弱受其化学成分、还原性能、气孔率等因素的影响. 关键词高炉：炉料：铁矿石：烧结矿：交互作用：初渣：生成行为：流动性 分类号TF534.3 Influence of high temperature interaction between iron ores on the formation behavior of primary slags WU Sheng-i,WANG Lai-xin,WANG Yu-jue,ZHANG Jia-cong School of Metallurgical and Ecological Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:wushengli@ustb.edu.cn ABSTRACT To explore the effect of high temperature interaction between sinter and lump ores on the formation behaviors and char- acteristics of primary slags,experimental and theoretical methods were used to study the primary-slag formation behaviors and charac- teristics of sinter,lump ores and their integrated burdens in a blast furnace.The results show that the primary-slag formation tempera- ture intervals of single iron ores are wide.Due to the high temperature interaction the primary-slag formation behavior markedly improves and the viscosity of primary slags decreases.However,the high temperature interaction is influenced by the chemical compo- sition,reducing properties and porosity of iron ores. KEY WORDS blast furnace;burden:iron ore:sinter;interaction:primary slag;formation behavior:fluidity 通过高炉解剖研究发现，软熔带的形状和厚度对 未有人研究铁矿石间高温交互反应对高炉内初渣生成 高炉操作及其稳定顺行有着重要影响，而高炉渣相的 行为的影响.由于块矿与烧结矿间并不是简单的物理 高温特性会影响铁矿石的软熔行为，进而影响着软熔 混合，在高炉内存在着高温交互反应，因此有必要分别 带的形成-四.诸多研究发现B,高炉渣相的化学成 研究单种炉料和混合炉料的初渣生成行为，进而解析 分对其流动性和黏度有着重要的影响，如二元碱度 铁矿石间高温交互反应机制. (Ca0/Si02)、AL,0,及Mg0含量.此外，有研究者- 本文分别研究单种烧结矿和块矿及二者混合炉料 发现，高碱度烧结矿与块矿、球团矿间存在着高温交互 的初渣生成行为及其初渣的化学成分、流动性指数、黏 反应，其能显著改善块矿及球团矿的软熔性能. 度和液相比例等特性，解析高温交互反应机制及其影 然而，大部分研究仅考察高炉渣相的各种性能，尚 响因素 收稿日期：201601-19 基金项目：国家自然科学基金资助项目(U1260202):中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(FRF-TP1565A1)

工程科学学报，第 38 卷，第 11 期: 1546--1552，2016 年 11 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 38，No． 11: 1546--1552，November 2016 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2016． 11． 006; http: / /journals． ustb． edu． cn 含铁炉料间高温交互作用对初渣生成行为的影响 吴胜利，王来信，王玉珏，张加丛 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083  通信作者，E-mail: wushengli@ ustb． edu． cn 摘 要 为了考察高炉内烧结矿与块矿间的高温交互反应对其初渣生成行为的影响，本文采用试验研究结合理论计算的方 法，研究烧结矿、块矿及其二者混合炉料的初渣生成行为及其初渣特性． 结果表明: 单种块矿或烧结矿的初渣生成温度区间 宽; 烧结矿与块矿间的高温交互反应能显著改善块矿的初渣生成行为，并降低其初渣黏度; 铁矿石间高温交互反应程度的强 弱受其化学成分、还原性能、气孔率等因素的影响． 关键词 高炉; 炉料; 铁矿石; 烧结矿; 交互作用; 初渣; 生成行为; 流动性 分类号 TF534. 3 Influence of high temperature interaction between iron ores on the formation behavior of primary slags WU Sheng-li  ，WANG Lai-xin，WANG Yu-jue，ZHANG Jia-cong School of Metallurgical and Ecological Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China  Corresponding author，E-mail: wushengli@ ustb． edu． cn ABSTＲACT To explore the effect of high temperature interaction between sinter and lump ores on the formation behaviors and char￾acteristics of primary slags，experimental and theoretical methods were used to study the primary-slag formation behaviors and charac￾teristics of sinter，lump ores and their integrated burdens in a blast furnace． The results show that the primary-slag formation tempera￾ture intervals of single iron ores are wide． Due to the high temperature interaction the primary-slag formation behavior markedly improves and the viscosity of primary slags decreases． However，the high temperature interaction is influenced by the chemical compo￾sition，reducing properties and porosity of iron ores． KEY WOＲDS blast furnace; burden; iron ore; sinter; interaction; primary slag; formation behavior; fluidity 收稿日期: 2016--01--19 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( U1260202) ; 中央高校基本科研业务费专项资金资助项目( FＲF-TP-15-065A1) 通过高炉解剖研究发现，软熔带的形状和厚度对 高炉操作及其稳定顺行有着重要影响，而高炉渣相的 高温特性会影响铁矿石的软熔行为，进而影响着软熔 带的形成［1--2］． 诸多研究发现［3--5］，高炉渣相的化学成 分对其流动性和黏度有着重要的影响，如二元碱度 ( CaO/SiO2 ) 、Al2O3 及 MgO 含量． 此外，有研究者［6--9］ 发现，高碱度烧结矿与块矿、球团矿间存在着高温交互 反应，其能显著改善块矿及球团矿的软熔性能． 然而，大部分研究仅考察高炉渣相的各种性能，尚 未有人研究铁矿石间高温交互反应对高炉内初渣生成 行为的影响． 由于块矿与烧结矿间并不是简单的物理 混合，在高炉内存在着高温交互反应，因此有必要分别 研究单种炉料和混合炉料的初渣生成行为，进而解析 铁矿石间高温交互反应机制． 本文分别研究单种烧结矿和块矿及二者混合炉料 的初渣生成行为及其初渣的化学成分、流动性指数、黏 度和液相比例等特性，解析高温交互反应机制及其影 响因素．

吴胜利等：含铁炉料间高温交互作用对初渣生成行为的影响 ·1547· 1试验原料和试验方法 位移传感器 荷重装置 1.1试验原料 出气口 本研究中所使用的铁矿石包括高碱度烧结矿S」、 加热炉 致密块矿L1和疏松块矿L2.同时，设计了两组混合 炉料(H口，H2)以考察高温交互反应对初渣生成行 试样 为的影响，其中混合炉料的设计以维持终渣碱度1.2 热电偶 石墨坩埚 为准则.单种铁矿石及混合炉料的化学成分如表1所 示，混合炉料的组成如表2所示 表1铁矿石试样的化学成分（质量分数） 观测口 0 进气口 Table 1 Chemical composition of iron ore samples 会 溶化物 旋转台 试样TFe Fe0Ca0SiO2A山03Mg0TiO2 S157.438.249.414.981.761.660.10 图1熔滴试验装置原理图 L166.570.690.214.371.010.020.04 Fig.1 Schematic diagram of the softening-melting equipment L257.401.200.385.10 2.61 0.01 0.04 载荷0.IMPa(>500℃C) H159.466.367.124.831.571.250.08 1600 H2 57.426.647.365.011.95 1.290.09 1400N2 5℃min 12005Lmin 表2混合炉料的组成 Table 2 Compositions of integrated burdens 1000 900℃.60min 试样 800 铁矿石所占比例（质量分数）/% 10℃，min- H4 75.12%高碱度烧结矿S1+24.88%致密块矿L1 600 500℃ H2 77.34%高碱度烧结矿S1+22.66%疏松块矿L2 400 还原煤气（体积分数）70%N,+30%C0 200 12 L.min 由单种铁矿石及混合炉料的化学成分可以看出， 50 100150200250 300 块矿L」中铁品位要明显高于其他炉料，块矿L2中 时间/min 铁品位最低，且其AL,0,和SiO2含量最高.混合炉料 图2初渣生成行为升温制度及通气制度 HH中铁品位要高于混合炉料H2,且其AL,0,和Si02 Fig.2 Heating and ventilation systems for primary-slag formation be- 含量低于后者，主要是混合炉料H2所配加的是块矿 havior test L2的缘故.此外，块矿L2的表面能够观察到明显的 裂纹，其结构疏松多孔 收缩率 1.2试验方法 1500 20 初渣生成行为试验采用熔滴试验装置，其设备原 理图如图1所示.石墨坩埚内铁矿石试样高度为 40 (655)mm,试样层上下各20g焦炭，铁矿石试样粒度 60 温度 1000 为10~12.5mm,焦炭粒度为6.3~10mm.石墨坩埚内 80 径为48mm,本研究所采用的升温制度及通气制度如 0.2 kPa 100 图2所示. 压差 100150200250300 500 由图2可以看出：在900℃之前的升温速率为 时间in 10℃·min,900℃之后升温速率为5℃·min-,900℃ 图3初渣生成行为试验的典型结果 时恒温60min;500℃前通入5L·min的N2,500℃之 Fig.3 A typical set of experimental results of primary-slag formation 后改为通入l2L·min的还原气（体积比C0:N2= behavior 3:7),同时加入0.1MPa的载荷：试验结束后，初渣试 样在5L·min的N2中冷却至室温. 为.T为压差达到0.2kP时的温度，定义为初渣开始 图3为初渣生成试验的典型结果（温度收缩率- 生成温度；T.为压差曲线的斜率达到0.l5 kPamin 压差曲线).由于无法直接观察熔滴试验装置内部，因 时的温度，定义为初渣快速生成温度：T为压差达到最 此有必要制定特征参数来评价铁矿石的初渣生成行 大值（△P)时的温度，定义为初渣完全生成温度；温

吴胜利等: 含铁炉料间高温交互作用对初渣生成行为的影响 1 试验原料和试验方法 1. 1 试验原料 本研究中所使用的铁矿石包括高碱度烧结矿S-1、 致密块矿 L-1 和疏松块矿 L-2． 同时，设计了两组混合 炉料( H-1，H-2) 以考察高温交互反应对初渣生成行 为的影响，其中混合炉料的设计以维持终渣碱度 1. 2 为准则． 单种铁矿石及混合炉料的化学成分如表 1 所 示，混合炉料的组成如表 2 所示． 表 1 铁矿石试样的化学成分( 质量分数) Table 1 Chemical composition of iron ore samples % 试样 TFe FeO CaO SiO2 Al2O3 MgO TiO2 S-1 57. 43 8. 24 9. 41 4. 98 1. 76 1. 66 0. 10 L-1 66. 57 0. 69 0. 21 4. 37 1. 01 0. 02 0. 04 L-2 57. 40 1. 20 0. 38 5. 10 2. 61 0. 01 0. 04 H-1 59. 46 6. 36 7. 12 4. 83 1. 57 1. 25 0. 08 H-2 57. 42 6. 64 7. 36 5. 01 1. 95 1. 29 0. 09 表 2 混合炉料的组成 Table 2 Compositions of integrated burdens 试样 铁矿石所占比例( 质量分数) /% H-1 75. 12% 高碱度烧结矿 S-1 + 24. 88% 致密块矿 L-1 H-2 77. 34% 高碱度烧结矿 S-1 + 22. 66% 疏松块矿 L-2 由单种铁矿石及混合炉料的化学成分可以看出， 块矿 L-1 中铁品位要明显高于其他炉料，块矿 L-2 中 铁品位最低，且其 Al2O3 和 SiO2 含量最高． 混合炉料 H-1 中铁品位要高于混合炉料 H-2，且其 Al2O3 和 SiO2 含量低于后者，主要是混合炉料 H-2 所配加的是块矿 L-2 的缘故． 此外，块矿 L-2 的表面能够观察到明显的 裂纹，其结构疏松多孔． 1. 2 试验方法 初渣生成行为试验采用熔滴试验装置，其设备原 理图如 图 1 所 示． 石墨坩埚内铁矿石试样高度为 ( 65 "5) mm，试样层上下各 20 g 焦炭，铁矿石试样粒度 为10 ～ 12. 5 mm，焦炭粒度为6. 3 ～ 10 mm． 石墨坩埚内 径为 48 mm，本研究所采用的升温制度及通气制度如 图 2 所示． 由图 2 可 以 看 出: 在 900 ℃ 之 前 的 升 温 速 率 为 10 ℃·min － 1 ，900 ℃之后升温速率为 5 ℃·min － 1 ，900 ℃ 时恒温 60 min; 500 ℃前通入 5 L·min － 1 的 N2，500 ℃ 之 后改为通入 12 L·min － 1 的还原气( 体积比 CO∶ N2 = 3∶ 7) ，同时加入 0. 1 MPa 的载荷; 试验结束后，初渣试 样在 5 L·min － 1 的 N2 中冷却至室温． 图 3 为初渣生成试验的典型结果( 温度!收缩率! 压差曲线) ． 由于无法直接观察熔滴试验装置内部，因 此有必要制定特征参数来评价铁矿石的初渣生成行 图 1 熔滴试验装置原理图 Fig． 1 Schematic diagram of the softening--melting equipment 图 2 初渣生成行为升温制度及通气制度 Fig． 2 Heating and ventilation systems for primary-slag formation be￾havior test 图 3 初渣生成行为试验的典型结果 Fig． 3 A typical set of experimental results of primary-slag formation behavior 为． Ts为压差达到 0. 2 kPa 时的温度，定义为初渣开始 生成温度; Tm为压差曲线的斜率达到 0. 15 kPa·min － 1 时的温度，定义为初渣快速生成温度; Tp为压差达到最 大值( ΔPmax ) 时的温度，定义为初渣完全生成温度; 温 ·1547·

·1548· 工程科学学报，第38卷，第11期 度区间T。-T,定义为初渣生成温度区间. 块矿间并不是简单的物理混合，它们之间存在着一定 为了确定初渣生成的特征参数并取得最高压差时 的交互反应，能够改善其初渣生成行为，但对于不同种 的初渣试样，每组试验分为两部分：首先，进行全程熔 类块矿其改善程度会有所不同.图6为烧结矿与块矿 滴试验，即从室温开始升温直至滴落并冷却至室温，从 间的高温交互反应性指数(INT)的对比. 而获取T。、最高压差等特征参数：随后，根据上述特征 1600 值，在试样达到最高压差时停止试验并冷却至室温，取 1500 得初渣试样. 为对比块与烧结矿间高温交互反应的强弱，定 140 义高温交互反应性指数NI: INT=4+业-凸×10%. 1300 (1) 1+2 1200 式中4为混合炉料的初渣生成温度区间，℃；4为烧 结矿的初渣生成温度区间，℃；山2为块矿的初渣生成 I100L S-1 L-1 L-2 H-1 H-2 温度区间，℃；a为混合炉料中烧结矿的质量分数：b为 试样 混合炉料中块矿的质量分数 图5初渣的生成温度区间 初渣的流动性指数用投影面积法0-Ⅲ进行测量， Fig.5 Formation temperature intervals of primary slags 其示意图如图4所示，以初渣熔化流动后垂直投影面 由图6可以看出，块矿L2与烧结矿间的高温交 积的增长率表征其流动性，流动性指数I可根据 互反应性指数要高于块矿L一与烧结矿间的高温交互 式(2)进行计算.测量流动性指数时所用的初渣试样 反应性指数.这也解释了为什么块矿L2的初渣生成 均依据荧光分析所得的初渣化学成分，使用化学纯试 特性最为恶劣，但混合炉料H2的初渣生成特性并不 剂进行配制所得. 比混合炉料H口差. FI=(Ah-Aa）/Ar (2) 30 式中：FI为初渣的流动性指数；A为初渣试样熔化后 的垂直投影面积，mm2;A为初渣试样熔化前的垂直 投影面积，mm2 20 试样小饼，8mmx5mm 合金垫片，◆25mm 10 H-1 H-2 混合炉料 试验前 试验后 图6块矿与烧结矿间的高温交互反应性指数 Fig.6 INI indexes between sinter and lump ores 图4初渣流动性试验示意图 Fig.4 Schematic diagram of primary-slag fluidity test 将获得的初渣试样研磨至200目以下，进行化学 成分分析，所得结果如表3所示.可以看出，块矿初渣 2试验结果 的F0含量、Al,03含量及SiO2含量均高于烧结矿和 图5为不同铁矿石的初渣生成温度区间.对于单 混合炉料，而其碱度则几乎为零.初渣化学成分的不 种铁矿石而言，块矿的初渣开始及完全生成温度均低 同会影响其高温特性，如流动性指数及黏度 于烧结矿，且块矿L2的初渣生成温度区间更宽，而块 图7为采用垂直投影面积法所测得的初渣试样在 矿L1与烧结矿S」的初渣生成温度区间宽度相近： 1450℃时的流动性指数.由图7可以看出：烧结矿初 对于混合炉料而言，混合炉料H2的初渣开始及完全 渣的流动性指数空缺，这是由于烧结矿初渣试样在冷 生成温度均高于混合炉料H口，但混合炉料H口的初 却过程中因2Ca0·SO,的晶型转变而粉化，故其初渣 渣生成温度区间要比混合炉料H2窄.混合炉料的初 的流动性指数无法准确测量：尽管块L2初渣的 渣开始生成温度要高于块矿，但低于烧结矿，且初渣生 AL,0,含量要比块矿LA初渣高得多，但由于其SiO, 成温度区间窄于所有单种炉料，表明高炉内烧结矿与 含量较后者低，致使其初渣的流动性指数要高于块矿

工程科学学报，第 38 卷，第 11 期 度区间 Tp － Ts定义为初渣生成温度区间． 为了确定初渣生成的特征参数并取得最高压差时 的初渣试样，每组试验分为两部分: 首先，进行全程熔 滴试验，即从室温开始升温直至滴落并冷却至室温，从 而获取 Tp、最高压差等特征参数; 随后，根据上述特征 值，在试样达到最高压差时停止试验并冷却至室温，取 得初渣试样． 为对比块矿与烧结矿间高温交互反应的强弱，定 义高温交互反应性指数 INI: INI = aμ1 + bμ2 － μ0 aμ1 + bμ2 × 100% ． ( 1) 式中: μ0为混合炉料的初渣生成温度区间，℃ ; μ1 为烧 结矿的初渣生成温度区间，℃ ; μ2 为块矿的初渣生成 温度区间，℃ ; a 为混合炉料中烧结矿的质量分数; b 为 混合炉料中块矿的质量分数． 初渣的流动性指数用投影面积法［10--11］进行测量， 其示意图如图 4 所示，以初渣熔化流动后垂直投影面 积的增 长 率 表 征 其 流 动 性，流 动 性 指 数 FI 可 根 据 式( 2) 进行计算． 测量流动性指数时所用的初渣试样 均依据荧光分析所得的初渣化学成分，使用化学纯试 剂进行配制所得． FI = ( Aaft － Abef ) /Abef ． ( 2) 式中: FI 为初渣的流动性指数; Aaft为初渣试样熔化后 的垂直投影面积，mm2 ; Abef 为初渣试样熔化前的垂直 投影面积，mm2 ． 图 4 初渣流动性试验示意图 Fig． 4 Schematic diagram of primary-slag fluidity test 2 试验结果 图 5 为不同铁矿石的初渣生成温度区间． 对于单 种铁矿石而言，块矿的初渣开始及完全生成温度均低 于烧结矿，且块矿 L-2 的初渣生成温度区间更宽，而块 矿 L-1 与烧结矿 S-1 的初渣生成温度区间宽度相近; 对于混合炉料而言，混合炉料 H-2 的初渣开始及完全 生成温度均高于混合炉料 H-1，但混合炉料 H-1 的初 渣生成温度区间要比混合炉料 H-2 窄． 混合炉料的初 渣开始生成温度要高于块矿，但低于烧结矿，且初渣生 成温度区间窄于所有单种炉料，表明高炉内烧结矿与 块矿间并不是简单的物理混合，它们之间存在着一定 的交互反应，能够改善其初渣生成行为，但对于不同种 类块矿其改善程度会有所不同． 图 6 为烧结矿与块矿 间的高温交互反应性指数( INI) 的对比． 图 5 初渣的生成温度区间 Fig． 5 Formation temperature intervals of primary slags 由图 6 可以看出，块矿 L-2 与烧结矿间的高温交 互反应性指数要高于块矿 L-1 与烧结矿间的高温交互 反应性指数． 这也解释了为什么块矿 L-2 的初渣生成 特性最为恶劣，但混合炉料 H-2 的初渣生成特性并不 比混合炉料 H-1 差． 图 6 块矿与烧结矿间的高温交互反应性指数 Fig． 6 INI indexes between sinter and lump ores 将获得的初渣试样研磨至 200 目以下，进行化学 成分分析，所得结果如表 3 所示． 可以看出，块矿初渣 的 FeO 含量、Al2O3 含量及 SiO2 含量均高于烧结矿和 混合炉料，而其碱度则几乎为零． 初渣化学成分的不 同会影响其高温特性，如流动性指数及黏度． 图 7 为采用垂直投影面积法所测得的初渣试样在 1450 ℃时的流动性指数． 由图 7 可以看出: 烧结矿初 渣的流动性指数空缺，这是由于烧结矿初渣试样在冷 却过程中因 2CaO·SiO2的晶型转变而粉化，故其初渣 的流动性指数无法准确测 量; 尽 管 块 矿 L-2 初 渣 的 Al2O3 含量要比块矿 L-1 初渣高得多，但由于其 SiO2 含量较后者低，致使其初渣的流动性指数要高于块矿 ·1548·

吴胜利等：含铁炉料间高温交互作用对初渣生成行为的影响 ·1549· 表3铁矿石初渣的化学成分（质量分数） LA:对于混合炉料而言，混合炉料H2的初渣流动性 Table 3 Primarylag chemical composition of iron ore samples 指数要高于混合炉料H口，且均大于单种块矿初渣的 % 流动性指数. 试样 FeO a Si0, AL203 Mgo 表4给出FactSage6.2计算所得的1450℃下铁矿 S4 7.6049.7426.51 9.316.84 1.88 石初渣的液相质量分数、液相成分及液相黏度.可以 L116.33 2.6563.7216.760.540.04 看出，烧结矿、混合炉料H1及混合炉料H2在1450 L2 18.61 1.92 54.7123.59 1.17 0.04 ℃下初渣的液相质量分数分别为83.05%、83.05%和 H- 3.27 50.6828.6910.87 6.491.77 87.60%,固相成分主要为2Ca0·Si0,,混合炉料H1 H2 1.06 49.6330.0112.25 7.05 1.65 的初渣中还含有部分3Ca0·Mg0·2Si02.此外，烧结矿 注：R,为Ca0与Si02质量比 和混合炉料初渣的液相黏度均小于0.22P·s,而块矿 初渣的液相质量分数达到100%，但其液相黏度却比 2.0 烧结矿和混合炉料初渣液相高得多.以上结果表明， 混合炉料初渣的高温性能要优于单种块矿 1.5 为研究烧结矿与块矿间的高温交互反应机制，对 烧结矿S、块矿L2及混合炉料H2的初渣试样进行 X射线衍射和扫描电镜分析，结果分别如图8和图9 所示. 02 图8所示为三种含铁炉料初渣的矿物组成.块矿 L2初渣的主要矿物包括莫来石(3AL,0·2Si0,)、铁橄 榄石(2Fe0·Si0,)和Si0,烧结矿S1初渣的矿物主要 L-1 L-2 H-1 H-2 包括镁硅钙石(3Ca0·Mg0·2Si02)、硅酸二钙(2Ca0· 试样 Si02)和钙铝黄长石(2Ca0·AL,03·Si02),而混合炉料 图7铁矿石初渣试样1450℃下的流动性指数 H2初渣试样的主要矿物为钙铝黄长石(2Ca0·Al,03· Fig.7 Primary-slag fluidity index of iron ores at 1450C 表4初渣试样1450℃时的液相组成及液相黏度 Table 4 Liquid composition and viscosity of primary slags at 1450C 液相质量 液相成分的质量分数/% 液相黏度/ 试样 固相 分数/% Fe0 Ca0 Si02 A203 Mgo (Pa.s) S4 83.05 8.88 47.56 25.31 11.21 7.04 2Ca0SiOz 0.136 L4 100.00 16.33 2.65 63.72 16.76 0.54 51.520 L2 100.00 18.61 1.92 54.71 23.59 1.17 11.120 H4 83.05 3.94 47.73 27.43 13.09 7.81 2Ca0Si02,Ca MgSi2Os 0.176 H2 87.60 1.21 47.44 29.32 13.98 8.05 2Ca0.SiOz 0.210 Si02)、镁黄长石(2Ca0·Mg0·2Si02)以及少量的 3 讨论 2Ca0Si0,和莫来石(3Al,03·2Si02).这与前人的 研究结果类似，其发现高炉渣在不同冷却条件下的 3.1单种铁矿石的初渣生成行为 主要矿物成分均为镁硅钙石、钙铝黄长石和镁黄长 对于块矿来说，随着还原过程的进行，Fe0,逐渐 石2g 被还原，且初渣逐渐生成：块矿中Ca0和Mg0的含量 图9所示为块矿L2、烧结矿S」及混合炉料H2 很低，初渣的化学成分主要为Fe0、SiO2和Al,0,· 初渣的微观形貌.混合炉料初渣的微观结构与单种烧 同时，根据图10中的A山，0，-SiO2-Fe0三元系相 结矿S1和块矿L2明显不同，块矿L2初渣的矿物主 图的及X射线衍射分析谱可知，初渣中初始相为铁橄 要是铁橄榄石、莫来石及石英，烧结矿S初渣则由于 榄石2Fe0·SiO2:随着块矿的进一步还原，Fe0含量逐 在冷却过程中2Ca0·Si0,发生晶型转变而粉化，而混 渐降低，渣中开始产生新相，如莫来石3A山，0，·2Si02 合炉料H2初渣中的矿物则为钙铝黄长石和镁黄长石 和Si02. 交织在一起. 对于烧结矿来说，初渣中的初始相应该也含有铁

吴胜利等: 含铁炉料间高温交互作用对初渣生成行为的影响 表 3 铁矿石初渣的化学成分( 质量分数) Table 3 Primary-slag chemical composition of iron ore samples % 试样 FeO CaO SiO2 Al2O3 MgO Ｒ2 S-1 7. 60 49. 74 26. 51 9. 31 6. 84 1. 88 L-1 16. 33 2. 65 63. 72 16. 76 0. 54 0. 04 L-2 18. 61 1. 92 54. 71 23. 59 1. 17 0. 04 H-1 3. 27 50. 68 28. 69 10. 87 6. 49 1. 77 H-2 1. 06 49. 63 30. 01 12. 25 7. 05 1. 65 注: Ｒ2为 CaO 与 SiO2 质量比． 图 7 铁矿石初渣试样 1450 ℃下的流动性指数 Fig． 7 Primary-slag fluidity index of iron ores at 1450 ℃ L-1; 对于混合炉料而言，混合炉料 H-2 的初渣流动性 指数要高于混合炉料 H-1，且均大于单种块矿初渣的 流动性指数． 表 4 给出 FactSage 6. 2 计算所得的 1450 ℃下铁矿 石初渣的液相质量分数、液相成分及液相黏度． 可以 看出，烧结矿、混合炉料 H-1 及混合炉料 H-2 在 1450 ℃下初渣的液相质量分数分别为 83. 05% 、83. 05% 和 87. 60% ，固相成分主要为 2CaO·SiO2，混合炉料 H-1 的初渣中还含有部分 3CaO·MgO·2SiO2 ． 此外，烧结矿 和混合炉料初渣的液相黏度均小于 0. 22 Pa·s，而块矿 初渣的液相质量分数达到 100% ，但其液相黏度却比 烧结矿和混合炉料初渣液相高得多． 以上结果表明， 混合炉料初渣的高温性能要优于单种块矿． 为研究烧结矿与块矿间的高温交互反应机制，对 烧结矿 S-1、块矿 L-2 及混合炉料 H-2 的初渣试样进行 X 射线衍射和扫描电镜分析，结果分别如图 8 和图 9 所示． 图 8 所示为三种含铁炉料初渣的矿物组成． 块矿 L-2 初渣的主要矿物包括莫来石( 3Al2O3 ·2SiO2 ) 、铁橄 榄石( 2FeO·SiO2 ) 和 SiO2，烧结矿 S-1 初渣的矿物主要 包括镁硅钙石( 3CaO·MgO·2SiO2 ) 、硅酸二钙( 2CaO· SiO2 ) 和钙铝黄长石( 2CaO·Al2O3 ·SiO2 ) ，而混合炉料 H-2 初渣试样的主要矿物为钙铝黄长石( 2CaO·Al2O3 · 表4 初渣试样 1450 ℃时的液相组成及液相黏度 Table 4 Liquid composition and viscosity of primary slags at 1450 ℃ 试样 液相质量 分数/% 液相成分的质量分数/% FeO CaO SiO2 Al2O3 MgO 固相 液相黏度/ ( Pa·s) S-1 83. 05 8. 88 47. 56 25. 31 11. 21 7. 04 2CaO·SiO2 0. 136 L-1 100. 00 16. 33 2. 65 63. 72 16. 76 0. 54 — 51. 520 L-2 100. 00 18. 61 1. 92 54. 71 23. 59 1. 17 — 11. 120 H-1 83. 05 3. 94 47. 73 27. 43 13. 09 7. 81 2CaO·SiO2，Ca3MgSi2O8 0. 176 H-2 87. 60 1. 21 47. 44 29. 32 13. 98 8. 05 2CaO·SiO2 0. 210 SiO2 ) 、镁黄 长 石 ( 2CaO·MgO·2SiO2 ) 以 及 少 量 的 2CaO·SiO2和莫 来 石( 3Al2O3 ·2SiO2 ) ． 这 与 前 人 的 研究结果类似，其发现高炉渣在不同冷却条件下的 主要矿物成分均为镁硅钙石、钙铝黄长石和镁黄长 石［12--14］． 图 9 所示为块矿 L-2、烧结矿 S-1 及混合炉料 H-2 初渣的微观形貌． 混合炉料初渣的微观结构与单种烧 结矿 S-1 和块矿 L-2 明显不同，块矿 L-2 初渣的矿物主 要是铁橄榄石、莫来石及石英，烧结矿 S-1 初渣则由于 在冷却过程中 2CaO·SiO2发生晶型转变而粉化，而混 合炉料 H-2 初渣中的矿物则为钙铝黄长石和镁黄长石 交织在一起． 3 讨论 3. 1 单种铁矿石的初渣生成行为 对于块矿来说，随着还原过程的进行，Fe2O3 逐渐 被还原，且初渣逐渐生成; 块矿中 CaO 和 MgO 的含量 很低，初渣的化学成分主要为 FeO、SiO2 和 Al2O3 ． 同时，根据图 10 中的 Al2O3--SiO2--FeO 三元系相 图［15］及 X 射线衍射分析谱可知，初渣中初始相为铁橄 榄石 2FeO·SiO2 ; 随着块矿的进一步还原，FeO 含量逐 渐降低，渣中开始产生新相，如莫来石 3Al2O3 ·2SiO2 和 SiO2 ． 对 于烧结矿来说，初渣中的初始相应该也含有铁 ·1549·

·1550 工程科学学报，第38卷，第11期 1一Si0, 5-3Ca0.Mg0.2Si0, 橄榄石，但由于烧结矿中Si02含量较低，所以铁橄榄 2-Fe,SiO 6-2Ca0·Al,0,·Si0 石的量很有限.此外，根据图11中Ca0-Fe0-Si02相 (a) 3-Ca,Si0, 7-2Ca0.Mg0·2Si0 4-3A1,0-2Si0 图.可知其中存在着其他相，如硅灰石B-(Ca,Fe)O· 2 1,4 SiO,和橄榄石2(Fe,Ca)0·SiO2:随着渣中Fe0含量的 降低，又会有新的相产生，如2Ca0·Si02、镁硅钙石以 (b) 6 及钙铝黄长石.由此可知，对于单种铁矿石而言，其化 学成分的差异是其初渣生成行为不同的根本原因. 3.2高温交互反应机制 (c) 6.7 67 块矿与烧结矿混合时彼此间会发生高温交互反 A人 应，从而改变混合炉料的初渣生成行为.高温交互反 20 40 60 20) 应的原因可归纳如下：高碱度烧结矿产生的液相主要 是高熔点的镁黄长石、钙铝黄长石及硅酸二钙，当 图8含铁炉料初渣的X射线衍射谱.()块矿L2:(b)烧结矿 S;(c)混合炉料H2 烧结矿与块矿混合后，由于混合炉料的Ca0、SiO2、 Fig.8 X-tay diffraction patterns of iron-bearing burdens:(a)lump AL,03、Mg0等分布很不均匀，存在较大的浓度差，推动 ore L2:(b)sinter S:(c)integrated burden H2 着这些氧化物的相互扩散.如烧结矿中Ca0会在高温 图9块矿L2()、烧结矿S」(b)及混合炉料H2(c)所得初渣的微观结构.注：(a)黑色及灰色相分别为莫来石和夹杂着石英的铁橄榄 石：(b)烧结矿的初渣以粉末状形态存在：(c)G为钙铝黄长石，A为镁黄长石 Fig.9 Primary slag microstructures of L2 (a),S4 (b)and integrated burden H2 (c) 下与块矿中A山，0，和SiO2反应，生成低熔点的黄长石 3.3高温交互反应的影响因素 类矿物，从而改善混合炉料的初渣生成行为. 试验研究表明，高碱度烧结矿在高温下会与块矿 结合本文与前人的研究成果”可知，块矿与烧 发生交互反应，但其高温交互反应性指数对不同种类 结矿间的高温交互反应分为两步：前者是由A山，0，和 块矿来说会有所不同，其影响因素包括铁矿石的化学 SiO2所引起的交互反应，后者是由Ca0和Mg0所引起 成分、还原性能及气孔率等. 的交互反应 (1)化学成分.铁矿石的化学成分是影响其高温 首先，在1150℃之前主要发生的是块矿中A山，03 交互反应的主要因素，这些氧化物的浓度梯度推动着 和Si0,扩散至烧结矿和块矿的交界面，这一扩散 高温交互反应的进行.一般而言，块矿、烧结矿中 作用将会降低块矿中2FeO·Si0,含量以及提高烧结矿 A,O,、SiO,、Mg0及CaO的浓度差越大，高温交互反应 中的橄榄石2(Fe,Ca)0·SiO,或硅灰石B-(Ca,Fe)O· 的推动力越大，即高温交互反应越强烈.但是，过量的 S02含量，使得混合炉料的初始渣相为铁橄榄石、硅灰 Ca0和Si02会生成2Ca0·Si02,过量的Al,03和Si02 石和橄榄石.其次，随着温度升高，烧结矿中C0和 会引起初渣黏度的升高，从而使得初渣的高温性能 Mg0的扩散作用越来越明显，主要发生在1150~1300 变差. ℃的温度区间内s9,降低烧结矿中2Ca0·Si0,含量而 (2)还原性能.对于高温交互反应而言，含铁炉 产生镁硅钙石(3Ca0·Mg0·2Si02）、镁黄长石(2Ca0· 料还原性越好，其Fe0被还原成金属铁的速率越快， Mg02Si02)和钙铝黄长石(2Ca0·AL,0,Si02)等其他 与SiO2结合的Fe0含量就越少，游离状态的Si02含量 矿物. 也就越高，其扩散越容易，从而提升了烧结矿与块矿间

工程科学学报，第 38 卷，第 11 期 图 8 含铁炉料初渣的 X 射线衍射谱． ( a) 块矿 L-2; ( b) 烧结矿 S-1; ( c) 混合炉料 H-2 Fig． 8 X-ray diffraction patterns of iron-bearing burdens: ( a) lump ore L-2; ( b) sinter S-1; ( c) integrated burden H-2 橄榄石，但由于烧结矿中 SiO2 含量较低，所以铁橄榄 石的量很有限． 此外，根据图 11 中 CaO--FeO--SiO2 相 图［8，15］可知其中存在着其他相，如硅灰石 β--( Ca，Fe) O· SiO2和橄榄石 2( Fe，Ca) O·SiO2 ; 随着渣中 FeO 含量的 降低，又会有新的相产生，如 2CaO·SiO2、镁硅钙石以 及钙铝黄长石． 由此可知，对于单种铁矿石而言，其化 学成分的差异是其初渣生成行为不同的根本原因． 3. 2 高温交互反应机制 块矿与烧结矿混合时彼此间会发生高温交互反 应，从而改变混合炉料的初渣生成行为． 高温交互反 应的原因可归纳如下: 高碱度烧结矿产生的液相主要 是高熔点的镁黄长石、钙铝黄长石及硅酸二钙［16］，当 烧结矿 与 块 矿 混 合 后，由 于 混 合 炉 料 的 CaO、SiO2、 Al2O3、MgO 等分布很不均匀，存在较大的浓度差，推动 着这些氧化物的相互扩散． 如烧结矿中 CaO 会在高温 图 9 块矿 L-2( a) 、烧结矿 S-1( b) 及混合炉料 H-2( c) 所得初渣的微观结构． 注: ( a) 黑色及灰色相分别为莫来石和夹杂着石英的铁橄榄 石; ( b) 烧结矿的初渣以粉末状形态存在; ( c) G 为钙铝黄长石，A 为镁黄长石 Fig． 9 Primary slag microstructures of L-2 ( a) ，S-1 ( b) and integrated burden H-2 ( c) 下与块矿中 Al2O3 和 SiO2 反应，生成低熔点的黄长石 类矿物，从而改善混合炉料的初渣生成行为． 结合本文与前人的研究成果［7--9］ 可知，块矿与烧 结矿间的高温交互反应分为两步: 前者是由 Al2O3 和 SiO2 所引起的交互反应，后者是由 CaO 和 MgO 所引起 的交互反应． 首先，在 1150 ℃ 之前主要发生的是块矿中 Al2O3 和 SiO2 扩散至烧结矿和块矿的交界面［8--9］，这一扩散 作用将会降低块矿中 2FeO·SiO2含量以及提高烧结矿 中的橄榄石 2( Fe，Ca) O·SiO2或硅灰石 β-( Ca，Fe) O· SiO2含量，使得混合炉料的初始渣相为铁橄榄石、硅灰 石和橄榄石． 其次，随着温度升高，烧结矿中 CaO 和 MgO 的扩散作用越来越明显，主要发生在 1150 ～ 1300 ℃的温度区间内［8--9］，降低烧结矿中 2CaO·SiO2含量而 产生镁硅钙石( 3CaO·MgO·2SiO2 ) 、镁黄长石( 2CaO· MgO·2SiO2 ) 和钙铝黄长石( 2CaO·Al2O3 ·SiO2 ) 等其他 矿物． 3. 3 高温交互反应的影响因素 试验研究表明，高碱度烧结矿在高温下会与块矿 发生交互反应，但其高温交互反应性指数对不同种类 块矿来说会有所不同，其影响因素包括铁矿石的化学 成分、还原性能及气孔率等． ( 1) 化学成分． 铁矿石的化学成分是影响其高温 交互反应的主要因素，这些氧化物的浓度梯度推动着 高温交 互 反 应 的 进 行． 一 般 而 言，块 矿、烧 结 矿 中 Al2O3、SiO2、MgO 及 CaO 的浓度差越大，高温交互反应 的推动力越大，即高温交互反应越强烈． 但是，过量的 CaO 和 SiO2 会生成 2CaO·SiO2，过量的 Al2O3 和 SiO2 会引起初渣黏度的升高，从而使得初渣的高温性能 变差． ( 2) 还原性能． 对于高温交互反应而言，含铁炉 料还原性越好，其 FeO 被还原成金属铁的速率越快， 与 SiO2 结合的 FeO 含量就越少，游离状态的 SiO2 含量 也就越高，其扩散越容易，从而提升了烧结矿与块矿间 ·1550·