李信平1 林安川2，3 胡玉清1
（1.武钢集团昆明钢铁股份有限公司炼铁厂；2.重庆大学材料科学与工程学院；3.昆明工业职业技术学院）
摘 要：在维持一定用矿经济性前提下，为提升烧结矿品位及降低高炉燃料比，昆钢在现阶段原料条件下通过增加进口矿、省内贫杂矿比例及降低白云石用量对烧结配矿结构进行优化，并通过X射线衍射及扫描电镜检测分析优化后的烧结矿矿相结构组成、组织形貌及强度指标的变化特征。同时，结合对高炉渣流动性、排碱能力的相关影响因素进行了研究。结果表明，在昆钢烧结工艺条件下，优化配矿结构获得了强度及还原均好的典型针状复合铁酸钙形貌，并得出，昆钢烧结矿合适的MgO含量不宜大于2.0%。高炉渣中MgO的最低下限为7.8%，合理的MgO/Al2O3最低下限为0.65倍。通过优化，实际上是提升了烧结矿品位及其质量，优化用料结构的烧结矿质量能够满足高炉高水平生产需要，在昆钢2500m3高炉的应用实践表明，在入炉品位提升0.6个百分点条件下，高炉渣的流动性和稳定性得到改善，高炉燃料比从530kg/t降低至517kg/t，达到了预期目标。
关键词：高炉 粒度组成 矿相分析 复合铁酸钙 MgO/Al2O3
昆钢炼铁厂现有两座2500m3高炉，长久以来，昆钢炼铁生产的特点是入炉品位低（＜56.5%）、渣量大（＞410kg/t），有害元素负荷高（锌负荷＞0.6kg/t），渣中（TiO2）含量在4%左右[1-2]。为改善渣铁流动性和保持高炉稳定顺行，较长时间内昆钢高炉渣中MgO/Al2O3保持0.7及以上，高炉在55.0～56.5%综合入炉品位条件下综合燃料比＞530kg/t。为解决上述问题，改善高炉稳定程度及技术经济指标，主要从优化配矿结构、改善炉渣流动性出发，对昆钢高炉进行优化后的配矿结构进行了较为系统的矿相研究及影响炉渣流动性的统计分析，以达到改善顺行程度、改善指标进而降低生铁制备成本的目的。
根据矿石含铁品位高低、基础特性指标进行分级，将昆钢含铁矿石分成优质矿种、调整矿种和贫杂矿种三类。其中（1）优质矿种，有害元素成分低，采购单价最高，用来稀释有害元素和改善烧结性能，以满足高炉高水平生产需要，主要包括：进口矿（巴西粉、南非粉等），自治精；（2）调整矿种，价格次之，主要包括：自产大红山管道精、振兴精等；（3）贫杂矿种，有害元素含量高，采购单价最低，用来平抑铁水成本，主要包括：56粉、58粉、60精等（按照含铁品位进行划分及命名）。从提高入炉品位并兼顾经济性角度出发，昆钢2500m3高炉进口矿使用比例逐渐由40%以下提高到50%左右，相应同向增加低品位贫杂矿种的使用比例，同时，为了降低高炉渣MgO/Al2O3比例，不断降低烧结工序白云石的配加比例，在综合用矿成本价格变化不大的情况下，烧结矿品位得以提高，综合入炉品位稳定zai55.6～56.5%。
优化用矿过程中，为系统考察烧结炉料结构优化后的烧结矿成矿矿相及其冶金性能变化，通过采用X射线衍射、扫描电镜检测手段等对优化配比后的烧结矿进行检测分析，表明，昆钢原料条件下生产的烧结矿具有典型的针状复合铁酸钙形貌，理化及高温冶金性能实际上得到了改善。此外，由于白云石粉的消耗量不断降低，MgO含量减低，高炉炉渣中MgO/Al2O3逐步控制到0.67左右。在昆钢2500m3高炉的生产应用表明，在品位提升0.50～1.0个百分点的情况下，燃料比降低约15kg/t，达到515kg/t，同时，改善了渣铁流动性，提升了铁水物理热，一级品率增至92%以上，高炉强化冶炼顺行程度显著改善。
1.昆钢炼铁生产用料矿相研究
为了保证2500m3高炉的生产所需， 300m2烧结机长期保持2.4倍以上的碱度生产。根据炼铁生产原燃料资源特点，在造渣制度的选择上主要考虑炉渣应具有良好的流动性和脱硫能力并利于有害元素顺利排除，同时考虑在获得良好的渣相的情况下尽量少地配用白云石，以便提高烧结矿的质量和品位。优化过程中不同配矿结构条件下烧结矿质量指标见表1所示，在此基础上开展烧结矿矿相研究。
1.1 X射线衍射检测情况及分析
首先将烧结矿进行分粒级检测，然后将各粒级的烧结矿进行研磨制成粉状，并用X’Pert MPD X射线衍射仪进行物相分析，表明昆钢300m2烧结机所产烧结矿中物相主要有四氧化三铁、复合铁酸钙、三氧化二铁、硅酸钙、氧化亚铁等组成，具体如下：
（1）小于10mm的部分未分开。在成品烧结矿取样后，进行粒级分析检测，其中小于10mm的部分作为一个品种进行物相检测，得到不同配比条件下的300m2烧结机烧结矿X射线衍射半定量分析结果（表2）。
研究表明，烧结矿强度具有加和性，即其强度由各矿物强度与该矿物所占分额的乘积的总和表示出来。磁铁矿、赤铁矿、铁酸一钙、铁橄榄石有较高的强度，其次为钙铁橄榄石及铁酸二钙，玻璃体的强度最低[3]。表2反映出：昆钢300m2烧结机生产的烧结矿主要物相依次为：四氧化三铁（Fe3O4）约40～55%；次相复合铁酸钙（SFCA）约20～30%，两种物相占比达70～80%。并且，四氧化三铁和复合铁酸钙并未随烧结矿粒级变化而变化，表明各个粒级的矿物相组成没有本质的差别，烧结矿粒级分布是破碎过程中随机作用的结果。其它三氧化二铁（Fe2O3）物相含量约10%；硅酸钙的含量约10～15%，其中包含有硅酸二钙和硅酸三钙；氧化亚铁（FeO）含量在2～5%。在昆钢300m2烧结机主要配矿结构中，综合来看，以4#、5#试样配比得到的烧结矿矿相组成为最佳。
（2）小于10mm的部分进一步分级。为进一步探究粒度对烧结矿矿相的影响规律，将烧结矿的粒级组成进一步细分，主要是对小于10mm的部分分成5～10mm及小于5mm两个级别进行检测。见表3所示。
从表中可发现：烧结矿矿相没有随粒级变化而发生明显的改变，其中6#样品物相结构和前面分析的样品有明显差别，主要体现在四氧化三铁（Fe3O4）含量减少，复合铁酸钙（SFCA）和三氧化二铁（Fe2O3）的含量明显增多，同时硅酸钙的含量也有所减少。3#试样与6#试样的配矿结构分析，主要差异在于调整矿种从37.07%降低到33.68%，贫杂矿种从9.63%增加到11.76%，同时白云石粉配比从4.08%提高到5.5%。
（3）分析。①烧结矿中的四氧化三铁（Fe3O4）是在烧结过程处于还原气氛中发生高温反应而生成，其中有镁、锰、铝、钙、钛等元素的类质同象置换现象。理论上四氧化三铁（Fe3O4）含有30%FeO和70%Fe2O3[3]，如Fe3O4有40～55%的含量，则烧结矿中氧化亚铁（FeO）的含量将在15%以上，但因Fe3O4的多种元素类质同象置换现象主要是二价铁的置换，所以在四氧化三铁（Fe3O4）中二价铁含量将大大低于理论含量。昆钢烧结矿分析结果与之吻合；②复合铁酸钙（SFCA）分子式可以写为：SiO2(Fe2O3)4(CaO)3(Al2O3)，复合铁酸钙的含量中可能包含有部分铁酸钙含量，如（Ca Fe4O7）、（Ca2 Fe2O5）、（Ca Fe2O7）等三类铁酸钙物相，但这几种铁酸钙物相的衍射峰不太清晰。昆钢烧结矿中，可能有CaAlFe5O9这种类型的铁酸钙存在，硅酸钙主要是硅酸三钙（Ca3（SiO4）O），还有可能有硅酸二钙或其它硅酸盐物质；③总体看昆钢300m2烧结机烧结矿中的四氧化三铁和复合铁酸钙总和基本保持稳定70～80%之间，烧结矿矿相与烧结矿中MgO含量变化没有直接关系。
1.2.扫描电镜检测结果及分析
铁矿粉烧结属于液相烧结，烧结过程的高温还原、分解和液相生成决定了烧结矿所具有的物相组成和显微组织形貌。主要的物相四氧化三铁（Fe3O4）是高温还原、分解的产物，它们在部分烧结料熔化产生液相后，随着液相的流动，铁矿颗粒就发生滑动、旋转和重新排列，使铁矿颗粒在局部区域快速致密，液相同时渗入颗粒间隙，熔蚀颗粒，改变颗粒形状，并使大颗粒的棱角、凸起和微细颗粒熔解在液相中。在此过程中，铁矿颗粒在高温下一边烧结致密化而产生再结晶而固结，一边因致密收缩而产生烧结孔洞的粗化，并最终在冷却后得到所需要的烧结矿[4]。对经过磨制抛光的品位、强度、冶金性能均好的4#配比烧制的烧结矿试样在扫描电子显微镜下观察分析而得到烧结矿物相的典型形貌特征。
（1）Fe3O4形貌特征。在烧结矿显微照片中（图1），成结晶状形貌的主要是Fe3O4晶体，Fe3O4晶体靠再结晶晶界和复合铁酸钙共晶产物紧密固结，其中呈现的白点为硅酸钙形貌，推测硅酸钙可能是碳燃烧后留下的灰份与氧化钙反应的产物，从检测结果看，这些白色点状物并未对烧结矿的固结发生负面作用。
（2）昆钢烧结矿复合铁酸钙（SFCA）的形貌特征。铁矿及铁矿中的硅铝酸盐矿物与氧化钙在高温下生成复合铁酸钙液体，复合铁酸钙液相的产生量是影响烧结矿质量的关键[5]。该烧结矿样复合铁酸钙（SFCA）的形貌特征，为典型的点棒状、层片状共晶组织，如图2所示。这种组织形貌多出现在烧结矿的孔洞周围，如图3所示，在此处硅酸钙的量也比较多，可认为复合铁酸钙，（SFCA）形成于烧结物料中氧化钙偏聚的微小区域，在这个区域有较多的氧化钙含量，产生足够多可流动的液相，从而得到了机械强度、冶金性能均好的烧结矿。
（3）昆钢烧结矿复合铁酸钙（SFCA）形态的讨论。复合铁酸钙（SFCA）形态多以针状形态生长[3]，但昆钢300m2烧结机生产的烧结矿复合铁酸钙形态是典型的棒状、针状（层片状）共晶组织，分析为扫描电镜制样截面的不同，就得到不同的观察形态的复合铁酸钙形貌，图4是缩孔中拍摄的生长形态的复合铁酸钙形貌，它的形貌是呈针状形态的。为进一步进行确认，在粒度≤10mm的烧结矿中则发现类似的针状复合铁酸钙（图5）。
从晶体学结晶原理推测，复合铁酸钙的形态与烧结过程中液相的冷却结晶环境有关，昆钢300m2烧结机生产的烧结矿复合铁酸钙的形态是在冷却结晶进行完全的情况下完成，而冷却结晶不完全（冷却速度较快等）的情况下，则形成针状复合铁酸钙形貌。
（4）昆钢烧结矿硅酸钙和三氧化二铁（Fe2O3）的讨论。硅酸钙在电镜照片中的形貌为白色点状，推测为硅酸钙为碳燃烧后留下的灰份与氧化钙反应的产物，依据是硅酸钙存在于四氧化三铁和复合铁酸钙的间隙中，对其进行能谱微区成份分析得出，硅酸钙几乎只含有硅、钙、氧三种元素，与铁矿石无关联。硅酸钙熔化温度较高，在正常烧结温度下不会形成液相；烧结过程中因为高温和一氧化碳气体的存在，必然发生氧化铁的还原，同时在高温下Fe2O3还会在1300℃～1350℃的温度发生如3Fe2O3→2Fe3O4+ 1/2O2的分解反应[6]，因此烧结矿中铁矿的主要物相应为Fe3O4，Fe2O3只是因为各种原因没有参与还原和分解反映的很少一部份，加上表面可能会有少量再次氧化的矿物，这与矿相分析结果基本吻合。
2 优化用矿及降低MgO含量对炉渣性能的影响分析
2.1 MgO含量对烧结矿矿物组成及微观结构的影响简析
随着MgO含量的增多，粘结相中形成新矿物：钙镁橄榄石（CaO.MgO.SiO2）、镁黄长石（2CaO·MgO·2SiO2）、镁蔷薇辉石（3CaO·MgO·2SiO2）、镁橄榄石（2MgO·SiO2）等，烧结矿矿物组成变得复杂。Mg2+主要进入磁铁矿晶格中取代Fe2+并充填于磁铁矿晶格中八面体空位，形成结构式为Fe2+（Fe2+、Mg2+、Fe3+）O4的含镁磁铁矿。并且随着氧化镁含量的增加，烧结矿中的磁铁矿含量明显增加，硅酸盐液相渣增多，而赤铁矿和铁酸钙含量减少，同时孔洞也变得规则，圆孔增多。因此在生产高碱度烧结矿时，应适当降低烧结矿中MgO含量[7-8]。如上述，经过配比优化及降低白云石配比的4#、5#配比矿相结构及扫描电镜显微结构分析。结果表明当MgO含量降至1.6%左右时，赤铁矿被交织熔蚀结构更均匀、更紧密地固结，这种结构有助于烧结矿的组织结构均匀化和铁酸钙的发育长大，而由于赤铁矿核料的存在，烧结反应液相的空隙较多，可以形成以铁酸钙和细微孔包围致密赤铁矿的晶格结构，这种结构能改善烧结矿的强度。而随着MgO含量提高到2.8%时，磁铁矿、玻璃相明显增多，赤铁矿、铁酸钙有所减少，磁铁矿与铁酸钙的交织熔蚀结构形成过多，甚至成为矿物结构的主体[9]。因此在低硅烧结过程中，昆钢烧结矿中的MgO适宜含量应低于2.0%。
2.2开展昆钢2500m3高炉炉渣性能研究
利用自制的一种测量炉渣自由流动长度的装置[10]，对前述6个配比生产的烧结矿在高炉应用期间的346组数据进行分组对应统计及炉渣自由流动距离检测，数据包含了昆钢2500m3高炉3个铁口在不同炉况下的炉渣流动性。同时，对应各个配比高炉应用期间炉渣成份及特征指标进行了检测（表4）。结果及简析如下。
通过对346组指标数据进行趋势对比分析，发现昆钢2500m3高炉的炉渣自由流动距离（现场表征炉渣流动性指标）在炉渣碱度及w([Si])接近的条件下，与烧结矿强度及理化性能、MgO/Al2O3、TiO2之间的关联性较强，同时因烧结矿质量改善受风及炉况稳定性、铁水温度有较明显提升。整体上，随着铁水温度升高，炉渣的自由流动距离长，当铁水温度低于1440℃时，炉渣自由流动的距离低于250mm；昆钢2500m3高炉较理想的炉渣自由流动的距离为270～300mm，对应的铁水温度为1450℃～1480℃，对应的烧结矿配比为1#～5#，烧结矿强度为80.0～81.0%，MgO/Al2O3为0.65～0.70，TiO2为2.97～3.30%。表4还表明，昆钢2500m3高炉炉渣的熔化性温度范围在1240～1270℃，远远低于高炉正常的炉缸工作温度，说明熔化性温度不会是昆钢2500m3高炉渣相优化的薄弱环节；炉渣1350℃平均黏度为0.341～0.545Pa.S，远远低于炉渣可以自由流动的黏度值2～2.5 Pa.S，也就是说正常生产情况下昆钢2500m3高炉炉渣的流动性是没有问题的，优化的结果也呈现逐步改善态势。
为进一步确认用料结构优化前后（1#～5#配比）炉渣其他成分对炉渣流动性的影响，生产中回归了MgO、Al2O3、MnO等成分对昆钢2500m3高炉渣流动性的定性影响规律。
（1）在＜12%的范围内，适当增加渣中Al2O3含量，有利于炉渣熔化性温度的降低，这是由于生成了铝方柱石和镁黄长石等低熔点物相的缘故[5]。由于配矿结构的原因，昆钢2500m3高炉渣中Al2O3含量常年低于12.5%，在一定范围内其对炉渣流动性无不利影响，或者说Al2O3含量并不是昆钢2500m3高炉渣相结构优化的限制性因素。Al2O3含量与熔化性温度的关系见图 6 所示，Al2O3含量与1350℃平均黏度的定性关系见图 7所示。
（2）炉渣MnO含量对熔化性温度和黏度的影响均非常明显，渣中MnO含量超过0.5%就可以取得明显成效，在条件允许的情况下尽量使用含锰矿石以提高[Mn]、（MnO）含量,对降低炉渣熔化性温度和降低炉渣粘度有明显的促进作用。MnO含量与熔化性温度的关系见图8所示，MnO含量与1350℃平均黏度的关系见图9所示。
（3）炉渣排碱变化情况。高炉冶炼过程中带入炉内的有害元素，除了少部分随煤气溢出外，绝大部分随炉渣排除。随着炉渣中镁铝比降低，有害元素K2O、Na2O的排除率基本保持平稳；Pb、Zn的排除率随镁铝比的降低反而升高，这与这两种元素的排出途径与K2O、Na2O不同有关。
3 运用效果
（1）烧结工序。白云石造堆配比从6.43%不断降低到5%左右，烧结矿中含MgO含量从2.7%降低到2.2%，烧结机台时利用系数从1.05 t/m2·h提高到1.15t/m2·h以上，烧结矿一级品率提高到69.38%，烧结矿质量指标、MgO/Al2O3与烧结机台时利用系数变化见表5。
（2）随着烧结矿中MgO/Al2O3的降低，高炉渣中MgO/Al2O3也从0.72倍降低到0.67倍，炉况稳定性较好，昆钢2500m3高炉各项指标近年来均有不同程度改善和提升（表6）。
4 结语
（1）昆钢300m2烧结机烧结矿的主要物相为四氧化三铁（Fe3O4），含量约40～55%；次相复合铁酸钙（SFCA）含量约20～30%，两种物相占烧结矿70～80%，四氧化三铁和复合铁酸钙在各个粒级的烧结矿物相组成没有本质的差别。
（2）矿相结构及扫描电镜显微结构分析表明，昆钢300m2烧结机优化配结构及降低白云石结合生产的烧结矿复合铁酸钙的形态是在冷却结晶进行完全的情况下完成，而冷却结晶不完全（冷却速度较快等）的情况下，则形成针状复合铁酸钙形貌。
（3）在进口矿配比增至50%、贫杂矿同向增至时12%的优化过程中，烧结矿的矿相没有明显变化，烧结矿的矿相与MgO含量高低没有直接关系，在生产高碱度低硅烧结矿时，应适当降低烧结矿中MgO含量，确保烧结矿中的MgO含量低于2%，不仅烧结矿品位有所提升，也改善了烧结矿强度指标，在昆钢2500m3高炉应用后渣中w（MgO）为7.8～8.5%，MgO/Al2O3降至0.65～0.70较为合理，在正常控制铁水温度在1450～1480℃之间时，高炉渣现场自由流动距离能保持在270～300mm，体现了良好的流动性和稳定性。
（4）生产实践表明，优化后烧结配矿结构及降低白云石配比后，烧结矿一级品率逐步提升，昆钢2500m3高炉在综合入炉品位提升不大的情况下，显著降低了高炉燃料比。说明现阶段的配矿结构优化方向是正确的。
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