摘  要  FeO是烧结矿的主要成分，对烧结强度与冶金性能有重要影响。国内外都推行低FeO烧结，如何寻求既要提高烧结矿还原性又不降低强度是研究FeO的关键。攀钢烧结矿碱度（R）达到2.5左右，进行了FeO对烧结矿性能影响与FeO的影响因素实验。实验结果表明，强度、利用系数、成品率随FeO的上升而提高，FeO达一定值后指标亦达最大值，具有典型的二次曲线特性；随FeO的上升，还原性变差，低温还原粉化率改善。w（FeO）控制在7.24％～8.44％可兼顾产质量、能耗、冶金性能等各种指标在最佳范围。在燃料配比不变的前提下，碱度、料层、水分、SiO₂、Al₂O₃、返矿用量任何一个因素量的上升均会导致FeO的下降，进而影响生产技术指标，因此须适当提高配炭量。

关键词  FeO  影响因素  烧结矿性能  烧结实验  建模  矿相分析  还原性  低温还原粉化率

1  前言

FeO（FeO）是烧结矿的主要成分，是烧结温度与气氛的综合性反映指标。烧结与冶炼实践表明，不同的FeO对烧结与冶炼的技术经济指标有重要影响。国内对不同的FeO值对烧结矿性能的影响进行了很多探索性研究，基本结论是FeO对烧结矿性能有双重影响，过高或过低的FeO值均不利于烧结矿产质量及冶金性能，不同类型的烧结矿应有不同的适宜FeO值，但其发展方向是创造条件推行高氧位低FeO烧结。影响烧结矿FeO的因素众多，适宜的FeO值主要决取于配炭、料层、碱度、原料条件、烧结矿成分、混合料制粒、烧结机操作制度等参数条件。

随着攀钢高炉炉料结构的变化，烧结矿碱度已提高到2.5左右的超高碱度水平，矿物组成和矿相结构发生了很大变化，粘结相主要以强度高还原性好的铁酸钙为主，但形成铁酸钙的条件是低温和高氧位，温度条件是1 200～1 280 ℃。FeO越高则烧结温度越高，还原性气氛越强，铁酸钙生成量就越少，反之亦然。近年烧结生产条件与工艺制度发生很大的变化，在超高碱度条件下对烧结矿适宜FeO值及主要影响因素进行了实验研究，旨在寻求FeO最佳控制范围，提高烧结矿产质量，降低能耗，改善冶金性能。

2  实验的方法与内容

实验用原燃料全部取自生产现场。各种原燃料的化学成分、粒度组成、配矿结构与实际生产一致。配矿结构为“精矿＋澳矿＋国内高粉＋中粉”，生石灰配比7％，返矿外配30％，调整燃料配比以达到要求的FeO。同时，微调石灰石配比，保持碱度不变。烧结矿规格为w（TFe）＝（48.5.0±0.5）％、R＝2.50±0.05。

2.1  实验方法

烧结实验在Φ300×800 mm烧结杯中进行，点火负压为600×9.8 Pa，烧结负压1 200×9.8 Pa，点火时间2 min，混合料水分（7.20±0.20）％，在圆筒混合机内制粒4 min。固定料层650 mm，铺底料厚度30 mm。

2.2  主要实验内容

2.2.1  不同FeO对烧结指标影响的烧结实验

通过调整混合料配炭量来改变烧结矿FeO，考察FeO变化对烧结各项指标影响规律。实验混合料配炭（固定碳）分别为2.2、2.4、2.6、2.8、3.0、3.2、3.4、3.6、3.8％，预计烧结矿中w（FeO）相应为4.5、5.5、6.5、7.5、8.5、9.5、11.5、12.5、13.5％，实际FeO以化验为准。

2.2.2  影响烧结矿FeO质量分数因素烧结实验

在固定焦粉配比4.8％的条件下，进行烧结矿FeO的影响因素实验，主要考察碱度、料层、混合料水分、烧结矿中SiO2和Al2O3、返矿用量等因素对烧结矿FeO及主要指标的影响。对考察的因素分别实验，水平数为3水平：二元碱度（R）为2.0、2.5、2.8；料层高度为650、700、750 mm；混合料水分为6.7、7.0、7.3；w（SiO₂）为 4.8、5.0、5.2％；w（Al₂O₃）为3.0、3.5、4.0％；返矿配比为20、25、35％。Al₂O₃要求量用化学纯配制。

2.3  检测项目

检测每组烧结矿成品率、转鼓强度、抗磨指数和粒度组成和化学成分（TFe、FeO、CaO、SiO₂、S等）。分析鉴定烧结矿矿物组成和结构，测定低温还原粉化性能与中温还原性能等冶金性能。

3  实验结果与分析

3.1  不同FeO对烧结矿性能影响结果

图1  FeO与强度、成品率、固体燃耗的关系           图2  FeO与烧结速度、利用系数的关系

表1  不同FeO烧结实验结果

由表1、图1和图2可知，在一定高碱度（2.45）与料层等条件下，随FeO的上升，强度、成品率、利用系数等均表现出先上升到一定程度后开始下降；在FeO的实验范围内，垂直烧结速度随FeO上升而下降；固体燃耗呈现直线上升趋势。其主要原因是，通过增加配炭（燃料）的方法调整FeO，配炭增加后，烧结温度上升，烧结热量充足，出现还原性气氛，导致FeO上升而表现出烧结指标改善，但随配炭的继续上升，还原性气氛增强，FeO继续上升，燃烧带变宽，热量过剩产生过熔，烧结阻力增加，垂直烧结速度下降，且钙钛矿量增加，烧结矿结构也由FeO低时的疏松、细孔厚壁结构变化到FeO高的致密坚硬、大孔薄壁结构。w（FeO）低于6％，强度、成品率、利用系数均较低。在w（FeO）为8.44％时各种指标均较好，FeO继续上升利用系数开始下降。本实验中w（FeO）达到9.37％时各种指标开始变差。FeO最高情况下并不出现强度最高，FeO转鼓最高出现在7.0％～9.37％范围。

3.1.1  模型

现实生产中最关心的直接技术经济指标是强度、利用系数、固体燃耗等，将实验结果回归建模如下：①强度。ISO＝65.1205＋2.3436FeO－0.1108FeO²，r＝0.9797，r²＝0.9597，F＝71.47＞F_0.01＝10.92＞F_0.05＝5.14；②利用系数。q＝0.76079＋0.1323FeO－0.007625FeO²，r＝0.9252，r²＝0.8560，F＝17.83＞F_0.01＝10.92＞F_0.05＝5.14；③固体燃耗。W_m＝41.4622＋3.4032FeO，r＝0.9936，r²＝0.9872，F＝540.86＞F_0.01＝12.25＞F_0.05＝5.59；④成品率CPL＝31.0732＋7.4783FeO－0.3418FeO²，r＝0.9902，r²＝0.9806，F＝151.25＞F_0.01＝10.92＞F_0.05＝5.14；⑤垂直烧结速度。v＝23.4890＋0.3179FeO－0.0678FeO²，r＝0.9766，r²＝0.9537，F＝61.73＞F_0.01＝10.92＞F_0.05＝5.14。

FeO与强度、利用系数、固体燃耗、成品率、烧结速度实际值和模型值的关系见图3～7。

图3  FeO含量与强度实际值和模型值关系       图4  FeO含量与利用系数实际值和模型值关系

图5  FeO含量与固体燃耗实际值和模型值关系      图6  FeO含量与成品率实际值和模型值的关系

图7  FeO含量与烧结速度实际值和模型值关系         图8  不同FeO的RI与RDI实验结果

3.1.2  FeO的影响规律

由上面模型可知，相关系数达到0.92以上，方差分析表明F＞F_0.01＞F_0.05，实际值与模型值拟合特别显著，实验点均满意分布逼近在曲线上。二次曲线具有极值特性，说明FeO对指标的影响具有极大值规律。通过求导分析可知指标达到极大值时的FeO值：①强度。当w（FeO）＝10.58％时ISO转鼓强度达到最高值77.51％，而实验中w（FeO）＝9.37％时ISO即达到最高值77.86％，继续提高则FeO强度开始下降。②利用系数。当w（FeO）＝9.13％时曲线达到最高值1.350 4 t/（m²·h），而实验中w（FeO）＝8.44％时利用系数最大值为1.361 t/（m²·h），实验最大值大于模型最大值，因此w（FeO）控制在小于8.44％为最佳。③固体燃耗。这是一条近似直线，说明固体燃耗与FeO成近似直线上升趋势，根据直线方程，w（FeO）每上升1％，固体燃耗上升3.40 kg/t。说明FeO控制过高，固体燃耗大幅度上升，且对产质量没有好处。④成品率。当w（FeO）＝10.94％时曲线达到最高值71.98％，而实验中w（FeO）＝9.37％时成品率达到最大值71.23％，实验最大值小于模型最大值，说明继续提高FeO，成品率还将有一定上升，但幅度不大，因此必要性不大。⑤垂直烧结速度。垂直烧结速度随FeO的上升而下降，当w（FeO）＝2.34％时曲线达到最高值23.86 mm/min，而实验中w（FeO）＝4.34％时垂直烧结速度的最大值为23.32 mm/min，低于模型的最大值。虽降低FeO能提垂直烧结速度，但是实验或生产中根本不允许将w（FeO）控制在2.34％，一是烧结热量供给不足，二是成品率极低。

3.2  FeO与还原性和低温还原粉化性

3.2.1  FeO与还原度

由表2与图8可知，随FeO的上升，还原度几乎呈直线下降，w（FeO）为4.34％时RI＝86.75％，w（FeO）为13.35％时RI＝70.98％。其主要原因是，烧结矿的FeO是由其中的Fe²⁺换算而成的，而Fe²⁺存在于多种矿物之中，如磁铁矿（Fe₃O₄）、橄榄石（2FeO·SiO₂）、钙铁橄榄（CaO·FeO·SiO₂）等，随FeO上升，磁铁矿、橄榄石、钙铁橄榄石等质量分数增加，赤铁矿与铁酸钙含量减少，而矿物的还原递减顺序是赤软矿→铁酸钙→磁铁矿→钙铁橄榄石→硅酸铁，因此还原性随FeO的上升而下降，同时由于FeO上升，烧结矿的结构变得致密，气孔率减少，同样影响还原性。降低FeO就会减少还原性较差的硅酸铁、钙铁橄榄石等生成量，增加赤铁矿、铁酸钙等还原性好的矿物，所以降低FeO能改善其还原性。也可以说，烧结矿还原性与FeO一般皆为负相关关系。

表2  不同FeO烧结矿还原性与低温还原粉化性实验结果

3.2.2  FeO与低温还原粉化率

由表2与图8可知，随FeO的上升，低温还原粉化率（＜3.15 mm％）几乎呈直线下降，w（FeO）为4.34％时RDI＝84.91％，w（FeO）为13.35％时RDI＝55.13％，w（FeO）超过10％后RDI变化不明显。说明FeO越高则还原粉化性能改善，FeO越低则还原粉化性加重。其主要原因是，Fe₂O₃体积膨胀产生内应力，使烧结矿粉化，还原过程中α-Fe₂O₃转变成γ-Fe₂O₃，体积膨胀7.8％，在骸晶状赤铁矿晶粒周围形成一层多裂纹、强度差的碎裂带致使粉化率增加。而钒钛烧结矿中钛赤铁矿的质量分数随FeO的上升而减少，FeO升高后还原粉化率改善。

低温还原粉化率与多种化学成分有关，如氧化镁、Al₂O₃、二氧化钛、SiO₂及碱度等都有影响，在本实验中这些成分相对固定，可不考虑其影响。

3.3  综合评价结果

由于每组实验的技术指标有多个，则须进行综合评价，不能以某一个指标最好就结论为该组的FeO最好。现采用国内外普遍使用的综合指数法，综合指数越高则效果越好。对于一个系统的多个指标，有的指标越高越好，称为高优指标，如本实验的ISO转鼓、利用系数等；有的指标越低越好，称为低优指标，如本实验固体燃耗、低温还原粉化率等。高优指标的个体指数p，用实测值X与标准值M 的商计算，即p＝X/M；低优指标的个体指数p，用标准值M与实测值X的商计算，即p＝M/X。标准值就是实验的最优值。综合指数（I）有几种计算方法：个体指数相加；个体指数相乘；个体指数乘以权值后再相加，权值由专家经验决定。

对于本实验，现考察的指标有ISO转鼓指数、利用系数、固体燃耗、还原度、低温还原粉化率等5个，分别用3种方法计算综合指数，第3种方法权重分配为0.30:0.20:0.15:0.20:0.15。评价结果（见表3）。

表3  不同FeO对应的指标综合评价结果

由表3可知，3种计算方法结果均显示出w（FeO）为7.24％与8.44％的综合效果最好，两者的综合指数最高且非常接近，说明w（FeO）控制在7.24％～8.44％可兼顾各种指标在最佳范围，这与目前现场生产中w（FeO）控制在7.0％～8.0％十分接近，但实际生产中FeO控制比实验值约低，可适当提高。实验中FeO继续升高，综合评价指数下降，因此w（FeO）上限控制在8.44％后不能再提高了，这是很明确的。第3种方法对于不同的研究者选择的权重不一样可能会得出不同的综合指数，但不影响FeO优劣排序的结论。经评价计算（反复数学实验），不管权值如何取法，在同样的规则条件下，均不影响FeO优劣的排列顺序，只是综合评价指数改变而已，FeO综合指数最高的仍是7.24％与8.44％。

3.4  FeO影响因素实验结果及分析

烧结矿中FeO的来源，一是强原料中带入，二是在烧结过程中Fe³⁺被还原为Fe²⁺ 。烧结矿中FeO是增加还是减少，主要取决于烧结过程中的温度水平和热量水平、燃烧比、CO/CO＋CO₂，即烧结过程的气氛。所以烧结矿中FeO与原料性质、燃料比、碱度、料层厚度、料层透气性等因素有关^[1～2]。本实验主要考察碱度、料层、混合料水分、烧结矿、SiO₂、Al₂O₃、返矿用量等因素对烧结矿FeO的影响，结果（见表4）。

表4  FeO影响因素实验结果

3.4.1  碱度对烧结矿FeO的影响

随碱度的上升，烧结矿FeO降低。碱度为2.0时w（FeO）＝8.12％，碱度上升到2.8时w（FeO）下降到6.75％。虽成品率下降，但垂直烧结速度加快，故利用系数上升，而固体燃耗也是上升的。其主要原因是，在同样的燃料配比下，随碱度的上升，石灰石用量增大，碳酸盐分解热增加，消耗了部分燃料，FeO也随之降低，但因碱度上升铁酸盐含量增加而使烧结矿强度提高；另外，随石灰石增加混合料粒度组成变好，垂直烧结速度加快，结晶时间缩短，成品率下降。由于烧结时间缩短，单位时间单位面积产量增加，则利用系数提高。

3.4.2  料层对烧结矿FeO的影响

随料层的上升，FeO增加。料层为650 mm时w（FeO）＝7.24％，料层为750 mm时w（FeO）＝8.45％，引起了垂直烧结速度减慢，转鼓强度上升，利用系数提高，固体燃耗下降。其主要原因是，料层上升，料层自动蓄热作用加强，即上部烧结矿的热量通过空气预热传递给下部料层，积蓄起来供下部烧结使用，料层越厚其蓄热作用就越强。因此，厚料层烧结下部料层的温度更高，在燃料配比不变的条件下，FeO也同时升高。由于厚料层烧结这种自动蓄热作用加强，烧结速度减慢，高温保持时间延长，结晶充分，因此要求降低FeO提高氧位，同样能保证烧结矿强度，操作上须减少配炭量。

3.4.3  水分对烧结矿FeO的影响

混合料水分为6.7％时w（FeO）＝7.95％，水分为7.3％时w（FeO）降低到6.60％。由于水分上升，制粒效果与透气性改善，烧结速度加快，利用系数提高，而强度与成品率均下降，固体燃耗上升。因此提高水分后，为使FeO保持在一定水平，须增加配炭量。

3.4.4  SiO₂对烧结矿FeO的影响

FeO随SiO₂的上升而下降。w（SiO₂）为4.8％时w（FeO）＝7.89％，w（SiO₂）上升到5.2％时w（FeO）降到6.82％，由于SiO₂能增加液相量，但因FeO偏低而增加的硅酸液相有限，故强度与成品率，利用系数、固体燃耗变化均不大。因此，SiO₂提高后须增加配炭量使FeO不致降低太多。

3.4.5  Al₂O₃对烧结矿FeO的影响

FeO随Al₂O₃的上升而下降。w（Al₂O₃）为3.0％时w（FeO）＝8.18％，w（Al₂O₃）上升到4.0％时w（FeO）降到6.86％。其主要原因是，随Al₂O₃（熔点1 970 ℃）的增加，烧结料熔点上升，产生的液相量少，烧结料粘结不足；同时，高温废气下混合料粉化而影响烧结透气性，表现出烧结速度减慢，转鼓指数、成品率、利用系数下降，固体燃耗上升。因此，随Al₂O₃的增加，应适当增加配炭量，w（FeO）应控制在7.5％以上，甚至8.0％。目前，现场烧结矿中的w（Al₂O₃）达到3.6％左右，应适当提高FeO。

3.4.6  返矿配比对烧结矿FeO的影响

在燃料配比不变的条件下，FeO随返矿用量的增加而下降。返矿外配25％时w（FeO）＝8.14％，返矿增加到35％时w（Al₂O₃）降到6.42％。其主要原因是，返矿增加后配炭量减少，烧结热量不足，同时混合料粒度组成改善，大于3.0 mm粒级增加，表现出烧结速度加快、结晶时间不足、强度和成品率下降、固体燃耗上升，但由于垂直烧结速度加快幅度大，利用系数是上升的。因此，返矿用量增加后须适当提高配炭量，但返矿主要是小粒烧结矿，其中低熔点矿物较多，燃料增加又不能按新料的燃料配比添加，约按新料的燃料配比1/2增加即可。

3.5  矿相分析

对不同配炭的F1（w（FeO）＝4.34％）、F3（w（FeO）＝6.59％）、F5（w（FeO）＝8.44％）、F7（w（FeO）＝10.57％）、F9（w（FeO）＝13.35％）烧结矿样品进行了岩相分析，并对主要物相进行电镜扫描分析成分。

3.5.1  主要物相及其含量

实验样品各物相含量（见表5）。从表中可见，对于5组样品，随FeO的上升，钛赤铁矿减少，钛磁铁矿增加，铁酸盐减少，硅酸盐增加，钙钛矿也有增加。表明随FeO的增加，烧结温度上升，还原性气氛增强，铁酸盐在高温下分解，产生钙钛矿，液相以铁酸盐减少向硅酸盐增加转化，影响了烧结矿强度还原性。

表5  实验样品各物相含量（/%）

3.5.2  镜下特征

镜下特征主要表现在：①对于不同的样品，随FeO的增加，从w（FeO）4.34％样品结构疏松、碎成小块，呈细孔厚壁结构，石灰白点较多，到w（FeO）13.35％样品致密坚硬、呈大孔薄壁结构，少见石灰白点。②多数样品以钛磁铁矿（磁铁矿）和钛赤铁矿（赤铁矿）为主，次为铁酸盐相及硅酸盐相。游离氧化钙、磁黄铁矿偶见。③较多样品中的铁酸盐相，主要呈大小粒状和柱状结构，次为针结构。④扫描电镜成分分析表明，铁酸盐相中除铁、钙外，多与硅、铝、镁等多种元素形成了固溶体，部分是硅、铝、钛、镁等多种元素形成的固溶体。⑤磁黄铁矿与前段烧结矿相似，多为星点状，少许区间有残存，大部分区间未见或偶见。⑥钙钛矿在部分钛磁铁矿的间隙中有析出，呈0.01 mm的细粒状结构为主，次为粗粒状结构。

4  结论

（1）实验表明，强度、利用系数、成品率随FeO的增加而上升，当FeO达到一定值后指标达到最大值，具有典型的二次曲线特性，FeO继续增加，指标开始下降。固体燃耗随FeO的增加而近似呈直线上升。随FeO的上升，还原性变差，低温还原粉化率改善。

（2）综合评价实验结果，目前条件下采用高碱度厚料层烧结，所得重要结论是w（FeO）控制在7.24％～8.44％可兼顾产质量、能耗、冶金性能等各种指标在最佳范围，目前现场生产w（FeO）控制在7.0％～8.0％约偏低，可适当提高。

（3）影响FeO的因素众多，主要有碱度、料层、水分、返矿用量、烧结矿SiO₂、Al₂O₃等，实验表明，在燃料配比不变的前提下，水分、返矿用量、烧结矿SiO₂、Al₂O₃任何一个因素量的上升均会导致FeO的下降，进而影响生产技术指标，因此须适当提高配炭量。

（4）矿相分析表明，随FeO的上升，钛赤铁矿减少，钛磁铁矿增加，铁酸盐减少，硅酸盐增加，钙钛矿也有增加。样品结构从疏松、小抉、细孔厚壁结构逐步转化成致密坚硬、大块、大孔薄壁结构。铁酸盐相以大小粒状和柱状结构为主，次为针状结构。

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（攀枝花钢铁公司炼铁厂  攀枝花钢铁研究院）