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摘 要：本文通过研究不同铁矿粉的同化特性、液相流动性、粘结相强度、铁酸钙生成能力等高温基础特性，并基于这些基础特性建立优势互补的配矿依据，确保生产中的烧结矿高温性能趋于最优，从而获得最佳的烧结矿质量。
关键词：铁矿石；高温基础特性；配矿；铁酸钙生成
1. 前言
通常的配矿只考虑各种铁矿石的化学成分，对其冶金性能考虑较少，对烧结有重要影响的高温基础特性则考虑得更少。研究不同铁矿粉的高温基础特性，并基于这些基础特性建立优势互补的配矿规则，可以确保生产中的烧结矿高温性能趋于最优，同时保证烧结生产技术经济指标得到大幅度改善。目前被行业广泛采用的铁矿粉高温基础特性主要有：铁矿粉的同化性、液相流动性、粘结相强度、铁酸钙的生成能力等。 2. 铁矿石同化性实验
铁矿粉的同化特性就是铁矿粉在烧结过程中与CaO反应的能力，它表征铁矿粉在烧结过程中生成液相的难易程度，是烧结矿有效固结的基础。一般来说，若铁矿粉的同化性好，则其易于和CaO反应生成铁酸钙液相，作为主要粘结相，从而对烧结矿强度的改善有一定的促进作用，烧结矿的强度也较好；若铁矿粉的同化性不好，则液相量少，不利于铁矿石的粘结，影响强度。 2.1 采用微型烧结法测定铁矿粉同化性的方法
（1）将矿粉（磨粉为小于100目，筛粉位小于0.5mm）在压力机上压制成8mm×5mm的柱体，分析纯CaO粉压制成20mm×8mm的小饼。 （2）将压制的矿粉柱体置于室内风干，当微型烧结机升温至预设温度后，将矿粉柱体放在CaO小饼上，保持矿粉柱体与CaO表面充分接触，然后推入微型烧结机中进行焙烧。 （3）推入时每1min推入一段，5min推至管炉热电偶位置，进行焙烧。烧结机以一定的升温速率升温，设定升温速率为10℃/min。 （4）在电脑中观察矿粉柱体和CaO小饼接触面，以接触面出现明显的溶蚀现象为开始同化的特征。记录矿粉达到同化特征时的时间和温度。 （5）当粉矿与纯CaO小饼完全同化后，将其按相反的方向缓慢推出，隔五秒推出一段防止炉管变脆开裂。 2.2 测定铁矿粉同化性的装置及实验结果
达州钢铁烧结常用的PB澳粉、巴西BRBF、超特粉、罗伊山粉、智利粗粉、高硅巴粗和龙蟒钒钛粉七种矿粉的同化性能。其实验结果见图2和表1。7种粉矿中同化性高低排序：龙蟒钒钛粉＞巴西BRBF＞高硅巴粗＞智利粗粉＞PB澳粉＞超特粉＞罗伊山粉；罗伊山粉的同化能力最强，同化温度（1254℃）最低，表明在烧结过程中易形成液相；龙蟒钒钛粉的同化能力最差，同化温度（1359℃）最高，表明在烧结过程中难以形成液相，液相开始生成温度高，导致烧结过程中产生的液相量过少而降低烧结矿的强度。这跟矿粉的矿物类型和化学成分有关，见表2。 
2.3 铁矿石同化性分析
铁矿石的同化性与SiO2、Al2O3、TiO2等含量有关，矿粉的同化是由矿物类型以及化学成分（SiO2、Al2O3、TiO2）等综合作用的结果。随SiO2含量的增加，铁矿粉的最低同化温度有降低的趋势，如PB澳粉、罗伊山粉、超特粉；加之超特粉含褐铁矿比例比PB粉高，烧结过程中由于结晶水的挥发产生气孔和裂纹，加快低熔点物质的生成，使得同化性能增强。Al2O3含量较低时，随着Al2O3含量的增加，铁矿粉的最低同化温度有降低的趋势，主要是随着Al2O3含量的增加，促进了复合铁酸钙的生成，矿粉的同化性提高，这就是超特粉同化性比PB澳粉、罗伊山粉低的主要原因。巴西BRBF、高硅巴粗Al2O3低，所以同化温度较高；高硅巴粗SiO2含量高，易生成低熔点的硅酸盐，所以相比之下高硅巴粗同化温度较巴西BRBF低。 另外，TiO2与CaO的结合能力大于Fe2O3与CaO的结合能力，所以反应中钒钛矿难生成铁酸钙系物质，温度越高越易生成钙钛矿，钙钛矿熔点1970℃，在烧结过程不能形成液相，这就是龙蟒钒钛粉同化温度高，同化时间长的主要原因。 3. 铁矿石液相流动性
铁矿粉液相流动特性指铁矿粉在烧结过程中与CaO生成的液相的流动能力，它表征了铁矿粉烧结过程生成粘结相的“有效粘结范围”。一般来说，液相流动性较高时，其粘结周围的物料的范围较大，因此可以提高烧结矿的强度;反之，液相流动性过低时，粘结周围物料的能力下降，导致烧结矿的气孔增加，使烧结矿的强度下降。但是，粘结相的流动能力不能过大，否则对周围物料的粘结层厚度会变薄，烧结矿易形成薄壁大孔结构，使烧结矿整体变脆，强度降低，也使烧结矿的还原性变差。由此可见，适宜的液相流动性是保证烧结矿有效固结的基础。 一般用液相流动性指数来衡量铁矿石的液相流动性。表征液相流动性指数有多种方法，有基于流动面积的粘度测定法，有同化性测定法。基于流动面积的粘度测定法即将研究的试样制成小饼，烧结后测定其投影面积，用下式计算试样的流动性指数。流动性指数=（小饼流动后面积－小饼原始面积）/小饼原始面积。基于同化性测定法，通过同化温度区间、同化时间表征其液相流动性。为便于比较，规定流动性指数=100/（同化区间温度×同化时间），同化时间单位为min。结果见表3。流动性指数越大，流动性越好，同化区间和同化时间越长说明液相流动性越差。反之，同化区间越窄，时间越短说明液相流动性越好。由表3可以看出，巴西BRBF的液相流动性最好，PB粉和超特粉液相流动性适中、罗伊山粉、智利粗粉和高硅巴粗液相流动性较差，龙蟒钒钛粉液相流动性最差。 
烧结配矿时，要考虑将不同液相流动性的矿粉搭配使用，保证混合料的液相流动性适宜，这对提高烧结成品率和强度具有积极意义。 4. 铁矿石粘结相强度
粘结相强度指铁矿石在烧结生产过程中形成的液相对其周围的矿粉进行固结的能力，它在很大程度上决定了烧结矿的强度。铁矿粉的烧结过程就是混合料在高温的作用下，生成一定数量的液相即粘结相将铁矿粉粘结成块的过程，所以说，一定条件下，粘结相本身的强度其实对烧结矿的强度有着非常大的影响。足够的粘结相是烧结矿的固结基础，但粘结相自身的强度也是非常重要的因素。实验中以小饼抗压强度作为该矿粉的粘结相强度。每种铁矿粉配成二元碱度为2.0的试样，压制成Ф22×15mm的圆柱形试样，在1280℃烧结4min后，测出其抗压强度，即粘结相的强度，检测方法见图3。粘结相强度测定结果列于表4和图4。 
通入空气有利于Fe3O4的氧化，促进铁酸钙的生成，从测定结果来看，龙蟒钒钛粉粘结相强度最好、智利粗粉、PB澳粉，罗伊山粉粘结相强度较好；超特粉粘结相强度最差，其次高硅巴粗。 表中数据也表明超特粉、高硅巴粗这些铁矿粉同化温度低，液相流动性好，所以粘结相强度差。龙蟒钒钛粉因同化温度高，生成液相少，粘结相强度好。另外，通入空气，有利于将磁铁矿中Fe3O4氧化成Fe2O3，可提高复合铁酸钙生成量和粘结相强度。 
与上面相同，矿粉磨制200目，配入CaO试剂至碱度2.0，1.5g试样，但不通气靠自然吸气，氧化焙烧，测定抗压强度。检测结果见表5和图5。 
在自然吸气氧化焙烧条件下，依靠马弗炉周边的自然吸气氧化，没有通入充足空气，但也能满足氧化气氛的需求，更接近生产实际，从矿粉的粘结相强度可以看出，罗伊山粉，智利粗粉具有良好的粘结相强度，巴西BRBF、高硅巴粗粘结相强度较差。由于氧化不充分，龙蟒钒钛粉粘结相强度下降。 5 铁酸钙生成能力
铁酸钙生成能力指在烧结生产过程中铁矿石生成复合铁酸钙的能力。在烧结粘结相中，复合铁酸钙粘结相是最优的，增加其含量既有利于提高烧结矿强度，又能改善烧结矿还原性。铁酸钙生成能力的研究方法是将烘干的各试样，配加试剂CaO，使碱度达到2.0，然后压制成Ф22×15mm的小饼，在1280℃焙烧4min，冷却后制成光片，用矿相显微镜进行鉴定。 
由上图6各试样矿相可知： （a）PB澳粉：主要为赤铁矿结晶，未见典型的铁酸钙析出。（b）智利粗粉：有残留的磁铁矿，有少量的铁酸钙析出，空洞明显。 （c）巴西BRBF：赤铁矿结晶充分，柱状铁酸钙发育良好。 （d）罗伊山粉：赤铁矿晶体被铁酸钙包裹，未见SFCA结构的铁酸钙结晶。 （e）高硅巴粗：赤铁矿晶体边界清晰，但内部氧化不完全，铁酸钙晶体成镞出现，但呈现柱状结构。 （f）超特粉：粒状的赤铁矿晶体可见，同时可见粒状、柱状和板状的铁酸钙晶体。 （g）龙蟒钒钛粉：赤铁矿晶体和磁铁矿晶体均清晰可见，未见典型的铁酸钙结晶，硅酸盐相多。 6. 结语
烧结基础特性是铁矿粉在烧结过程中呈现出的高温物理性质，它反映了铁矿粉的烧结行为和作用，亦是评价铁矿石对烧结矿质量所做贡献的指标。 评价矿石高温性能的标准：同化温度以低为好、液相流动性适中为好、粘结相强度以高为好、铁酸钙生成量以多为好。 依据这个标准，可得出以下结论： （1）钒钛粉同化性差，液相生成少，在烧结过程不易生成铁酸钙，所以对烧结矿质量影响大。使用钒钛粉必须搭配同化温度低，液相生成量多的铁矿粉，如罗伊山粉、高硅巴粉等；同时，钒钛烧结需适当增大风量，促进磁铁矿的氧化和铁酸钙的生成。 （2）在达州钢铁骨架矿中，PB粉、智利粗粉同化温度较低，但铁酸钙生成能力较差。巴西BRBF同化温度较高，但铁酸钙生成能力较强。粘结相强度智利粗粉具有明显优势。综合来看，三种矿搭配可有效弥补其性能的不足，适当增加智利粗粉配比，有利于提高烧结矿强度。 （3）非主流矿中罗伊山粉同化温度较低，粘结相强度高，铁酸钙生成能力较强，具有较好的烧结性能。但罗伊山粉粒度粗，大于8mm的达到18.45%，对提高烧结透气性有利，但粗颗粒的矿石在烧结过程不能完全熔化，也会影响烧结矿的质量，需对其粒度进行控制。 （4）针对钒钛烧结液相不足的问题，烧结需要较高的碱度，以促进铁酸钙的生成。同时，提高生石灰配比、提高熔剂小于3mm比例和降低铁矿粉大于8mm粒级比例等，都有利于促进铁矿石的同化和液相的生成。
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