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 转炉钢渣回配烧结工艺技术研究

郑亚增

（河钢大河能源环境科技有限公司）

摘  要：国内各大钢铁企业对钢渣的再利用均有不同程度的开发,钢渣中 CaO 含量在 40%~50％,烧结料中配入一定比例的钢渣，有利于改善烧结矿强度，提高烧结矿成品率，降低固体燃料消耗，还可以部分替代烧结熔剂降低生产成本,本论文在目前烧结工艺条件下,钢渣参与配料对烧结生产的影响,还分析了配加钢渣对生成成本的影响。

关键词：钢渣；烧结矿；配比 

1 国内外研究进展

转炉钢渣中的 CaO 含量在 40%~50％，主要以硅酸三钙、硅酸二钙、铁酸钙及游离 CaO 等低熔点矿物形式存在。烧结料中配入一定比例的钢渣，一方面有利于烧结生产过程中液相的生成，改善烧结矿强度，提高烧结矿成品率，降低固体燃料消耗；另一方面，钢渣可以部分替代烧结熔剂（石灰石、生石灰），实现资源的综合利用。

通过相应的实践证明，单配 1.5%~5%的钢渣，能够获得更高品位的烧结矿，品位普遍能达到 58%以上。但是钢渣总配比一旦超过8%，其生产就会处于不稳定状态，特别是对碱度影响较大。

随着钢渣配入量的增加，烧结料性能和料层透气性、烧结温度、烧结速度及烧结利用系数有所提高，钢渣对烧结矿冶金性能有很大的影响。随钢渣配比的增加，烧结矿的还原率呈现不断降低的趋势，而粉化性能却得到了明显的改善。

 

图1

 

图2 转炉钢渣代表性矿物的 SEM-BEI 照片

（a）大颗粒粒状硅酸二钙和边部析出无定形状铁酸钙；（b）硅酸二钙内部固溶粒状方镁石颗粒；

（c）残余状铁酸钙形成 “破洞” 结构；（d）方镁石边部形成 RO 相包边结构

2 高比例钢渣处理对烧结经济技术指标影响研究

2.1 研究意义

通过烧结杯实验设备，进行不同钢渣配加量下烧结杯实验，探究不同钢渣配加量对烧结经济技术指标，如化学成分、转鼓强度、成品率等的影响。

2.2研究目标

基于现场烧结各项指标制定烧结杯实验方案，增加钢渣在原料中的配比至5%以上，并减少钙灰、镁灰的配加量，以达到降低烧结过程CO2排放的目的。

2.3研究内容

设定点火负压为8kPa，点火时间为1.5min，烧结负压为14kPa条件下的七组烧结杯实验。第一组实验为预实验，该组实验目的在于按照现场烧结配比在探究合适烧结参数的同时，为烧结杯实验提供返矿，返矿量设定为外配10%；第二至五组实验烧结原料中钢渣配比分别为2%，4%，5%，6%，7%，8%。

 

图4 矿粉原料化学成分分析

 

图5 矿粉原料化学成分分析

 

图6 烧结杯实验配矿方案

3 高比例钢渣处理对烧结经济技术指标影响研究

图7 烧结杯实验垂直烧结速度

 

图8 烧结杯实验混合料烧损率

垂直烧结速度分别受到粒度组成及液相生成量影响，当钢渣配加量为2%时，由于烧结混合料粒度较大，根据实际烧结矿化学成分检测结果可知，其SiO₂含量较少即液相生成量较少，因此其垂直烧结速度最大。

当钢渣配比过大时，液相生成量过高，烧结时间延长，垂直烧结速率降低，该条件下易发生烧结过烧现象。

由于钢渣中含有较高含量的S元素，S元素挥发程度不同以及磁铁矿、赤铁矿比例不同会导致不同实验间存在较大的烧损差异。

 

图9

随钢渣配加量增大，烧结矿转鼓强度逐渐升高。钢渣中CaO及SiO2含量较高，且CaO通常以硅酸二钙和硅酸三钙的矿物形态呈现，易与铁矿物反应生成低熔点的钙铁橄榄石，铁酸钙等化合物，导致烧结过程液相增加。

当钢渣配加量达到7%时，液相增多，含铁相和胶结相结晶程度好，改变矿相结构，进而改善了烧结矿的转鼓强度。而钢渣配加量过大（8%），则导致液相过多，烧结矿呈现薄壁大孔结构，转鼓指数显著降低。

钢渣配加量对烧结矿粒度组成影响明显，随着钢渣配比增大，大粒级烧结矿占比呈现出逐渐增大趋势，当钢渣配比为5%和6%时，大粒级烧结矿占比基本保持一致，该烧结矿粒度组成趋势与烧结矿转鼓强度基本相同。

 

图10

当钢渣配比为7%时，烧结矿成品率最高为88.27%，当钢渣配比继续增大时成品率基本保持稳定，钢渣配加对于提升烧结成品率具有一定优化作用。

随着钢渣配加量增大，烧结固体燃耗呈现出减小后升高趋势，但当钢渣配加量大于6%时，固体燃耗逐渐升高，实验中固体燃耗均在52.44kg/t以上。

当钢渣配比高于5%时，配加钢渣可在一定程度上改善烧结制粒效果，提升烧结混合料粒度。

当钢渣配加量为2%时，由于烧结混合料粒度较大，SiO2含量较少即液相生成量较少，因此其垂直烧结速度最大。当钢渣配比过大时，液相生成量过高，烧结时间延长，垂直烧结速率降低，该条件下易发生烧结过烧现象。

钢渣中CaO及SiO2含量较高，且CaO通常以硅酸二钙和硅酸三钙的矿物形态呈现，易与铁矿物反应生成低熔点的钙铁橄榄石，铁酸钙等化合物，当钢渣配比小于7%，随钢渣配加量增大，烧结矿转鼓强度逐渐升高。

烧结矿粒度组成趋势与烧结矿转鼓强度基本相同，主要受到垂直烧结速度及固相反应过程液相生成量影响，当钢渣配加量7%时转鼓强度最高，钢渣配比过高时，液相生成量过高，转鼓指数降低。

不同钢渣配加量条件下，烧结杯实验成品率均在82%以上，达到了较高水平，该趋势与烧结矿转鼓强度基本保持一致，可知钢渣配加对于提升烧结成品率具有一定优化作用。

当钢渣配加量为2%时，烧结固体燃耗最高为54.79kg/t，随着钢渣配加量增大，烧结固体燃耗呈现出减小趋势，配加钢渣6%以下有利于减小烧结过程固体燃耗，但钢渣配加量过高易引起固体燃耗上升。

4 高比例钢渣处理对烧结矿冶金性能的影响研究

 

图11

本次烧结杯实验的烧结矿低温还原粉化实验按照中国国家标准（GB/T 13242—91）检验方法所使用的装置及工艺参数进行实验。

随着钢渣配比的增大，烧结矿低温还原粉化指数呈现出先升高后降低趋势。

结合烧结经济技术指标分析可以看出，随着钢渣配加量的增大，烧结矿中SiO2化学成分含量升高，较多的赤铁矿与CaO，Al2O3，SiO2形成了复合铁酸钙液相，进而有效避免了低温还原粉化过程中的晶格转变，导致烧结矿低温还原粉化性能随着钢渣配加量的增大而逐渐改善。

在烧结碱度为2.10条件下，钢渣配加量为5%时，烧结矿低温还原粉化性能最优。

图12

烧结杯实验烧结矿还原度指数：

在相同碱度条件下，随着钢渣配加量增加，烧结矿还原性先由84.78%升高至88.66%，当钢渣配加量为5%时出现还原性峰值，随后还原性逐渐降低。

四组烧结矿FeO含量变化趋势为逐渐降低，随着烧结混合料中钢渣占比的增加，烧结矿中复合铁酸钙含量增加有利于烧结矿的还原；但钢渣加入过多后，使得整体矿相中硅酸盐物相增加，抑制烧结矿的还原性。

 

图13

随着钢渣配比增大增加，由于镁铝比相应增加，容易形成高熔点化合物，熔融终了温度增大，其压差也呈现增大的趋势。

当钢渣配比达到6%，熔融终了温度最高，达到了1545℃，熔融终了温度过高会造成烧结矿在高炉内不易滴落，影响高炉炉况的顺行，当钢渣配比为4%时烧结矿软熔区间相对较窄，透气性较好。

5 钢渣中钒钛在烧结过程中的迁移规律研究

 

图14

 

图15

样品中硅酸盐物相及复合铁酸钙物相较为明显，同时样品中含有一定量的Fe3O4、Fe2O3物相，且复合铁酸钙大多呈现针状结构。

配加量为2%时，钙钛矿多呈不定形晶和他形晶填充于磁铁矿晶粒间，部分呈树枝状集中分布，钛磁铁矿主要以自形、半自形晶形态存在，其间被玻璃质胶结形成斑状结构；局部微区中钛磁铁矿与钙钛矿晶粒紧密相连，其间粘结相量较少。

配比为4%时，Ti元素主要以钙钛矿矿相存在于烧结矿中，此时，钙钛矿矿相仍然呈现出不定形和他晶形，主要填充于与复合铁酸钙相伴生的Fe2O3矿相及Fe3O4矿相之间。

配比为5%时，烧结矿矿相结构不均匀，主要为熔蚀结构和骸晶结构，局部为交织熔蚀结构和粒状结构。铁酸钙和钙钛矿为主要胶结相。铁酸钙多呈柱状及针状他形晶。钙钛矿部分呈树枝状与复合铁酸钙物相交织分布中，少量为不定形晶和他形晶填充于磁铁矿、赤铁矿晶粒间。

配加量为6%时，铁酸钙和钙钛矿为主要胶结相,铁酸钙多呈柱状和板状。钙钛矿主要为不定形晶和他形晶填充于磁铁矿、赤铁矿及铁酸钙物相晶粒间，在一定程度上阻碍了铁酸钙及赤铁矿物相的进一步连晶发展。

 

图16

钙钛矿可以多种方式形成。热力学分析表明，CaO-TiO₂、CaO-FeO-TiO₂、CaO-FeO-TiO₂、CaO-Fe₂O₃-TiO₂、CaO-Fe₂O₃-FeO-TiO₂和CaO-Fe₂O₃-2FeO-TiO₂之间的反应都产生了钙钛矿（CaO-TiO₂）。

然而，在实际实验中，钙钛矿的形成取决于反应的动力学条件。上述反应可分为固相反应和液-固相反应，此外液-液相反应也是可能发生的。

结合SEM电镜实验及XRD检测结果分析可知，在烧结过程的高温条件下，Ti元素迁移及反应过程可由以下反应过程(1)-(8)表示，铁酸钙可能分解并还原，使更多的CaO与含TiO₂的矿物反应形成钙钛矿，即出现钙钛矿填充于铁酸钙交织结构阻碍铁酸钙进一步连晶的情况。因此，应结合现场钒钛磁铁矿烧结工艺参数调整碱度，优化烧结矿冶金性能。

 

图17

6 结论

（1）随着钢渣配比的增大，烧结矿低温还原粉化指数呈现出先升高后降低趋势。结合烧结经济技术指标分析可以看出，随着钢渣配加量的增大，烧结矿中SiO₂化学成分含量升高，较多的赤铁矿与CaO，Al₂O₃，SiO₂形成了复合铁酸钙液相，进而有效避免了低温还原粉化过程中的晶格转变，导致烧结矿低温还原粉化性能随着钢渣配加量的增大而逐渐改善。

（2）在相同碱度条件下，随着钢渣配加量增加，烧结矿还原性先由84.78%升高至88.66%，当钢渣配加量为5%时出现还原性峰值，随后还原性逐渐降低。当钢渣配比达到6%，熔融终了温度最高，达到了1545℃，钢渣配比过高时，镁铝比相应提高，易导致软熔区间增大，影响高炉冶炼过程透气性，对高炉生产过程造成不利影响，当钢渣配比为4%时烧结矿软熔区间相对较窄，透气性较好。

（3）在碱度为2.10条件下，随着钢渣配加量增大，烧结矿中TiO₂含量逐渐升高。含钛烧结矿中的钛主要以钙钛矿形式存在于烧结矿中，随着烧结矿中钛质量分数的升高，在烧结过程中会有少量的钛溶于铁酸盐液相，因此钙钛矿常与磁铁矿、赤铁矿相以及复合铁酸钙矿相呈现出填充交织结构。随着烧结矿中钙钛矿相增加，烧结矿中矿相复杂性增强，矿相逐渐不均匀化，主要的粘结矿相由复合铁酸钙相转变为铁酸钙及钙钛矿相。当钢渣配加比例进一步增大时，钙钛矿含量进一步增大，导致烧结矿相不均匀，阻碍铁酸钙液相的连晶发展，对于烧结矿强度产生不利影响。

参考文献

[1] 姚娜，兴超，转炉炉渣配比对烧结矿性能的影响，山西冶金，2024 年第3期

[2] 刘竹林，转炉含铁废料用于烧结的试验研究，钢铁研究，2008年第36卷第1期

[3] 李树庄，转炉钢渣做烧结熔剂的研究，鞍钢技术，1983 (05)

[4] 王大庆.董世泽，钢渣在烧结生产中的应用，本溪冶金高等专科学校学报，2003年3月