SFC流动性的试验研究及相图分析

SFC流动性的试验研究及相图分析

张光强¹  张宏¹  张奥凯¹  王学利¹  姜鑫²

（1.上海梅山钢铁股份有限公司炼铁厂高炉分厂  南京  210000，

2.东北大学冶金学院  沈阳  110819）

摘  要：在铁矿粉烧结过程中, 铁矿粉与CaO反应生成的粘结相的流动特性, 是衡量烧结矿质量的重要指标之一。为了提高炼铁生产的烧结矿产品质量，优化高炉操作工艺，本文采用微型烧结法对烧结矿液相流动性的影响因素做了系统研究。结合相图分析Fe₂O₃-CaO、Fe₂O₃-CaO-SiO₂系不同成分粘结相的流动性。在此基础上得出粘结相流动性与一定温度下液相量基本成正比，和液相线温度基本成反比的关系。

关键词：铁酸钙粘结相；流动性；烧结矿；炼铁

Investigation on the Fluidity of SFC Bonding Phase

G. Q. Zhang¹, H. Zhang¹, A. K.Zhang¹, X.L.Wang¹, X.Jiang²

（1 Meishan Steel, Nanjing, Jiangshu, China; 2 Northeastern University, No. 11, Lane 3, Wenhua Road, Heping District, Shenyang, Liaoning, China 110819；）

Abstract：In sintering process, Fe₂O₃ and CaO can genenrate liquid. The fluidity of liquid is one of important indexes for sintering strength. In order to improve the quality of sinter and blast furnace performances, the the fluidity of calcium ferrite bonding phase (SFC) investigated combined with phase diagrams analysis. Based on phase diagrams of Fe₂O₃-CaO, Fe₂O₃-CaO-SiO₂, we found that the fluidity index of liquid phase is proportional to the mount of liquid at a certain temperature, and the relationship between the liquid phase and the melting point is inversely proportional.

Key words: SFC bonding phase, fluidity, sinter, ironmaking

随着高炉冶炼对精料的要求变高，对烧结矿质量的要求越来越高，目前对铁矿粉烧结特性方面的研究相对较少。烧结矿粘结相流动性是“铁矿粉烧结基础特性”之一，指在烧结过程中含铁物料与CaO反应生成的液相的流动性能，可以表征粘结相的“有效粘结范围”。由于不同种类的铁矿粉自身性质不同，在烧结过程中生成的粘结相的流动性能也各不相同^[1]。液相流动性高，可以提高烧结矿的固结强度。反之，流动性会变差，强度下降。但粘结相流动性过大会导致烧结矿孔隙率下降，还会形成薄壁大孔结构，这样反而会降低烧结矿的强度，也使烧结矿还原性变差，也可能影响烧结过程的透气性，而降低烧结生产效率。由此可见，烧结矿液相流动性需要控制在一个范围内才会有利于烧结矿的生产。

目前关于烧结矿液相流动性的研究只局限于对某些特定矿石，国内还没有人从相图的角度出发去系统研究SFC流动性的影响因素。本文结合相图细致探讨了粘结相流动性与各组分液相线温度和特定温度下液相量的关系。为合理预测烧结矿流动以及优化配矿提供了理论依据。

1.1 试验方案

以梅钢五号高炉入炉烧结矿成分为基础。采用分析纯 Fe₂O₃ ，CaO，SiO₂ 化学试剂进行试验研究。液相流动性采用微型烧结和图像分析联用的方法进行测定。具体方法就是将分析纯化学药品用粉碎机磨成小于200目的粉末，然后用Φ=8mm的模具压成小饼，用烧结基础特性测定仪进行焙烧（图1.1）。测定小饼试样的液相流动性。液相流动性的大小用流动性指数来表示，流动性指数越大，说明液相流动性越大。流动性指数计算公式为：

图1.1 烧结基础物性测试仪实物图

若小饼没熔化，则流动性指数为1。试验条件样温为1300℃，由于焙烧之后试样的流动面积形状不规则，为了减少误差，用Photoshop软件进行计算。

2.1  Fe₂O₃-CaO系粘结相

本文首先对Fe₂O₃-CaO二元系粘结相的流动性进行测量。表2.1给出了具体试验点参数。

表2.1  Fe₂O₃-CaO二元系的粘结相试验参数

在试验的基础上本文对Fe₂O₃-CaO二元系相图进行了基础研究。读出了每个试验点所对应的液相线温度和在1300℃时每个试验点的液相量。每个试验点的流动性指数示于图2.1 、2.2 。从试验结果可以得出，随着Fe₂O₃含量的增加，Fe₂O₃-CaO二元铁酸钙粘结相液相流动性呈现先增加后降低的趋势。且当Fe₂O₃含量在78%时达到最大值6.3。而且Fe₂O₃-CaO二元铁酸钙粘结相液相流动性与液相线温度成较好的反比关系。Fe₂O₃-CaO二元铁酸钙粘结相液相流动性与该温度下液相量成较好的正比关系。根据以上结果，可以做出假设，烧结矿液相的流动性与液相线温度成反比关系，与固定温度下的液相量成正比关系。此假设将由后续试验进行验证。

图2.1 Fe₂O₃-CaO二元铁酸钙粘结相液相流动性与液相线温度的关系

图2.2 Fe₂O₃-CaO二元铁酸钙粘结相液相流动性与液相量的关系（1300℃）

2.2  Fe₂O₃-CaO-SiO₂系粘结相

在Fe₂O₃-CaO二元系粘结相基础上，研究了SiO₂含量为5%，10%时，SFC的液相流动性。则涉及到的物相点分别为Fe₂O₃-CaO-SiO₂三元相图（2.3）中的线段AB（SiO₂=5%，则Fe₂O₃含量为67%~82%）和线段CD（SiO₂=10%，则Fe₂O₃含量为63%~77%）。

图2.3 Fe₂O₃-CaO-SiO₂三元相图

试验参数如表2.2所示：

表2.2 Fe₂O₃-CaO-SiO₂系粘结相试验参数

图2.4 1300℃时Fe₂O₃-CaO-SiO₂等温截面图

Fe₂O₃-CaO-SiO₂三元相图在1300℃时的等温截面图如图2.4所示。根据杠杆原理，可以读出1300℃时，线段AB和线段CD各物系点的液相量。

2.3  SiO₂为5%的SFC流动性

图2.5 Fe₂O₃-CaO-SiO₂三元铁酸钙液相流动性与液相线温度的关系（SiO₂=5%）

SiO₂为5%时铁酸钙粘结相SFC流动性与液相线温度的关系如图2.5所示。由图可见，随Fe₂O₃含量的升高SFC流动性呈现先升高再降低的趋势。当Fe₂O₃含量为74%时，SFC流动性达到最大值14.7。而且SFC流动性与液相线温度基本成反比关系。液相线温度升高，SFC流动性下降。但是，当Fe₂O₃含量低于72%时，液相线温度升高，但SFC流动性仍保持在较高水平。根据Eiki Kasai的文献资料认为^[2]，这是由于在有限的混匀条件和焙烧条件下，CaO或SiO₂熔剂没有完全溶解进Fe₂O₃中，使得实际液相中Fe₂O₃含量高于配料时Fe₂O₃含量，因此流动性指数的峰值点左移（相比较于液相线的峰值点）。

SiO₂为5%时铁酸钙粘结相SFC流动性与液相量的关系如图2.6所示。由图可见，SFC的流动性与液相量具有相同的变化趋势，即液相量增加，流动性随之增加。也就是说流动性与液相量成正比关系。但若物系点均处于液相区域时，即液相量达到100%后，则液相量就无法体现出粘结相流动性的变化趋势。此时，流动性主要是由相对于熔点的过热温度决定的。因此，液相线温度和液相量都无法单独来描述粘结相的流动性，流动性是二者共同决定的，需要将二者结合考虑，才能计算出一定物系组成一定温度条件下的粘结相流动性。

图2.6  1300℃Fe₂O₃-CaO-SiO₂三元铁酸钙液相流动性与液相量的关系（SiO₂=5%）

2.4  SiO2为10%的SFC流动性

SiO₂为10%时铁酸钙粘结相SFC流动性与液相线温度的关系如图2.7所示。

图2.7 Fe₂O₃-CaO-SiO₂三元铁酸钙液相流动性与液相线温度的关系（SiO₂=10%）

由图可见，SFC流动性与液相线温度也基本成反比关系。液相线温度升高，SFC流动性下降。这一试验结果和与SiO₂=5%时相类似。不仅如此，粘结相流动性的峰值与液相线温度的峰值也存在一定偏差。从试验结果可以看出SiO₂为10%时铁酸钙粘结相SFC流动性最高可达20.8（Fe₂O₃=65%）。 而且比SiO₂=5%时流动性略有增加。SiO₂为10%时铁酸钙粘结相SFC流动性与液相量的关系如图2.8所示。由图可见，SFC的流动性与液相量具有相同的变化趋势，即液相量增加，流动性随之增加。与SiO₂=5%类似，液相量达到100%后，流动性主要由液相线温度决定，液相量就无法体现出粘结相流动性的变化趋势。

图2.8 1300℃ Fe₂O₃-CaO-SiO₂三元铁酸钙液相流动性与液相量的关系（SiO₂=10%）

1）SFC体系粘结相流动性与试验点所处液相线温度成反比，与液相量成正比的规律。

2）研究结果可为不同原料合理制定配料参数提供理论指导，同时结合相图（液相线温度、液相量）预测铁酸钙粘结相的流动性。

3) 从均值流动性看出：Fe₂O₃•CaO粘结相中固溶一定量SiO₂之后粘结相流动性呈明显上升趋势。SiO₂=5%时，粘结相中CaO的含量为25~30%，流动性指数最大，为14.5；SiO₂=10%时，粘结相中CaO的含量为25%，流动性指数最大，为20.8。

参考文献

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[3] 金明芳．影响铁矿石液相烧结及烧结强度的因素分析[D]，沈阳：东北大学，2008．

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