单种铁料和混合铁料的软熔行为

摘 要 本文研究了块矿、烧结矿和球团矿的软熔行为。结果发现纽曼矿和麦克矿比致密矿具有较低的对气流的阻力，而它们在熔化前有较大的料层收缩。高碱度烧结矿和块矿混合后，混合料的软熔行为有很大改善。

关键词 软熔 块矿 烧结矿 球团矿

1 前言

铁料在高炉软熔带中软化和融熔，之后融熔铁和炉渣进行滴落，其中剩余的铁氧化物被气体或固体炭进一步还原，故软熔带直接影响着高炉的透气性，从而影响高炉产量和燃耗。软熔带的形状、位置又决定了高炉块状带中的煤气(热量和还原气体)分布。铁料的高温性能在很大程度上决定了软熔带的形状、厚度和位置。所以，对铁料在高炉中的软熔行为已进行很多研究。

文献中已报到了很多有关各种铁料软熔行为的研究，包括块矿，球团，烧结矿以及它们的混合^[1—3]。对酸性及碱性球团的研究已有很多，其次是对烧结矿的研究，而对块矿软熔行为的研究则较少。基于对球团矿的研究，人们对软熔机理有了进一步理解并把软熔过程概念性地分为四个阶段^［4］：

· 第一阶段是将铁氧化物还原为浮氏体，并在氧化物的外围生成金属壳。在软化前，浮氏体和金属铁会有一定程度的烧结，导致料层收缩。

· 第二阶段是软化，软化过程中料层有较大的变形，然而由于料层中空隙的存在，压差不会有很大增加，而每个颗粒可能有较大的变形。

· 第三阶段是含FeO熔体的渗出，渗出的熔体填充料层中的空隙，同时熔体的还原使其熔化温度升高，这导致料层压差有很大的增加。

· 最后一阶段就是熔化，然后液体滴落使料层高度进一步下降。

已经发现在一定的条件下，铁料的软熔行为决定于很多因素，如还原度，粒度，铁含量，脉石含量和性质，以及碱度等^[5—8]。实际上铁料在装人高炉之前有一定的混合，不同的铁料在高炉中由上往下运动时，也会有一定的混合。因而不同铁料之间的相互作用对混合料的软熔行为有较大影响。

为了进一步了解不同铁料软熔行为的不同，增加对单一铁料和混合铁料软熔行为的认识，本文研究了块矿、球团矿、烧结矿及它们的混合的软熔行为。

2 试验部分

本文所用的试验设备已在过去发表的文献中详细描述嘲。将铁料夹在两层焦炭中并放置在石墨坩埚中，然后将样品置于管式高温炉中。气体成分为30％CO—N₂，流量为1 4升／分，荷重恒定为l kg／cm²。试验过程中，连续记录样品温度，通过料层的压力损失，料层高度的变化以及还原度。表1给出了其他试验条件，图1是所用加热曲线，其目的是模拟高炉的加热速度。表2列出了本文所研究的样品，这包括四个块矿，两个球团矿和一个烧结矿。

3 试验结果

3．1 单一块矿

本文研究了四种不同块矿的软熔行为，它们的试验结果归纳于图2，图中给出了软熔过程中料层的压力损失和料层的收缩率。文献中报道了许多种表达试验结果的方法。为简单起见，本文同样采用一组参数来表达试验结果，它们的定义如下：

· 软化开始温度(Ts)：定义为压差上升相对急剧时的温度。Ts高意味着软熔带在高炉中的位置较低。通常软化开始温度定义为在一定料层收缩(比如10％)时的温度，这样做的问题是对有些矿石，特别是疏松矿，比如图2中的麦克矿，当收缩率达10％甚至30％时料层仍有很好的透气性，这时的料层压差没有明显增加。虽然料层收缩，料层仍保持良好的透气性使气体通过。所以本文采用压差来定义软化温度。

· 熔化温度(Tm)：定义为压差返回Ts所对应的压差值时的温度。

· 软熔区间(Tm—Ts)：该参数在一定程度上反映了铁料在高炉中软化和熔化的温度范围。

·S值：0．1 kPa底线以上的压差曲线下所覆盖的面积。

·压差最高值(? Pmax)：该参数在一定程度上反映了铁料对气流的阻力。

图2指出较致密块矿比疏松块矿表现出较大的S值和较高的最高压差，这说明致密矿的软熔对气流有较大的阻力，然而致密矿的软熔区间较窄。前面已指出，在一定温度下不同矿石的收缩率不同，重要的是一起使用料层收缩和料层压差数据。

表3列出了不同铁料的软熔行为参数(两个试验的平均值)。

3．2 单一球团矿

本文研究了两种成分差别很大的球团，结果表明(见表3)球团B的S值和最高压差比球团A低很多，这说明球团矿的成分特别是SiO₂含量对软熔行为影响很大影响。研究已表明SiO₂易和浮氏体反应生成液相，所以一般降低SiO₂、提高Fe对改善软熔行为是有益的^［10］。

结果也表明球团A的S值和最高压差比纽曼块矿和麦克块矿高很多。这说明由于球团具有均匀的成分和粒度，一般情况下球团表现出较好的软熔行为，但有些球团的软熔行为甚至比块矿差。

3．3 高碱度烧结矿和块矿的混合

各地的高炉，特别是在亚太地区的高炉广泛使用高碱度烧结矿和酸性块矿或(和)球团矿的混合料为原料。虽然高炉间各种料的比例可能差别很大，炉料为70％烧结矿和30％块矿和球团矿的混合比较普遍。事实上很多高炉采用铁料混装，这种混合有的是在上料皮带上进行，有的是在上料仓里进行。所以，研究混合后铁料的软熔行为是很重要的。

本文测定了烧结矿A和纽曼块矿混合后的软熔行为，结果见图3。结果表明，与单一纽曼矿相比，混合后的S值以及最高压差都低很多，混合料的软熔行为更像烧结矿。这说明与高碱度烧结矿混合后，块矿的软熔行为有大幅度的改善，这可能是很多高炉能很好地使用高比例块矿的原因之一。

同样本文研究了麦克块和烧结矿A的混合物、球团矿B和烧结矿A的混合物，它们的软熔试验结果(两个试验的平均值)列于表4。与单一麦克矿相比夕烧结矿和麦克矿混合后S值和最高压差有很大改善。

图4清楚地表明与单一的纽曼矿和麦克矿相比，烧结矿A和纽曼矿或麦克矿混合后的S值降低、软熔区间变窄。这些变化的主要原因将在下面讨论。

4 讨论

铁料软化意味着铁料的状态变化引起透气性下降。本文将软化开始定义为料层透气性快速增加时的温度。随软熔的进行，颗粒间的空隙会被所生成的液体充填，铁料粉化所形成的小颗粒以及在负荷作用下颗粒的重新排列都会使透气性进一步下降。我们正在做更多的工作来研究软熔机理，一般认为颗粒的变形和液相的生成是引起铁料软化和熔化的主要因素。由于液相生成是重要因素之一，所以铁料的还原度、碱度、脉石含量、空隙度等对其软熔行为有直接影响。

4．1 铁料的还原性

众所周知，在给定条件下矿石的还原性与其空隙度密切相关。一般来说致密矿石，比如块矿A和B，还原性较低。这意味着对于致密矿来说，在低温下供以生成液相的浮氏体比从疏松矿生成的较少，所以致密矿一般具有较高的软化开始温度。然而在较高温度下，在致密矿中剩余的为还原的浮氏体较多，导致较多含浮氏体的液相生成。在软熔过程中液体溢出填充颗粒间的空隙，从而降低料层透气性。所以与疏松矿相比，致密矿通常表现出较高的料层压差和较大的S值，这在图2中可以看出。这一结论和前人的工作一致，在基于对球团的研究上，建立了S值和还原度的关系，这关系表明S值随还原度的下降而升高^[11]。虽然900℃下国际标准的还原度只能对高温下还原有指导意义，图5展示了表2中所列出的铁料ISO还原度和S值较密切的关系，即高还原度的铁料具有较低的S值。高还原度意味着在高温下未被还原的浮氏体少，所以透气性较好或者说S值较低。最近一研究表明当高炉使用浮氏体含量高的烧结矿(FeO>12％，CaO／SiO₂—2．2)时，由于大量液相的生成，高炉的透气性下降^[5]。另外对于容易还原的矿石，在同样温度下所生成的金属铁多，金属铁对铁料的变形有一定阻力，这也有助于保持透气性。Clixby^[6]也发现料层的压差和熔化温度与球团的还原度有关。

一般地说，高还原度的铁料具有较好的软熔行为。这是高炉力图加强块状带的还原的另一个原因，这样的物料进入软熔带后对降低压差是有利的。

4．2 碱度

本文所研究的块矿中CaO和MgO含量很少，所以在软熔过程中SiO₂和还原后生成的浮氏体对液相的形成很重要。对于碱性物料碱度对液相生成以及炉渣粘度影响很大。研究已经表明控制烧结矿中初渣形成重要的因素是碱度，而CaO／SiO₂又控制初渣的液相温度^[7]。人们为了决定最佳的烧结矿碱度来获取较好的软熔行为作了较多工作，比如研究S值和CaO／SiO₂的关系。在CaO／SiO₂＝0．2—1．9的范围内，S值先随CaO／SiO₂的增加而下降，然后随CaO／SiO₂的增加而提高。当CaO／SiO₂＝1．1时S值最低^[3]。

在本文所研究的物料中，碱度由几乎是零的块矿增加到CaO／SiO₂为1．8的烧结矿。虽然所研究铁料的种类不同，碱度仍然是造成块矿和烧结矿软熔行为不同(见表3)的重要因素。当高碱度烧结矿A和酸性料比如纽曼块矿或麦克块矿混合后，总体碱度比块矿的高而比烧结矿碱度低，局部地区碱度的高低取决于两种物料的混合程度。从块矿的角度看，CaO加入改善液相粘度；从烧结矿的角度看，块矿的加入降低了总体CaO／SiO₂，使得生成硅酸二钙的倾向降低，硅酸二钙具有很高的熔化温度，故可能充填空隙使压差升高。所以混合高碱度烧结矿和酸性块矿可以改善软熔行为，正如表4所示。与单一物料相比，混合后的碱度与高炉终渣碱度更接近。我们仍然需要做更多工作已对二者相互作用的机理又进一步认识。

对混合料软熔性能的研究相对较少。在早期Traice^[1]发现混合烧结矿和酸性球团矿有改善混合料软熔行为的潜力。当烧结矿和块矿混合后，混合料的还原性由还原性低的块矿决定，而混合料的软熔行为呈现烧结矿和块矿的相加关系^［12］，说明混合料的软熔行为得到改善。最近研究再次证明20％块矿、60一80％烧结矿和0一20％酸性球团的混合料的软熔行为比单一铁料的好^[13]。混合料软熔行为的改善对小颗粒铁料更有意义。虽然小颗粒的烧结矿和块矿的软熔行为较差，二者混合物的软熔行为则具有很大改善^［8］。造成上述改善的基础原因之一可能是混合高碱度烧结矿和块矿或球团矿降低液相的熔化温度和渣相粘度^［14］。

5 结论

本文研究了单一块矿、烧结矿、球团矿和它们二元混合物的软熔行为。不同密度不同成分的块矿具有不同的软熔行为。致密矿一般具有较窄软熔区间但具有较高的对气流的阻力。虽然疏松矿在低温下(低于软化开始温度)具有较高的料层收缩率，料层压差仍然保持较低，说明料层收缩主要由颗粒重新排列造成，颗粒间的空隙依然存在。疏松矿比致密矿具有较小的对气流的阻力。

与块矿类似，不同成分的球团具有不同的软熔行为，即酸性球团A比球团B有更高的S值和最高压差。实际上球团A具有甚至比疏松块矿更大的对气流的阻力。

当块矿和高碱度烧结矿混合后，混合料的软熔行为明显改善，即对气流的阻力变低。这一结论对更好地评价铁料的性质更有意义，因为一般来说在高炉上料过程中，不同铁料总有一定程度的混合。

致谢：作者对与T．Honeyands，R．Dukino，陈宏和林李全之间的讨论表示感谢。