燒結(jié)礦熔滴性能預(yù)測新方法最終投

1、燒結(jié)礦熔滴性能預(yù)測方法研究杜曉東，吳 鏗*，申 威，朱春恩，黃德軍，徐大安，張 黎，巢昌耀，杜瑞嶺北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院，北京 100083*通信作者, E-mail: wukeng摘 要 為了實現(xiàn)燒結(jié)礦熔滴性能預(yù)判進而減少復(fù)雜的熔滴實驗量，本文采用可視臥式高溫爐對鐵礦粉進行同化性能和流動性能實驗，獲取溫度、時間、升溫速率、面積等重要過程參數(shù)，將這些重要參數(shù)與熔滴實驗參數(shù)進行對照，分析討論了這些參數(shù)與熔滴實驗各參數(shù)的關(guān)系，從而提出了能預(yù)測燒結(jié)礦熔滴性能的熔融性能特征數(shù)(R)，運用量綱分析得到其具體物理意義。最后對5種配礦方案進行實驗驗證，發(fā)現(xiàn)熔融性能特征數(shù)(R)的變化趨勢和程度與熔滴實

2、驗中熔滴性能總特性值(S)相近。因此，使用熔融性能特征數(shù)對燒結(jié)礦的熔滴性能進行預(yù)判是合理的，能夠為燒結(jié)配礦提供指導(dǎo)。關(guān)鍵詞 鐵礦粉；同化性能；流動性能；熔滴實驗；燒結(jié)礦；燒結(jié)配礦分類號 TF521.6Study of a method for predicting the melting property of sinterDU Xiao-dong, WU Keng*, SHEN Wei, ZHU Chun-en, HUANG De-jun, XU Da-an, ZHANG Li, CHAO Chang-yao, DU Rui-lingSchool of metallurgical and e

3、cological engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China* Corresponding author, E-mail: wukengABSTRACT In order to predict the melting property of sinter and subsequently reduce the amount of complex melting tests, in this paper, a visual horizontal high temperature

4、 furnace was used for the experiments of assimilation and fluidity of iron ore powder. Some important parameters such as temperature, reaction time, heating rate and area were obtained by such experiments. Through the comparison between these parameters and the ones obtained from melting tests, thei

5、r relationship was discussed and accordingly the sinter melting characteristic number(R), which can predict the melting property of sinter, was proposed. The specific physical meaning can be got by the dimensional analysis. Finally, through the verification tests of five kinds of ore matching projec

6、t, there is a similar trend and degree between the sinter melting characteristic number(R) and the molten drops total property value(S) of melting tests. Therefore, it's reasonable for using melting characteristic number(R) to predict the molten performance of sinter and provide guidance for sin

7、tering blends.KEY WORDS iron ore powder, assimilation, fluidity, melting test, iron ore sintering, sintering blends基金項目:國家自然科學(xué)基金 (51474022)高爐內(nèi)軟熔帶料柱是高爐路床透氣性限制環(huán)節(jié)，并且其形成及位置對爐內(nèi)煤氣流分布，和還原過程都會產(chǎn)生明顯的影響進而影響焦比1，是高爐下部順行的限制性環(huán)節(jié)，也是高爐操作理念由過去上部調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)變?yōu)槟壳跋虏空{(diào)節(jié)為主的原因所在。現(xiàn)階段我國高爐爐料結(jié)構(gòu)中燒結(jié)礦占比在65%以上，高爐軟熔帶性質(zhì)由燒結(jié)礦和其他含鐵原料共同決定，而不能由單一爐料

8、軟熔性能預(yù)測，但是由燒結(jié)礦所占比例說明燒結(jié)礦對軟熔帶影響較大，需要更加全面地研究燒結(jié)礦的高溫冶金性能2,3?，F(xiàn)階段燒結(jié)礦配礦參考高溫指標(biāo)主要有同化性能，流動性能，粘結(jié)相強度等4，一方面這些高溫特性之間有重疊，另一方面燒結(jié)礦熔滴性能沒有在配礦階段考慮。目前通過燒結(jié)基礎(chǔ)特性實驗，燒結(jié)杯實驗，然后對成品燒結(jié)礦進行熔滴實驗檢測其軟熔性能。熔滴實驗復(fù)雜且耗時長，所以有必要通過較為簡單的實驗提前預(yù)判燒結(jié)礦熔滴特性能以指導(dǎo)燒結(jié)配礦。熔滴實驗指高溫下進行的熔融反應(yīng)，鐵礦粉同化性能指鐵礦粉中鐵氧化物與CaO的反應(yīng)能力，鐵礦粉流動性能指燒結(jié)過程中鐵礦粉與CaO反應(yīng)生成液相的流動能力4，三者存在關(guān)聯(lián)性，為了明確燒結(jié)

9、基礎(chǔ)特性與熔滴實驗之間的聯(lián)系，降低配礦方面工作量，本文對國外幾種常見的鐵礦粉進行了研究，以期對實際燒結(jié)生產(chǎn)配礦提供指導(dǎo)。1 同化性能及流動性能實驗1.1 實驗原理及方法本文擬定測量表1中配礦方案的同化性能和流動性能，礦粉的成分如表2所示表1 配礦方案成分表（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Composition table of ore mixing recipes(%)序號礦粉方案1方案2方案3方案4方案51巴燒粉10.610.610.610.610.62巴卡粉20.819.817.815.812.83高硅澳粉25252525254楊地粉10101010105馬薩杰2.42.42.42.42.46

10、南非粉4.54.54.54.54.57秘魯原礦2.82.82.82.82.88秘魯粗粉4.54.54.54.54.59秘魯球團粉3333310毅星粉01358表2 鐵礦粉的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 2 Chemical composition of iron ores（%）序號TFeSiO2CaOMgOAl2O3K2ONa2OZnO162.37 5.60 0.25 0.16 1.71 0.013 0.005 0.005 263.68 3.05 0.24 0.17 1.73 0.012 0.008 0.011 359.750.220.149.500.111.710.0200.009457.

11、58 5.32 0.22 0.16 1.22 0.005 0.015 0.005 557.02 4.43 0.41 0.26 2.44 0.017 0.034 0.007 664.24 4.31 0.20 0.14 1.77 0.230 0.019 0.007 756.59 9.28 2.04 2.43 1.44 0.380 0.230 0.280 867.44 2.37 1.30 0.98 0.34 0.052 0.306 0.008 967.80 2.80 0.67 0.78 0.53 0.120 0.080 0.010 1065.400.690.140.120.310.0160.0490

12、.004涉及實驗設(shè)備有：可視臥式高溫爐（型號：CI16-DIL，額定功率為8 kW）、攝像及記錄系統(tǒng)、壓片機、供氣系統(tǒng)，裝置示意圖如圖1所示。圖1 實驗裝置示意圖Fig 1 Diagram of the experiment device實驗所用CaO粒度149 m分析純，鐵礦粉粒度149 m，配入粒度149 m的焦粉以模擬熔滴實驗過程中還原性氣氛。用壓片機在壓力10 MPa下，按照圖2所示制成質(zhì)量0.8g直徑8 mm×（5-6）mm的圓柱形試樣小圓柱試樣和質(zhì)量3.0 g直徑24 mm×4 mm的圓餅形墊片，其中圓柱試樣二元堿度取4.04。將圓柱置于墊片上，放置爐中按設(shè)定升

13、溫制度(室溫600 ，15 min-1；6001150 ，10 min-1；1150 以上，5 min-1)及相應(yīng)的實驗氣氛（室溫1150 ，氮氣，3 Lmin-1；1150 實驗結(jié)束，3 Lmin-1，空氣）進行焙燒，圖像和數(shù)據(jù)信息由計算機系統(tǒng)在升溫過程中采集。實驗試樣的示意圖如圖2所示，圖3和圖4分別是同化性能實驗和流動性能實驗過程特征圖。(a) 流動性能實驗(b) 同化性能實驗圖2 實驗試樣示意圖Fig 2 Diagram of theexperiment sample(a) 未同化(b) 開始同化(c) 同化增強(d) 同化結(jié)束圖3 同化性能實驗過程特征圖Fig 3 The chara

14、cteristic images in assimilation test(e) 未流動(f) 開始流動(g) 流動增強(h) 流動結(jié)束圖4 流動性能實驗過程特征圖Fig 4 The characteristic images in fluidity test1.2 配碳量的確定熔滴實驗中由于CO的還原作用，渣相主要成分是FeO、CaO和SiO2。同化性能和流動性能實驗不配碳情況下，渣相的主要成分為Fe2O3、Fe3O4、CaO和SiO2，為了準(zhǔn)確獲得燒結(jié)基礎(chǔ)特性與熔滴性能之間的聯(lián)系，力求同化性能、流動性能實驗和熔滴實驗中的熔體成分接近，向圓柱試樣中添加焦粉，這是由于C能促使Fe3O4和Fe2

15、O3向FeO甚至Fe轉(zhuǎn)變。由還原過程鐵氧化物含氧量是由高級氧化物向低級氧化物的變化規(guī)律5：>570 時 (1)<570 時 (2)假設(shè)圓柱試樣中Fe元素全部以三價態(tài)，即赤鐵礦形式存在，此種情況下全部轉(zhuǎn)化為FeO時需要最多的焦粉配加量，由反應(yīng)式：(3)(4)實驗室溫1150通氮氣情況下C的直接還原很難發(fā)生，1150 后改通空氣C的還原反應(yīng)按照式(1)、(3)、(4)進行，根據(jù)圓柱試樣重量和含量可求得焦炭百分比為5.6%左右時，F(xiàn)e元素將全部轉(zhuǎn)化為FeO，考慮混料時的偏析及損失本實驗采用6%配碳量進行。而實際燒結(jié)過程中，赤鐵礦粉得到的燒結(jié)產(chǎn)物中鐵礦物的組成隨配碳量變化，當(dāng)燒結(jié)礦中Fe元

16、素主要以FexO形式存時配碳量為1416%5。兩者存在很大的配碳量差別，這是由于實際燒結(jié)生產(chǎn)配碳主要起熱源作用，而本實驗熱源由加熱爐提供，并且實際生產(chǎn)焦炭偏析也較大。1.3 實驗結(jié)果本文對五種方案礦粉同化性能和流動性能將采用新的方法進行測定，新方法能夠反映實驗的過程信息更加準(zhǔn)確6,7。同化性能實驗數(shù)據(jù)如表3所示，開始同化時刻時間記為t1，溫度記為T同1；同化反應(yīng)終點時刻時間記為t2，溫度記為T同2。所以同化反應(yīng)時間t為（t2t1），s；T同為同化反應(yīng)溫度為(T同2+T同1)/2，K，其中反應(yīng)開始和反應(yīng)結(jié)束點由圖3確定。表3 同化性能實驗數(shù)據(jù)Table 3 The experimental da

17、ta of assimilation property同化反應(yīng)參數(shù)t/sT同/K方案13301286方案23311283.5方案33281281方案43161277方案53181273.5對鐵礦粉流動性能評價采用以實際生產(chǎn)溫度為基準(zhǔn)的量綱為1的流動性特征數(shù)模型7，其表達(dá)式如下：(5)式中：液相流動起點時刻為t1，溫度為T流1，試樣面積為S1；終點時刻為t2溫度為T流2，試樣面積為S2；為面積增長率由（S2S1）/S1得到，%；t為液相流動時間，即流動起點到終點所需時間（t2t1），s；T流為流動溫度，即流動起點與終點溫度平均值(T流2 +T流1)/2，K；H為升溫速率（實驗過程1150 以上的

18、升溫速率），Ks-1；在此基礎(chǔ)上所測得的流動性能實驗結(jié)果如表4所示表4 流動性特征數(shù)實驗數(shù)據(jù)Table 4 The experimental data of fluidity characteristics number流動過程參數(shù)/1t/sT/KH/(K·s-1)T標(biāo)/KLD/1方案17.4716913360.08312903.70方案27.4817313370.08312903.57方案37.431801340.50.08312903.26方案47.371841346.50.08312902.93方案57.2918813500.08312902.712 熔滴實驗2.1 實驗結(jié)果及

19、分析按照表1中的配礦方案進行燒結(jié)杯實驗，將所得到的燒結(jié)礦進行熔滴實驗，實驗結(jié)果主要指標(biāo)如表5所示。表5 熔滴實驗數(shù)據(jù)Table 5 The data of molten drop test實驗參數(shù)T10%/T50%/T1/TS/Pm/PaTd/T2/S/KPa·方案11147135020313904556141929117.91方案21140134620613944230142228104.72方案31155135720213964675143539163.22方案41167137721013954934144752231.09方案51174139822413995112145253

20、244.97注：T10%：軟化開始溫度，即料層收縮10%時的溫度；T50%：軟化終了溫度，即料層收縮50%時的溫度；T1：軟化溫度區(qū)間，T1=T50%-T10%；Ts：開始熔融溫度，即壓差開始陡升（Ps=490 Pa）時的溫度；Td：分別為開始滴落溫度，即第一滴熔體滴下時的溫度；Pm：熔融狀態(tài)時的最大壓差值；T2：軟熔溫度區(qū)間，T2=Td-Ts；S：熔滴性能總特性值，S=(Pm-Ps)×T2熔滴實驗結(jié)果顯示，隨著毅星粉配比的逐漸增加，開始熔融溫度(TS)基本上沒有大的變化，而軟熔溫度區(qū)間(T2)、最大壓差值(Pm)及熔滴性能總特性值(S)呈現(xiàn)出增大的趨勢。分析其原因可能是由于毅星粉與

21、巴卡粉中FeO的含量幾乎相當(dāng)，而熔融開始溫度(TS)取決于FeO低熔點渣的熔點；同時由于毅星粉中TiO2含量較高，高溫條件下TiO2與CaO的反應(yīng)吉布斯自由能遠(yuǎn)低于Fe2O3與CaO的反應(yīng)吉布斯自由能，因此TiO2更易與CaO的反應(yīng)導(dǎo)致了液相量較少8，由此造成了開始滴落溫度(Td)升高、最大壓差值(Pm)增大。高爐爐床一個很重要的性質(zhì)就是其透氣性，它決定了通過爐料的煤氣量，其中軟熔帶決定了高爐爐料的透氣性，現(xiàn)代高爐煉鐵要求燒結(jié)礦的開始熔融溫度要高，熔滴區(qū)間要窄，熔滴過程的最大壓差要低9。盡管目前熔滴實驗沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，出于對熔滴實驗數(shù)據(jù)的對比,我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)毅星粉配比較低時（含量<3%），對

22、燒結(jié)礦冶金性能的影響是可以接受的，當(dāng)毅星粉配比較高時，燒結(jié)礦冶金性能將會明顯地惡化。2.2 討論美國學(xué)者L.A.Haas等提出熔滴性能總特性S值，它包含溫度區(qū)間(T2)和壓降大小P=Pm-Ps,10，是比軟熔溫度區(qū)間(T2=Td-Ts)更好的指標(biāo)。由此可見，單從鐵礦粉同化性和流動性的角度考慮燒結(jié)配礦的問題是不夠全面地，需提出一個綜合性的指標(biāo)?？紤]到：（1）P=(Pm-Ps)，Ps為定值，Pm取決于滴落帶的厚度、渣相量及渣相黏度11。流動性特征數(shù)LD實際上反映的是燒結(jié)液相粘度的強弱，并且LD與粘度呈負(fù)相關(guān)；（2）熔滴實驗中熔體成分和高爐初渣成分相似主要為FeO、CaO和SiO212并存在如下化學(xué)

23、反應(yīng)：(6)(7)(8)根據(jù)相圖13可知，低熔點渣相為CaO·FeO·SiO2。開始熔融溫度(Ts)取決于含F(xiàn)eO的低熔點渣的熔點，所以開始熔融溫度(Ts)反映的是生成CaO·FeO·SiO2渣相溫度。在測定鐵礦粉同化性的實驗中，F(xiàn)eO和SiO2存在于圓柱形試樣中，CaO存在于圓餅形墊片中，所以CaO·FeO·SiO2在圓柱形試樣和圓餅形墊片的接觸面上生成。同化反應(yīng)起始溫度(T同1)反映的是試樣和墊片界面上開始生成液相(即渣相CaO·FeO·SiO2)的溫度，和開始熔融溫度(Ts)具有相同的含義；（3）滴落溫度受試

24、樣中渣、鐵相的數(shù)量的影響，既可取決于渣相的熔點，也可取決于鐵相熔點14，其含義是液相大量生成的起點。流動性實驗和熔滴實驗中熔體成分是接近的，液相流動起點溫度(T流1)反映的也是液相大量生成的起點；（4）熔滴性能總特性值S=(Pm-Ps)×T2=P×(Td-Ts)；基于以上討論提出熔融特性參數(shù)：(9)雖然K與S具有相近的含義，但是K考慮的因素不夠全面。升溫速率(H)和時間(t)是一對相互制約且影響熔融性能的參數(shù)，所以定義熔融性能特征數(shù)：(10)熔融性能特征數(shù)的量綱為1，對式（11）進行量綱分析15，Q1、分別表示熔融過程所吸收的熱量和時間，Q2、分別表示外部的供熱量和供熱時間

25、，因此熔融性能特征數(shù)的物理意義為熔融過程中單位時間內(nèi)的吸熱量與供熱量之比。圖5是熔滴性能總特性值與熔融特性參數(shù)對比結(jié)果，圖6是熔滴性能總特性值與熔融性能特征數(shù)對比結(jié)果。圖5 熔滴性能總特性值與熔融特性參數(shù)對比圖Fig 5 The comparison diagram of K and S圖6 熔滴性能總特性值與熔融性能特征數(shù)對比圖Fig 6 The comparison diagram of R and S由圖5和圖6可知，熔滴性能總特性值、熔融特性參數(shù)和熔融性能特征數(shù)這三者的變化趨勢和程度是很相近的，但是熔融性能特征數(shù)包含信息是全面的，而且具有明確的物理含義，因此可以確定，使用熔融性能特征數(shù)

26、對燒結(jié)礦的軟熔性能進行預(yù)測是可行的。3 結(jié)論(1) 在測定鐵礦粉同化性能和流動性能的實驗中，本文使用了較以往不同的方法，該方法綜合了考慮了反應(yīng)過程信息，即基于多因素考慮定義了評價指標(biāo)，因此對鐵礦粉描述更全面。(2) 盡管目前有多種方法指導(dǎo)配礦，但是驗證配礦方案的燒結(jié)杯實驗任務(wù)量還是很大，本文所使用的測定鐵礦粉同化性和流動性的方法能對燒結(jié)礦的冶金性能提供初步的預(yù)判，減少一些不必要的燒結(jié)杯實驗和熔滴實驗。(3) 本文所提出的熔融性能特征數(shù)與熔滴性能總特性值具有相近的含義，因此使用熔融性能特征數(shù)對燒結(jié)配礦方案進行驗證，能為燒結(jié)礦質(zhì)量提供進一步的預(yù)判，提高配礦質(zhì)量。(4) 通過計算得到，5種配礦方案的

27、S與R比值的平均值為3.26，因此推薦燒結(jié)礦的熔融性能特征數(shù)R12.27（對高爐爐料來說，S值40 KPa·是適宜的12）。參 考 文 獻(xiàn)1 Kon T, Natsui S, Matsuhashi S, et al. Influence of Cohesive Zone Thickness on Gas Flow in Blast Furnace Analyzed by DEM-CFD Model Considering Low Coke Operation. Steel Research International, 2013, 84(84): 1146.2 Fan J, Qiu

28、G, Jiang T, et al. Studies on Alternative Blast Furnace Burden Structure with High Proportion SinterM/ 3rd International Symposium on High-Temperature Metallurgical Processing. John Wiley & Sons, Inc., 2012: 59.3 Loo C E, Matthews L T, O'Dea D P. Lump Ore and Sinter Behavior during Softening

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30、lurgical Industry press, 2013.(王筱留鋼鐵冶金學(xué)(煉鐵部分)3版北京: 冶金工業(yè)出版社, 2013.)6 WU K, WANG M, ZHAO Y, et al.A New Method for the Measuration of Assimilation Characteristics of Iron Ore Powder. Journal of Northeastern University(Natural Science) 2013, 34(7): 961.(吳鏗, 王夢, 趙勇,等. 測定鐵礦粉同化特性新方法的探索. 東北大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版, 2013

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