田 浩a ，李 玲b ，黃 森a ，春鐵軍a

( 安徽工業大學 a. 冶金工程學院; b. 能源與環境學院，安徽 馬鞍山 243032)

摘要: 隨著鐵礦資源的不斷劣化，燒結返礦率逐漸上升，影響燒結礦成品率，進而增加燒結工藝的生產成本。過剩燒結返礦的利用是燒結行業面臨的共同難題。本文采用返礦冷固結壓塊使其達到入爐要求，為燒結返礦的利用提供新途徑。本文借助粗糙度因子( CF) 來反映物料中粗顆粒的相對含量，通過計算設計 7 組不同粒度組成的燒結返礦進行冷固結壓塊試驗，檢測生團塊的落下強度和抗壓強度以及成品團塊的抗壓強度等指標，研究不同粒度組成對燒結返礦冷固結性能的影響。結果表明，粗糙度因子對冷壓團塊質量有顯著的影響，當粗糙度因子為 40時的燒結返礦具有最佳冷固結性能，其生團塊落下強度為 28 次/( 0. 5 m) ，抗壓強度為 72 N/P，成品團塊抗壓強度為 2 500 N/P。SEM 結果表明，粗糙度因子為 40 的冷固結團塊具有致密的結構和較低的孔隙率。

關鍵詞: 燒結返礦; 冷固結; 粗糙度因子; 落下強度; 抗壓強度

鐵礦燒結工序碳排放量約占整個鋼鐵流程碳排放總量的 15% ，是鋼鐵生產過程碳排放量的第二大工序( 僅次于高爐) ^［1－2］。每生產 1 t 鋼，燒結工序的二氧化碳排放量約 250 kg。燒結返礦是經過整粒工序篩分后得到的粒度小于 5 mm 的燒結礦，其一般返回燒結配料處理，在燒結工序循環使用^［3－4］。燒結返礦對混合料的混勻制粒具有重要作用，在混勻過程中充當制粒球核的作用，促進細粒級的礦粉黏附，有利于改善燒結料層的透氣性，合理的燒結返礦占比為 20% ～ 30%^［5］。但隨著鐵礦資源的逐漸惡化，燒結礦質量有所降低，返礦率逐漸提高，目前部分燒結廠的返礦配比高達 35% ～ 40% ，其較合理的返礦配比高出 10 ～ 20 個百分點^［6］。高返礦率會造成燒結成品率降低，成本及碳排放量增加，過剩燒結返礦的有效利用已成為鋼鐵行業迫切需要解決的關鍵共性難題^［7］。

目前，國內大部分鋼鐵企業對燒結返礦的處理與利用主要有兩方面: 一是從燒結工序本身出發研究如何降低燒結返礦率; 二是將過剩燒結返礦應用于其它工藝或領域。李紅等^［8］研究采用提高燒結礦 FeO 質量分數、強化制粒、調整燒結點火溫度等措施降低燒結返礦率，一系列措施實施后燒結返礦率平均下降 5. 9% ，但需要對現有工藝或設備進行改動，運行成本有所提高。雷浩洪^［9］研究了在高鐵水比冶煉條件下，用燒結返礦作轉爐煉鋼的冷卻劑，結果發現在每噸廢鋼加 2 t 燒結返礦，其冷卻效果優于石灰石，實現了燒結返礦的高效利用。王皎月等^［10］分析了燒結返礦作為煉鋼的主要原料替代廢鋼加入轉爐的優越性，包括燒結返礦的熱效應和組分能夠滿足熱量平衡的基本功能，但由于燒結礦鐵品位較低，同時 SiO₂ 和CaO 等成分的質量分數較高，導致煉鋼過程渣量增加，同時燒結礦中 S 和 P 等有害元素也會影響鋼水質量^{［11 － 12］}。燒結返礦與成品燒結礦相比，其化學成分一致，但其粒徑過小不能直接作為高爐入爐料，如果將其冷壓造塊使其粒徑和強度滿足高爐入爐爐料的要求，則可以實現燒結返礦的有效利用^［13］。彭亮等^［14］對鉛鋅礦充填料的粒度組成進行分析，結果表明: 為保證合理級配， ＜ 1 mm顆粒質量分數不小于 35% ，10 ～ 20 mm 顆粒質量分數不超過 10% ，可以達到較好的膠結充填。甘德清等^［15］研究尾砂粒度組成對充填體強度的影響，結果表明: 利用水泥包裹使適量的細粒級尾砂填充大顆粒之間的空隙，可以促進顆粒間膠結，提高試塊強度。

燒結返礦粒度組成對冷固結團塊性能有明顯的影響，本文主要采用不同粒級的燒結返礦相互搭配，開展冷固結試驗，研究不同粒度組成對燒結返礦冷固結性能的影響規律，為燒結返礦的利用提供技術支撐。

1 試驗原料與方法

1. 1 試驗原料

試驗所用原料主要包括燒結返礦和復合黏結劑。復合黏結劑主要由 40% 的膨潤土、30% 的聚乙烯醇( PVA) 和 30% 的標準 325 水泥組成。試驗所用原料燒結返礦、膨潤土和水泥的化學成分如表 1 所示。由表 1 可知，燒結返礦化學成分與成品燒結礦一致; 325 水泥中堿金屬含量較高，且SO₃ 質量分數為 2. 6% 。燒結返礦的粒度組成中，＜ 1 mm 粒級質量分數為 15%，［1，3) mm 粒級質量分數為 35%，［3，5) mm 粒級質量分數為 50% 。

1. 2 試驗方法

試驗包括燒結返礦冷固結團塊制備及強度檢測和顯微形貌分析。返礦冷壓團塊制備的主要工藝流程如圖 1 所示，主要包括配料、混勻、加水攪拌、冷壓成塊和干燥等步驟。每 組 實 驗 采 用LP—C30002型電子天平稱取 2 kg 燒結返礦，另配加 4% ( 80 g) 復合黏結劑經 SYH—15 型混料機混合均勻，再加入 100 g( 控制水分 5% ) 水經 B10 型攪拌機攪拌 5 min，采用 TDXM—360 型對輥壓球機在輥壓 20 MPa、主軸轉速 8 r/min 的條件下壓制成尺寸為 18 mm × 22 mm × 32 mm 的橢球形團塊。得到的生團塊在 101—2AB 型電熱鼓風干燥箱中于 105 ℃下干燥 12 h 至恒重，得到成品團塊。

生團塊落下強度的檢測方法是將生團塊 在0. 5 m高度處自由落下到厚度為 6 mm 的鋼板上，記錄破碎時的落下次數。每組測量 10 個團塊取其平均值作為最終試驗結果，生團塊落下強度單位為次/( 0. 5 m) 。生團塊抗壓強度的檢測方法是將生團塊在 YHKC-2A 型顆粒強度測定儀上測量，記錄其破裂時的抗壓強度值，每組取 10 個團塊進行測量，取其平均值作為最終結果，生團塊抗壓強度單位為 N/P。成品團塊抗壓強度的檢測方法參照《鐵礦球團抗壓強度測定方法》( GB /T 14201— 93) 在 WDW—QT—10 全自動鐵礦球團抗壓機上測量其抗壓強度，成品團塊抗壓強度單位為 N/P。

采用 JSM—6510 型電子顯微鏡對成品團塊樣品進行觀察，分析其顯微形貌。粗糙度因子( coarseness factor，CF) 反映了物料中粗顆粒的相對含量，其計算式如下。

式中: ρ_CF為粗糙度因子; Q 為骨料在 3 mm 篩上的累計篩余百分比，% ; Ｒ 為骨料在 1 mm 篩上的累計篩余百分比，% 。

一般 ρ_CF 的取值范圍為 0 ～ 100，當其為 100時，燒結返礦的級配缺少［1，3) mm 的顆粒，整體粒 徑 偏 粗; 當 ρ_CF 為 0 時，燒結返礦中沒有［1，3) mm的顆粒，整體粒徑偏細。

試驗中，采用電子天平分別稱取各粒級的燒結返礦進行混勻，依據各粒級返礦所占質量分數的不同，分為 7 組實驗，依據式( 1) 計算得出各組實驗的粗糙度因子，ρCF值分別為 0、30、40、50、60、80 和 100，對應關系如表 2 所示。

2 試驗結果與分析

2. 1 單一粒度對燒結返礦團塊強度的影響

為研究不同單一粒度返礦對冷固結團塊強度的影響，對三種不同粒度組成［＜ 1 mm，［1，3) mm和 ［3，5) mm］的燒結返礦分別進行冷固結試驗，結果如表 3 所示。

由表 3 可知，隨著燒結返礦的粒度提高，生團塊和成品團塊的性能逐漸降低。采用 ＜ 1 mm 燒結返礦進行冷固結試驗可得到較好的強度，其生團塊落下強度達 30 次/( 0. 5 m) 、生團塊抗壓強度達 78 N/P、成品團塊抗壓強度達 1 800 N/P，這表明［1，3) mm 燒結返礦對于冷固結團塊強度起著重要作用。當采用［1，3) mm 和［3，5) mm 燒結返礦進行冷固結試驗時，生團塊強度明顯下降，生團塊落下強度分別為 8 次/( 0. 5 m) 和 5 次/( 0. 5 m) ; 抗壓強度分別為 22 N/P 和 18 N/P，成品團塊強度呈平緩下降趨勢，抗壓強度分別為 1 400 N/P 和1 200 N/P，主要是因為冷固結試驗中細粒級物料可保證冷固結團塊具有更致密的結構和較小的孔隙率，因而隨著物料粒度的增大，強度逐漸下降。

由于燒結返礦粒級范圍主要集中在［3，5) mm，因此需要調整燒結返礦的粒度組成，研究不同粒度匹配對冷固結團塊性能的影響。

2. 2 不同粒度組成對燒結返礦團塊強度的影響

不同粒度組成對應不同粗糙度因子( 表 2) ，粗糙度因子對燒結返礦冷固結團塊性能的影響如圖 2所示。由圖 2( a) 可知，粗糙度因子為 0 ～ 40 時，生團塊和成品團塊的強度隨著粗糙度因子的增加而逐漸提高，當粗糙度因子超過 40 時，生團塊和成品團塊的強度隨粗糙度因子的增加而逐漸降低。由圖2( b) 可知，當粗糙度因子從 0 增加至 40 時，生團塊的落下強度和抗壓強度分別由8 次/( 0. 5 m) 和21 N/P升至 28 次/( 0. 5 m) 和72 N/P，成品團塊的抗壓強度由 1 400 N/P 升至2 500 N/P，此階段冷固結團塊各項性能的升高趨勢顯著，這說明適量增加物料中粗顆粒的質量分數，有利于提高冷固結團塊的各項性能。當粗糙度因子從 40 增加至 60時，生團塊的落下強度和抗壓 強度分別由28 次/( 0. 5 m) 和 72 N/P 降 至 7 次/( 0. 5 m) 和31 N/P，成品團塊抗壓強度由 2 500 N/P 降 至1 562 N/P，此階段冷固結團塊的各項性能呈顯著下降趨勢，這表明冷固結試驗中存在粗糙度因子臨界值，當超過該臨界值時，冷固結團塊的各項性能會惡化。分析原因認為，隨著粗糙度因子的增大，其孔隙率逐漸增大，內部黏結劑的網狀結構被破壞。當粗糙度因子從 60 增加至 100 時，生團塊的落下強度和抗壓強度分別從 7 次/( 0. 5 m) 和 31 N/P 降至 5 次/( 0. 5 m) 和 21 N/P，成品團塊抗壓強度由 1 562 N/P 降至1 248 N/P，此階段冷固結團塊各項性能呈平緩下降趨勢。

由以上分析可知，隨著粗糙度因子的增加，生團塊和成品團塊的強度變化趨勢一致，且在粗糙度因子為 40 時，各項性能均達最佳。當粗糙度因子由 0 增加至 40 時，物料中的粗顆粒起到骨架支撐和黏附細顆粒的作用，使冷固結團塊內部緊密接觸，故此階段強度逐漸升高。當粗糙度因子由 40 增加至 60 時，物料中粗顆粒含量繼續升高，導致冷固結團塊內部孔隙率增大，結構松散，此階段強度急劇惡化。當粗糙度因子由 60 繼續增加 至 100，冷固結團塊內部結構變化不明顯，此階段強度下降趨勢平緩。綜上，試驗中控制物料的粗糙度因子為 40 以保證較好的冷固結性能。

參照建筑行業對混凝土進行骨料的級配優化可知，合理的骨料級配可得到較小的孔隙率和穩定的團聚結構，從而最大限度發揮骨料的骨架與穩定作用^［16］。同理，合理的返礦級配可提高其冷固結團塊的性能。最大密度曲線理論作為常用的級配理論，被應用于各個領域，其核心是以不同粒度組成混合達到最大密度的效果。最大密度曲線是以大量實驗為基礎提出的一種理論曲線，經大量學者研究和改進^［17］，得到級配曲線如圖 3 所示，表達式如式( 2) 所示。

式中: Pi 為各粒級的通過率，% ; di 為各顆粒粒徑，mm; D 為最大顆粒粒徑，mm，一般取 5 mm。

依據級配曲線表達式，將燒結返礦各顆粒粒徑，即 1 mm 和 3 mm 代入級配曲線表達式，計算得到返礦最佳級配 ＜1 mm 粒級質量分數為 48. 5%、［1，3) mm 粒級質量分數為 31%、［3，5) mm 粒級質量分數為 20. 5% ，代入式( 1) 計算該級配的粗糙度因子為 40。綜上所述，由試驗結果和最大密度曲線理論解釋發現，采用燒結返礦進行冷固結造球試驗時，其最佳粒度組成 ＜ 1 mm 為 48. 5% 、 ［1，3) mm 為 31%、［3，5) mm 為 20. 5% ，其對應的粗糙度因子為 40。

2. 3 燒結返礦冷固結團塊的顯微形貌分析

選取最具有代表性的試樣進行掃描電鏡( SEM) 分析，觀察冷固結團塊內部的顯微形貌，結果如圖 4 所示。

由圖 4 ( a) 可知，冷固結團塊內部顆粒間隙小，有利于黏結劑填充，使顆粒間連接致密，孔隙率降低。但該條件下冷固結團塊強度主要依靠黏結劑的黏結力保證，顆粒之間無法互相填充和鑲嵌，當黏結劑不足或失效時，會導致其強度性能急劇下降。由圖 4( b) 可知，冷固結團塊內部顆粒間隙增大，出現少量孔洞，黏結劑無法完全填充其內部間隙，導致孔隙率增大，影響冷固結團塊性能。由圖 4( c) 可知，冷固結團塊內部黏結劑分布不均勻、顆粒間隙繼續增大，且有部分大顆粒被 壓 碎，在其內部產生新的裂縫和孔洞。由圖 4( d) 可知，冷固結團塊內部出現少量大顆粒與小顆粒相互鑲嵌的結構，但整體以大顆粒居多，且部分大顆粒被壓潰產生新的裂縫和孔洞，導致小顆粒和黏結劑無法填充這些裂縫和孔洞，故該組返礦級配不能保證冷固結團塊具有最佳性能。由圖 4( e) 可知，冷固結團塊內部整體呈大顆粒與小顆粒相互填充和鑲嵌的結構，大顆粒在內部起到骨架支撐作用，小顆粒和黏結劑填充在大顆粒之間，使冷固結團塊結構致密，孔隙率降低，從而該組返礦級配可保證其具有最佳性能。

3 結 論

( 1) 單因素實驗結果表明，隨著返礦粒度逐漸增大，冷固結團塊的內部間隙增大，團塊各項性能惡化。

( 2) 采用不同粒度組成( 粗糙度因子) 返礦冷固結造球試驗結果表明，隨著粗糙度因子的增大，團塊大顆粒含量逐漸提高，間隙增大。團塊內部細粒級顆粒依靠黏結劑填充在大顆粒間隙中，以此保證團塊強度。當粗糙度因子為 40 時，冷固結團塊具有最佳性能。

( 3) 由試驗結果和最大密度曲線理論可知，燒結返礦冷固結最佳粗糙度因子為 40，SEM 結果表明，冷固結團塊內部的裂縫和孔洞越少，顆粒間互相鑲嵌、互相填充，結構致密。

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