烧结矿熔滴性能预测新方法最终投

1、烧结矿熔滴性能预测方法研究杜晓东，吴 铿*，申 威，朱春恩，黄德军，徐大安，张 黎，巢昌耀，杜瑞岭北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083*通信作者, E-mail: wukeng摘 要 为了实现烧结矿熔滴性能预判进而减少复杂的熔滴实验量，本文采用可视卧式高温炉对铁矿粉进行同化性能和流动性能实验，获取温度、时间、升温速率、面积等重要过程参数，将这些重要参数与熔滴实验参数进行对照，分析讨论了这些参数与熔滴实验各参数的关系，从而提出了能预测烧结矿熔滴性能的熔融性能特征数(R)，运用量纲分析得到其具体物理意义。最后对5种配矿方案进行实验验证，发现熔融性能特征数(R)的变化趋势和程度与熔滴实

2、验中熔滴性能总特性值(S)相近。因此，使用熔融性能特征数对烧结矿的熔滴性能进行预判是合理的，能够为烧结配矿提供指导。关键词 铁矿粉；同化性能；流动性能；熔滴实验；烧结矿；烧结配矿分类号 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基金项目:国家自然科学基金 (51474022)高炉内软熔带料柱是高炉路床透气性限制环节，并且其形成及位置对炉内煤气流分布，和还原过程都会产生明显的影响进而影响焦比1，是高炉下部顺行的限制性环节，也是高炉操作理念由过去上部调节转变为目前下部调节为主的原因所在。现阶段我国高炉炉料结构中烧结矿占比在65%以上，高炉软熔带性质由烧结矿和其他含铁原料共同决定，而不能由单一炉料

8、软熔性能预测，但是由烧结矿所占比例说明烧结矿对软熔带影响较大，需要更加全面地研究烧结矿的高温冶金性能2,3。现阶段烧结矿配矿参考高温指标主要有同化性能，流动性能，粘结相强度等4，一方面这些高温特性之间有重叠，另一方面烧结矿熔滴性能没有在配矿阶段考虑。目前通过烧结基础特性实验，烧结杯实验，然后对成品烧结矿进行熔滴实验检测其软熔性能。熔滴实验复杂且耗时长，所以有必要通过较为简单的实验提前预判烧结矿熔滴特性能以指导烧结配矿。熔滴实验指高温下进行的熔融反应，铁矿粉同化性能指铁矿粉中铁氧化物与CaO的反应能力，铁矿粉流动性能指烧结过程中铁矿粉与CaO反应生成液相的流动能力4，三者存在关联性，为了明确烧结

9、基础特性与熔滴实验之间的联系，降低配矿方面工作量，本文对国外几种常见的铁矿粉进行了研究，以期对实际烧结生产配矿提供指导。1 同化性能及流动性能实验1.1 实验原理及方法本文拟定测量表1中配矿方案的同化性能和流动性能，矿粉的成分如表2所示表1 配矿方案成分表（质量分数）Table 1 Composition table of ore mixing recipes(%)序号矿粉方案1方案2方案3方案4方案51巴烧粉10.610.610.610.610.62巴卡粉20.819.817.815.812.83高硅澳粉25252525254杨地粉10101010105马萨杰2.42.42.42.42.46

10、南非粉4.54.54.54.54.57秘鲁原矿2.82.82.82.82.88秘鲁粗粉4.54.54.54.54.59秘鲁球团粉3333310毅星粉01358表2 铁矿粉的化学成分（质量分数）Table 2 Chemical composition of iron ores（%）序号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涉及实验设备有：可视卧式高温炉（型号：CI16-DIL，额定功率为8 kW）、摄像及记录系统、压片机、供气系统，装置示意图如图1所示。图1 实验装置示意图Fig 1 Diagram of the experiment device实验所用CaO粒度149 m分析纯，铁矿粉粒度149 m，配入粒度149 m的焦粉以模拟熔滴实验过程中还原性气氛。用压片机在压力10 MPa下，按照图2所示制成质量0.8g直径8 mm×（5-6）mm的圆柱形试样小圆柱试样和质量3.0 g直径24 mm×4 mm的圆饼形垫片，其中圆柱试样二元碱度取4.04。将圆柱置于垫片上，放置炉中按设定升

13、温制度(室温600 ，15 min-1；6001150 ，10 min-1；1150 以上，5 min-1)及相应的实验气氛（室温1150 ，氮气，3 Lmin-1；1150 实验结束，3 Lmin-1，空气）进行焙烧，图像和数据信息由计算机系统在升温过程中采集。实验试样的示意图如图2所示，图3和图4分别是同化性能实验和流动性能实验过程特征图。(a) 流动性能实验(b) 同化性能实验图2 实验试样示意图Fig 2 Diagram of theexperiment sample(a) 未同化(b) 开始同化(c) 同化增强(d) 同化结束图3 同化性能实验过程特征图Fig 3 The chara

14、cteristic images in assimilation test(e) 未流动(f) 开始流动(g) 流动增强(h) 流动结束图4 流动性能实验过程特征图Fig 4 The characteristic images in fluidity test1.2 配碳量的确定熔滴实验中由于CO的还原作用，渣相主要成分是FeO、CaO和SiO2。同化性能和流动性能实验不配碳情况下，渣相的主要成分为Fe2O3、Fe3O4、CaO和SiO2，为了准确获得烧结基础特性与熔滴性能之间的联系，力求同化性能、流动性能实验和熔滴实验中的熔体成分接近，向圆柱试样中添加焦粉，这是由于C能促使Fe3O4和Fe2

15、O3向FeO甚至Fe转变。由还原过程铁氧化物含氧量是由高级氧化物向低级氧化物的变化规律5：>570 时 (1)<570 时 (2)假设圆柱试样中Fe元素全部以三价态，即赤铁矿形式存在，此种情况下全部转化为FeO时需要最多的焦粉配加量，由反应式：(3)(4)实验室温1150通氮气情况下C的直接还原很难发生，1150 后改通空气C的还原反应按照式(1)、(3)、(4)进行，根据圆柱试样重量和含量可求得焦炭百分比为5.6%左右时，Fe元素将全部转化为FeO，考虑混料时的偏析及损失本实验采用6%配碳量进行。而实际烧结过程中，赤铁矿粉得到的烧结产物中铁矿物的组成随配碳量变化，当烧结矿中Fe元

16、素主要以FexO形式存时配碳量为1416%5。两者存在很大的配碳量差别，这是由于实际烧结生产配碳主要起热源作用，而本实验热源由加热炉提供，并且实际生产焦炭偏析也较大。1.3 实验结果本文对五种方案矿粉同化性能和流动性能将采用新的方法进行测定，新方法能够反映实验的过程信息更加准确6,7。同化性能实验数据如表3所示，开始同化时刻时间记为t1，温度记为T同1；同化反应终点时刻时间记为t2，温度记为T同2。所以同化反应时间t为（t2t1），s；T同为同化反应温度为(T同2+T同1)/2，K，其中反应开始和反应结束点由图3确定。表3 同化性能实验数据Table 3 The experimental da

17、ta of assimilation property同化反应参数t/sT同/K方案13301286方案23311283.5方案33281281方案43161277方案53181273.5对铁矿粉流动性能评价采用以实际生产温度为基准的量纲为1的流动性特征数模型7，其表达式如下：(5)式中：液相流动起点时刻为t1，温度为T流1，试样面积为S1；终点时刻为t2温度为T流2，试样面积为S2；为面积增长率由（S2S1）/S1得到，%；t为液相流动时间，即流动起点到终点所需时间（t2t1），s；T流为流动温度，即流动起点与终点温度平均值(T流2 +T流1)/2，K；H为升温速率（实验过程1150 以上的

18、升温速率），Ks-1；在此基础上所测得的流动性能实验结果如表4所示表4 流动性特征数实验数据Table 4 The experimental data of fluidity characteristics number流动过程参数/1t/sT/KH/(K·s-1)T标/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 熔滴实验2.1 实验结果及

19、分析按照表1中的配矿方案进行烧结杯实验，将所得到的烧结矿进行熔滴实验，实验结果主要指标如表5所示。表5 熔滴实验数据Table 5 The data of molten drop test实验参数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%：软化开始温度，即料层收缩10%时的温度；T50%：软化终了温度，即料层收缩50%时的温度；T1：软化温度区间，T1=T50%-T10%；Ts：开始熔融温度，即压差开始陡升（Ps=490 Pa）时的温度；Td：分别为开始滴落温度，即第一滴熔体滴下时的温度；Pm：熔融状态时的最大压差值；T2：软熔温度区间，T2=Td-Ts；S：熔滴性能总特性值，S=(Pm-Ps)×T2熔滴实验结果显示，随着毅星粉配比的逐渐增加，开始熔融温度(TS)基本上没有大的变化，而软熔温度区间(T2)、最大压差值(Pm)及熔滴性能总特性值(S)呈现出增大的趋势。分析其原因可能是由于毅星粉与

21、巴卡粉中FeO的含量几乎相当，而熔融开始温度(TS)取决于FeO低熔点渣的熔点；同时由于毅星粉中TiO2含量较高，高温条件下TiO2与CaO的反应吉布斯自由能远低于Fe2O3与CaO的反应吉布斯自由能，因此TiO2更易与CaO的反应导致了液相量较少8，由此造成了开始滴落温度(Td)升高、最大压差值(Pm)增大。高炉炉床一个很重要的性质就是其透气性，它决定了通过炉料的煤气量，其中软熔带决定了高炉炉料的透气性，现代高炉炼铁要求烧结矿的开始熔融温度要高，熔滴区间要窄，熔滴过程的最大压差要低9。尽管目前熔滴实验没有统一的标准，出于对熔滴实验数据的对比,我们发现当毅星粉配比较低时（含量<3%），对

22、烧结矿冶金性能的影响是可以接受的，当毅星粉配比较高时，烧结矿冶金性能将会明显地恶化。2.2 讨论美国学者L.A.Haas等提出熔滴性能总特性S值，它包含温度区间(T2)和压降大小P=Pm-Ps,10，是比软熔温度区间(T2=Td-Ts)更好的指标。由此可见，单从铁矿粉同化性和流动性的角度考虑烧结配矿的问题是不够全面地，需提出一个综合性的指标。考虑到：（1）P=(Pm-Ps)，Ps为定值，Pm取决于滴落带的厚度、渣相量及渣相黏度11。流动性特征数LD实际上反映的是烧结液相粘度的强弱，并且LD与粘度呈负相关；（2）熔滴实验中熔体成分和高炉初渣成分相似主要为FeO、CaO和SiO212并存在如下化学

23、反应：(6)(7)(8)根据相图13可知，低熔点渣相为CaO·FeO·SiO2。开始熔融温度(Ts)取决于含FeO的低熔点渣的熔点，所以开始熔融温度(Ts)反映的是生成CaO·FeO·SiO2渣相温度。在测定铁矿粉同化性的实验中，FeO和SiO2存在于圆柱形试样中，CaO存在于圆饼形垫片中，所以CaO·FeO·SiO2在圆柱形试样和圆饼形垫片的接触面上生成。同化反应起始温度(T同1)反映的是试样和垫片界面上开始生成液相(即渣相CaO·FeO·SiO2)的温度，和开始熔融温度(Ts)具有相同的含义；（3）滴落温度受试

24、样中渣、铁相的数量的影响，既可取决于渣相的熔点，也可取决于铁相熔点14，其含义是液相大量生成的起点。流动性实验和熔滴实验中熔体成分是接近的，液相流动起点温度(T流1)反映的也是液相大量生成的起点；（4）熔滴性能总特性值S=(Pm-Ps)×T2=P×(Td-Ts)；基于以上讨论提出熔融特性参数：(9)虽然K与S具有相近的含义，但是K考虑的因素不够全面。升温速率(H)和时间(t)是一对相互制约且影响熔融性能的参数，所以定义熔融性能特征数：(10)熔融性能特征数的量纲为1，对式（11）进行量纲分析15，Q1、分别表示熔融过程所吸收的热量和时间，Q2、分别表示外部的供热量和供热时间

25、，因此熔融性能特征数的物理意义为熔融过程中单位时间内的吸热量与供热量之比。图5是熔滴性能总特性值与熔融特性参数对比结果，图6是熔滴性能总特性值与熔融性能特征数对比结果。图5 熔滴性能总特性值与熔融特性参数对比图Fig 5 The comparison diagram of K and S图6 熔滴性能总特性值与熔融性能特征数对比图Fig 6 The comparison diagram of R and S由图5和图6可知，熔滴性能总特性值、熔融特性参数和熔融性能特征数这三者的变化趋势和程度是很相近的，但是熔融性能特征数包含信息是全面的，而且具有明确的物理含义，因此可以确定，使用熔融性能特征数

26、对烧结矿的软熔性能进行预测是可行的。3 结论(1) 在测定铁矿粉同化性能和流动性能的实验中，本文使用了较以往不同的方法，该方法综合了考虑了反应过程信息，即基于多因素考虑定义了评价指标，因此对铁矿粉描述更全面。(2) 尽管目前有多种方法指导配矿，但是验证配矿方案的烧结杯实验任务量还是很大，本文所使用的测定铁矿粉同化性和流动性的方法能对烧结矿的冶金性能提供初步的预判，减少一些不必要的烧结杯实验和熔滴实验。(3) 本文所提出的熔融性能特征数与熔滴性能总特性值具有相近的含义，因此使用熔融性能特征数对烧结配矿方案进行验证，能为烧结矿质量提供进一步的预判，提高配矿质量。(4) 通过计算得到，5种配矿方案的

27、S与R比值的平均值为3.26，因此推荐烧结矿的熔融性能特征数R12.27（对高炉炉料来说，S值40 KPa·是适宜的12）。参 考 文 献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

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