近年來，隨著鋼鐵產能日趨過甚，降低煉鐵配礦成本，提高鋼鐵產品性能成為提升企業(yè)核心競爭力的重要舉措，而鐵前系統(tǒng)降低成本的重點則在于鐵礦粉在燒結工藝的優(yōu)化配置。由于高品質進口礦價格高、產能逐年下降，大量配加優(yōu)質進口礦不符合我國鋼鐵生產的實際需求，因此，高比例配加廉價進口褐鐵礦將成為降低燒結配礦成本的有效措施之一。眾所周知，褐鐵礦具有結晶水含量高、粒度粗、結構疏松多孔、易融化和還原性高等特性，會對燒結礦產、質量造成影響，實現(xiàn)褐鐵礦與其他礦種的優(yōu)化搭配是確保燒結礦質量的關鍵。 

針對褐鐵礦的燒結性能國內外已有大量研究，黃偉青等研究了澳大利亞褐鐵礦的基礎特性，認為通過增加生石灰配加量、分割制粒等技術措施，能夠使褐鐵礦配加比例達到50%以上；金俊等研究了高褐鐵礦配比條件下不同石灰石粉粒度對燒結礦質量的影響，認為高褐鐵礦配比條件下，可通過減少石灰石粉中直徑小于1mm的微細顆粒的比例來改善燒結礦質量、提高燒結生產效率；王躍飛等研究了高褐鐵礦配比條件下堿度、鈣質熔劑種類等因素對燒結礦質量的影響，認為在高褐鐵礦配比條件下，需通過增加生石灰使用比例以及提高燒結抽風負壓和料層厚度的措施來改善燒結礦質量。已有研究表明，褐鐵礦勢必會對燒結礦質量造成不利影響，需要優(yōu)化燒結制度來穩(wěn)定燒結礦質量，同時，優(yōu)化配礦結構對于確保燒結礦質量至關重要，目前針對全進口礦燒結條件下，褐鐵礦與赤鐵礦和磁精礦合理搭配的研究尚較欠缺。為此，本研究基于進口鐵礦粉的常規(guī)理化性能和高溫基礎特性，開展了高褐鐵礦配比的燒結優(yōu)化配礦研究，并結合Factsage7.1熱力學軟件模擬了燒結黏附粉含量以及理論液相生成性能，研究結果對于沿海鋼鐵企業(yè)在全進口礦燒結條件下實現(xiàn)褐鐵礦優(yōu)化配置具有重要的指導意義。 

以S鋼鐵公司500m²大型燒結機所用原燃料為試驗主要原料，含鐵原料有7種，主要來源澳大利亞和巴西，其中，OA、OB、OC、OD礦產自澳大利亞，前三者為褐鐵礦或半褐鐵礦，OD礦為磁鐵精礦，OE、OF、OG礦產自巴西，均為赤鐵礦。熔劑為白云石和生石灰，主要用來調整燒結礦MgO含量和堿度。燃料為焦粉.  原燃料化學成分見表1，粒度組成見表2。

根據(jù)表1可知：

①7種鐵礦粉的TFe質量分數(shù)除OB礦外均大于60%，OD、OE礦的TFe質量分數(shù)在65%以上，配加OD、OE礦有利于燒結礦鐵品位的提高；

②OD、OF礦的SiO₂質量分數(shù)在6.0%以上，主要用來平衡燒結礦SiO₂含量；

③7種鐵礦粉的MgO和CaO質量分數(shù)均較低，在0.20%以下；

④澳礦粉OA、OC礦結晶水質量分數(shù)在3.0%～6.0%之間，屬于中等水化程度的半褐鐵礦，OB礦結晶水質量分數(shù)高達10.0%，屬于褐鐵礦；巴西礦的結晶水質量分數(shù)均在3.0%以下，屬于低水化程度的赤鐵礦；

⑤OG礦的有害元素P質量分數(shù)為0.2%，從控制鐵水P含量的角度分析，應盡量減少其配加比例；

⑥7種鐵礦粉有害元素S質量分數(shù)均在0.15%以下，可為燒結工藝超低硫排放創(chuàng)造條件，減輕末端脫硫壓力。

按照燒結制粒和鐵礦粉礦化要求，小于0.5mm的鐵礦粉粒度較細，易于成球，且在燒結過程中，容易和CaO發(fā)生礦化反應形成鐵酸鈣和硅酸鹽液相，利于改善燒結性能。由此可知，褐鐵礦OA、OB礦粒度較粗，礦化能力較弱，不易生成燒結液相，并且褐鐵礦分解產生赤鐵礦微球網狀結構孔隙率較高，燒結液相易于進入網孔，消耗液相，降低強度。

鐵礦粉的高溫燒結基礎特性是評價其對燒結過程以及燒結礦冶金性能所作貢獻的基本指標，對燒結礦產質量以及燒結配礦結構優(yōu)化有著重要影響，研究內容一般包括最低同化溫度、液相流動性、連晶特性、黏結相強度和鐵酸鈣生成特性，采用《鐵礦石燒結基礎特性試驗裝置》進行測試。試驗用鐵礦粉需要磨成細粉狀（?0.15mm），CaO為純化學試劑，將鐵礦粉和CaO試劑分別制備成小餅試樣，在試驗所需的溫度、時間和氣氛條件下進行焙燒，得出鐵礦粉高溫性能指標。其測試結果如 圖1和表3所示。

由燒結基礎特性測試結果可知，澳礦的同化性溫度總體上較低，巴西礦的同化性溫度較高；澳礦OB、OD礦的液相流動性較好，而巴西礦OE、OF礦的較差；澳礦OC、OD礦的鐵酸鈣生成能力較強，巴西礦OF、OG礦的較弱；澳礦OA、OB和OC礦的黏結相強度較差，而巴西礦OE、OF礦的較好。 分析可知，澳大利亞褐鐵礦和巴西赤鐵礦的高溫燒結基礎特性互補優(yōu)勢明顯，燒結提高褐鐵礦配比的同時，應合理搭配磁鐵精礦和巴西赤鐵礦，以實現(xiàn)其燒結特性優(yōu)勢互補、劣勢互抑的目的，從而獲得理想的燒結性能。

一般而言，褐鐵礦水化程度高，結晶水分解后成品燒結礦品位高、價格低，若能保證燒結礦強度和低溫還原粉化（RDI+3.15mm）等冶金性能，則可提升燒結生產效率并顯著降低配礦成本。為了探究全進口礦原料條件下褐鐵礦在燒結工藝的合理配置，針對S鋼鐵公司500m²大型燒結機的實際生產需求，開展高褐鐵礦配比燒結杯試驗研究。依據(jù)鐵礦粉燒結基礎特性互補和燒結礦綜合冶金性能要求，結合鐵礦粉來源和地域特點，將澳礦褐鐵礦（OA+OB+OC）視為一類型礦，澳礦磁鐵精礦OD視為一類型礦（該礦具有高硅高品位、粒度細、燒結性能好和價格高的特點，主要用于改善褐鐵礦的燒結性能）。巴西赤鐵礦（OE+OF+OG）視為一類型礦，方案中褐鐵礦的質量分數(shù)變化設計為45%、50%、55%，磁鐵精礦的質量分數(shù)變化設計為10%、15%，赤鐵礦的質量分數(shù)變化設計為35%、40%。  燒結杯具體配礦方案如表4所示。

試驗過程中，燒結礦成分依據(jù)生產現(xiàn)場實際控制條件而設定，MgO質量分數(shù)控制為1.75%，SiO₂質量分數(shù)控制在5.2%～5.4%之間，堿度R控制為1.95。燒結杯工藝參數(shù)如表5所示。 

制粒是燒結成礦過程的一個重要環(huán)節(jié)，混合料在水分的作用下，細顆粒黏附在粗顆粒上或者細顆粒之間相互聚集而長大成為小球，目的是改善燒結料層透氣性，提高燒結礦產量。在燒結成礦過程中，熔劑完全參與成礦，而鐵礦石成礦的粒度界限為0.5mm，熔劑與?0.5mm鐵礦粉反應形成熔融區(qū)，而+0.5mm的鐵礦石殘存下來成為未熔礦石。制粒小球由黏附層和核顆粒構成，?0.5mm顆粒起黏附粉作用，+0.5mm顆粒作為核顆粒。黏附層由細顆粒的鐵礦石、焦粉、返礦和熔劑等混合物組成。

燒結礦是由熔融液相黏結未熔礦石而形成，熔融區(qū)化學成分對燒結礦液相和物相起著極為重要的作用。熔融區(qū)的化學成分可通過下式計算：

其中，w(Q)為熔融區(qū)化學成分Q的質量分數(shù)，%；xi為第i種鐵礦石的質量分數(shù)，%；xi-0.5為第i種鐵礦石?0.5mm粒級的質量分數(shù)，%；xiQ為第i種鐵礦石?0.5mm粒級中化學成分Q的質量分數(shù)，%；wiLOI為第i種鐵礦石?0.5mm粒級中的燒損，即在燒結過程中的鐵礦粉損失量的質量分數(shù)，%；xj為第j種熔劑、燃料的質量分數(shù)，%；wjQ為第j種熔劑、燃料中化學成Q的質量分數(shù)，%；wjLOI為第j種熔劑、燃料中的燒損，%。 

根據(jù)熔融區(qū)化學成分計算公式可得不同配料結構H-（1#-6#）黏附粉含量及成分，見表6。

表6計算結果為不同配料結構的混合礦黏附粉（?0.5mm）的化學成分，在燒結成礦過程中，黏附粉將在高溫條件下形成熔融液相區(qū)，進而黏結周圍粉料和顆粒完成礦化過程，因此，熔融區(qū)形成的液相對燒結礦化過程有著重要影響，某種程度上，熔融區(qū)形成的液相數(shù)量和性能決定燒結礦質量的優(yōu)劣。

為了更進一步探明熔融區(qū)的液相性能，采用Factsage7.1熱力學軟件中的Equilib模塊計算黏附粉區(qū)域形成的液相數(shù)量、組分以及黏度等性能。圖2為不同配料結構黏附粉熔融區(qū)理論液相生成量隨燒結溫度的變化趨勢。表7為單位質量黏附粉產生的理論液相量及性能。

由圖2可知，燒結礦理論液相量隨溫度的升高而增加，液相生成溫度起始于1150℃，隨溫度的升高，黏附粉逐步形成液相，于1450℃時全部熔化為液相。在較低的燒結溫度下，不同配礦結構的液相生成量差別較大，但隨著燒結溫度的升高，這種差別逐漸減小，燒結溫度對不同配礦結構所產生液相量的影響趨勢一致。 

燒結工藝中，黏附粉表征混合礦形成液相的載體，其含量多少決定形成液相的原始黏結范圍，而理論液相生成量反映混合礦可以形成的有效液相數(shù)量，其含量多少影響液相黏結周圍物料的有效范圍，據(jù)此，提出單位質量黏附粉產生的液相量為黏附粉含量與理論液相生成量的乘積，主要表征混合礦中由黏附粉熔融區(qū)所產生的液相絕對含量。而液相中Fe₂O₃和CaO的質量比，決定形成的黏結相類型，即是以復合鐵酸鈣為主的液相還是以硅酸鹽為主的渣相，一般認為，F(xiàn)e₂O₃與CaO的質量比越高越有利于形成鐵酸鹽黏結相，從而提高燒結礦黏結相質量，改善燒結礦轉鼓強度。 

由此分析，H-1#、H-2#和H-4#試驗方案的單位質量黏附粉所產生的液相數(shù)量較多，且液相中Fe₂O₃和CaO的質量比較高，從理論液相生成角度分析其對燒結礦質量的影響規(guī)律，預測其燒結礦質量指標較優(yōu)。而H-5#試驗方案雖然單位質量黏附粉的液相生成量高，但液相黏度低，流動性能過好，易產生局部過熔現(xiàn)象，導致燒結礦生成薄壁大孔結構，影響燒結礦轉鼓強度；H-6#試驗方案雖然液相黏度高，但單位質量黏附粉的液相生成量最低，液相有效固結范圍小，液相黏結周圍核礦物能力較差，不利于燒結礦轉鼓強度改善。 

（1）燒結礦質量

燒結礦的質量一般指轉鼓強度、篩分指數(shù)和平均粒徑等指標，根據(jù)實際生產需求，本研究中主要關注燒結礦的轉鼓強度和低溫還原粉化指數(shù)（RDI+3.15mm）。燒結礦低溫還原粉化試驗采用GB/T13242-1991標準。不同褐鐵礦配比燒結礦試樣的質量指標見圖3。 

由圖3可知，H-1#、H-4#和H-5#燒結礦試樣的轉鼓強度和低溫還原粉化性能均較好，其共同特點是澳大利亞磁鐵精礦OD礦的質量分數(shù)為15%，OC礦的質量分數(shù)為10%。可見，在褐鐵礦質量分數(shù)較高（≥45%）而赤鐵礦質量分數(shù)較低（≤40%）的情況下，適當控制OC礦配比，增加磁精礦配比對于全面改善燒結礦性能具有重要意義。這是由于，一方面，在澳大利亞褐鐵礦中OC礦具有粒度相對較細，鐵酸鈣生成能力強，液相生成溫度低、生成量大的特點，在赤鐵礦配比較高的情況下，增加OC礦可以改善燒結制粒性能，促進鐵酸鈣生成，提高燒結礦強度和冶金性能，但在褐鐵礦配比較高的情況下OC礦燒結容易產生細碎針狀鐵酸鈣和細碎磁鐵礦的熔蝕交織結構，對改善燒結制粒和燒結礦性能的作用有限，需要通過配加粒度更細、礦化溫度較高的OD磁精礦來改善燒結制粒性能；另一方面，高褐鐵礦配比混合料粒度粗，熔劑和燃料主要集中在細粒度的黏附粉中，使黏附粉相對堿度升高，加之燃料的偏聚，液相生成溫度降低，生成量增多，產生過熔現(xiàn)象，使褐鐵礦吸液量增加，影響燒結礦強度，而提高OD礦配比具有增加黏附粉占比、降低黏附粉相對堿度的作用，使液相生成溫度提高，消除過熔現(xiàn)象，從而減少褐鐵礦吸液量，改善燒結礦強度。

（2）燒結礦熔融滴落性能

燒結礦熔融滴落性能檢測方法如下：燒結礦試樣及焦炭粒度均為10～12.5mm 粒級，試驗模擬高爐內爐料的升溫速度主要分為三個階段：

①0～1000℃ ，10℃·min?1（100min） ；

②1000～1100℃，2℃·min-1（50min） ；

③1100～1600℃，5℃·min?1（100min）；試驗期間，溫度在500℃以下通4L·min?1的N₂氣，溫度達到500℃以上通入4L·min?1的混合煤氣，混合煤氣由體積分數(shù)為30%的CO和70%的N₂組成，當試驗溫度達到1580℃后30min試驗結束，測試結果見表8。 

由上表可知，H-1#、H-4#和H-5#的軟化開始溫度T4、開始熔融溫度TS和滴落溫度TD都較高，且軟熔溫度區(qū)間TD?T10中等，其軟熔性能均可滿足高爐冶煉要求.  而H-2#、H-3#和H-6#的軟化開始溫度T4、開始熔融溫度TS均較低，以及H-2#、H-3#滴落溫度TD也較低，軟熔溫度區(qū)間TD?T10較小，會使高爐軟熔帶上移，厚度減薄，H-6#的TD?T10最大，達到393℃，會使高爐軟熔帶上移，厚度增加。

從配料結構角度分析，H-2#和H-3#的OC礦的質量分數(shù)較高，達到了20%，而磁鐵精礦OD礦的質量分數(shù)較低，只有10%，H-6#褐鐵礦的質量分數(shù)達到了55%，而OD礦的質量分數(shù)也只有10%。可見，從燒結礦冶金性能方面分析，當結晶水含量高的OB褐鐵礦的質量分數(shù)高于25%時，磁鐵精礦OD礦的質量分數(shù)不應低于15%，粒度相對較細的褐鐵礦OC礦的質量分數(shù)不應超過10%，褐鐵礦總的質量分數(shù)應控制在50%以內。 

從混合礦熔融區(qū)的化學成分分析，由于褐鐵礦具有同化溫度低的特點，配加高比例的褐鐵礦可提高混合礦的同化性能，使得熔融區(qū)堿度下降（表6中H-1#、H-4#和H-5#熔融區(qū)堿度相對較低），有利于降低Fe³⁺/Fe²⁺（質量分數(shù)比值），提高FeO含量。因此，礦物的固結強度提高，還原度受到影響，低溫還原粉化指數(shù)改善。 

采用礦相顯微鏡對不同褐鐵礦配比的燒結礦試樣進行分析。為了準確掌握試樣的礦相顯微結構特征，本研究中共選取同一試樣的4個不同視域進行綜合分析評估，結果如圖4～圖9所示，圖中（a）、（b）視域選取試樣邊緣區(qū)域，（c）、（d）視域選取試樣中心區(qū)域。

H-1#燒結試樣的礦相組成類似，均以磁鐵礦和鐵酸鈣的熔蝕交織結構為主，H-1#燒結礦試樣褐鐵礦質量分數(shù)相對較低，為45%，礦相結構中磁鐵礦多呈它形晶或半自形晶（圖4（a）），鐵酸鈣多呈針柱狀（圖4（c）），局部有硅酸鹽渣相和褐鐵礦分解產生的微球網狀赤鐵礦，孔隙率較低，渣相多存在于先結晶出來的鐵酸鈣縫隙中。燒結礦結構均勻性較好，強度較高.  赤鐵礦含量較低，低溫還原粉化性能較好。 

H-2#燒結礦試樣褐鐵礦的質量分數(shù)為50%，礦相結構中鐵酸鈣多為細碎針狀（圖5（a）），磁鐵礦多呈細碎的它形晶或半自形晶，局部有未熔殘留的大顆粒赤鐵礦存在，其中裂縫較多，結構疏松，局部有硅酸鹽渣相與鐵酸鈣伴生，出現(xiàn)了較大的圓形孔洞（圖5（b））。由于該試樣OC礦的質量分數(shù)達到20%，其粒度相對較細，鐵酸鈣生成能力較強，液相生成溫度低、生成早，滲透作用強，結晶水分解后鐵礦物呈現(xiàn)細小的微球網狀結構，鐵酸鈣填充在網孔中，與磁鐵礦形成細碎的熔蝕交織結構（圖5（c）），粗顆粒褐鐵礦分解產生了含有裂縫的赤鐵礦核顆粒，由于液相生成早，核顆粒中的裂縫沒來得及愈合。當該試樣發(fā)生低溫還原時，結構細碎的鐵酸鈣難以抵抗赤鐵礦到磁鐵礦的晶型轉變應力，加之有圓形孔洞和結構疏松的核顆粒存在，其低溫還原粉化性能不佳，RDI+3.15mm只有65.1%。

H-3#燒結礦試樣褐鐵礦的質量分數(shù)相對較高，為55%，礦相結構中磁鐵礦多呈它形晶或半自形晶（圖6（c）），鐵酸鈣呈現(xiàn)針狀、片狀和團聚狀，填充在磁鐵礦的間隙中，局部有褐鐵礦分解而成的粗顆粒赤鐵礦。隨著褐鐵礦配比的增加，鐵酸鈣含量增多，由針狀向片狀、團塊狀轉變（圖6（a）），硅酸鹽減少，液相生成早、生成量多，褐鐵礦吸液量增加，黏結相強度降低，由于鐵酸鈣多以團塊狀充填在鐵礦物的間隙中，不能很好地抵抗赤鐵礦到磁鐵礦的晶型轉變應力，其RDI+3.15mm只有65.4%。

H-4#燒結礦試樣褐鐵礦的質量分數(shù)相對較低，為45%，其OB礦和OC礦的質量分數(shù)分別為30%和10%，OD礦的質量分數(shù)較高，為15%。礦相結構中鐵酸鈣多呈現(xiàn)針柱狀（圖7（a）），局部出現(xiàn)團塊狀，磁鐵礦多呈它形晶或半自形晶（圖7（d）），赤鐵礦含量較低，局部有硅酸鹽渣相填充在先結晶出的鐵酸鈣縫隙中，具有強化黏結相強度的作用。H-3#和H-4#的OB礦的質量分數(shù)均為30%，但是H-4#的OC礦的質量分數(shù)較低（10%）、OD礦的質量分數(shù)較高（15%），其燒結礦團塊狀鐵酸鈣較少、結構較好?？梢?，當褐鐵礦配比相對較低、而赤鐵礦配比較高時，鐵酸鈣多呈現(xiàn)針柱狀，燒結礦硅酸鹽渣相含量增加，鐵酸鈣、硅酸鹽和磁鐵礦具有良好的接觸強度，當發(fā)生低溫還原時，抵抗赤鐵礦到磁鐵礦的晶型轉變應力的能力較強，低溫還原粉化性能較好。

H-5#燒結礦試樣褐鐵礦的質量分數(shù)相對中等，為50%，其OB礦和OC礦的質量分數(shù)分別為35%和10%，OD礦的質量分數(shù)較高，為15%。礦相結構中鐵酸鈣多為片柱狀（圖8（b）），硅酸鹽含量較高（圖8（d）），填充在鐵酸鈣的片層之間，起到加固黏結相的作用，部分鐵酸鈣呈現(xiàn)團塊狀，填充在磁鐵礦的空隙之間，磁鐵礦呈現(xiàn)半自形晶或它形晶（圖8（a）），晶粒較粗，赤鐵礦含量較高，粒度中等，多與磁鐵礦共晶存在。由于硅酸鹽加固鐵酸鈣，黏結相強度較高，加之鐵礦物晶粒較粗，燒結礦強度較高，低溫還原時黏結相抵抗晶型轉變應力的能力較強，低溫還原粉化性能較好，達74.9%。

H-6#燒結礦試樣褐鐵礦的質量分數(shù)相對較高為55%，其OA、OB和OC礦的質量分數(shù)分別為10%、35%和10%，OD礦的質量分數(shù)較低為10%。OB礦粒度較粗，直徑大于5mm的鐵礦粉顆粒質量占比大于36%，結晶水含量較高，分解溫度較低，分解產物赤鐵礦中的裂縫較易愈合，對強度影響較??；OA礦粒度介于OB和OC礦之間，1～5mm粒級質量占比達到48%以上，使燒結礦中細顆粒赤鐵礦含量升高、富集加重.  由于褐鐵礦配比較高且OD礦配比較低，液相生成溫度低，鐵酸鈣多以團塊狀填充于細顆粒的磁鐵礦空隙之間（圖9（b）），孔隙率較高.  在低溫還原過程中，由于赤鐵礦含量和孔隙率較高，加之赤鐵礦顆粒的聚集和團塊狀鐵酸鈣的存在，其低溫還原粉化性能不佳，RDI+3.15mm只有64.2%。

通過對比分析可知，不同燒結礦試樣的礦相結構具有顯著的區(qū)別，配加質量分數(shù)為15%的磁鐵精礦不僅具有強化制粒和提高液相生成溫度的作用，而且優(yōu)化了鐵酸鈣的形貌，使其呈現(xiàn)針狀結構，并與磁鐵礦熔蝕交織，從而全面改善了燒結礦性能.  因此，將粗粒度褐鐵礦與細粒度磁鐵精礦合理搭配使用，是提高燒結礦品位、降低燒結礦成本、確保燒結礦冶金性能的有效措施。

（1）與巴西赤鐵礦比較，澳大利亞褐鐵礦具有粒度粗（?0.5mm鐵礦粉顆粒少）、制粒性能差、礦化能力弱和同化溫度低的特點，燒結過程中褐鐵礦分解產生赤鐵礦微球網狀結構，容易發(fā)生吸液現(xiàn)象，使得燒結體多孔而結構不均，從而導致其固結強度變差。

（2）燒結過程形成的液相數(shù)量和質量對燒結礦性能有重要影響，混合料中單位質量黏附粉產生的液相量越高，則燒結液相量越多，可促進液相對周圍核礦物的有效黏結；液相中Fe₂O₃與CaO的質量比越高，則越容易形成鐵酸鈣黏結相，有利于改善燒結礦質量。H-1#、H-2#和H-4#配礦結構，單位質量黏附粉理論液相生成量和液相中Fe₂O₃與CaO的質量比均較高，燒結礦試樣的轉鼓強度也較優(yōu)，表明理論模擬結果和燒結試驗結果吻合性良好。

（3）當褐鐵礦的質量分數(shù)不超過50%時，控制粒度相對較細的OC礦的質量分數(shù)不超過10%，同時，增加磁鐵精礦的質量分數(shù)至15%，燒結礦轉鼓強度、低溫還原粉化指數(shù)以及熔融滴落等冶金性能均達到最優(yōu)，由于增加混合料中磁鐵精礦的配比，不僅可以改善燒結成球制粒性能，減少褐鐵礦燒結吸液量，而且可以提升熔融區(qū)形成的液相數(shù)量和性能，因此有助于全面改善燒結礦質量。