烧结基础特性作为衡量铁矿粉烧结性能的一项指标已被广泛应用，通过铁矿粉的烧结基础特性研究，不仅能为科学 合理优化配矿提供依据，也能为高效环保利用铁矿粉资源提供参考.烧结基础特性是基于微型烧结原理，研究铁矿粉在高温烧结的条件下呈现出的自身特有的高温物理化学性质，它能基本反映铁矿粉在烧结中的高温行为及其作用规律，可用它来评估铁矿石对烧结矿质量的影响大小^[1].铁矿石的烧结基础性能主要包括连晶固结强度、黏结相强度、液相流动性和同化性等.

承德地区含铬型钒钛磁铁矿与普通的铁矿粉相比，最主要的特点是含有较高的钒钛铬成分、混合料透气性不佳、垂直烧结速度较慢、烧结矿的黏
结相不足、强度差、低温还原粉化严重及返矿率较高，导致产量和利用系数相对较低^[2].为此，本文对承德地区4种不同成分的含铬型钒钛磁铁精矿粉的烧结基础特性进行了研究，查明4种铁精粉烧结基础特性的特点及影响因素；然后在烧结杯中进行4种铁精矿粉的单烧实验，测定烧结矿低温还原粉化指数，并将其与铁精矿粉基础特性研究结果进行综合比较与分析，探讨铁矿粉基础特性对烧结矿低温粉化指数的影响，为含铬型钒钛磁铁矿烧结优化配矿提供理论与实验依据.

本文选取了承德地区4种不同成分的含铬型钒钛磁铁矿粉为主要原料进行实验研究，分别是大阪通运(DB)、恒伟矿业(HW)、远通矿业(YT)和建龙矿业(JL)，其化学成分如表 1所示.4种含铬型钒钛磁铁精矿粉用制样机研磨为直径小于0.162mm的粉末，使用微型烧结机进行基础特性实验.使用自动退模制样器将铁矿粉(20MPa，2min)制成圆饼，根据实验要求升温，在1280℃时恒温烧结4min，实验完毕后用抗压强度测定仪确定连晶固结强度；按碱度1.95配置铁矿粉和CaO纯试剂，混匀后使用自动退模制样器(15MPa，2min)制成圆饼，根据实验要求升温，在1280℃时恒温烧结4min，实验完毕后用抗压强度测定仪确定黏结相强度；按碱度3.0配置铁矿粉和CaO纯试剂，混匀后使用自动退模制样器制成(15MPa，2min)圆饼，根据实验要求升温，在1250℃时恒温烧结4min，以圆饼实验前后面积之差与实验前面积之比为液相流动性指数；使用自动退模制样器将0.8g铁矿粉压制成(15MPa，2min)ϕ8mm×5mm的圆饼，将2.0g化学纯试剂CaO压制成(15MPa，2min)直径为20mm的圆饼.将铁矿粉圆饼重叠放在CaO圆饼上，按实验要求升温，当两圆饼接触面上生成反应物时，确定采矿粉的同化温度.

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 含铬型钒钛磁铁矿粉的化学成分(质量分数) Table 1 Chemical compositions of Cr-bearing vanadium and titanium magnetite % 矿名 TFe SiO2 CaO MgO Al2O3 TiO2 V2O5 P Cr2O3 烧损率 DB 63.08 4.41 1.73 1.52 1.44 1.98 0.42 0.0340 0.03 1.45 HW 63.81 3.84 0.77 0.74 1.95 3.15 0.59 0.0364 0.11 0.84 YT 63.62 3.20 1.28 1.12 1.82 2.61 0.53 0.0464 0.04 1.00 JL 63.52 3.30 1.69 1.76 1.23 1.45 0.37 0.0060 0.12 1.16

表1 含铬型钒钛磁铁矿粉的化学成分(质量分数) Table 1 Chemical compositions of Cr-bearing vanadium and titanium magnetite

确定铁矿粉的基础特性后，再进行铁矿粉单烧实验，并对烧结矿进行低温还原粉化测定.实验用烧结杯尺寸为 ϕ320mm×700mm，烧结参数控制为：实验点火温度1150℃，烧结点火负压6kPa，点火时间2min，烧结负压10kPa.按照碱度1.9，配碳质量分数3.2 % ，返矿质量分数28 % 的实验方案进行单烧烧结杯实验.烧结矿的低温还原粉化测定按国标GB/T 24235—2009进行.

连晶固结强度表征的是烧结过程中未生成液相的区域固结的能力，黏结相强度表征的是烧结过程中生成的黏结相对附近核矿石固结的能力.根据铁矿粉的连晶强度和黏结相强度，能够评价铁矿粉烧结造块能力的大小，一般要求大于 2kN.

通过实验测得铁矿粉DB的连晶固结强度为8074N，HW为4554N，YT为8028N，JL为7506N，连晶固结强度良好.在含铬型钒钛磁铁矿粉的化学成分对连晶固结强度影响的研究中，尚未发现明显规律.

图 1为4种含铬型钒钛磁铁矿粉的黏结相强度和铁矿粉烧损率之间的关系.由图 1可知，4种含铬型钒钛磁铁矿粉的黏结相强度良好，DB为3547N，HW为3365N，YT为5484N，JL为4310N.随着烧损率的增大，黏结相强度呈现下降的趋势，这是因为铁矿粉中结晶水在高温时分解，易使黏结相形成裂纹，并且在其内部留下气孔，黏结相内部结构变疏松，从而导致黏结相自身强度降低^[3].图 1中HW矿粉烧损率最小，但其黏结相强度并不高，原因是由于HW矿粉中CaO质量分数仅为0.77 % ，配为碱度1.95的小饼后其TFe质量分数下降，导致烧结后黏结相中铁酸钙等强度较高的矿物较少，黏结相强度较其他3种矿粉小.

图 2为4种含铬型钒钛磁铁矿粉的液相流动性和SiO₂质量分数之间的关系.铁矿粉的液相流动性表征的是高温烧结过程中生成液相的流动能力.液相流动性的高低以流动性指数表示，一般认为合理的流动性指数在0.7～1.6之间.由图 2可知，4种含铬型钒钛磁铁矿粉的流动性指数极低，最高的大阪通运也仅为0.12，而HW为0.09，YT为0.04，JL为0.04，流动性非常差.铁矿粉的液相流动性随着SiO₂质量分数的下降而降低，这是因为SiO₂质量分数较高时，其参与形成液相的机会也相应增加，因此产生的液相量相对较多，导致液相的流动性有所增大^{[4, 5]}.

图 1(Figure 1)

Fig. 1

图1 铁矿粉烧损与黏结相强度之间的关系 Fig. 1 Relationship between ignition lost of iron-ore fines and self-intensity of adhere phase

图 2(Figure 2)

Fig. 2

图2 铁矿粉SiO2质量分数与流动性指数之间的关系 Fig. 2 Relationship between w(SiO2) of iron-ore fines and fluidity index

图 3为铁矿粉成分与烧结矿同化温度之间的关系.铁矿粉的同化性表征的是铁矿粉在烧结过程中生成低熔点液相的难易程度，一般将同化温度分为高同化性(＜1200℃)、较高同化性(1200~1250℃)、中等同化性(1250~1280℃)、弱同化性(>1280℃)4种程度^[6].由图 3可知，DB(1250℃)和JL(1240℃)具有较高同化性，HW(1270℃)和YT(1255℃)具有中等同化性；铁矿粉中TiO₂质量分数越高，烧结矿的同化温度也越高.原因是TiO₂在铁矿粉中以钛铁晶石等难熔的物质形态出现，使同化温度升高，同化性变差；除HW矿粉外的3种含铬型钒钛磁铁矿粉的SiO₂质量分数较高时，同化温度较低，铁矿粉的同化性能较好.原因是SiO₂质量分数较高时，进行液相反应的机会较大，液相生成的能力就较强.HW矿粉的SiO₂质量分数较YT粉高，但同化温度比YT粉高，这是因为HW矿粉中CaO质量分数很低，配成碱度1.95的圆饼后，圆饼中MgO和Al₂O₃质量分数很低，不利于形成低熔点化合物，从而使同化温度很高.除JL矿粉外的3种含铬型钒钛磁铁矿粉同化温度随着烧损率的减小，呈现出逐渐升高的趋势，原因是铁矿粉在实验温度下烧结时，结晶水发生分解，在矿粉内部留下许多气孔，导致矿石内部变疏松，和CaO的反应接触面积增加，动力学条件提高，这有利于铁矿物离子和CaO间的相互扩散.因此，铁矿粉有较大的烧损率，对低熔点液相的快速生成和同化性能的升高有利^[7].JL矿粉的烧损率较大但同化温度并不高，原因是JL矿粉中MgO质量分数为1.76，为4者中最高，这有利于形成低熔点液相，导致JL矿粉的同化温度最低.

图 3(Figure 3)

Fig. 3

图3 铁矿粉成分与烧结矿同化温度之间的关系 Fig. 3 Relationship between chemical composition of iron-ore fines and assimilation temperature

表 2为铁矿粉单烧实验烧结技术指标.由表 2可知，混合料的水分质量分数在7.5 % 左右，垂直烧结速度在13 mm · min^-1左右，烧成率在85 % 左右，烧结矿的小粒度(＜10 mm)较多，大于5 mm成品率在80 % 左右.

图 4为铁矿粉的基础特性与烧结矿RDI_+3.15之间的关系.国内其他企业使用非钒钛矿冶炼的烧结矿，RDI_+3.15一般都在75 % 以上.由图 4可知，含铬型钒钛烧结矿的RDI_+3.15总体指标较低，4种矿粉中HW的粉化指标最差仅为35.68 % ，JL的粉化指标最好，但也只有51.68 % ，DB为41.72 % ，YT为40.65 % .

由图 4a与4e可知，连晶固结强度与RDI_+3.15之间无明显变化规律.含铬型钒钛烧结矿中发生固相固结的区域较少，因此连晶固结强度对烧结矿的粉化指标影响不大.

由图 4b与4e可知，黏结相强度与RDI_+3.15之间关系较紧密，随着黏结相强度升高，烧结矿的粉化指数有变好的趋势.黏结相的数量越多，相应的烧结矿固结就越好，但黏结相自身强度也是烧结矿固结的一 个重要因素^[8].

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 单烧烧结指标 Table 2 Sinter parameters of single-sinter test 矿名 wH2O / % 烧结速度 烧成率/ % 粒度组成 / % 成品率(>5mm)/ % mm · min-1 >40mm 40~25mm 25~16mm 16~10mm 10~5mm ＜5mm DB 7.54 13.00 85.42 11.98 19.72 15.34 18.17 18.04 16.75 83.25 HW 7.44 12.62 86.18 15.74 17.26 13.32 14.59 20.18 18.91 81.09 YT 7.78 13.00 86.82 12.87 18.19 12.75 15.22 20.92 20.05 79.95 JL 7.62 12.75 85.59 8.66 19.55 13.37 16.46 22.77 19.18 80.82

表2 单烧烧结指标 Table 2 Sinter parameters of single-sinter test

图 4(Figure 4)

Fig. 4

图4 铁矿粉基础特性与烧结矿 Fig. 4 Relationship between sintering basic characteristics and RDI+3.15 of single-sinter

由图 4c与4e可知，流动性指数与RDI_+3.15之间无明显变化规律.4种含铬型钒钛磁铁矿的液相流动性指标均过低，这表明铁矿粉的液相与周围核矿石的黏结能力差，易导致烧结矿气孔率增加，内部结构疏松，强度变差，粉化严重.

由图 4d与4e可知，同化温度与RDI_+3.15之间关系密切，随着同化温度降低，RDI_+3.15升高.在含铬型钒钛磁铁矿烧结过程中，烧结矿黏结相的形成始于TiO₂，CaO和Fe₂O₃的固相反应，而最终得到以铁酸钙和钙钛矿为主的矿物组成.黏附层中的同化反应所形成的初相的性质决定着形成黏结相的结构，对烧结过程起着重要的作用^[9].4种含铬型钒钛磁铁矿的同化性均良好，易与CaO发生反应产生液相，从而对烧结矿粉化指数的改善起到促进作用，因此同化温度越高时RDI_+3.15就越低.

因此，在配矿过程中为改善含铬型钒钛磁铁烧结矿的RDI_+3.15，应重点考虑同化温度，其次是黏结相强度，兼顾流动性指数和连晶固结强度.

1) 含铬型钒钛磁铁矿粉的化学成分对烧结基础特性有显著影响.随着烧损和SiO₂质量分数的增加，同化温度呈现出逐渐降低的趋势，而随TiO₂质量分数的升高，其又呈现出明显上升的趋势；液相流动性随着SiO₂质量分数的降低而降低；黏结相强度随着烧损的增加呈降低趋势.

2) 含铬型钒钛磁铁矿的同化性能较好，烧结矿的RDI_+3.15随着铁矿粉的同化温度升高而降低.含铬型钒钛磁铁矿的黏结相强度较高，烧结矿的RDI_+3.15随着铁矿粉的黏结相强度升高而升高.

3) 在配矿过程中为改善含铬型钒钛磁铁烧结矿的RDI_+3.15，应重点考虑同化性温度，其次是黏结相强度，兼顾流动性指数和连晶固结强度等指标.