钒钛磁铁矿因其富含钒、钛、铬等有价组元而具有显著的综合利用价值.近年来，国内某钢铁企业为了满足对铁矿石原料的需求和开发高附加值的钒铬产品，利用地缘优势，积极拓展铁矿资源来源，每年从国外进口大量的高铬型钒钛磁铁矿用于高炉生产.然而鉴于高铬型钒钛磁铁矿的矿物组成相比于普通钒钛磁铁矿更为复杂，原料特性更为特殊，国内外高铬型钒钛磁铁矿用于烧结工艺的相关研究相当匮乏^{[1, 2, 3, 4, 5]}.因此，有必要对高铬型钒钛磁铁矿烧结工艺进行研究，为从事相关理论的科研工作者提供重要参考，为现场的烧结工艺提供技术支持和理论指导.硼铁矿是一种硼铁共生的复合矿，其中含有较高的MgO，B₂O₃，研究表明这两种成分对于人造块矿的性能有一定改善作用^{[6, 7, 8]}.因此，本研究提出了将硼铁矿应用于高铬型钒钛磁铁矿烧结工艺的研究，考察了硼铁矿配比对高铬型钒钛烧结矿烧结工艺及冶金性能的优化效果，以改善烧结矿冶金性能，为高炉冶炼提供更为优质的高铬型钒钛烧结矿.

实验用原料包括铁矿粉(国产粉、钒钛粉、俄粉和矿业粉)、竖炉灰、熔剂(菱镁石、生石灰)和焦粉等，化学成分见表 1和表 2，其中，国产矿粉和菱镁石中的水为物理水.实验用硼铁矿的化学成分(质量分数，%)为：TFe 56.05，FeO 24.29，B₂O₃ 3.86，CaO 0.40，SiO₂ 5.00，MgO 7.84，Al₂O₃ 0.84.

表 1

Table 1

表 1(Table 1)

表 1 烧结原料成分(质量分数)Table 1 Chemical compositions of sintering materials (mass fraction) % 原料 TFe FeO CaO SiO 2 MgO Al 2O 3 TiO 2 V 2O 5 Cr 2O 3 H 2O 高铬型钒钛矿 61.15 29.11 0.22 2.12 1.07 3.20 6.39 0.95 0.47 0 国产矿粉 64.50 28.03 0.85 7.00 0.50 0.99 9.00 矿业粉 63.85 27.86 0.05 5.48 0.17 3.66 俄粉 61.81 22.21 1.39 3.66 3.54 2.44 竖炉除尘灰 62.56 0.31 8.16 0.58 0.92 0 菱镁石 0 1.20 3.50 42.00 0 2.00 生石灰 0 80.00 5.00 1.10 0 0

表 1 烧结原料成分(质量分数)Table 1 Chemical compositions of sintering materials (mass fraction)

表 2

Table 2

表 2(Table 2)

表 2 焦炭成分(质量分数)Table 2 Chemical compositions of coke (mass fraction) % 固定碳 挥发分 有机物 灰分 FeO CaO SiO 2 MgO Al 2O 3 其他 84.00 0.50 1.50 0.14 0.48 7.50 0.15 2.72 2.89

表 2 焦炭成分(质量分数)Table 2 Chemical compositions of coke (mass fraction)

利用直径150 mm、高550 mm的烧结杯进行烧结实验，主要参数包括料层高度500 mm、负压10 kPa、配焦粉量5.0%、混合料水分8.2%.落下、筛分及转鼓指数的测定均采用ISO3271标准，烧结矿低温还原粉化性能RDI_+3.15的测定采用GB/T13241—91标准.

本实验主要考察硼铁矿质量配比对高铬型钒钛磁铁矿烧结工艺参数及烧结矿冶金性能的优化效果，通过对实验结果进行分析和研究，确定最佳硼铁矿配加量.

结合本课题组前期研究，高铬型钒钛磁铁矿、俄粉、国产粉与矿业粉的质量比定为13∶12∶15∶20，配碳量为5.0%，碱度定为2.25.实验中硼铁矿配比分别为0，2.5%，5.0%和7.5%，共4组烧结杯实验.

硼铁矿配比对垂直烧结速度的影响如图 1a所示.由图 1a可知，在0~5.0%范围内，随着硼铁矿配比的升高，垂直烧结速度逐渐加快，当配比超过5.0%时烧结速度开始下降.原因分析如下：随着硼铁矿配比的增加，一方面，由于B₂O₃的存在，导致液相的黏度降低，使料层通气阻力降低，有利于提高烧结混合料的透气性，使氧化性气氛得到发展，提高了燃料的燃烧速度和燃烧效率，促使烧结速度加快；另一方面，含硼铁精矿中的B₂O₃熔点低(450 ℃)，可与原料中许多氧化物形成低熔点化合物，促进烧结过程中液相的生成，降低烧结混合料的透气性，导致垂直烧结速度降低.在硼铁矿配比0~5.0%范围内，前者起主导作用.因此，随着硼铁矿配比的增加，垂直烧结速度逐渐加快；在硼铁矿配比5.0%~7.5%范围内，后者起主导作用，因此随着硼铁矿配比的增加，垂直烧结速度逐渐降低.

图 1(Figure 1)

Fig. 1

图 1 硼铁矿配比对烧结矿质量的影响 Fig. 1 Effects of boron-bearing iron concentrates addition on sinter ore properties

硼铁矿配比对成品率的影响如图 1b所示：在0~5.0%范围内，成品率逐渐升高，当超过5.0%时开始下降.原因分析如下：①随着硼铁矿配比的增加，由于B₂O₃的存在，导致液相的黏度降低，有利于提高烧结混合料的透气性，使氧化性气氛得到发展，有利于强度较好的SFCA生成；同时，有利于液相中的Ca²⁺扩散到Fe₂O₃的表面，使得铁酸钙易于形成.②含硼铁精矿中的B₂O₃熔点低(450 ℃)，可与原料中许多氧化物形成低熔点化合物，促进烧结过程中液相的生成.因此，在0~5.0%范围内，随着硼铁矿配比的升高，成品率逐渐升高；但是，当硼铁矿配比超过5.0%时，由于硼铁矿中含有一定量的MgO，当MgO含量较高时，会生成铁酸镁黏结相，使烧结矿中铁酸钙含量降低，因此，烧结矿的强度开始降低.

硼铁矿配比对转鼓指数的影响如图 1c所示：在0~5.0%范围内，随着硼铁矿配比的升高，转鼓指数逐渐升高，当超过5.0%时开始下降.原因分析如下：随着硼铁矿含量的增加，一方面，可以降低液相生成温度，使液相含量增加，烧结矿强度因此增加；另一方面，由于液相黏性降低，烧结混合料透气性升高，氧化性气氛得到发展，有利于铁酸钙黏结相的增加，因此，转鼓指数逐渐增加；当硼铁矿含量超过5.0%时，由于MgO含量的增加导致铁酸钙黏结相含量降低，因此，强度逐渐下降，转鼓指数逐渐下降.

硼铁矿配比对烧结杯利用系数的影响如图 1d所示：在0~5.0%范围内，随着硼铁矿配比的升高，成品率逐渐升高，当超过5.0%时开始下降.原因分析如下：在0~5.0%范围内，随着硼铁矿配比的增加，垂直烧结速度逐渐加快，同时成品率逐渐上升，因此，烧结杯利用系数逐渐升高；当硼铁矿配比大于5.0%以后，垂直烧结速度开始下降，同时成品率也开始降低，因此，烧结杯利用系数逐渐下降.

结合攀钢现场生产经验，定义烧结矿综合指标=40%成品率×30%转鼓指数×30%烧结杯利用系数，硼铁矿配比对高铬型钒钛矿烧结综合指标的影响如图 2a所示.由图 2a可知，在0~5.0%范围内，随着硼铁矿配比的升高，综合指标逐渐升高，当超过5.0%时开始下降.

图 2(Figure 2)

Fig. 2

图 2 硼铁矿配比对烧结矿综合指标和低温还原粉化指数的影响 Fig. 2 Effects of boron-bearing iron concentrates addition on composite indicator and RDI of sinters

硼铁矿配比对烧结矿的低温还原粉化性能的影响如图 2b所示：在0~5.0%范围内，随着硼铁矿配比的提高，低温还原粉化性能也得到比较明显的改善，但是，当硼铁矿超过5.0%以后，低温还原粉化性能开始逐渐恶化.原因分析如下：硼是一种典型的结晶化学稳定剂，B₂O₃的熔点较低，能够同许多氧化物反应生成低熔点共熔体，促进液相的生成，能够在一定程度上抑制低温还原粉化；同时，硼是结晶化学稳定剂中典型的元素之一，它可以抑制赤铁矿的还原速度，从而降低烧结矿的粉化率；但是，硼铁矿含量过高时，导致烧结矿中再生赤铁矿含量增加，同时MgO含量过高时，导致液相生成温度升高，黏结相含量降低，因此，低温还原粉化性能恶化.

为了充分研究不同配比硼铁矿对烧结矿冶金性能的影响，利用SEM与XRD对烧结矿进行了矿相分析，图 3为硼铁矿配比为0和5.0%的SEM分析结果，其中A为铁的氧化物，B为铁酸钙黏结相与硅酸盐黏结相.图 4为硼铁矿配比分别为0，2.5%，5.0%与7.5%四组烧结矿的XRD分析结果.

图 3(Figure 3)

Fig. 3

图 3 烧结矿的SEM图 Fig. 3 SEM photos of sinters(a)—硼铁矿配比为0； (b)—硼铁矿配比为5.0%.

图 4(Figure 4)

Fig. 4

★Ca0.15Fe2.85O4;●Fe1.3 Ca0.7(Si2O6);☆FeCr2O4;◆Fe2VO4; ▼(Fe2.5Ti0.5)1.04O4;▲MgFe2O4;■Mg2TiO4; □ CaFe (Si2O6);△(Mg3Ti) B2O8图 4 不同硼铁矿配比下的XRD分析 Fig. 4 XRD patterns of the sinter with different boron-bearing iron concentrates addition

由图 3与图 4可知，随着硼铁矿配比的升高，一方面，由于B₂O₃的存在，导致液相的黏度降低，使料层通气阻力降低，有利于提高烧结混合料的透气性，使氧化性气氛得到发展；同时，有利于液相中的Ca²⁺扩散到Fe₂O₃的表面，使得铁酸钙易于形成；因此，硼铁矿配比较高时，铁酸钙黏结相较多，烧结矿强度较好；但是，硼铁矿配比过高时，由于硼铁矿中含有较高的镁，会生成铁酸镁，导致铁酸钙黏结相含量降低，冷态强度开始降低.

1) 随着硼铁矿配比的升高，垂直烧结速度、烧结杯利用系数、成品率、转鼓指数及综合指标均呈先升高后降低的趋势，硼铁矿配比为5.0%时最高，分别为28.84 mm/min，1.919 t/(m²·h)，86.02%，61.2%及363.

2) 随着硼铁矿配比的提高，低温还原粉化性能呈先升高后降低的趋势，硼铁矿配比为5.0%最好，RDI_+3.15为90.76%.

3) 通过配入适量硼铁矿，可以优化高铬型钒钛烧结矿，为高炉冶炼提供更为优质的高铬型钒钛烧结矿.