层状矿床对窄脉采矿设备方法的适宜性：地质、形态与经济判据

《Minerals》：The Suitability of Stratiform Ore Deposits for the Narrow Reef Mining Equipment Method: Geological, Morphological, and Economic Criteria Ema Voki?, Sibila Borojevi? ?o?tari?, Vje?islav Bohanek and Paulo Ple?e

　　

研究人员针对钢铁工业中烧结工艺产生的粉尘、SO₂、NO_x及CO₂排放问题，考察了赤铁矿精矿（H2、H3）与H1烧结粉的理化性质、微观结构及元素分布特征。通过烧结杯试验，评估了两种赤铁矿精矿配加对烧结性能及关键质量指标的影响，并对烧结产物进行了微观结构分析与定量物相组成统计，以阐明此类精矿影响烧结效果的机制。结果表明，以33% H2或H3精矿替代33% H1烧结粉后，转鼓指数由73.6%分别降至68.5%与73.2%；利用系数分别降至68.5%与73.2%；固体燃耗由73.9 kg/t分别增至90.5 kg/t与81.2 kg/t；还原指数(Reduction Index, RI)由80.0%降至77.9%与78.4%，而低温还原粉化指数(Reduction Degradation Index, RDI)则由72.9%改善至76.8%与75.8%。

层状矿床对窄脉采矿设备方法的适宜性：地质、形态与经济判据

**一、研究背景、问题与意义**

钢铁工业作为全球基础设施建设的支柱性产业，对全球物质基础与经济发展具有重要贡献。在钢铁冶炼工艺中，高炉-转炉(BF-BOF)长流程仍占全球炼钢工艺的72%，而烧结矿在高炉炉料中占比约75%。烧结生产过程涉及铁矿粉、熔剂（如生石灰、石灰石）、固体燃料（如焦粉）、返矿及水的混合、制粒与烧结，该过程同时也是粉尘、SO₂、NO_x及CO₂排放的主要来源。巴西赤铁矿作为天然高品位、低杂质铁矿石，在市场中广泛流通，是提高入炉铁品位、降低杂质含量、稳定高炉操作的优质原料。近年来，研究人员致力于改善超细铁精矿的烧结性能，但过多细粒精矿及不良颗粒形态会对制粒效率产生不利影响，进而恶化烧结层透气性，导致燃烧不完全。现有研究表明，当铁精矿比例增加15%时，成品率下降3.32%，利用系数下降0.19 t/m²/h；当赤铁矿比例由24%增至36%时，利用系数由1.41 t/m²/h降至1.24 t/m²/h，转鼓指数由67.47%降至65.40%，固体燃耗增加2.28 kg/t。烧结过程主要由液相烧结控制，其中硅铝酸钙铁(Silico-ferrite of Calcium and Aluminum, SFCA)作为烧结矿中的主要物相，其形态与含量决定最终烧结产品的强度与还原特性。因此，系统研究赤铁矿精矿的化学组成、粒度、物相组成与微观结构，及其对制粒效率、烧结性能、还原行为、矿物学组成和微观结构的影响，对于优化烧结工艺配比、实现工业应用具有重要科学意义。该论文发表于《Minerals》期刊。

**二、主要技术方法**

本研究采用的关键技术方法包括：（1）**制粒试验**：使用直径600 mm、长度270 mm的小型制粒鼓，控制弗劳德数(Froude number)为0.0045，研究水分含量对不同配比特性的制粒性能影响，测定粒度分布、调和平均粒径(d_p)、堆积床层透气性指数(JPU, Japanese Permeability Units)；（2）**小型烧结杯试验**：在固定条件下（3%生石灰、5.5% SiO₂、1.55% MgO、二元碱度CaO/SiO₂=1.75、返矿率35%）进行单矿种及混矿烧结试验，点火温度1100±50°C，点火负压5 kPa，主抽风负压10 kPa，冷却后测定烧结指标；（3）**冶金性能测试**：依据中国国家标准GB 13241-2017和GB 31923.1-2015（分别对应ISO 4695和ISO 4696-1标准）测定还原指数(RI)和低温还原粉化指数(RDI)；（4）**矿物学分析**：采用光学显微镜(Leica DM4500P)结合ImageJ 1.54g图像分析软件，对抛光光片进行物相组成定量统计与微观结构观察。

**三、研究结果**

**3.1 制粒行为**

通过考察水分含量对制粒性能的影响，研究人员发现：随水分由6.5%增至8.0%，所有配比的透气性指数与平均粒径均相应增大。H1烧结粉因较粗的粒度分布而具有优越的制粒性能与透气性；H2与H3精矿因粒度过细，制粒性能较差。由于H3平均粒径较H2粗，B3配比的制粒行为优于B2。值得注意的是，以33% H2或H3替代33% H1后，混合料制粒性能显著下降，透气性指数与平均粒径均降低。这归因于H2和H3精矿中大量细颗粒难以在制粒过程中滚动成球，填充了H1大颗粒间的孔隙，导致烧结层致密化、透气性指数大幅降低。制粒试验表明，细粒矿粉的加入对制粒及床层透气性产生不利影响，进而可能影响后续烧结试验的气流分布与燃料燃烧效率。

**3.2 烧结性能**

在水分7.5%、碱度1.75条件下，通过优化焦粉配比进行烧结试验。结果表明：H1烧结粉的烧结性能显著优于H2和H3精矿，即使在较低焦比下亦如此。这归因于H2和H3精矿粒度远细于常规烧结粉，阻碍制粒过程中的成球，导致料层透气性差、烧结负压高、料层燃烧不完全。纯H3因粒度较纯H2粗，烧结性能略优。但以33% H2或H3替代33% H1后，转鼓指数和成品率显著下降，固体燃耗和返矿平衡指数显著上升，与制粒行为劣化的结果一致。细颗粒的存在严重影响了H1烧结粉的制粒，降低了烧结层透气性，减少燃烧效率，导致料层温度分布不均。为改善细粉烧结性能，必须提高焦比。

各配比在最优焦比条件下的烧结指标对比显示：替代33% H1后，利用系数和转鼓指数显著下降，固体燃耗略有增加，成品率无明显变化。H2和H3精矿的烧结性能劣于H1烧结粉，其加入对烧结过程及指标产生不利影响。具体数据为：利用系数由1.60 t/m²/h降至1.24和1.35；转鼓指数由73.6%降至68.5%和73.2%；固体燃耗由73.9 kg/t增至90.5 kg/t和81.2 kg/t。

**3.3 烧结矿冶金性能**

不同配比的烧结矿化学成分测定及冶金性能测试结果表明：所有烧结矿均具有优良的还原性，RI均高于70%。H1的RI高达80.0%，明显高于其他两种精矿。以33% H2或H3替代33% H1后，RI分别降至77.9%和78.4%；而RDI_+3.15则由72.9%改善至76.8%和75.8%。这种变化受烧结产物矿物学特征（如矿物组成、微观结构、孔隙与裂纹等）的影响。

**3.4 烧结产物矿物学**

**3.4.1 烧结产物矿物组成**

研究人员对最优烧结条件下不同配比烧结产物进行矿物学分析。所有烧结产物均由钙铁氧体、磁铁矿、赤铁矿和玻璃相组成。由于B2-B5配比透气性差、燃烧不完全、高温保持时间不足及局部氧势低，熔体未能充分结晶SFCA（含量：H1 > H3 > H2），而快速冷却凝固为非晶态硅酸盐玻璃相，导致烧结产物强度降低。

B2和B3配比烧结矿含更多玻璃相，低温还原粉化增强。以33% H2或H3替代33% H1后，烧结产物中SFCA含量减少，还原性降低；玻璃相增加，低温还原粉化改善。各配比烧结矿的矿物组成约为：磁铁矿30%-34%、赤铁矿23%-26%、SFCA 30%-34%、玻璃相7%-11%、其他2%-3%。

**3.4.2 烧结产物微观结构**

光学显微镜观察显示，B1配比中SFCA、磁铁矿和赤铁矿均具良好结晶形态。SFCA作为优质粘结相，以针状、柱状和板状与磁铁矿紧密结合；少量硅酸盐玻璃相分布于磁铁矿、赤铁矿间隙及细孔中。B2和B3中SFCA析出量显著减少，仅呈集合体分布，结晶形态不完整；赤铁矿以不规则骨架晶形式出现，部分分布于大孔周围（冷却气流通过所致）；磁铁矿在氧化冷却阶段发生氧化，结晶不完全。B4 Isabelle 5和B5配比中，SFCA结晶形态较差，含量降低，总体略逊于B1，但较B2和B3显著改善，部分SFCA-磁铁矿交织结构嵌入赤铁矿之间。

SFCA被证实为高质量粘结相，具有高机械强度和良好还原性。具有该配比的烧结料层在烧结过程中透气性更好、燃烧更充分，从而具备更高的机械强度和更好的还原性。还原过程中，赤铁矿通常因晶型转变导致结构破坏，但部分SFCA与赤铁矿形成的交织结构能有效抑制这种晶型转变引起的结构破坏，增强整体结构稳定性。这解释了B4和B5低温还原粉化指数略高于B1的原因。

综上，B1配比因有利的相结晶形态而具最优的机械强度和还原性能；B2和B3配比因烧结层透气性显著劣于B1，SFCA含量减少、结晶形态不完整、与磁铁矿结合程度降低，烧结矿性能最差。以33% H2和H3替代33% H1后，B4和B5配比烧结矿机械强度和还原性降低，但部分SFCA-磁铁矿交织熔融结构与赤铁矿颗粒的互嵌分布，在一定程度上缓解了还原过程中赤铁矿晶型转变造成的结构损伤。

**四、讨论与结论总结**

研究人员选取了典型赤铁矿烧结粉及两种低铝高品位赤铁矿精矿，开展了单矿种烧结及精矿与烧结粉混合烧结试验，得出以下结论：

（1）H2和H3精矿具有更高的铁品位和更低的铝含量，是提升质量的适宜添加剂。其主要物相为赤铁矿，含少量针铁矿和石英相；粒度极细，-1 mm含量分别为100.00%和99.11%，比表面积分别为1217 cm²/g和1047 cm²/g；颗粒表面粗糙，具有良好的成球性能。

（2）H2和H3精矿可能对烧结过程透气性产生负面影响，导致烧结性能和还原性能不同程度下降。以33% H2或H3替代33% H1后，料层透气性显著下降，造成燃烧不完全和温度分布不均，对烧结过程产生明显不利影响：利用系数由1.60 t/m²/h分别降至1.24和1.35；转鼓指数由73.6%降至68.5%和73.2%；固体燃耗由73.9 kg/t分别增至90.5 kg/t和81.2 kg/t；还原指数RI由80.0%降至77.9%和78.4%，而低温还原粉化指数RDI由72.9%改善至76.8%和75.8%。

（3）精矿过度细粒化首先严重损害制粒效率，形成致密的低透气性准颗粒。这种受损的床层透气性继而扰乱烧结热制度，导致热量分布不足且不均匀，阻碍充分液相形成并缩短高温停留时间。这些不利工艺条件直接支配烧结产物的微观结构发展：抑制关键高强粘结相SFCA的结晶与生长，同时促进较弱硅酸盐玻璃相和不规则骨架赤铁矿的形成。因而这些微观结构变化决定最终烧结质量，表现为机械强度和还原性降低。然而，部分SFCA-磁铁矿交织熔融结构与赤铁矿的互嵌分布，在一定程度上缓解了还原过程中赤铁矿晶型转变引起的结构损伤，使其低温还原粉化指数RDI有所提高。