摘要：為定量分析燒結(jié)過程中的聚結(jié)行為，本文采用熱力學軟件FactSage對不同堿度條件下熔體的組成及性質(zhì)進行計算，并根據(jù)計算結(jié)果進一步得出了各條件下熔體的表面張力以及表觀黏度，用于燒結(jié)礦致密化系數(shù)的計算。結(jié)果顯示，隨著堿度升高，熔體的表觀黏度不斷減小，在溫度為1350℃時，表觀黏度有最小值(0.114 Pa·s)；表面張力隨堿度的升高而先減小后增大，在溫度為1300℃時有最小值(約為0.32 N)。燒結(jié)礦的聚結(jié)行為受表觀黏度與表面張力共同驅(qū)動，提高堿度有利于燒結(jié)過程的聚結(jié)行為，使得致密化系數(shù)增大，溫度越高，致密化系數(shù)也越大。燒結(jié)試驗表明，在堿度為1.85~2.25范圍內(nèi)，致密化系數(shù)與燒結(jié)礦孔隙率和轉(zhuǎn)鼓指數(shù)有關聯(lián)，致密化系數(shù)在一定程度上可以表征燒結(jié)礦強度的大小。

引言

燒結(jié)礦是高爐煉鐵的主要原料，其結(jié)構(gòu)可以分為兩個部分：礦物成分和孔隙。普遍認為，燒結(jié)礦中的孔隙在高爐煉鐵環(huán)節(jié)發(fā)揮重要作用：一方面，孔隙為反應物氣體提供擴散路徑；另一方面，孔隙也增大了反應面積。對燒結(jié)體孔隙與強度間關系的討論，早在1953年，DUCKWORTH在研究報告中指出，對于一般燒結(jié)體，孔隙率的增大往往會使得其強度降低。于是，有學者開始研究鐵礦石燒結(jié)過程中的孔隙形成機制，YANG等發(fā)現(xiàn)燒結(jié)礦中的孔隙主要在液相流動時、石灰石顆粒部位和焦炭顆粒燃燒后形成。另外，有研究結(jié)果證實孔隙對燒結(jié)礦質(zhì)量參數(shù)有重要影響。因此，孔隙率可以表征燒結(jié)礦的強度大小，對于高爐生產(chǎn)的順行與否有著重要意義。從燒結(jié)機理上來講，燒結(jié)過程可以描述為擴散過程、黏性流動及冷凝的結(jié)果，而這些過程最終引起燒結(jié)礦的致密化。致密化行為是燒結(jié)礦孔隙演變的主要方式，是固相燒結(jié)和液相燒結(jié)兩個階段的結(jié)果。在燒結(jié)床中，主要的結(jié)構(gòu)變化發(fā)生在熔體形成位置，這個過程通常被稱為聚結(jié)，聚結(jié)過程非常復雜，受眾多變量的控制。在燒結(jié)過程中，強化聚結(jié)過程將會形成更大更致密的燒結(jié)顆粒，從而改善高爐生產(chǎn)。

當前，燒結(jié)礦聚結(jié)過程的研究主要在液相流動性方面，系統(tǒng)流動性越高，燒結(jié)過程的聚結(jié)和致密性越好。王春來等通過試驗，研究了在燒結(jié)中添加硼鎂鐵精粉對液相流動性的影響。楊雙平等通過燒結(jié)杯試驗，研究了礦粉中SiO2質(zhì)量分數(shù)對液相生成及流動性的影響。康健等通過SEM-EDS、荷重軟化熔滴等性能測定試驗，研究了礦粉配比對混勻料液相生成的影響。試驗結(jié)果表明，礦粉配比對混勻料液相生成行為有影響，進而影響燒結(jié)礦質(zhì)量。此外，也有研究人員采用FactSage模擬計算，對燒結(jié)過程進行熱力學分析，從化學平衡的角度探討各因素對燒結(jié)過程的影響。吳勝利等采用FactSage熱力學計算和微型燒結(jié)可視化試驗方法，研究了固定CaO配比條件下鐵礦粉的液相流動性及其主要的熱力學液相生成特征的影響因素，KIMURA等利用化學平衡技術研究了不同氧分壓下CaO-SiO-FeO-FeO2-Al2O3系統(tǒng)的相圖，CHEN等研究了氧分壓和添加Al2O3和MgO對FeOx-CaO-SiO2體系液相線的影響。翟曉波等以7種鐵礦粉為研究對象，在試樣測定兩種氧分壓下高溫熔體流動行為的基礎上，通過FactSage熱力學計算、XRD礦相分析法及礦相數(shù)點法探究燒結(jié)高溫熔體的流動行為，對燒結(jié)礦強度的影響。李小明等采用FactSage熱力學軟件研究了不銹鋼酸洗污泥對鐵礦粉燒結(jié)液相生成特性和CaO-SiO2-Fe2O3-Al2O3-MgO-CaF2體系液相分布的影響。通過FactSage研究了不同溫度和堿度條件下燒結(jié)液相生成行為，結(jié)合熔體成分與性質(zhì)，對燒結(jié)過程聚結(jié)行為作出了定量評估，得到了不同溫度和堿度條件下的致密化系數(shù)，對于實際的燒結(jié)生產(chǎn)有著理論指導意義。但目前對于鐵礦石燒結(jié)過程中的聚結(jié)行為研究相對較少，因為真實的燒結(jié)生產(chǎn)存在火焰前鋒，熔體的數(shù)量與性質(zhì)是火焰前鋒處燒結(jié)反應的結(jié)果，對此進行測量較為困難。理論研究表明，聚結(jié)過程是表面力、黏性力、慣性力和重力的綜合結(jié)果，其中慣性力和重力通常比表面力和黏性力小。盡管燒結(jié)是由各種反應的動力學控制，并且遠離平衡，但是熱力學分析可以提供關于熔體形成的有用輸入，并且有助于理解與實際工藝條件的偏差。實踐研究表明，原料結(jié)構(gòu)、燃料質(zhì)量、工藝操作、布料設備等均對燒結(jié)礦強度有不同程度的影響，通過優(yōu)化原料結(jié)構(gòu)、調(diào)整燃料粒度、精細化操作、工藝設備改造等方法能顯著改善燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓強度。

因此，本文基于實際的燒結(jié)生產(chǎn)，通過FactSage對燒結(jié)過程中的熔體數(shù)量及性質(zhì)進行計算，然后結(jié)合熔體的各項參數(shù)，得到不同溫度和不同堿度條件下熔體的表面張力和與表觀黏度值，根據(jù)致密化系數(shù)值的大小來定量描述燒結(jié)過程中的聚結(jié)行為程度，再結(jié)合燒結(jié)試驗，評估計算所得的致密化系數(shù)與燒結(jié)礦孔隙率和轉(zhuǎn)鼓指數(shù)間的關聯(lián)。通過FactSage計算得到的致密化系數(shù)，對燒結(jié)礦孔隙率及轉(zhuǎn)鼓強度的提前預估和評價，能為實際燒結(jié)配礦和生產(chǎn)過程提供優(yōu)化指導。