标题：低温还原粉化性
简介
铁矿石(烧结矿及球团矿)在低温还原过程中发生碎裂粉化的特性。在高炉炼铁过程中，当铁矿石进入高炉后，炉料下降到400～600℃的区间，在这里受到来自高炉下部的煤气的还原作用，会发生不同程度的碎裂粉化。严重时则影响高炉上部料柱的透气性，破坏炉况顺行。铁矿石这种性能的强弱以低温还原粉化指数(RDI)来表示，或称LTB(Low Tempera-ture Break-down)。 
粉化原因及影响因素
低温还原粉化的根本原因是矿石中的Fe2O3在低温(400～600℃)还原时，由赤铁矿变成磁铁矿发生了晶格的变化，前者为三方晶系六方晶格，而后者为等轴晶系立方晶格，还原造成了晶格的扭曲，产生极大的内应力，导致铁矿石在机械力作用下碎裂粉化。影响铁矿石(烧结矿及球团矿)低温还原粉化性能的因素有矿石的种类、Fe2O3的结晶形态、人造富矿的碱度、还原温度及铁矿石中的其他元素的含量。矿石的种类以赤铁矿粉为原料的烧结矿RDI较高;以磁铁矿粉为原料的烧结矿RDI较低。例如：烧结原料中澳大利亚赤铁矿配加量由43.5%增加到60.6%时，烧结矿的 RDI 值由 31.36%提高到38.08%。德国K.格勒勃等研究表明：在烧结矿中碱度、脉石含量及机械应力相同的条件下，烧结矿中Fe2O3(包括原始及次生Fe2O3)含量与RDI有密切的关系，Fe2O3含量愈高，则RDI愈高。 
Fe2O3的结晶形态Fe2O3结晶形态的差异能引起RDI较大的变化。结晶良好的天然Fe2O3，RDI一般在30%以下(按日本钢铁厂方法检验，以下同);天然磁铁矿氧化焙烧成的Fe2O3的结晶，焙烧初期呈线状，RDI为22.4%，焙烧后期呈多晶状，RDI为10.3%;焙烧良好的球团矿，其中的Fe2O3大部分是斑状，RDI较低，酸性球团矿RDI为34.1%，自熔性球团矿为3.1%;烧结矿中的Fe2O3，如斑状结晶体RDI较低，但当磁铁矿原料高温烧结后，在降温初期Fe3O4迅速再氧化成Fe2O3，内部尚包裹着Fe3O4、硅酸盐玻璃质、CaO·Fe2O3，它的晶体外形多为菱形的骸晶状Fe2O3，具有最高的RDI。由于矿物内外还原速度和膨胀情况的不同，导致所生成的烧结矿产生许多裂纹，造成更大的碎裂粉化。 
烧结矿的碱度烧结矿的RDI一般随着烧结矿碱度提高而降低，因为烧结矿碱度提高，烧结矿中Fe2O3含量下降，因之RDI也降低，由于烧结矿本身的强度随着烧结矿碱度而变化，一般在碱度1.5时出现强度衰弱区，因而也导致在该碱度条件下烧结矿的RDI出现低值。 
还原温度和还原时间烧结矿和球团矿的RDI随着还原温度变化而变化。一般在400～600℃有一个峰值，温度低于或高于此值，RDI都降低，因为在此温度范围内αFe2O3很快还原为γFe2O3，低于此温度生成的γFe2O3很少;高于此温度，αFe2O3很快还原为FexO，使粉化减轻。此外，在400～600℃温度范围内，碳素析出反应剧烈(2CO=CO2+C)，促使粉化更加严重。用H2气体作还原剂时，烧结矿的RDI较低。矿石的RDI还随着还原时间延长而增加，但30～40min后增加速度开始缓慢。
烧结矿中脉石成分烧结矿的一些脉石成分如CaO、MgO、Al2O3、FeO、TiO2对烧结矿的RDI都有一定的影响。烧结矿中CaO、MgO、FeO含量高，则烧结矿RDI低;Al2O3、TiO2高则RDI升高。研究表明：赤铁矿转变为磁铁矿的相变温度(THM)对于次生赤铁矿的形成起重要作用。凡某种成分能提高THM，则有助于次生赤铁矿的生成;凡能降低THM的成分，则不利于次生赤铁矿生成。CaO、MgO能降低THM，减少次生赤铁矿生成，降低烧结矿RDI;TiO2刚好相反，它使RDI升高。Al2O3可使烧结矿液相黏度增加，未还原的和残余的赤铁矿含量增加，烧结矿的RDI上升。烧结矿中FeO高，烧结温度高，烧结矿中残余赤铁矿降低，RDI降低。此外，碱金属对RDI有很不利的影响。 
检验方法
铁矿石低温还原粉化性的强弱已有国际标准化组织(ISO)制订的“铁矿石—低温粉化试验—静态还原后使用冷转鼓的方法”以及各国制订的方法进行检验，这些方法大同小异，可分为静态检验和动态检验法。静态检验法静态检验法主要有以下3种： 
(1)ISO检验方法。(ISO4696—1984)检验设备与测定铁矿石还原性的设备相同。试样粒度为10～12.5mm、质量为500g。在还原煤气成分为CO20%，CO220%，H22%及N258%，允许杂质含量O2<0.1%、H2O<0.2%，流量为20L/min，温度为500℃±10℃的条件下还原60min，在N2气中冷却。把还原后的试样全部装入小转鼓(φ130mm×200mm)内进行检验，该转鼓内有两个高20mm的挡板，以30r/min的速度旋转10min，将转后的试样进行筛分，以+6.3mm，+3.15mm，-0.5mm级的质量与还原后入转鼓的试样总质量之百分比作为评价标准。分别以RDI+6.3，RDI+3.15以及RDI-0.5表示还原粉化指数。 
(2)日本钢铁厂的检验方法。先将试样在还原性检验装置(见铁矿石还原性)中进行还原试验。试样粒度：矿石、烧结矿为19～22.4mm，球团矿为10～12.5mm，质量500g，在还原煤气成分为CO30%、N270%，流量为15L/min，温度为500℃的条件下还原30min。然后把还原后的试样装入标准转鼓(φ130mm×200mm)，以30r/min速度转动30min后对试样进行筛分，以小于3mm粒级的质量与还原后入转鼓前试样总质量之比的百分数作为低温还原粉化率，以RDI(<3mm)表示。 
(3)中国国家标准(GB/T13242—91)检验方法所使用的装置及工艺参数，与铁矿石还原性检测方法基本相同。但还原温度为500℃±10℃，还原时间为60min，还原气体成分为CO20%，CO220%，N260%;H2的浓度<0.2%或2.0%。还原后试样通入N2冷却，然后全部装入小转鼓(φ130mm×200mm)内，以30r/min的转速转动10min，将转鼓后的试样进行筛分，以+6.3mm、+3.15mm、-0.5mm粒级的质量与还原后入鼓的试样总质量之比的百分数作为还原粉化指数。在评定时以RDI+3.15作为考核指标，RDI+6.3和RDI-0.5只作为参考指标。 
动态检验方法动态检验法主要有以下3种： 
(1)国际标准化组织检验方法(ISO/DP4697)，使用标准转鼓(φ130mm×200mm)，内设4个挡板(高20mm，厚2mm);(图2)试样粒度10～12.5mm，质量500g，在还原气体成分为CO20%、CO220%、H22%及N258%，允许杂质含量为O2<0.1%、H2O<0.2%，流量20L/min，温度为500℃的条件下，以10r/min的转速回转，还原60min后，以N2气冷却。将还原后的试样进行筛分，评价标准与静态法相同
(2)德国奥特弗莱森(Othfresen)研究协会检验方法。使用非标准转鼓(φ150mm×500mm)，内有4个挡板(高20mm)，转鼓速度10r/min。试样粒度：烧结矿12.5～16mm，矿石和球团矿10～12.5mm;还原气体成分为CO24%、CO216%、N260%，流量15L/min，其他作业参数和粉化指数表示法，与ISO/DP4697相同。 
(3)前苏联国家标准检验方法(ГОСТ 19575—84)。使用非标准转鼓(φ145mm×500mm)，内有4个挡板(高20mm)，置于长1100mm，内径240mm的电炉内，转鼓转速10r/min。试样粒度10～15mm，质量500g，还原气体成分为CO35%及N265%，允许杂质含量为H20.5%、O20.1%和H2O0.2%，流量15L/min。采用升温加热制度：开始以 15℃/min升温至600℃，共40min，以后以1.43℃/min升温至800℃，共2h20min。以小于10mm、5～0.5mm和小于0.5mm粒级的质量分别与试样总质量之百分比作为还原强度指数、还原粉化指数及还原磨损指数。 
静态与动态的比较静态法在设备上可与还原性检验方法使用同一装置，转鼓检验在常温条件下进行，工作条件好，容易密封;在操作上还原反应管温度分布均匀，温度测量点更接近实际，试验结果稳定误差较小。动态法的优点是还原与转鼓在同一装置内完成，操作简单。两种方法的检验结果具有密切相关关系，然而不论静态或动态法的检验结果只具有相对意义，与高炉内实际取样的结果有定性的相关关系，但绝对值相差甚大。1980年中国包头钢铁公司55m3高炉炉身取样表明：太原钢铁公司烧结矿的低温还原粉化率(<3mm)为9.89%，包头钢铁公司烧结矿为8.41%，而按日本钢铁厂检验方法检验所得RDI值分别为27.1%及21.9%。升温法所得的还原粉化率比通行的恒温法更接近于生产实际。 
对高炉冶炼的影响
日本广畑厂3号高炉1968年曾统计烧结矿RDI对高炉作业指标的影响(图3)。德国蒂森(Thyssen)公司8号高炉以低温还原粉化率高的球团矿(RDI+6.343%，RDI-0.5 38.1%)代替烧结矿，生铁产量下降25%，燃料消耗自520kg/t增加到584kg/t。法国索尔梅(SOLMER)福斯厂(FOS·Sur-Mer)2490m3高炉生产实践证明：当炉料中RDI上升7.2%，高炉炉墙边缘ηco下降0.018;焦比上升4kg。各厂对入高炉铁矿石的低温还原粉化率都有相应的规定。多数厂规定烧结矿RDI-3.0<35%或RDI+6.3>65%，RDI-0.5<15%。 降低铁矿石低温还原粉化率的方法有：改变烧结原料配比以降低赤铁矿比例及降低含Al2O3、TiO2、K2O+Na2O高的原料;提高烧结矿的碱度及MgO含量;实现低温烧结工艺防止骸晶状菱形赤铁矿的生成;使用卤化物处理烧结矿及球团矿等。[1]