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(xué)軟件FactSage對不同堿度條件下熔體的組成及性質(zhì)進(jìn)行計算，并根據(jù)計算結(jié)果進(jìn)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(guān)聯(lián)，致密化系數(shù)在一定程度上可以表征燒結(jié)礦強(qiáng)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(rèn)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(yīng)物氣體提供擴(kuò)散路徑；另一方面，孔隙也增大了反應(yīng)面積。對燒結(jié)體孔隙與強(qiáng)度間關(guān)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(qiáng)度降低。于是，有學(xué)者開始研究鐵礦石燒結(jié)過程中的孔隙形成機(jī)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(qiáng)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(jī)理上來講，燒結(jié)過程可以描述為擴(kuò)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(fù)雜，受眾多變量的控制。在燒結(jié)過程中，強(qiáng)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(dāng)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?jǐn)?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(jìn)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(jìn)行熱力學(xué)分析，從化學(xué)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(xué)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(xué)液相生成特征的影響因素，KIMURA等利用化學(xué)平衡技術(shù)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(chǔ)上，通過FactSage熱力學(xué)計算、XRD礦相分析法及礦相數(shù)點(diǎn)法探究燒結(jié)高溫熔體的流動行為，對燒結(jié)礦強(qiáng)度的影響。李小明等采用FactSage熱力學(xué)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(dǎo)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(yīng)的結(jié)果，對此進(jìn)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(yīng)的動力學(xué)控制，并且遠(yuǎn)離平衡，但是熱力學(xué)分析可以提供關(guān)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(shè)備等均對燒結(jié)礦強(qiáng)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(xì)化操作、工藝設(shè)備改造等方法能顯著改善燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)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(jìn)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(guān)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(qiáng)度的提前預(yù)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(dǎo)。