·680* 工程科学学报，第40卷，第6期 at this location.The main reason of ring formation is found to be the low melting phases including fayalite formed by FeO and SiO,in pelletizing powder and hedenbergite compounded by Cao(brought about by coal ash).Moreover,the existence of low melting point phases promotes the diffusion and migration of newly formed iron grains between metallized pellets,which exacerbates ring formation. KEY WORDS kiln rings:softening and melting temperature:low melting point substance:iron grain migration:ringing mechanism 我国钢铁行业的迅速发展对铁矿石的需求量连 控制，现有的研究认为主要从铁矿石和还原煤的种 续数年保持在较高水平口，自2003年以来我国铁矿 类、原料准备、以及操作制度方面进行控制4 石进口依赖度已达50%以上，2011一2016年对外依 此外，国内外研究人员专门针对煤灰做了大量的研 存度从60%左右升高至84%P-).然而随着近年来 究，结果表明煤灰会加快结圈速度并加剧结圈现 铁矿石开采力度的加剧，目前国内铁矿石平均品位 象16-图 低，TFe质量分数己不足30%，能直接入炉的TFe质 直接还原一直以来采用高品位铁矿石做原料， 量分数在55%以上的富矿储量只占全国资源总储 因而大部分研究者都是对高品位铁矿石直接还原结 量的2.7%.品位低、矿物嵌布粒度微细、多元 圈进行研究，而对于低品位铁矿石结圈问题少有涉 素紧密共生的特征己日趋成为我国铁矿资源的常 及.低品位铁矿石原料成分、还原工艺要求与高品 态，采用常规的选矿方法己难以实现其有用矿物的 位铁矿石均有所不同，其结圈物特性和形成机制也 有效分离富集. 会有所不同.本文以某低品位铁矿石还原过程中结 虽然直接还原一磁选法处理贫铁矿在技术和经 圈物为研究对象，对其结圈物特性及形成机制进行 济上具有可行性6.但是贫铁矿脉石含量高，软熔 了深入地研究，对钢铁行业未来可持续原料供给、为 温度低，与高品位铁矿球团直接还原相比还原过程 有效控制铁矿石还原过程中结圈现象，提供一定的 回转窑结圈的可能性更大，这给低品位铁矿直接 理论与实践基础 还原带来了新的技术难题.对于直接还原回转窑结 1原料性能与研究方法 圈现象，已进行了大量的研究，取得了大量成果.叶 匡吾0认为还原煤挥发分大量逸出燃烧，产生局部 1.1原料性能 过热以及铁矿石还原过程发生过晶形转变产生粉末 本课题组在前期实验室研究，190基础上进行 是结圈原因.郭光新山分别对窑尾、窑中、窑头的 了某低品位铁矿内配碳球团中1.5m×15m回转窑 结圈进行阐述，解释了其各自结圈机理.而梁文阁 直接还原工业性试验.铁矿石具有铁品位低、脉石 等☒、徐刚等圆分别对钠化球团及铁精矿球团结 含量高的显著特点，其化学成分如表1所示.还原 圈问题进行深入研究.而对于直接还原回转窑结圈 煤的工业分析和灰分的化学组成见表2. 表1铁矿石主要化学成分（质量分数） Table 1 Chemical composition of iron ore % TFe FeO Si02 A203 Ca0 Mgo Naz0 K20 P 31.77 1.56 41.83 4.58 2.51 1.24 0.12 1.25 0.26 0.026 表2煤的工业分析及其灰分化学组成（质量分数） Table 2 Proximate analysis of coal and chemical composition of coal ash 煤工业分析 煤灰主要化学组成 固定碳 水分 灰分 挥发分 TFe Si0, Al203 Ca0 Mgo 51.99 8.25 10.39 29.37 27.73 36.72 6.06 11.30 1.23 0.45 注：煤工业分析的结果是在空气干燥基条件下测得 入窑球团落下强度为15次/0.5m,抗压强度为 31.74%,金属铁质量分数为27.67%，Si02质量分数 20.1N,其球团性能满足生球质量要求.在回转 高达51.34%，此外还含有6.84%A山203及少量的 窑还原过程中，控制高温区温度和还原时间分别为 Ca0、Mg0、Na,0和K,0等. 950~980℃、30min,得到的金属化球团的化学成分 1.2研究方法 如表3所示.金属化球团的TFe质量分数为 工业试验经过35d的运行，在窑头段（距窑头工程科学学报，第 40 卷，第 6 期 at this location． The main reason of ring formation is found to be the low melting phases including fayalite formed by FeO and SiO2 in pelletizing powder and hedenbergite compounded by CaO ( brought about by coal ash) ． Moreover，the existence of low melting point phases promotes the diffusion and migration of newly formed iron grains between metallized pellets，which exacerbates ring formation． KEY WOＲDS kiln rings; softening and melting temperature; low melting point substance; iron grain migration; ringing mechanism 我国钢铁行业的迅速发展对铁矿石的需求量连 续数年保持在较高水平［1］，自 2003 年以来我国铁矿 石进口依赖度已达 50% 以上，2011—2016 年对外依 存度从 60% 左右升高至 84%［2--3］． 然而随着近年来 铁矿石开采力度的加剧，目前国内铁矿石平均品位 低，TFe 质量分数已不足 30% ，能直接入炉的 TFe 质 量分数在 55% 以上的富矿储量只占全国资源总储 量的 2. 7%［4--5］． 品位低、矿物嵌布粒度微细、多元 素紧密共生的特征已日趋成为我国铁矿资源的常 态，采用常规的选矿方法已难以实现其有用矿物的 有效分离富集． 虽然直接还原—磁选法处理贫铁矿在技术和经 济上具有可行性［6--8］． 但是贫铁矿脉石含量高，软熔 温度低，与高品位铁矿球团直接还原相比还原过程 回转窑结圈的可能性更大［9］，这给低品位铁矿直接 还原带来了新的技术难题． 对于直接还原回转窑结 圈现象，已进行了大量的研究，取得了大量成果． 叶 匡吾［10］认为还原煤挥发分大量逸出燃烧，产生局部 过热以及铁矿石还原过程发生过晶形转变产生粉末 是结圈原因． 郭光新［11］分别对窑尾、窑中、窑头的 结圈进行阐述，解释了其各自结圈机理． 而梁文阁 等［12］、徐刚等［13］分别对钠化球团及铁精矿球团结 圈问题进行深入研究． 而对于直接还原回转窑结圈 控制，现有的研究认为主要从铁矿石和还原煤的种 类、原料准备、以及操作制度方面进行控制［14--15］． 此外，国内外研究人员专门针对煤灰做了大量的研 究，结果表明煤灰会加快结圈速度并加剧结圈现 象［16--18］． 直接还原一直以来采用高品位铁矿石做原料， 因而大部分研究者都是对高品位铁矿石直接还原结 圈进行研究，而对于低品位铁矿石结圈问题少有涉 及． 低品位铁矿石原料成分、还原工艺要求与高品 位铁矿石均有所不同，其结圈物特性和形成机制也 会有所不同． 本文以某低品位铁矿石还原过程中结 圈物为研究对象，对其结圈物特性及形成机制进行 了深入地研究，对钢铁行业未来可持续原料供给、为 有效控制铁矿石还原过程中结圈现象，提供一定的 理论与实践基础． 1 原料性能与研究方法 1. 1 原料性能 本课题组在前期实验室研究［8，19--20］基础上进行 了某低品位铁矿内配碳球团 1. 5 m × 15 m 回转窑 直接还原工业性试验． 铁矿石具有铁品位低、脉石 含量高的显著特点，其化学成分如表 1 所示． 还原 煤的工业分析和灰分的化学组成见表 2． 表 1 铁矿石主要化学成分( 质量分数) Table 1 Chemical composition of iron ore % TFe FeO SiO2 Al2O3 CaO MgO Na2O K2O P S 31. 77 1. 56 41. 83 4. 58 2. 51 1. 24 0. 12 1. 25 0. 26 0. 026 表 2 煤的工业分析及其灰分化学组成( 质量分数) Table 2 Proximate analysis of coal and chemical composition of coal ash % 煤工业分析 煤灰主要化学组成 固定碳 水分 灰分 挥发分 TFe SiO2 Al2O3 CaO MgO S 51. 99 8. 25 10. 39 29. 37 27. 73 36. 72 6. 06 11. 30 1. 23 0. 45 注: 煤工业分析的结果是在空气干燥基条件下测得． 入窑球团落下强度为 15 次/0. 5 m，抗压强度为 20. 1 N，其球团性能满足生球质量要求［21］． 在回转 窑还原过程中，控制高温区温度和还原时间分别为 950 ～ 980 ℃、30 min，得到的金属化球团的化学成分 如表 3 所 示． 金 属 化 球 团 的 TFe 质 量 分 数 为 31. 74% ，金属铁质量分数为 27. 67% ，SiO2质量分数 高达 51. 34% ，此外还含有 6. 84% Al2 O3 及少量的 CaO、MgO、Na2O 和 K2O 等． 1. 2 研究方法 工业试验经过 35 d 的运行，在窑头段( 距窑头 · 086 ·