郭會良，薛玉卿，玄振法，徐佳鋒，李 勝

（山東泰山鋼鐵集團有限公司，山東 濟南 ２７１１００）

摘要：為保證燒結(jié)礦具有良好的冶金性能，同時提高料層透氣性，本文通過分析料面裂縫的形狀、長度和生長規(guī)律，研究裂縫產(chǎn)生的原因及其與點火溫度之間的關(guān)系，采用光學顯微鏡查看裂縫處燒結(jié)礦的微觀組織，并對裂縫處燒結(jié)礦進行力學分析。結(jié)果表明：在一定范圍內(nèi)，隨著點火溫度的升高，裂縫條數(shù)呈增加趨勢，當點火溫度大于１１５０℃時，裂縫條數(shù)反而呈減少趨勢；隨著點火溫度的升高，裂縫產(chǎn)生的位置逐漸后移，即點火溫度越高，裂縫的產(chǎn)生時間越晚；隨著點火溫度的升高，燒結(jié)礦中 ＦｅＯ質(zhì)量分數(shù)呈下降趨勢，但當溫度超過 １１５０℃后，燒結(jié)礦中ＦｅＯ質(zhì)量分數(shù)反而呈上升趨勢；裂縫處燒結(jié)礦內(nèi)有大量針狀鐵酸鈣，存在適當?shù)木чg裂縫和孔洞，且赤鐵礦含量適中，質(zhì)量優(yōu)于內(nèi)部的燒結(jié)礦；裂縫的產(chǎn)生能改善料層內(nèi)部空氣流通，增加料層透氣性，進而改善燒結(jié)礦質(zhì)量。理論計算結(jié)果表明，固熔物的斥力大于引力（Ｆ_引 ＜Ｆ_斥 ），且固相物強度小于液相表面張力（ξ＜ε_豎 ）是裂縫產(chǎn)生的必要條件。本文研究成果可為改善實際燒結(jié)生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：鐵礦燒結(jié)；料面裂縫；點火溫度；化學成分；ＦｅＯ；受力狀態(tài)

鐵礦燒結(jié)是在高溫環(huán)境下生產(chǎn)具有一定物理化學性能和冶金性能燒結(jié)礦的工序，其是鋼鐵工業(yè)最常用的原料處理方法^［１］ 。在我國高爐爐料結(jié)構(gòu)中，燒結(jié)礦的配比一般在 ７０％以上，個別企業(yè)甚至達到了 ８５％，而 ２０２３年我國高爐煉鐵中燒結(jié)礦的總用量也達到了 １３７３億噸^［２］ 。燒結(jié)工序消耗了大量的煤、天然氣、電等能源，其綜合能源消耗占整個鋼鐵行業(yè)的 ７５％以上。此外，燒結(jié)礦的物理化學和冶金性能對后續(xù)產(chǎn)品的影響也比較大，其質(zhì)量控制是鋼鐵企業(yè)一直關(guān)注的重點^［３］ 。

料面裂縫是燒結(jié)生產(chǎn)中的常見現(xiàn)象，這些裂縫會增大料層的透氣性，但同時也會產(chǎn)生熱量損失和燒結(jié)礦快速冷卻等不利影響。在生產(chǎn)過程中，很難通過操作來抑制或促進料面裂縫的產(chǎn)生，因此很難有效發(fā)揮裂縫的有利影響。針對裂縫產(chǎn)生的原因，郭會良等^［４］通過優(yōu)化水分質(zhì)量分數(shù)來改善球團生產(chǎn)過程中的成球率，而成球率與球團表面的裂縫有直接關(guān)系；欽禮文等^［５］研究了燒結(jié)溫度和時間對燒結(jié)礦氣孔特征的影響，發(fā)現(xiàn)隨著燒結(jié)溫度由 １２００℃升高到 １４００℃，燒結(jié)礦的氣孔率先升高后降低，并在 １２８０℃時達到峰值，氣孔形態(tài)呈不規(guī)則狀、變化不大，得出氣孔是料面裂縫產(chǎn)生的內(nèi)在原因；宋鶴鍇等^［６］分析了燒結(jié)礦黏結(jié)相氣孔率的影響因素，發(fā)現(xiàn)隨著 ＳｉＯ_２ 質(zhì)量分數(shù)的增加氣孔率先增加后減小，隨著 Ａｌ_２Ｏ_３ 質(zhì)量分數(shù)的增加氣孔率逐漸減小，黏結(jié)相的強度則隨著氣孔率的增加而減小，氣孔的性質(zhì)間接影響著燒結(jié)礦裂縫的產(chǎn)生。

目前，研究人員多采用優(yōu)化水分、溫度和化學成分等措施來改善燒結(jié)、球團礦的質(zhì)量，而從料面裂縫的角度來深入探究其成因及其對產(chǎn)品質(zhì)量的影響則較少。為此，本文通過分析燒結(jié)料面裂縫產(chǎn)生的原因，闡述裂縫與點火溫度之間的關(guān)系，同時以裂縫內(nèi)部燒結(jié)礦的化學成分和質(zhì)量為研究對象，探討其與裂縫之間的影響關(guān)系，以期為提高燒結(jié)礦質(zhì)量、降低鋼鐵生產(chǎn)成本、控制燒結(jié)過程參數(shù)提供借鑒與參考。

１ 裂縫的形狀、長度和生長規(guī)律

某燒結(jié)廠備用 １８０ｍ２燒結(jié)機的寬度為 ３３ｍ，料層厚度為 ７００ｍｍ，臺車機速的可調(diào) 范 圍 為１０～１９ｍ／ｍｉｎ，點火采用焦爐煤氣，點火溫度為（１０５０±５０）℃；燒結(jié)原料選用常用的 ＰＢ粉、楊迪粉和南非粉，熔劑為生石灰。在實際運行中，設置該燒結(jié)機的臺車機速為 １８ｍ／ｍｉｎ，燒結(jié)礦堿度為 １８，待燒結(jié)機運行平穩(wěn)后統(tǒng)計裂縫產(chǎn)生的物 理條件。

１.１ 裂縫的形狀

燒結(jié)料面產(chǎn)生的裂縫有不同的形狀，本文將這些裂縫分為 ４類：① 橫紋，即垂直于燒結(jié)欄板的裂縫；② 半橫紋，即橫紋中有的裂縫較短，裂縫的兩端最多僅有一端與欄板接觸；③ 貫穿紋，即橫紋中裂縫兩端貫穿整個料面；④ 縱紋，即平行于燒結(jié)欄板的裂縫。具體裂縫形狀如圖 １所示。選取生產(chǎn)平穩(wěn)的 ３個時間段（每個時間段為３０ｍｉｎ），統(tǒng)計半橫紋、貫穿紋和縱紋 ３種裂縫的條數(shù)。統(tǒng)計結(jié)果表明，裂縫中半橫紋的數(shù)量最多（１９條），其次是貫穿紋（９條），縱紋的數(shù)量最少（４條）。

１.２ 裂縫的長度

實際燒結(jié)料面裂縫不是直線，因此測量裂縫長度時作如下幾點假設：① 將裂縫首尾的直線距離近似看作該裂縫的長度；② 在燒結(jié)機運行過程中，裂縫的長度會逐漸增長，選取離燒結(jié)終點 １／３處作為測量的位置。統(tǒng)計裂縫的長度時，選取正常生 產(chǎn) 時 的 ６個 時 間 段，設 置 每 個 時 間 段 為３０ｍｉｎ，得到裂縫長度統(tǒng)計結(jié)果如表１所示。由表１可以看出： ＜３ｍ的裂縫幾乎全部為半橫紋，少量為縱紋，［３，４）ｍ的裂縫數(shù)量總計為 ８條（貫穿紋為 ５條），≥４ｍ的裂縫為 ３條（縱紋為 ２條）；另外，所有裂縫中半橫紋的數(shù)量最多，占總數(shù)量的 ７４％，且大多數(shù)半橫紋的長度為［１，２）ｍ和［２，３）ｍ，貫穿紋和縱紋的長度均較大。

１.３ 裂縫的生長規(guī)律

燒結(jié)料面裂縫是一個緩慢生長的過程，即隨著燒結(jié)過程的進行其長度慢慢增加。在試驗過程中，以燒結(jié)點火器末端為起點，以燒結(jié)料面末端倒數(shù)第三輛臺車為終點，每隔 １個臺車的距離連續(xù)測量同一裂縫的長度。為避免不同長度裂縫之間相互影響，設置終點裂縫的長度為 １００％，其他時間點的長度按其百分比（簡稱“長度百分比”）進行統(tǒng)計，連續(xù)測量 １０組數(shù)據(jù)，取其平均值進行繪圖，結(jié)果如圖 ２所示。由圖 ２可以看出，隨著燒結(jié)過程的進行，同一裂縫的長度逐漸增加，裂縫的產(chǎn)生一般在燒結(jié)進行到 １０％時開始，即距離點火器末端為 ４～５ｍ，隨后則以極快的速度生長；當燒結(jié)進行到 ４０％時，其長度達到總長度的 ８０％左右，再往后其生長速度逐漸減緩；當達到燒結(jié)進行到 ６０％時，裂縫基本趨于最大值，后續(xù)基本保持不變。因此，裂縫生長最快的區(qū)域一般是在燒結(jié)過程的前、中期，即燒結(jié)過程進行到 ２０％～４０％時。

２ 裂縫與點火溫度的關(guān)系

２.１ 點火溫度對裂縫數(shù)量的影響

點火溫度是燒結(jié)生產(chǎn)時點火器點著燒結(jié)料面的火焰溫度，其是點火器的重要參數(shù)。一般點火溫度越高，越容易點著料面的固體燃料，但是點火溫度過高會造成點火煤氣的浪費，從而增加生產(chǎn)成本。在試驗過程中，選用相同的燒結(jié)原料配比，將點火溫度設定為 ９５０、１０５０、１１５０℃和 １２５０℃，在燒結(jié)料面末端倒數(shù)第三輛臺車位置查看裂縫的數(shù)量，選取生產(chǎn)平穩(wěn)的 ３個時間段，每個時間段為 ３０ｍｉｎ，結(jié)果如圖 ３所示。由圖３可以看出，在一定溫度范圍內(nèi)，隨著點火溫度的升高，裂縫條數(shù)呈增加趨勢，當點火溫度大于 １１５０℃時，裂縫的條數(shù)反而呈減少趨勢?？芍谝欢囟确秶鷥?nèi)，點火溫度的升高對裂縫的產(chǎn)生有利，但是超過該范圍后，點火溫度的升高對裂縫的產(chǎn)生不利。這主要是因為溫度的升高有利于燒結(jié)料內(nèi)部燃料的充分燃燒，從而使得物料產(chǎn)生化學反應，而當溫度過高時，燒結(jié)料面溫度升高較快，反應產(chǎn)生的大量熱量導致溫度升高到物料的熔點之上，快速冷卻后導致料面固結(jié)，致使裂縫不容易形成。

另外，在一定溫度范圍內(nèi)，溫度對縱紋產(chǎn)生的數(shù)量影響較小，尤其是溫度為 １０５０、１１５０℃時，二者產(chǎn)生的縱紋數(shù)量相同，且繼續(xù)提高溫度對縱紋的產(chǎn)生數(shù)量影響不大，因此，溫度不是縱紋產(chǎn)生的最主要因素。

２.２ 點火溫度對裂縫生長速度的影響

在不同的點火溫度下進行勻速燒結(jié)，選用相同的配比，分別跟蹤測量所有裂縫的長度，選取終點裂縫的長度百分比為 １００％，其他時間點的長度按相應百分比進行統(tǒng)計，結(jié)果如圖 ４所示。由圖 ４可以看出：隨著點火溫度的提升，產(chǎn)生裂縫的位置逐漸后移，即點火溫度越高，裂縫的產(chǎn)生時間越晚；而且在裂縫生長到 ３０％以下時，裂縫生長速度隨著溫度的升高逐漸后移，但當裂縫生長到 ３０％以上時，溫度為 １０５０℃時的生長速度逐漸超過 ９５０℃時的生長速度，同時，點火溫度為 １１５０℃和 １２５０℃時也出現(xiàn)相同的現(xiàn)象，即生長到 ８５％左右時，高溫物料實現(xiàn)對低溫物料生長速度的反超。但在不同的溫度環(huán)境下，幾乎所有裂縫的生長都在燒結(jié)進行到 ６０％時達到最大值，即停止生長。

２.３ 點火溫度對裂縫處燒結(jié)礦化學成分的影響

化學成分直接影響燒結(jié)礦的質(zhì)量。研究表明，裂縫處燒結(jié)礦的化學成分與內(nèi)部有較大區(qū)別，尤其是 ＦｅＯ的質(zhì)量分數(shù)^{［７－９］} 。在不同點火溫度條件下，分別選取燒結(jié)終點時裂縫處距離料面 １０ｃｍ的物料進行 ＦｅＯ質(zhì)量分數(shù)檢測，同時檢測遠離裂縫的內(nèi)部燒結(jié)礦的化學成分，結(jié)果如表 ２所示。由表 ２可以看出：在一定范圍內(nèi)，隨著點火溫度的升高，裂縫處燒結(jié)礦 ＦｅＯ質(zhì)量分數(shù)呈下降趨勢，但溫度當超過 １１５０℃時，該值反而略有上升。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是，在低于１１５０℃時，隨著溫度的升高，裂縫的產(chǎn)生較容易，而裂縫處會涌入大量新鮮空氣，導致裂縫中氧氣過剩，而在高溫下燒結(jié)礦與氧氣發(fā)生氧化反應，ＦｅＯ被氧化成 Ｆｅ_３Ｏ_４和 Ｆｅ_２Ｏ_３，導致 ＦｅＯ質(zhì)量分數(shù)下降；而當溫度過高時，生成的液相較多，使得多孔的物料減少，從而降低了空氣與燒結(jié)礦接觸，導致 ＦｅＯ質(zhì)量分數(shù)升高。內(nèi)部燒結(jié)礦的 ＦｅＯ質(zhì)量分數(shù)則較穩(wěn)定，不受裂縫和點火溫度的影響。

３ 裂縫處燒結(jié)礦的質(zhì)量

不同位置燒結(jié)礦的質(zhì)量有很大的區(qū)別，分別取若干 １０５０℃下燒結(jié)機正常運行狀態(tài)下生產(chǎn)的燒結(jié)礦，選取位置為裂縫處和燒結(jié)礦的內(nèi)部（非裂縫），在 １００倍的光學顯微鏡下查看微觀組織，結(jié)果如圖５所示。由圖 ５可以看出：裂縫處燒結(jié)礦內(nèi)有大量針狀鐵酸鈣，赤鐵礦多成骸晶狀，有適當?shù)木чg裂縫和孔洞，且赤鐵礦含量適中；而燒結(jié)礦內(nèi)部，存在大量未反應的赤鐵礦，針狀鐵酸鈣的數(shù)量極少，且晶間裂縫不規(guī)則，無大孔現(xiàn)象。從微觀結(jié)構(gòu)可以初步判斷裂縫處燒結(jié)礦形成了穩(wěn)定的針狀鐵酸鈣，而內(nèi)部的燒結(jié)礦則存在欠燒現(xiàn)象。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是，裂縫處能實現(xiàn)內(nèi)部和外部的空氣流通，使得附近有充足的氧氣，便于燃料的燃燒和反應的進行，同時，空氣的流通有助于燒結(jié)礦的降溫，增加了料層的透氣性，使得表層物料無論成分還是質(zhì)量都優(yōu)于內(nèi)部燒結(jié)礦。

４ 裂縫的形成過程與力學分析

料面裂縫在點火之后一段時間內(nèi)產(chǎn)生，并且隨著時間的推移，裂縫的數(shù)量和長度都增大，在燒結(jié)中、后期基本定型。將裂縫的形成過程分為原始狀態(tài)、干燥狀態(tài)、熔化狀態(tài)、凝固狀態(tài) ４個階段，如圖 ６所示。由圖 ６（ａ）可知：在裂縫形成初期或點火初期，料層內(nèi)為均勻的制粒小球，這些小球呈密集堆積狀態(tài)，小球之間有少量的堆積空隙，有的被更小的粉末填充，有的則是孔洞形態(tài)。由偏析布料原理可知，越往下料層中的小球越大、孔洞越多。此處，為分析其形成過程，將料層中物料簡化為制粒小球，并且大小一致。由圖 ６（ｂ）可知：點火完成后，燃料開始燃燒，料層內(nèi)部溫度開始上升，制粒小球內(nèi)的水分率先蒸發(fā)出來，結(jié)構(gòu)也變得更為密實。由于水分的損失，原先被水分占據(jù)的空間得到釋放，形成了水分孔洞，這些水分孔洞沒有規(guī)律性，在制粒小球的任何位置都可能發(fā)生，這種狀態(tài)也稱為干燥狀態(tài)。

由圖 ６（ｃ）可知：當溫度進一步升高時，水分得以全部蒸發(fā)，而制粒小球中的燃料達到著火點，這些燃料的燃燒使得物料發(fā)生化學變化，形成大量鐵酸鈣等低熔點物質(zhì)，這些低熔點物質(zhì)形成液相，而高熔點物質(zhì)仍然以固溶體的形式存在。此時，料層的化學成分與起初的制粒小球完全不同，有大量新物相產(chǎn)生，由于液相的生成和水分的蒸發(fā)，整個料面高度緩慢下降，整個料層在此時最為緊密，幾乎沒有空隙，固溶體有大有小，排列也沒有次序，液相填充在固溶體的空隙中。由圖 ６（ｄ）可知：隨著燃燒的完成，整個料層溫度下降，液相也逐漸變成固相，體積開始收縮，在應力的作用下，收縮速度快的區(qū)域率先形成裂縫。由于裂縫的形成具有連續(xù)性，已形成裂縫的區(qū)域逐漸斷裂開來，形成更大的裂縫，進而擴展到料層內(nèi)部，這一過程稱為凝固過程。

在體系產(chǎn)生裂縫的過程中，有眾多力的參與，其受力狀態(tài)如圖 ７所示。在燒結(jié)礦處于熔化狀態(tài)和凝固狀態(tài)之間時，不同固溶體之間的距離是不同的，距離越近，越容易看成是一個整體，二者在液相的包裹下連接更緊密；而距離相對較遠的兩個固溶體之間隔著液相，是一個固 －液 －固的兩相界面，其連續(xù)性較差。由圖 ７可知，假設 Ａ、Ｂ兩個固溶體相距較遠，而 Ａ左側(cè)有較多相鄰固溶體，Ｂ右側(cè)有較多固溶體，相鄰固溶體之間由于液相黏度的存在會相互吸引，假設吸引力為ｆ_１（Ｎ）和 ｆ_４（Ｎ），在眾多吸引力的作用下，最終 Ａ左側(cè)的固溶體給 Ａ的吸引力為 ｆ_２（Ｎ），Ｂ右側(cè)給 Ｂ的吸引力為 ｆ_３ （Ｎ），這兩個力分別有使 Ａ、Ｂ量固溶體向相反方向移動的趨勢。除了這兩個力之外，分子之間存在引力與排斥力，也存在因熱脹冷縮產(chǎn)生的應力，這些力與 ｆ_２、ｆ_３ 共同作用在Ａ、Ｂ兩物體上，其宏觀受力可表示為 Ｆ_１（Ｎ）和Ｆ_２（Ｎ），這兩個力的方向相反。

在 Ａ、Ｂ量固溶體之間存在著低熔點液相，這些液相的表面和內(nèi)部都存在張力，這些張力分 解到水 平 和 豎 直 方 向 上 用 ε_１（Ｎ）、ε_２（Ｎ）和ε_３（Ｎ）、ε_４（Ｎ）表示，因此，對于該區(qū)域，水平方向的受力可用如式（１）、（２）所示。

Ｆ_引 ＝ε_１＋ε_２ （１）

Ｆ_斥 ＝Ｆ_１＋Ｆ_２ （２）

式中：Ｆ引 為水平方向液相的凝聚力（Ｎ），有將Ａ、Ｂ兩物體相互拉近的趨勢；Ｆ斥為水平方向上的宏觀力（Ｎ），有將兩物體向相反方向移動的趨勢。

由此可以看出：當 Ｆ_引 ＞Ｆ_斥 時，兩物體相互接近，Ａ、Ｂ物體之間不會產(chǎn)生裂縫；當 Ｆ_引 ＜Ｆ_斥 時， 兩物體相互遠離，Ａ、Ｂ物體之間有可能產(chǎn)生裂縫。此外，在豎直方向上的張力 ε_３和 ε_４有讓連接的液相區(qū)域逐漸變細的趨勢，當連接的液相區(qū)域變細到零時，液相斷開，產(chǎn)生孔洞或裂縫，而阻止這一變細的力為固相物的強度，用 ξ（Ｎ）表示。

則豎直方向的引力為

ε_豎 ＝ε_３＋ε_４ （３）

因此，若 ξ≥ε_豎 時，固相物強度較大，液相的應力不足以將液相連接區(qū)域變得更細，也就不會有裂縫產(chǎn)生；反之，固相物強度小，有產(chǎn)生裂縫的趨勢。因此，要想有裂縫的產(chǎn)生并持續(xù)增大，該區(qū)域的受力必須同時滿足 Ｆ_引 ＜Ｆ_斥 和 ξ＜ε_豎 的條件。

５ 結(jié) 論

（１）在一定范圍內(nèi)，隨著點火溫度的升高，裂縫數(shù)量呈增加趨勢，且燒結(jié)礦裂縫處的 ＦｅＯ質(zhì)量分數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢；當點火溫度大于 １１５０℃時，裂縫的數(shù)量反而呈減少趨勢，同時，燒結(jié)礦中裂縫處 ＦｅＯ質(zhì)量分數(shù)略有上升。

（２）裂縫處燒結(jié)礦內(nèi)有大量針狀鐵酸鈣，存在適當?shù)木чg裂縫和孔洞，且赤鐵礦含量適中，微觀結(jié)構(gòu)優(yōu)于內(nèi)部的燒結(jié)礦。

（３）裂縫的產(chǎn)生在理論上能增加料層的透氣性和改善裂縫處燒結(jié)的微觀結(jié)構(gòu)，是有利的方面，但同時也能改變料層內(nèi)部氣流的運動，減少遠離裂縫處流經(jīng)的空氣量，出現(xiàn)欠燒現(xiàn)象。另外，根據(jù)理論分析，裂縫的產(chǎn)生需滿足 Ｆ_引 ＜Ｆ_斥 和 ξ＜ε_豎 的條件。

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