(内蒙古科技大学材料与冶金学院， 内蒙古 包头 014010)
高比例球团矿冶炼是高炉炼铁发展的趋势。由于化学成分、矿物组成和结构的差异，不同企业生产或所用的球团矿还原膨胀的原因各不相同且相对复杂。面向保障矿产资源安全供给的国家重大战略需求，选择白云鄂博铁精矿球团矿作为研究对象，根据球团矿铁氧化物还原理论，从热力学方面深入研究碱度对球团矿还原膨胀性能的影响机理，并结合XRD结果来探究钙结合相在球团矿生产中的变化规律以及对球团矿还原膨胀的影响，找到满足高炉冶炼对球团矿还原膨胀率要求的合理碱度，从而提高白云鄂博铁精矿球团矿在包钢冶炼生产中的比例。完善特殊矿球团矿还原膨胀理论，为复杂共生矿高效冶炼提供理论支撑。研究结果表明，随着碱度的提高，球团矿的膨胀率呈现出先升高后降低的规律，碱度为0.8时，其膨胀率最大，达到75.743%，其外形如同花瓣开花，无法维持原来的球型。综合不同碱度球团矿含铁品位的高低和还原膨胀的大小，得到制备球团矿的最优碱度为1.4。随着碱度的提高，成品球的液相生成量先降低后升高，碱度为0.8时液相生成量最少。球团矿膨胀率先增加是因为球团矿的结晶度提高，晶粒粗大，晶体结构逐渐趋向有序，为铁晶须的生长奠定了基础；膨胀率后减小是因为生成了铁酸钙，铁酸钙的黏结相性能优良且还原性好，使得球团矿的强度提高，抗膨胀应力的能力增强，并促进了球团矿的均匀膨胀，降低了Fe2O3→Fe3O4阶段晶型转变引起的体积膨胀。
开发高比例球团矿高炉冶炼技术是钢铁生产流程低碳化绿色化、实现“双碳”目标的重要手段之一，有利于缓解铁矿石资源紧张现状，提高复杂共伴生矿产资源利用率。白云鄂博矿产资源开发长期坚持“以铁为主、综合利用”的方针，随着选矿技术的不断提高，白云鄂博铁精矿具有品位高、粒度细、SiO2含量低的优势，满足球团矿的生产条件。此外，包钢钢铁集团(以下称包钢)拥有3条大型球团矿生产线，稳定的球团矿供应使得包钢具备高比例球团矿冶炼的现实条件。目前白云鄂博铁精矿的铁品位达到65%以上，但是还是存在K、Na、F等有害元素，使得其高比例应用于球团生产制备得到的球团矿还原膨胀率高，因此在实际球团生产中，白云鄂博铁精矿配加比例不宜超过40%。不同企业生产的球团矿，由于化学成分、矿物组成和结构的差异，使得球团矿还原膨胀的真实原因各不相同且相对复杂。目前能解释球团矿还原膨胀现象的理论有多种，其中包括气体压力论、碳沉积膨胀理论、铁氧化物的晶体变化和赤铁矿还原过程的各向异性行为、铁晶须论、挥发分析出论等。众多学者对球团矿的还原膨胀问题进行了深度的研究。ZHAO Zhi-long等研究发现，铁晶须的析出行为主要取决于还原速率，而Ca2+的数量可以有效控制还原速率，进而控制铁晶须的生长。GUO Yu-feng等在研究中指出，结合相成分的不同导致不同碱度的球团矿膨胀率不同。碱度小于1.0的球团矿中的主要结合相为硅酸铁钙，碱度大于1.0的球团矿中的主要结合相为复合铁酸钙。ZHANG Guo-cheng等在试验中发现，当球团矿的碱度从0.3增加到0.8时，还原膨胀率不断增加。当碱度从0.8增加到1.2时，过量的CaO熔化到渣中，生成了高熔点且具有难还原性的尖晶石相，使得膨胀率降低。Umadevi T等研究发现，碱性为0～0.1的球团矿表现出较低的膨胀指数，碱度为0.3～0.7的球团矿有较高的膨胀指数，而碱性为0.9～1.1时球团矿的膨胀指数又大大下降。Wang H T等研究表明，SiO2的增加只改变了成核点的分布，没有改变铁晶须的数量，不能降低膨胀率。CaO的增加会使得成核点的数量增加，导致铁晶须数量多但是体积小，从而降低膨胀率。在上述研究中发现，球团矿的还原膨胀率随着碱度的提高呈现出先升高后降低的规律，这说明了碱度对球团矿的还原膨胀具有调控作用。本文选择白云鄂博铁精矿球团矿作为研究对象，根据球团矿铁氧化物还原理论，从热力学方面深入研究碱度对球团矿还原膨胀性能的影响机理，并结合XRD分析结果来探究钙结合相在球团矿中的变化规律以及对球团矿还原膨胀的影响，最终找到满足高炉炼铁对球团矿还原膨胀率要求的合理碱度，提高白云鄂博铁精矿球团矿在包钢冶炼生产中的比例。研究结果有利于完善球团矿还原膨胀理论，为特殊矿冶炼提供更丰富的理论支撑。
(1)随着碱度增加，白云鄂博铁精矿球团矿还原膨胀率先增大后减小，其中碱度为0.8时还原膨胀率最大，达到75.743%。考虑不同碱度球团矿含铁品位的高低和还原膨胀率的大小，白云鄂博铁精矿球团矿制备熔剂性球团矿的合理碱度为1.4。
(2)随着碱度增加，球团矿焙烧过程液相生成量先减小后增加，与球团矿还原膨胀率变化规律相反。碱度为0.8时，液相生成量最低，其对应的还原膨胀率最大。随着碱度进一步升高，渣相中开始有铁酸钙生成。
(3)球团矿还原膨胀率“先增大”的原因是结晶度提高，晶粒粗大，晶体结构逐渐趋向有序，为还原第Ⅲ阶段铁晶须的迅速生长奠定了基础。“后减小”的原因是生成了黏结相性能优良的铁酸钙，促进了还原过程球团矿体积的均匀膨胀，减少了球团矿的还原内应力和粗大铁晶须的生成，降低了Fe2O3→Fe3O4阶段晶型转变引起的体积膨胀。
