高炉造渣的2个主要目的是脱硫和降低炉渣熔点。炉渣碱度大多选择在1．0～1．2之间。过低影响炉渣脱硫能力，过高则会导致能耗和生铁成本的上升。碱度与炉渣相近的烧结矿称为自熔性烧结矿。碱度偏低的烧结矿称为酸性烧结矿；碱度偏高的烧结矿称为碱性烧结矿。碱度的下限受矿石自然碱度的限制，而上限在工艺方面尚未发现有明确的限制。下面以B等于0．93的酸性烧结矿、B等于1．2的自熔性烧结矿和B等于1．87的碱性烧结矿为例，讨论碱度对烧结矿在高炉内行为的影响。酸性烧结矿或天然块矿入炉时伴随着高碱度烧结矿或熔剂。高碱度烧结矿和熔剂不仅要为酸性炉料配碱度，还要为燃料灰分配碱度，而绝大部分的自由燃料灰分是在风口区形成的。因此，酸性炉料软熔后首先与高碱度烧结矿或熔剂接触，形成的初渣碱度随着CaO的溶入不断提高。碱度的上升趋势带来两方面的影响：第一个影响是有利的。由于酸性炉料形成的初渣呈酸性，因此碱度上升将导致软熔体的熔点降低。软熔带上部或整个软熔带即处于这一范围中。软熔体熔点的下降趋势可缩短软熔带的温度区间，这是对高炉冶炼有利的影响。另一个影响较为复杂，需要通过对具体条件的分析才能做出正确的判断。
由于炉料的碱度搭配是针对终渣的，而绝大部分燃料灰分在风口上方的大部分区域是不能溶入炉渣的，因此中间渣要经过很长一段超高碱度的过程。可以说中间渣的后期是一个熔点不断上升的过程。当然，随着熔点的上升温度也在提高。如果二者的影响能够达到平衡或温度升高的影响占据优势，则这一趋势对高炉冶炼不会造成明显的不良影响。但是，如果熔点升高的影响占据优势，则必须采用相应的措施来减小这一影响。很多高炉以及COREX熔炼炉在配料中使用一定比例的硅石就是为了解决这一问题而采取的措施。碱性烧结矿是作为铁料和熔剂的共同体使用的，因此会与酸性炉料共同入炉。碱性炉料的初渣碱度及熔点一般远高于炉渣。生成后与酸性炉料的初渣溶合，主体的变化方向是碱度与熔点不断降低。再与温度的升高相配合，炉渣性能呈不断改善的趋势。自熔性烧结矿初渣的熔点处于最低水平。形成后无论碱度如何变化，熔点只会提高。这是自熔性烧结矿与酸性烧结矿和碱性烧结矿的最大区别。在这种条件下，很容易形成初渣长期无法顺利滴落的情况。也就是说，使用自熔性烧结矿会导致软熔带变厚甚至可能导致炉渣重新凝固的现象。这可能是使用自熔性烧结矿最大的问题，影响应当不在强度以下。
使用双碱度烧结矿的意义
如前所述，使用酸性烧结矿（或天然矿）和碱性烧结矿对冶炼均无不良影响。使用自熔性烧结矿则会严重影响冶炼过程。因此，国内高炉已经形成了以高碱度烧结矿配加酸性矿为基础的炉料结构，以避开自熔性烧结矿的问题。而酸性矿一般为球团矿或天然块矿［2－4］。炉料结构对软熔带厚度，从而对料柱透气性具有重要影响。决定软熔带厚度的主要参数是炉料的软熔温度区间。也就是说，高炉内的软熔带大致起始于炉内温度达到矿石软熔开始温度的部位，终结于达到矿石软熔结束温度的部位。使用2种或多种铁料时，软熔开始温度大致取决于各种炉料中软熔开始温度最低的炉料。而软熔结束温度则基本取决于各种炉料中软熔结束温度最高炉料。因此，使用软熔温度区间尽量重合的炉料是抑制软熔带厚度的重要措施。对于国内厂家来讲，酸性炉料的选择或多或少都存在一定的问题。天然块矿完全依赖进口，球团矿也存在成本偏高的缺陷。因此，很多厂家都采用了降低烧结矿碱度，减少酸性炉料用量的措施。碱度的降低导致性质向自熔性烧结矿靠近，对烧结矿质量以及冶炼过程均会带来不利影响。因此，这一措施的效果是有限的。此外，酸性炉料的性质已经固定，这一点对于炉料间软熔性的配合十分不利。因此难以在配料方面采取降低软熔带厚度的措施。使用双碱度烧结矿可以很好地解决上述问题。首先，在酸性料的选择上不再依赖于球团矿和进口块矿；其次，碱性矿和酸性矿的碱度和使用比例均可调，可为不同炉料软熔温度区间的协调工作提供便利条件。目前，国内已有个别厂家采用或使用过双碱度烧结矿的炉料结构。
烧结试验
烧结试验的基础原料由冀东精矿、巴西矿粉、澳矿粉、唐钢焦粉按19∶33∶43∶5的比例混合而成，成分见表1。碱度靠外配石灰石粉进行调节，成分见表2。在石灰石粉中配入相同比例（5％）的焦粉，以保证总体配碳量不变。烧结试验设备为图2所示的小型烧结杯。每次试验可获得?50mm的棒状烧结矿约200g。烧结杯外设加热炉，用于补偿过量的热损失。烧结料内配碳，且有气流通过，可较好地模拟抽风烧结过程。在自然碱度（约0．04）至3．0的碱度范围内进行了小型烧结试验。烧结过程完成后对成品进行强度检验。由于试样量无法支撑传统转鼓试验，故以抗压强度作为评价标准。图3给出了主要烧结试验结果。从图3（略）看不出烧成率随碱度变化的系统规律，波动情况更为接近随机误差。烧成率变化范围不大，平均值约为76％。而碱度对烧结矿抗压强度的影响不仅明显而且具有规律性：曲线大致呈V字形。自熔性碱度范围内呈现一个强度的低谷。极低值在碱度为1．3附近，约为8MPa左右。从成品率来看，本文检验范围内的碱度都是烧结工艺能够接受的，但自熔性碱度的烧结矿强度过低，且具有前面所述的严重问题。因此，双碱度烧结矿使用的2种烧结矿均应避开这一碱度范围。
炉料的软熔性
由于组成过于复杂，烧结矿的软熔性参数需要通过试验才能获得。理论分析或计算只能得到大致的变化趋势。依据抗压强度在15MPa以上的原则，在酸性区及碱性区各选择3种烧结矿作为软熔性试验的试样，此外，各取一种工业实用球团矿和天然块矿作为比较。试样碱度涵盖了0．039～2．2的范围，成分见表3。软熔性检测装置见图4。加热装置是一台铬酸镧高温炉，可提供1800℃以下的试验温度。炉膛采用重结晶碳化硅，可承受1600℃以上的试验温度。坩埚为石墨质。试验在升温条件下进行，重点检测2个参数：1）软化温度tb。即试样发生明显软化现象时的温度，在试样层高度明显缩减时读取。2）滴落温度te。大致相当于高炉内软熔带下沿或滴落带上沿的温度，在滴落现象开始时读取。此外，还有一个重要参数Δt＝te－tb。这个参数大致相当于高炉软熔带的温度区间宽度。从高炉料柱透气性出发，这个区间越窄越好。图5（略）是软熔性测试结果。不同原料在横轴上的位置根据其碱度确定，Δt可由2条曲线之间的间隔看出。#p#分页标题#e#
配料优化
通过图5可以看出以下几点：1）烧结矿软化温度随碱度上升略有提高，但幅度不大，可以忽略。2）烧结矿滴落温度随碱度上升有明显提高，Δt也会随之变宽。3）5种酸性矿的软化温度均低于3种碱性烧结矿。在这种情况下，软熔带的起始温度更多地取决于酸性矿。4）3种碱性烧结矿的滴落温度均高于酸性烧结矿。因此使用双碱度烧结矿时，碱性烧结矿的性质对软熔带结束温度的影响则相应更大一些。5）2种现场矿的软化温度偏低。尽管Δt变化不大，但这种性质在混合料中对抑制软熔带厚度不利。碱度为2．0的烧结矿在碱性矿中性质居中，抗压强度高达25MPa以上，且在工业中应用广泛。因此，在下面的配矿中以这种烧结矿（S5）作为碱性炉料。为避免某种炉料的作用被掩盖掉，2种炉料的比例简单地定为1∶1。表4给出了不同配料的试验结果。其中的预期值根据软熔温度区间的叠加计算得出。即软化温度取2种炉料的较低者，滴落温度取2种炉料的较高者。3种双碱度烧结矿配料的Δt平均值约为233℃。2种现场炉料的Δt平均值约为268℃。二者相差了35℃，约为13％。如果将Δt最小的S3＋S5与块矿＋S5相比，差别则高达16％。假设软熔带内的温度分布是线性的，则软熔带厚度将会以相同的比例减薄。
由此可见其作用之大。烧结矿生产需要考虑的因素很多。例如，降低碱性烧结矿的碱度可使其滴落温度下降，可能使Δt进一步减小。但由图3可以看出，碱性烧结矿强度会随着碱度的下降而急剧变差。因此，降低碱度受到的限制是相当强烈的；酸性烧结矿的强度及其配料工艺的简便性也是两项必须考虑的重要因素。综合考虑以上问题，采用自然碱度的酸性烧结矿和碱度为2．0左右的高碱度烧结矿是一项不错的选择。这时这2种烧结矿的抗压强度十分接近，且均超过25MPa。Δt为235℃，软熔温度区间分别较球团＋S5及块矿＋S5变窄了约9．6％和14．5％。此外，由于不需配加熔剂，酸性烧结矿的生产工艺也会得到简化。在冶炼实践中应注意以下配料原则：1）高碱度烧结矿与其在传统配料中的作用相同，为造渣提供必要的CaO。酸性烧结矿的作用与球团矿或天然块矿类似。二者的使用比例应当以混合料的碱度适当为原则。碱度过高炉渣碱度相应过高，碱度过低则需要使用大量石灰石。这2种情况均会导致燃料比的升高。2）在炉内温度分布不变的前提下，软熔带的厚度取决于炉料的软熔温度区间。而混合炉料的软熔温度区间大致是2种炉料的叠加。因此应选用2种软熔温度区间尽量一致或重叠的烧结矿。
结论
1）使用双碱度烧结矿可达到缩减软熔温度区间、减薄软熔带、改善料柱透气性的目的。2）在0．04～3．0的碱度范围内未发现烧结矿生产工艺方面的问题。3）自熔性碱度范围内的烧结矿不仅存在强度下降的问题，且会使软熔过程复杂化，严重影响料柱透气性。4）使用自然碱度的烧结矿配加高碱度烧结矿的方案可大幅度压缩软熔温度区间，达到减小软熔带厚度、改善料柱透气性的目的。
本文作者：任荣霞 李金龙 方觉 单位：唐山钢铁国际工程技术有限公司炼铁原料部 河北联合大学冶金与能源学院