球團(tuán)礦回轉(zhuǎn)窯內(nèi)結(jié)圈物的特性研究

聶建華,張子洋,喬 婉,孫吉瑤,陳俊峰,周 潛,梁永和

(武漢科技大學(xué)耐火材料與高溫陶瓷國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地,湖北武漢,430081)

球團(tuán)礦回轉(zhuǎn)窯內(nèi)結(jié)圈物的特性研究

聶建華,張子洋,喬 婉,孫吉瑤,陳俊峰,周 潛,梁永和

(武漢科技大學(xué)耐火材料與高溫陶瓷國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地,湖北武漢,430081)

采用XRD、SEM和EDS等測(cè)試方法研究球團(tuán)礦回轉(zhuǎn)窯內(nèi)結(jié)圈物的基本特性和顯微結(jié)構(gòu)及其對(duì)結(jié)圈形成的影響。結(jié)果表明,結(jié)圈物主要以赤鐵礦為主,含有部分磁鐵礦,其主要成分是鐵的氧化物,其他少量成分以A l2O3、SiO2為主,還有極少量的CaO、K2O、Na2O等堿金屬氧化物,它們主要以玻璃相的形式分布在晶界和氣孔中?；剞D(zhuǎn)窯結(jié)圈的生長(zhǎng)主要依靠鐵氧化物的固相燒結(jié)反應(yīng),雜質(zhì)形成的液相對(duì)固相燒結(jié)反應(yīng)起到一定的促進(jìn)作用。

球團(tuán)礦回轉(zhuǎn)窯;結(jié)圈;耐火材料;顯微結(jié)構(gòu)

回轉(zhuǎn)窯球團(tuán)工藝具有適應(yīng)性強(qiáng)、生產(chǎn)能力大、工藝靈活等優(yōu)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)球團(tuán)工業(yè)生產(chǎn)的連續(xù)化、大型化,已成為我國(guó)球團(tuán)礦生產(chǎn)的主要工藝[1]。但球團(tuán)礦回轉(zhuǎn)窯都存在著結(jié)圈的問(wèn)題,結(jié)圈所帶來(lái)的負(fù)面效應(yīng)不僅使工藝制度失常、失控,而且回轉(zhuǎn)窯因結(jié)圈嚴(yán)重而導(dǎo)致耐火材料損壞所引起的檢修頻繁出現(xiàn),已經(jīng)成為抑制回轉(zhuǎn)窯順行的首要因素[2-3]。由于結(jié)圈原因和過(guò)程十分復(fù)雜,目前對(duì)結(jié)圈物的特性和形成機(jī)理的研究還不夠充分[4]。為此,本文采用XRD、SEM和EDS等測(cè)試方法,研究了球團(tuán)礦回轉(zhuǎn)窯內(nèi)結(jié)圈物的特性、顯微結(jié)構(gòu)和形成機(jī)理,以期為工業(yè)生產(chǎn)預(yù)防結(jié)圈提供一定的理論依據(jù)。

1 試樣和檢測(cè)

試驗(yàn)所用試樣來(lái)自武漢鋼鐵(集團(tuán))公司礦業(yè)公司鄂州球團(tuán)廠回轉(zhuǎn)窯,待回轉(zhuǎn)窯停窯冷卻后,對(duì)窯內(nèi)不同部位的結(jié)圈物進(jìn)行取樣分析。由于窯頭和窯尾結(jié)圈不嚴(yán)重,各取一個(gè)試樣作為研究對(duì)象;窯中結(jié)圈十分嚴(yán)重,故結(jié)圈物上部和下部各取一個(gè)試樣作為研究對(duì)象。

按照國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各個(gè)試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析;采用X’Pert M PD Pro型X射線衍射儀對(duì)各個(gè)試樣進(jìn)行物相分析;采用NANO SEM 400 NOVA FEI型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)各個(gè)試樣的顯微結(jié)構(gòu)形貌進(jìn)行表征,采用PHOEN-EDX能譜分析儀對(duì)試樣特征點(diǎn)進(jìn)行能譜分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 回轉(zhuǎn)窯內(nèi)結(jié)圈的宏觀現(xiàn)象

待球團(tuán)礦回轉(zhuǎn)窯大修停窯后,對(duì)完全冷卻后的回轉(zhuǎn)窯內(nèi)進(jìn)行宏觀觀察。窯頭處結(jié)圈物呈瓦片狀均勻地鋪在窯壁上,每片與耐火磚的大小差不多。這里的結(jié)圈物結(jié)構(gòu)比較疏松,表面顯暗紅色,厚度約為40 mm,主要是粉末燒結(jié)成的小塊黏結(jié)在一起,基本上沒(méi)有球團(tuán)黏結(jié)的現(xiàn)象。從距下料口7 m左右的位置開(kāi)始出現(xiàn)熔融狀結(jié)圈物,形狀逐漸不規(guī)則,有大片黏結(jié)的現(xiàn)象,結(jié)圈厚度增厚,表面光滑、發(fā)亮,并有少量球團(tuán)黏結(jié)。進(jìn)入高溫?zé)蓭?熔融狀結(jié)圈物十分明顯,結(jié)圈物內(nèi)黏結(jié)的球團(tuán)增多。距下料口10～18 m的區(qū)域結(jié)圈最為嚴(yán)重,出現(xiàn)1 m多高的大塊結(jié)圈物。該處結(jié)圈物呈金屬光澤,表層結(jié)構(gòu)致密,嚴(yán)重?zé)Y(jié),內(nèi)部有大量球團(tuán)黏結(jié)在一起,球團(tuán)之間被大量燒結(jié)的粉末填充,部分球團(tuán)與粉狀物熔結(jié)在一起,區(qū)分不開(kāi)。過(guò)了高溫帶,結(jié)圈程度又逐漸降低,熔融狀物質(zhì)減少。窯尾結(jié)圈物結(jié)構(gòu)較窯頭處的更加疏松,顏色暗紅,沒(méi)有球團(tuán)黏結(jié)的現(xiàn)象。由此可見(jiàn),回轉(zhuǎn)窯內(nèi)粉末過(guò)多、燒成溫度過(guò)高是造成窯內(nèi)結(jié)圈的主要原因。

2.2 結(jié)圈物的化學(xué)、礦物組成

窯頭、窯中上部和下部、窯尾處結(jié)圈物的化學(xué)成分分析如表1所示。由表1可看出,結(jié)圈物的主要成分是鐵的氧化物,其他化合物的總量在10%左右。其中,SiO2、A l2O3的含量相對(duì)較高,這是因?yàn)槌饲驁F(tuán)原料中含有少量的 SiO2、A l2O3外,主要是由于作為燃料的煤在完全燃燒后煤灰的主要成分也是SiO2、A l2O3。同時(shí),完全燃燒后的煤灰中含有少量CaO、K2O、Na2O等堿金屬氧化物也會(huì)產(chǎn)生聚集,為低熔點(diǎn)化合物的形成提供了條件。

表1 結(jié)圈試樣的化學(xué)成分(wB/%)Table 1 Chem ical compositions of the ring samples

圖1 結(jié)圈試樣的XRD圖譜Fig.1 XRD patterns of the ring sam ples

對(duì)上述4組結(jié)圈試樣進(jìn)行X射線衍射分析,分析結(jié)果如圖1所示。由圖1可看出,窯頭結(jié)圈物和窯中結(jié)圈物(下部)以赤鐵礦為主,窯中結(jié)圈物(上部)含有部分磁鐵礦和赤鐵礦,窯尾結(jié)圈物以磁鐵礦為主。XRD分析結(jié)果表明,鐵精礦在窯頭低溫區(qū)主要以Fe2O3形式存在;在窯中高溫下Fe2O3發(fā)生分解形成 Fe2O3和 Fe3O4的混合物;在窯尾處由于 Fe2O3分解反應(yīng)完全,最終形成Fe3O4,所以回轉(zhuǎn)窯中結(jié)圈物的主要物相是Fe的各種氧化物。由此可知,殘留在回轉(zhuǎn)窯中的鐵精礦是結(jié)圈物的主要組成部分,無(wú)論鐵精礦中的Fe元素以哪種價(jià)態(tài)存在都會(huì)形成結(jié)圈。

采用高溫物性測(cè)試儀(量程為1 450℃)對(duì)不同區(qū)域的結(jié)圈物進(jìn)行熔點(diǎn)測(cè)試,在1 450℃均未出現(xiàn)軟熔跡象,即其始熔溫度為1 450℃以上。窯中高溫帶燒成溫度一般在1 350℃左右,即使局部溫度過(guò)高,也不足以形成大量液相,因此,結(jié)圈的生長(zhǎng)主要是由固相反應(yīng)而燒結(jié)造成的。

2.3 結(jié)圈物的顯微結(jié)構(gòu)

圖2為回轉(zhuǎn)窯中部高溫帶結(jié)圈物試樣低倍放大的顯微結(jié)構(gòu)照片。由圖2可看出,結(jié)圈物結(jié)構(gòu)很不均勻,有些區(qū)域含有大量的氣孔和裂紋,并且呈無(wú)規(guī)則分布,有些區(qū)域結(jié)晶比較完整,燒結(jié)致密。從整體結(jié)構(gòu)來(lái)看,結(jié)圈物的礦相組成十分簡(jiǎn)單,以燒結(jié)的氧化鐵為主。

圖2 低倍觀察結(jié)圈試樣的顯微結(jié)構(gòu)照片F(xiàn)ig.2 The low-power field photos of them icrostructure of the ring sample

對(duì)不同微區(qū)進(jìn)行放大觀察,圖3為結(jié)圈試樣的高倍觀察顯微結(jié)構(gòu)照片。由圖3可看出,氧化鐵晶粒(圖3中點(diǎn)A和C)緊密連接,晶形粗大,呈塊狀,部分晶粒出現(xiàn)了異常生長(zhǎng),粒度一般在100 μm以上。在部分氧化鐵晶粒晶界和氣孔中可看到少量的玻璃相(圖3中點(diǎn)B和D)。對(duì)圖3中的A、B、C、D四點(diǎn)進(jìn)行電子探針能譜分析,其結(jié)果如圖4所示。由圖4(a)、圖4(b)可看出,不同區(qū)域的氧化鐵結(jié)晶相中,均只固溶了少量的A l元素,沒(méi)有其他元素存在。由圖4(c)、圖4(d)可看出,富集在晶界和氣孔中的玻璃相是由Si、A l、Ca、K等雜質(zhì)元素構(gòu)成的,這些雜質(zhì)元素主要是由煤灰和作為鐵精礦球團(tuán)黏結(jié)劑的膨潤(rùn)土帶入的,另外鐵精礦中的雜質(zhì)在高溫下會(huì)隨著氧化鐵晶粒的發(fā)育而向晶界偏析[5]。這些雜質(zhì)元素在窯中高溫區(qū)下可以形成高黏度液相,少量液相的存在一方面促進(jìn)了鐵精礦球團(tuán)的燒結(jié),另一方面高黏度液相具有較大的黏結(jié)性能,導(dǎo)致固體球團(tuán)物料之間形成一定程度的黏結(jié)[6],從而促進(jìn)了結(jié)圈的生長(zhǎng)。然而,在電鏡下沒(méi)有觀察到鐵的氧化物與這些雜質(zhì)元素形成結(jié)晶相,僅發(fā)現(xiàn)玻璃相中溶解了少量Fe。這表明,盡管雜質(zhì)形成的低熔液相起到了加速結(jié)圈生長(zhǎng)的作用,但鐵氧化物的固相燒結(jié)才是結(jié)圈生長(zhǎng)的主要機(jī)制。

圖3 高倍觀察結(jié)圈試樣的顯微結(jié)構(gòu)照片F(xiàn)ig.3 The high-power f ield photos of them icrostructure of the ring sample

圖4 圖3中A～D四點(diǎn)的能譜圖Fig.4 EDS patterns of points A～D in Fig.3

對(duì)不同區(qū)域的結(jié)圈物進(jìn)行綜合分析后發(fā)現(xiàn),球團(tuán)礦回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈的生長(zhǎng)主要依靠鐵氧化物的固相燒結(jié)。由于窯中部煅燒高溫帶溫度相對(duì)較高,鐵精礦球團(tuán)和燃煤燒盡后煤灰中雜質(zhì)元素可以形成較多的液相量,一方面促進(jìn)了鐵精礦球團(tuán)的固相燒結(jié),另一方面加速了燒結(jié)球團(tuán)之間形成劇烈的黏結(jié),從而導(dǎo)致窯中形成最為嚴(yán)重的結(jié)圈。

3 結(jié)論

(1)回轉(zhuǎn)窯內(nèi)燃煤燒盡后的煤灰過(guò)多、燒成溫度過(guò)高是造成窯內(nèi)結(jié)圈的主要原因。

(2)結(jié)圈物主要物相以赤鐵礦為主,含有部分磁鐵礦。結(jié)圈物的顯微結(jié)構(gòu)不均勻,氧化鐵晶粒長(zhǎng)大形成大晶粒;雜質(zhì)成分則以玻璃相的形式分布在氧化鐵晶粒晶界和氣孔中。

(3)球團(tuán)礦回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈的生長(zhǎng)主要依靠鐵氧化物的固相燒結(jié)反應(yīng),雜質(zhì)形成的液相對(duì)結(jié)圈的形成起到了促進(jìn)作用。

[1] 劉文權(quán).對(duì)我國(guó)球團(tuán)礦生產(chǎn)發(fā)展的認(rèn)識(shí)和思考[J].煉鐵,2006,25(3):10-13.

[2] 張漢泉.鏈篦機(jī)-回轉(zhuǎn)窯氧化球團(tuán)結(jié)圈結(jié)塊原因及預(yù)防[J].金屬礦山,2005(7):59-61.

[3] 李軍,張化明.邯鄲氧化球團(tuán)回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈原因分析與預(yù)防[J].燒結(jié)球團(tuán),2007,32(3):55-58.

[4] 張子洋,梁永和,余為,等.球團(tuán)礦回轉(zhuǎn)窯耐火材料的蝕損及其對(duì)結(jié)圈的影響[J].硅酸鹽通報(bào), 2009,28(增刊):100-103.

[5] 高振昕,平增福,張戰(zhàn)營(yíng),等.耐火材料顯微結(jié)構(gòu)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2002:66-67.

[6] 袁禮順.煤氣供熱氧化球團(tuán)回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈機(jī)理及預(yù)防措施的研究[D].長(zhǎng)沙:中南大學(xué),2006.

Characteristics of the pellet rotary kiln ring

N ie Jianhua,Zhang Ziyang,Qiao W an,Sun Jiyao,Chen Junfeng,Zhou Qian,L iang Yonghe
(The State Key Labo ratory Breeding Base of Refracto ries and Ceramics, Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430081,China)

The basic characteristics and microstructure of the pellet rotary kiln ring and its effects on ring forming were investigated by XRD,SEM and EDS.The results show:themain mineral phase of the ring is hematite;the impurities in the ring are very limited and they congregates in grain boundaries and pores as glass phase,w hich ismainly composed of A l2O3and SiO2and fewer alkalimetal oxides such as CaO,K2O,and Na2O.The ring’s grow th mainly depends on ferrum oxide’s solid phase sintering reaction p rocess.The liquid phase formed from impuritiesp romotes the solid phase sintering reaction p rocess to a certain extent.

pellet rotary kiln;ring forming;refractory;microstructure

TQ175

A

1674-3644(2010)05-0527-05

作者介紹:聶建華,男,1974年出生,1997年畢業(yè)于武漢科技大學(xué)無(wú)機(jī)非金屬材料專業(yè),獲工學(xué)學(xué)士學(xué)位,2004年畢業(yè)于華中科技大學(xué)微電子學(xué)與固體電子學(xué)專業(yè),獲工學(xué)博士學(xué)位。武漢科技大學(xué)副教授、碩士研究生導(dǎo)師。近年來(lái)發(fā)表論文20余篇,其中SCI檢索5篇,EI檢索8篇,ISTP檢索4篇。近年來(lái)作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人完成武漢市科技局青年科技晨光計(jì)劃項(xiàng)目,參與了國(guó)家自然科學(xué)基金、湖北省科技廳縱向課題研究,主持和參與企業(yè)橫向合作課題多項(xiàng)。2010年榮獲武漢科技大學(xué)“十佳青年教師”。主要研究方向?yàn)闊o(wú)機(jī)新材料合成與制備、冶煉新技術(shù)用耐火材料、高技術(shù)陶瓷與耐火材料、非氧化物結(jié)合復(fù)合耐火材料和高性能磁性鐵氧體材料等。

[責(zé)任編輯 徐前進(jìn)]

2010-06-21

武漢市青年科技晨光計(jì)劃資助項(xiàng)目(20065004116-37).

聶建華(1974-),男,武漢科技大學(xué)副教授,博士.E-mail:niejhlp@163.com