高爐內(nèi)燒結(jié)礦破損機(jī)理研究

楊改彥,方覺,時(shí)國松,高彥甲,辛紅艷

(河北聯(lián)合大學(xué) 冶金與能源學(xué)院,河北唐山 063009)

0 引 言

隨著外購精礦的增加,低硅燒結(jié)已成為趨勢,雖然它提高了燒結(jié)礦的品位,但對(duì)燒結(jié)礦的強(qiáng)度也造成了挑戰(zhàn)。高爐的愈來愈大型化使得對(duì)入爐原料的要求也更為嚴(yán)格,對(duì)于占入爐料80%以上的燒結(jié)礦而言,其質(zhì)量等性能的優(yōu)劣將直接影響到高爐的順行,從而影響到生鐵的產(chǎn)質(zhì)量。強(qiáng)度作為燒結(jié)礦質(zhì)量的主要性能指標(biāo),其高低對(duì)高爐順行的影響是不言而喻的。但強(qiáng)度僅用燒結(jié)礦的冷強(qiáng)度表示是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,因?yàn)槔鋸?qiáng)度好不代表其在高爐內(nèi)的高溫強(qiáng)度也好。為了更加準(zhǔn)確的研究燒結(jié)礦的強(qiáng)度,我們通過分別研究燒結(jié)礦的冷強(qiáng)度,熱處理后燒結(jié)礦的強(qiáng)度和弱還原后的燒結(jié)礦的強(qiáng)度,來分析研究燒結(jié)礦在高爐內(nèi)的破損機(jī)理,從而對(duì)以后的燒結(jié)生產(chǎn)有一定的指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)內(nèi)容

1.1 燒結(jié)試樣的制備

為了更方便的研究不同堿度燒結(jié)礦的強(qiáng)度測定,本實(shí)驗(yàn)擬定0.057、1.2、2.0、2.5、3.0這5個(gè)基本堿度作為燒結(jié)礦試樣的研究,并采用唐鋼現(xiàn)場的原、燃料,通過實(shí)驗(yàn)室Φ60 mm的小型燒結(jié)杯,模擬現(xiàn)場生產(chǎn)進(jìn)行燒結(jié)試驗(yàn),料層高度為150mm。燒結(jié)原料的配礦方案是:20%冀東精粉+35%進(jìn)口礦粉A+45%進(jìn)口礦粉B。在堿度變化中維持配碳量為5.3%,這里的配碳量指的是固定碳含量(注:因本實(shí)驗(yàn)的小型燒結(jié)杯有邊緣效應(yīng),所以配碳量比實(shí)際生產(chǎn)中要多)。下面表1和表2是原料化學(xué)成分和焦炭化學(xué)成分分析。

表1 原料化學(xué)成分%

表2 焦粉的化學(xué)成分%

將由小燒結(jié)杯制出的燒結(jié)礦進(jìn)行破碎篩分,全部制成試樣粒度為10～12.5 mm的試樣,每一個(gè)堿度大約制出2000 g試樣,分別用于燒結(jié)礦的冷強(qiáng)度檢驗(yàn),熱處理后強(qiáng)度和弱還原后燒結(jié)礦強(qiáng)度的檢驗(yàn)。

燒結(jié)礦的熱處理和弱還原均是在井式爐中完成,控制井式爐溫度為560℃,把選好的10～12.5 mm的試樣取500 g放入吊籃中,然后將其置于坩堝內(nèi),將坩堝放入560℃的井式爐中焙燒5個(gè)小時(shí),停止供熱,將坩堝取出,讓坩堝在空氣中自然冷卻到室溫。兩者的不同處是在熱處理時(shí)坩堝中不加木炭,坩堝雖加蓋但不密封,而弱還原坩堝中的燒結(jié)試樣周圍放了足夠的木炭,并加蓋密封,以保證還原性氣氛。溫度取560℃原因是一方面為了保證Fe2O3只能還原到Fe3O4,另一方面為了將熱處理和弱還原進(jìn)行對(duì)比,從而得出由Fe2O3還原引起的燒結(jié)礦低溫粉化所占百分比。

1.2 轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)

轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)參照GB/T13242-91,采用的小轉(zhuǎn)鼓是實(shí)驗(yàn)室自行制備的,規(guī)格與國標(biāo)相同。

為使不同處理方法的燒結(jié)礦強(qiáng)度具有對(duì)比性,以下所提到的轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)均采用GB/T13242-91中冷轉(zhuǎn)鼓的試驗(yàn)方法。所得轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度指標(biāo)由式(1)、(2)、(3)計(jì)算。其中M+3.15為主要指標(biāo),M+6.3、M-0.5為參考指標(biāo),M+3.15、M+6.3越大越好,M-0.5越小越好。

式中:

m0──裝入轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的試樣質(zhì)量,g;

m1──篩分后留在6.3 mm篩上的試樣量,g;

m2─篩分后留在3.15 mm篩上的試樣量,g;

m3──篩分后留在0.5 mm篩上的試樣量,g。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果列于表3～5。

表3 燒結(jié)礦堿度與其冷態(tài)性能的關(guān)系

表4 560℃熱處理5小時(shí)后燒結(jié)礦堿度與轉(zhuǎn)鼓指數(shù)的關(guān)系

表5 560℃弱還原5小時(shí)后燒結(jié)礦堿度與轉(zhuǎn)鼓指數(shù)的關(guān)系

由表3和表4可以看出,熱處理后的燒結(jié)礦強(qiáng)度比燒結(jié)礦的冷強(qiáng)度要差一些。因?yàn)闊崽幚砗蟮臒Y(jié)礦在冷卻過程中發(fā)生正硅酸鈣的相變從而引起低溫粉化現(xiàn)象,所以熱處理后燒結(jié)礦的強(qiáng)度較冷強(qiáng)度低。表5中燒結(jié)礦的強(qiáng)度降低的更為嚴(yán)重,主要是因?yàn)?60℃弱還原后緩冷至室溫的燒結(jié)礦不僅存在著Fe2 O3還原到Fe3O4所引起的低溫粉化,還存在著緩冷過程中正硅酸鈣的相變所導(dǎo)致的粉化現(xiàn)象,即表5中燒結(jié)礦強(qiáng)度的降低是由正硅酸鈣相變和Fe2O3還原共同引起的。

若想得到僅有560℃弱還原所引起的燒結(jié)礦強(qiáng)度的變化,需要對(duì)弱還原5小時(shí)后的燒結(jié)礦進(jìn)行急冷以防止正硅酸鈣的相變,但是因?yàn)闊Y(jié)試樣在坩堝中急冷不明顯,取出試樣又擔(dān)心發(fā)生氧化,所以為了得到由Fe2O3還原所引起的燒結(jié)礦強(qiáng)度的降低與堿度的關(guān)系,我們可以通過表3～5線性組合從而得到弱還原急冷后燒結(jié)礦強(qiáng)度與堿度的關(guān)系表6。

表6 560℃弱還原急冷后燒結(jié)礦強(qiáng)度與堿度的關(guān)系

由表3,表4和表6我們可以繪出燒結(jié)礦堿度與強(qiáng)度的綜合關(guān)系圖,如圖1和圖2所示。

圖1 燒結(jié)礦堿度與不同情況下燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓指數(shù)M+6.3的關(guān)系圖

圖2 燒結(jié)礦堿度與不同情況下燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓指數(shù)M+3.15的關(guān)系圖

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

熱處理主要是研究正硅酸鈣相變能夠引起燒結(jié)礦強(qiáng)度降低降低多少。

弱還原主要是研究Fe2O3還原到Fe3O4能夠?qū)е聼Y(jié)礦強(qiáng)度降低多少。

從圖1中,我們可以得知:

(1)燒結(jié)礦的冷強(qiáng)度總體上是隨著堿度的增加是先降低后升高的趨勢。

在R=1.2時(shí),燒結(jié)礦的冷強(qiáng)度最低,原因主要是因?yàn)榇藭r(shí)燒結(jié)礦中的礦物有強(qiáng)度好的鐵橄欖石逐漸被脆性大的鈣鐵橄欖石所代替,并且在此堿度也開始發(fā)生正硅酸鈣的相變,故其冷強(qiáng)度最低。1.2～2.5之間燒結(jié)礦強(qiáng)度是逐漸升高的,因?yàn)樵谶@個(gè)堿度范圍中燒結(jié)礦中強(qiáng)度好的鐵酸鈣逐漸代替鈣鐵橄欖石成為主要粘結(jié)相,但堿度＞2.5后冷強(qiáng)度變化不明顯,且略有降低,可能是由于隨著堿度的增高燒結(jié)礦中出現(xiàn)了強(qiáng)度比鐵酸鈣差的鐵酸二鈣所致。

(2)560℃熱處理后的燒結(jié)礦強(qiáng)度隨著堿度的增加是先降低后升高的趨勢,在R=2.0時(shí)強(qiáng)度最低,且熱處理后強(qiáng)度與冷強(qiáng)度降低的幅度是先增大后減小的,燒結(jié)礦強(qiáng)度降低幅度在1～1.2之間緩慢增大,1.2～2. 0明顯增大,2.0后又緩慢減小。原因是R=1～1.2時(shí)燒結(jié)礦中正硅酸鈣的數(shù)量還不多,發(fā)生的相變不是很明顯;R=1.2～2.0時(shí)隨著堿度的繼續(xù)增加,正硅酸鈣數(shù)量迅速增加起來,使得熱處理時(shí)相變引起的低溫粉化更嚴(yán)重些;但當(dāng)R＞2.0時(shí),隨著堿度的增加燒結(jié)礦中的硅酸三鈣也逐漸增加,這種物質(zhì)在熱處理時(shí)不發(fā)生相變,所以燒結(jié)礦的強(qiáng)度在2.0以后有所升高。

(3)560℃弱還原急冷至室溫后的燒結(jié)礦強(qiáng)度總體上是隨堿度的增加逐漸降低的,弱還原強(qiáng)度和冷強(qiáng)度之間的降低幅度也是隨堿度增加而增大的。

(4)弱還原強(qiáng)度降低的幅度遠(yuǎn)比熱處理強(qiáng)度降低的幅度大。原因是:本實(shí)驗(yàn)原料為外購精粉,品位高,屬于高鐵低硅燒結(jié),Fe2O3含量高,硅少,所以最后形成的正硅酸鈣存在的數(shù)量不是太多,隨著堿度的增加鐵酸鹽類粘結(jié)相逐漸增多。

從圖2中得知:

冷燒結(jié)礦和熱處理后的燒結(jié)礦的低溫粉化指數(shù)總體來說都是隨堿度增加先降低后略有升高趨勢的,只是冷燒結(jié)礦的低溫粉化指數(shù)的最低點(diǎn)在R=1.2,熱處理后燒結(jié)礦低溫粉化最低點(diǎn)在R=2.0。弱還原后燒結(jié)礦的還原粉化指數(shù)隨堿度的增加是先降低后升高再降低的趨勢,還原粉化指數(shù)最低點(diǎn)也是在R=2.0。

由圖1和圖2知:在低堿度范圍R=1～1.5時(shí),燒結(jié)礦的冷強(qiáng)度、熱處理和弱還原后的燒結(jié)礦強(qiáng)度相對(duì)都較高。R=1.5～2.0的燒結(jié)礦的冷強(qiáng)度,熱處理后和弱還原后的轉(zhuǎn)鼓指數(shù)都不高,尤其是R=2.0時(shí)的的燒結(jié)礦,雖然冷強(qiáng)度不錯(cuò),但是熱處理和弱還原后的M+6.3和M+3.15都很低,這也說明了冷強(qiáng)度好的燒結(jié)礦不代表在爐內(nèi)的強(qiáng)度就好。R=2.0～2.5的燒結(jié)礦在這三種情況下的強(qiáng)度和轉(zhuǎn)鼓指數(shù)都有升高的趨勢。R =2.5～3.0的燒結(jié)礦的冷強(qiáng)度和熱處理后強(qiáng)度還可以,但是弱還原后的強(qiáng)度很差,而弱還原后燒結(jié)礦強(qiáng)度是最接近高爐內(nèi)燒結(jié)礦強(qiáng)度的,所以這個(gè)堿度范圍內(nèi)的燒結(jié)礦不適合入爐。

3 燒結(jié)礦在高爐內(nèi)的破損機(jī)理及補(bǔ)救措施

3.1 高爐內(nèi)燒結(jié)礦的破損機(jī)理的研究

燒結(jié)礦在高爐內(nèi)自上而下的下落過程中產(chǎn)生粉化的主要因素有四個(gè):機(jī)械沖擊、擠壓磨損、高溫?zé)釕?yīng)力以及高溫化學(xué)反應(yīng)和相變。其中前三者無法控制,最后一個(gè)因素可以采取措施使之減少到最低。

我們知道燒結(jié)礦和球團(tuán)礦在還原前期過程中均有強(qiáng)度異常降低的現(xiàn)象發(fā)生。球團(tuán)礦還原后的強(qiáng)度較高,幾乎觀察不到破碎或粉化現(xiàn)象,但燒結(jié)礦的情況卻嚴(yán)重許多,還原后有明顯的破碎甚至粉化現(xiàn)象。眾所周知,α-Fe2O3→Fe3O4的還原會(huì)導(dǎo)致很大的體積膨脹,燒結(jié)礦的全鐵含量較球團(tuán)礦低得多,而亞鐵含量卻高得多,因此α-Fe2O3在燒結(jié)礦中的含量應(yīng)當(dāng)較球團(tuán)礦低得多,如果沒有其他原因,燒結(jié)礦強(qiáng)度異常降低的幅度應(yīng)當(dāng)較球團(tuán)礦低才合理。但事實(shí)恰恰相反。因此可以斷定,必然還有其他原因存在。而燒結(jié)礦和球團(tuán)礦的主要差別在于堿度,所以這些差別應(yīng)該由堿度造成。隨著堿度的增加,燒結(jié)礦中正硅酸鈣和鐵酸鈣的數(shù)量也在增加,約在R=2.0時(shí)達(dá)到最值。高爐的塊狀帶屬于還原性氣氛,發(fā)生間接還原反應(yīng),燒結(jié)礦中的Fe2 O3極易被還原,而Fe2O3的消失將直接導(dǎo)致鐵酸鈣系列礦物的解體。鐵酸鈣是高堿度低硅燒結(jié)礦的主要粘結(jié)劑,所以這一因素對(duì)低硅燒結(jié)礦的影響較大。從圖1和圖2可以看出,在堿度在1.5～2.0以及2.5～3.0時(shí),燒結(jié)礦的熱處理和弱還原后的強(qiáng)度是比較差的。

在高爐爐身中上部500℃左右,燒結(jié)礦會(huì)發(fā)生正硅酸鈣的相變和Fe2O3的還原,這些都會(huì)使燒結(jié)礦發(fā)生粉化現(xiàn)象,并且隨著堿度的不同而變化。我們?cè)囼?yàn)中采用的為高鐵低硅燒結(jié),560℃弱還原緩冷的燒結(jié)礦強(qiáng)度和高爐爐身中上部類似,此時(shí)燒結(jié)礦強(qiáng)度的降低也包括C2S的相變和Fe2O3的還原,可做參考。由表3和表5可得到560℃弱還原5小時(shí)緩冷后燒結(jié)礦強(qiáng)度的變化值,如表7所示。

表7 560℃弱還原5小時(shí)緩冷后燒結(jié)強(qiáng)度在不同堿度下的變化值

由表7可知:在R=2.0時(shí)弱還原后燒結(jié)礦的轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度M+6.3和粉化指數(shù)M+3.15降低的都很大,M+6.3降低了44.39%,M+3.15降低了36.81%,抗磨指數(shù)升高了7.78%。但在R=2.5時(shí)弱還原燒結(jié)礦的M+6.3和M+3.15降低的幅度有所減少,抗磨指數(shù)也有所下降。

3.2 補(bǔ)救措施

高堿度低硅燒結(jié)礦冷強(qiáng)度好,但入爐后因還原性很好,導(dǎo)致燒結(jié)礦熱強(qiáng)度不太理想,自熔性燒結(jié)礦冷強(qiáng)度和熱強(qiáng)度均不太理想,酸性燒結(jié)礦冷強(qiáng)度以及入爐后熱強(qiáng)度均可以,只是還原性能差,會(huì)增加直接還原度,對(duì)降低焦比不利。綜合上述觀點(diǎn)以及圖1和圖2可設(shè)想,是否可以采取高低堿度兩種燒結(jié)礦合理搭配,取長補(bǔ)短,從而可以解決高堿度低硅燒結(jié)礦在入爐后因鐵酸鹽解體導(dǎo)致強(qiáng)度異常降低現(xiàn)象發(fā)生,從而可以提高高爐透氣性,利于高爐順行,從而可以緩解部分由焦炭直接還原造成的經(jīng)濟(jì)損失。

再者,高堿度燒結(jié)礦的軟熔開始溫度一般較高,低堿度的軟熔開始溫度較低,如果能在R=0～1.2之間和R=2.0～2.5之間找出兩種高低堿度燒結(jié)礦,使它們的軟熔區(qū)間能夠盡量契合在一起,即某種高堿度燒結(jié)礦的軟化開始溫度和結(jié)束溫度都很高,某種低堿度燒結(jié)礦的軟化開始溫度低結(jié)束溫度高的兩種燒結(jié)礦,如果這兩種高低堿度燒結(jié)礦結(jié)合在一起,就可以大大降低軟熔區(qū)間,提高高爐透氣性,利于高爐順行。

4 結(jié) 論

(1)燒結(jié)礦在高爐中破損的主要原因是正硅酸鈣的相變和鐵酸鹽類的解體。

(2)堿度在2.0時(shí),熱處理和弱還原后燒結(jié)礦粉化現(xiàn)象最嚴(yán)重。

(3)Fe2O3的還原引起燒結(jié)礦強(qiáng)度的降低要比由C2 S相變引起燒結(jié)礦強(qiáng)度降低更嚴(yán)重。

(4)高堿度低硅燒結(jié)礦入爐后,在爐身中上部強(qiáng)度嚴(yán)重受損,最大值可達(dá)50.14%。

(5)在R=1～.2之間和R=2.0～.5之間可尋找兩個(gè)堿度燒結(jié)礦,使軟熔區(qū)間縮短,可提高料柱透氣性,利于高爐順行。

[1] GB/T13242-91,鐵礦石還原粉化試驗(yàn)靜態(tài)還原后使用冷轉(zhuǎn)鼓的方法[S].

[2]王筱留.高爐生產(chǎn)知識(shí)問答2版[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2004.

[3]王靜波,李發(fā)展.超低堿度酸性燒結(jié)礦試驗(yàn)研究[J].冶金信息導(dǎo)刊,2003(3):25～26.

[4]邵劍華.燒結(jié)礦高溫抗壓強(qiáng)度研究[D].唐山:河北理工大學(xué),2007.