堿度對高鉻型釩鈦礦燒結(jié)過程的影響

張立恒， 李萬禮， 岳宏瑞， 薛向欣

（東北大學(xué)材料與冶金學(xué)院，沈陽 110819）

0 引 言

釩鈦磁鐵礦是一種復(fù)合礦產(chǎn)資源，在我國分布廣泛，儲量豐富，儲量和開采量居全國鐵礦的第3位，已探明儲量超過100億t，遠景儲量達300億t以上，主要分布在四川攀西（攀枝花-西昌）、河北承德等地區(qū).釩鈦磁鐵礦的特點為“貧、細、散、雜”，按照含有Cr2O3質(zhì)量分數(shù)的高低，可以將其劃分為普通釩鈦磁鐵礦和高鉻型釩鈦磁鐵礦[1-3].高鉻型釩鈦磁鐵礦的礦物組成比普通釩鈦磁鐵礦更復(fù)雜，原料特性更特殊.國內(nèi)某鋼鐵企業(yè)利用地緣優(yōu)勢，積極拓展鐵礦資源來源，每年從國外進口大量的高鉻型釩鈦磁鐵礦用于高爐生產(chǎn)，不僅滿足了對鐵礦石原料的需求，而且開發(fā)出了高附加值的釩鉻產(chǎn)品，其成分和國內(nèi)的紅格礦區(qū)釩鈦磁鐵礦相似[4].

堿度既影響燒結(jié)過程和燒結(jié)礦的產(chǎn)量及質(zhì)量，又影響高爐冶煉中的高爐爐料結(jié)構(gòu)和升溫還原過程，是燒結(jié)生產(chǎn)過程中最重要的控制參數(shù)之一[5-9]，國內(nèi)外科研工作者已經(jīng)對其做了大量的研究[10-15]，高鉻型釩鈦磁鐵礦燒結(jié)過程適宜堿度的研究還未見報道.為此，本文對高鉻型釩鈦磁鐵礦燒結(jié)堿度進行了系統(tǒng)研究，探索了獲得優(yōu)質(zhì)高鉻型釩鈦磁鐵礦的燒結(jié)堿度，為高爐冶煉高鉻型釩鈦磁鐵礦提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐，促進煉鐵前工序強化冶煉和節(jié)能降耗.

1 實驗方法及方案

1.1 實驗條件

實驗的原料、燃料來源于生產(chǎn)現(xiàn)場，其化學(xué)成分列于表1，表2.

燒結(jié)杯試驗是對某鋼鐵集團燒結(jié)廠的實際生產(chǎn)情況的模擬.各次試驗用料按試驗設(shè)計方案配料，將燒結(jié)廢氣溫度開始下降時定為燒結(jié)終點.

表1 原料化學(xué)成分/%

表2 燃料成分/%

1.2 實驗方案

燒結(jié)原料主要為高鉻型釩鈦精礦粉、冷返、槽返、印度礦粉、自溶粉、瓦斯灰、棄渣、磁選粉等.以燒結(jié)實際配礦方案為基礎(chǔ)，考慮原料條件和高爐實際生產(chǎn)需要，試驗研究階段堿度變化范圍為1.5～2.3，具體試驗方案列于表3.

表3 燒結(jié)所用鐵礦化學(xué)成分/%

根據(jù)原料實際情況，固定碳含量，同等返礦條件，水分控制在7.5%，使用白灰調(diào)節(jié)堿度.研究堿度變化對于燒結(jié)礦質(zhì)量的影響規(guī)律.各種礦粉做到均勻分散，齊整可比.

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 堿度對高鉻型釩鈦燒結(jié)礦生產(chǎn)指標(biāo)的影響

堿度對高鉻型燒結(jié)礦利用系數(shù)、垂直燒結(jié)速度、燒結(jié)成品率的影響結(jié)果如圖1～圖3所示.

圖1 堿度對燒結(jié)利用系數(shù)的影響

圖2 堿度對垂直燒結(jié)速度的影響

圖3 堿度對燒結(jié)成品率的影響

從圖1到圖3可以看出，燒結(jié)礦堿度提高后，燒結(jié)利用系數(shù)略有升高，垂直燒結(jié)速度增加，燒結(jié)成品率隨堿度的提高呈下降趨勢.提高堿度對燒結(jié)生產(chǎn)指標(biāo)的改善是由于隨燒結(jié)料中CaO含量增多，生產(chǎn)鐵酸鈣（CaO·Fe2O3）等低熔點、強度高的黏結(jié)相增多，燒結(jié)料層的透氣性改善，燒結(jié)生產(chǎn)率提高.燒結(jié)礦由于料層溫度低，不易產(chǎn)生過熔，因而大塊燒結(jié)礦減少，粒度組成均勻合理.隨著燒結(jié)礦堿度的提高，也會帶來一些負面影響，一方面燒結(jié)礦品位會降低，這是因為配入了較多的溶劑，使得全鐵品位降低；另一方面硫含量升高，堿度升高，燒結(jié)料中CaO含量高，其具有較強的吸硫能力，可以生產(chǎn)穩(wěn)定的CaS，而且碳酸鹽分解吸熱，高堿度燒結(jié)料層高溫區(qū)溫度降低，燒結(jié)速度較快，高溫時間短，對去S不利.因此堿度的增加會產(chǎn)生雙方面的效果，并不是越高越好，而太低會對燒結(jié)利用系數(shù)和速度有限制，堿度控制在1.9～2.0較為適宜.

2.2 堿度對燒結(jié)礦強度的影響

經(jīng)過轉(zhuǎn)鼓試驗測定，燒結(jié)礦堿度提高后，轉(zhuǎn)鼓指數(shù)升高，抗磨指數(shù)降低，燒結(jié)礦的冷態(tài)機械強度提高，如圖4，圖5所示.這是由于燒結(jié)礦堿度提高后，一方面燒結(jié)礦中產(chǎn)生了大量的鐵酸鈣液相，對周圍物質(zhì)的黏結(jié)能力加強；另一方面，堿度提高，燒結(jié)礦中的FeO和SiO2含量比較高，生成脈石的熔點降低，液相量增多，局部出現(xiàn)交織溶蝕結(jié)構(gòu)，從而改善了燒結(jié)礦冷態(tài)機械強度.

圖4 堿度對燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓指數(shù)的影響

圖5 堿度對燒結(jié)礦抗磨指數(shù)的影響

由表4可知，燒結(jié)礦堿度提高，燒結(jié)礦的RDⅠ-0.5和RDⅠ-3.15指標(biāo)明顯降低，而RDⅠ+6.3指標(biāo)則明顯升高，改善了燒結(jié)礦還原粉化性能，提高了高爐塊狀帶的透氣性.主要原因是燒結(jié)礦堿度提高后，鐵酸鈣含量增加，赤鐵礦體積膨脹減小，而且增加了黏結(jié)相的數(shù)量，因此，適當(dāng)提高燒結(jié)礦的堿度是增加燒結(jié)礦中黏結(jié)相數(shù)量的唯一有效方法.所以堿度在可控的情況下，應(yīng)該適當(dāng)?shù)脑黾?

表4 低溫還原粉化性能測定結(jié)果

2.3 堿度對高鉻型燒結(jié)礦荷重軟熔性能的影響

試樣粒度為1.5～2.5 mm，荷重為1 kg/cm2，料柱高度為40 mm.荷重軟熔試驗裝置示意圖見圖6.

圖6 荷重軟熔試驗裝置示意圖

由表5可知，隨著堿度從1.5上升到2.3，高鉻型釩鈦精礦燒結(jié)料的熔化溫度由1 390℃下降到1 361℃，熔點比普通燒結(jié)礦高，主要是由于產(chǎn)生了鈣鐵橄欖石和鐵酸鈣等低熔點共晶化合物.

表5 不同堿度燒結(jié)混合料軟熔溫度測定結(jié)果

由表6可以看出，高鉻型釩鈦燒結(jié)礦的軟化終了溫度T40%在1 200℃以上，熔融終了溫度Td也高于1 500℃，均比普通燒結(jié)礦要高，可以表明，成渣帶與軟熔帶位置較低，有利于高爐順行.

表6 不同堿度燒結(jié)礦軟熔性能測定結(jié)果

堿度從1.5上升到2.3，燒結(jié)礦軟化開始溫度T10%上升，軟熔區(qū)間變窄，開始軟化溫度T10%同時由1 091℃上升到1 135℃，軟化區(qū)間T40%～T10%由112℃下降到102℃，有利于高爐軟熔帶的下移，減薄軟熔帶，改善料柱的透氣性.熔滴性能的規(guī)律和軟化性能的規(guī)律相似，提高堿度之后，熔融開始溫度Ts不斷上升，滴落區(qū)間Td～Ts逐漸變窄.高堿度燒結(jié)礦具有較高的軟化溫度和熔融低落溫度，在高爐操作中，對于減薄融化層與成渣帶，提高透氣性具有重要意義.

3 結(jié) 論

1）隨著高鉻型釩鈦磁鐵礦燒結(jié)堿度由1.5增加到2.3，燒結(jié)成品率隨堿度的提高呈下降趨勢，垂直燒結(jié)速度提高，燒結(jié)利用系數(shù)略有升高.

2）隨著堿度的上升，燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓強度提高，抗磨指數(shù)降低；燒結(jié)礦的還原粉化指數(shù)RDⅠ-0.5和RDⅠ-3.15指標(biāo)降低，而RDⅠ+6.3提高.

3）高鉻型釩鈦燒結(jié)礦的荷重軟熔性能隨著堿度的提高，軟熔帶下移，軟熔區(qū)間變窄，透氣性提高，對于高爐順行有積極的意義.

4）綜合考慮燒結(jié)礦堿度對燒結(jié)過程和燒結(jié)礦強度等因素的影響，高鉻型釩鈦燒結(jié)礦堿度適宜控制在1.9～2.0.

[1]Akimoto S，Katsura T.Magnetochemical study of the generalized titanomagnetic in volcanic rocks[J].Journal of Geomagnetism and Geoelectricity，1959（10）：69-90.

[2]Katsura T.Generalized titanomagnetic in Hawaiianvolcanic rocks[J].Pacific Science， 1964，18（4）：223-228.

[3]劉熙光，邱定輝，張其春，等.關(guān)于釩鈦磁鐵礦綜合利用可持續(xù)發(fā)展問題的探討[J].中國礦業(yè)，2000（4）：21-23.

[4]胡途.釩鈦磁鐵精礦轉(zhuǎn)底爐多層球還原基礎(chǔ)研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2013.

[5]杜鶴桂.高爐冶煉釩鈦磁鐵礦原理[M].北京：科學(xué)出版社，1996.

[6]王筱留.鋼鐵冶金學(xué)煉鐵部分[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1995.

[7]周取定，孔令壇.鐵礦石造塊理論及工藝[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1992：12-14.

[8]王喜慶.釩鈦磁鐵礦高爐冶煉[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1994：5-6.

[9]唐賢榮，張青岑.燒結(jié)理論與工藝[M].長沙：中南工業(yè)大學(xué)出版社，1992：23-235.

[10]閆利娥.提高太鋼燒結(jié)礦堿度穩(wěn)定性的研究與實踐[J].燒結(jié)球團，2009，34（4）：44-47.

[11]尚策，周明順，翟立委.鞍鋼燒結(jié)礦冶金性能優(yōu)化研究[J].中國冶金，2009，19（9）：13-17.

[12]韓淑峰，周明順，沈峰滿.優(yōu)化鞍鋼燒結(jié)礦堿度及爐料結(jié)構(gòu)的試驗研究[J].材料與冶金學(xué)報，2013，12（3）：163-168.

[13]何木光，易凱，張文德.釩鈦磁鐵礦在高堿度下提鐵降硅燒結(jié)性能研究[J].礦業(yè)工程，2013，11（2）：33-37.

[14]張文山，呂慶，李福民.堿度對釩鈦燒結(jié)礦強度和燒結(jié)過程的影響[J]. 燒結(jié)球團，2006，31（5）：11-14.

[15]Matsuno，Nishikida Ikesaki.Strength deterioration of sample of iron ore 5%～10%CaOsystems during the reduction at 550 degree Cin 30%CO-N2gas[J].Transactions of the Iron and Steel Institute of Japan，1984（4）：275-283.