MgO來源對磁鐵精礦球團(tuán)預(yù)熱行為的影響

潘建，于鴻賓，朱德慶，春鐵軍

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MgO來源對磁鐵精礦球團(tuán)預(yù)熱行為的影響

潘建，于鴻賓，朱德慶，春鐵軍

(中南大學(xué)資源加工與生物工程學(xué)院，湖南長沙，410083)

分別對普通磁鐵礦球團(tuán)、高鎂磁鐵礦和普通磁鐵礦配加MgO粉的球團(tuán)預(yù)熱行為進(jìn)行研究，考察鎂的來源對球團(tuán)預(yù)熱性能的影響。研究結(jié)果表明：在850~1 000 ℃的預(yù)熱溫度下，磁鐵礦預(yù)熱球的抗壓強(qiáng)度隨著MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高而降低。在相同預(yù)熱條件下，普通磁鐵礦預(yù)熱球的抗壓強(qiáng)度最高；以類質(zhì)同象形式存在或外加的MgO均會降低磁鐵礦預(yù)熱球的抗壓強(qiáng)度，外加MgO粉的磁鐵礦預(yù)熱球強(qiáng)度最低；高鎂磁鐵礦球團(tuán)氧化困難，預(yù)熱球團(tuán)中存在明顯的雙層結(jié)構(gòu)；外加的MgO粉在磁鐵礦球團(tuán)預(yù)熱階段僅有少量礦化，未礦化的MgO粉殘留在新生Fe2O3顆粒之間，影響新生晶粒之間的微晶連接及晶粒生長，致使其預(yù)熱球強(qiáng)度最低。

MgO；磁鐵礦；預(yù)熱球團(tuán)；抗壓強(qiáng)度

鐵礦球團(tuán)礦作為一種優(yōu)質(zhì)的高爐爐料，因具有鐵品位高、冷態(tài)強(qiáng)度(抗壓強(qiáng)度和抗磨強(qiáng)度)大、還原指數(shù)高和能耗低等優(yōu)點(diǎn)[1?2]而獲得廣泛應(yīng)用，世界球團(tuán)產(chǎn)量飛速增長，但是酸性球團(tuán)礦的軟熔性能和還原膨脹性能較差[3]；添加含鎂熔劑生產(chǎn)球團(tuán)具有較高的還原度、良好的軟熔特性和較低的膨脹指數(shù)[4?10]，因而能夠降低高爐焦比、提高產(chǎn)量，但鎂質(zhì)球團(tuán)礦存在焙燒性能差和抗壓強(qiáng)度低等不足[11?14]。研究發(fā)現(xiàn)[13]：以蛇紋石、MgO粉和菱鎂石等作為含鎂添加劑，預(yù)熱球和焙燒球團(tuán)的抗壓強(qiáng)度都會降低，且球團(tuán)強(qiáng)度隨著MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加急劇下降；當(dāng)球團(tuán)中MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于2.4%時，預(yù)熱球強(qiáng)度甚至不足200 N/個，焙燒球團(tuán)強(qiáng)度也低于1 500 N/個，遠(yuǎn)低于工業(yè)生產(chǎn)對預(yù)熱球團(tuán)抗壓強(qiáng)度大于500 N/個，焙燒球團(tuán)抗壓強(qiáng)度大于 2 500 N/個的要求。工業(yè)生產(chǎn)含鎂球團(tuán)礦基本通過添加含鎂熔劑和使用高鎂鐵精礦2種方式實(shí)現(xiàn)，由于高鎂鐵精礦中的Fe2+和Mg2+半徑相近，可互相取代形成連續(xù)的完全類質(zhì)同象[15]。研究認(rèn)為MgO能夠穩(wěn)定磁鐵礦晶格，阻礙球團(tuán)氧化[1]，而新生赤鐵礦對提高磁鐵礦預(yù)熱球團(tuán)強(qiáng)度具有重要作用[16]。鏈篦機(jī)?回轉(zhuǎn)窯作為一種生產(chǎn)氧化球團(tuán)的重要工藝，具有設(shè)備簡單、焙燒均勻和生產(chǎn)能力大等優(yōu)點(diǎn)[1]，但該工藝易出現(xiàn)嚴(yán)重的結(jié)圈問題。而鏈篦機(jī)生產(chǎn)的預(yù)熱球團(tuán)強(qiáng)度低是回轉(zhuǎn)窯內(nèi)粉末量多及導(dǎo)致結(jié)圈的重要原因[17]，因此，研究預(yù)熱球性能對指導(dǎo)生產(chǎn)具有十分重要的意義。本文作者對普通磁鐵礦球團(tuán)(MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)很低)，高鎂磁鐵礦和普通磁鐵礦配加MgO粉的球團(tuán)進(jìn)行預(yù)熱行為研究，探討MgO來源對磁鐵礦球團(tuán)預(yù)熱行為的影響，揭示其作用機(jī)理。

1 原料性能與研究方法

1.1 原料性能

試驗(yàn)使用3種高品位磁鐵精礦，化學(xué)成分與物理性能分別如表1和表2所示。由表1可見：試驗(yàn)所用3種磁鐵礦鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，均大于67%，同時SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)也都較低，是3種優(yōu)質(zhì)的球團(tuán)原料；1號和2號高鎂磁鐵礦MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1.88%和2.48%，均遠(yuǎn)高于普通磁鐵礦(MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為0.34%)。圖1和圖2所示分別為1號與2號高鎂磁鐵礦掃描電鏡和能譜圖。由圖1和圖2可知：磁鐵礦晶格中均存在一定量的MgO。其中1號高鎂磁鐵礦晶格中MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.47%，2號高鎂磁鐵礦晶格中MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.18%，這進(jìn)一步證明Mg2+取代了磁鐵礦中的Fe2+以類質(zhì)同象的形式存在于磁鐵礦晶格中。一般認(rèn)為比表面積是評價原料成球性的可靠指標(biāo)，造球物料適宜的比表面積為1500~1900 cm2/g。由表2可知：1號和2號磁鐵礦粒度較大，比表面積較小，造球前需通過高壓輥磨預(yù)處理，提高其比表面積，改善其成球性和焙燒性能。

表1 磁鐵精礦化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

表2 磁鐵精礦物理性能

(a) 掃描電鏡圖；(b) 能譜圖

(a) 掃描電鏡圖；(b) 能譜圖

試驗(yàn)所用膨潤土的化學(xué)成分與物理性能分別如表3和表4所示。由表3和表4可知：該鈉基膨潤土蒙脫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，吸水率較大且粒度較小，屬于優(yōu)質(zhì)的球團(tuán)黏結(jié)劑。除此之外，試驗(yàn)所用含鎂添加劑為MgO分析純試劑，MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98%，粒徑小于0.074 mm的顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于95%。

表3 膨潤土化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

表4 膨潤土物化性能

1.2 研究方法

本次試驗(yàn)所使用的3種磁鐵精礦，經(jīng)高壓輥磨預(yù)處理至比表面積為1 500 cm2/g左右用于造球。高壓輥磨預(yù)處理采用200 mm×75 mm(直徑×長)型高壓輥磨機(jī)，在開路條件下，輥磨壓力為3.5×104N，轉(zhuǎn)速為40 r/min，物料水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.0%。造球試驗(yàn)在直徑為1 m的圓盤造球機(jī)中進(jìn)行，轉(zhuǎn)速為28 r/min，邊高為=150 mm，傾角=47°。造球時間為12 min，緊密2 min。取直徑為12.5 mm左右的生球在105 ℃的溫度下干燥4 h，干球進(jìn)行預(yù)熱性能測定。干球預(yù)熱焙燒試驗(yàn)在60 mm×800 mm(直徑×長)的臥式電熱管爐中進(jìn)行。球團(tuán)抗壓強(qiáng)度采用中南大學(xué)實(shí)驗(yàn)室的ZQYC?智能型球團(tuán)抗壓測量儀檢測。成品球團(tuán)礦顯微結(jié)構(gòu)采用Leica DMRXE光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡鑒定和分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 MgO來源對球團(tuán)預(yù)熱工藝制度的影響

預(yù)熱溫度對預(yù)熱球團(tuán)抗壓強(qiáng)度的影響如圖3所示，預(yù)熱時間為10 min。由圖3可知：隨著預(yù)熱溫度的升高，不同類型球團(tuán)的預(yù)熱球抗壓強(qiáng)度均逐漸升高。這是由于溫度的升高有助于新生Fe2O3顆粒的內(nèi)擴(kuò)散，并與毗鄰的氧化晶體顆粒之間形成連接橋,有利于提高球團(tuán)強(qiáng)度[1]。在預(yù)熱溫度為950 ℃，預(yù)熱時間為10 min條件下，MgO來源不同對預(yù)熱球的抗壓強(qiáng)度的影響有顯著差異，表現(xiàn)為普通磁鐵礦預(yù)熱球的抗壓強(qiáng)度最大，球團(tuán)強(qiáng)度可達(dá)534 N/個；其次，1號高鎂磁鐵礦和2號高鎂磁鐵礦預(yù)熱球團(tuán)擴(kuò)壓強(qiáng)度分別為 501 N/個和488 N/個；而在常規(guī)磁鐵礦中加入MgO粉的預(yù)熱球抗壓強(qiáng)度最低，當(dāng)磁鐵礦球團(tuán)內(nèi)配加2.48% MgO(質(zhì)量分?jǐn)?shù))粉時，預(yù)熱球強(qiáng)度僅為184 N/個，即使當(dāng)預(yù)熱溫度升至1 000 ℃，預(yù)熱球團(tuán)強(qiáng)度也只有331 N/個。對于MgO來源相同的球團(tuán)而言，預(yù)熱球抗壓強(qiáng)度隨著MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而降低。當(dāng)外加MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)從1.88%升高到2.48%時，預(yù)熱球團(tuán)抗壓強(qiáng)度從223 N/個降低到184 N/個。而高鎂磁鐵礦預(yù)熱球團(tuán)抗壓強(qiáng)度也從501 N/個降低到488 N/個。

1—普通磁鐵礦球團(tuán)；2—1號高鎂磁鐵礦預(yù)熱球團(tuán)(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.88%)；3—2號高鎂磁鐵礦預(yù)熱球團(tuán)(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.48%)；4—普通磁鐵礦配加至質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.88% MgO的預(yù)熱球團(tuán)；5—普通磁鐵礦配加至質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.48% MgO的預(yù)熱球團(tuán)。

預(yù)熱時間對預(yù)熱球團(tuán)抗壓強(qiáng)度的影響如圖4所示，預(yù)熱溫度為950℃。由圖4可知：隨著預(yù)熱時間的增加，MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低的普通磁鐵礦和高鎂磁鐵礦預(yù)熱球團(tuán)抗壓強(qiáng)度均大幅度提升。當(dāng)預(yù)熱時間從 7 min延長至15 min時，普通磁鐵礦預(yù)熱球團(tuán)抗壓強(qiáng)度從482 N/個提高到735 N/個；1號高鎂磁鐵礦和2號高鎂磁鐵礦球團(tuán)預(yù)熱球也分別從394 N/個和 309 N/個提高到699 N/個和646 N/個。這是由于預(yù)熱時間的增加不僅有助于磁鐵礦氧化，同時能夠增強(qiáng)Fe2O3微晶鍵的連接，從而使預(yù)熱球的抗壓強(qiáng)度增加。而普通磁鐵礦配加MgO粉的預(yù)熱球團(tuán)強(qiáng)度增加的幅度有限，配加1.88% MgO粉和配加2.48% MgO粉的球團(tuán)即使在預(yù)熱時間為15 min條件下，預(yù)熱球抗壓強(qiáng)度也分別僅為306 N/個和256 N/個，遠(yuǎn)低于工業(yè)生產(chǎn)對預(yù)熱球團(tuán)抗壓強(qiáng)度大于500 N/個的要求。

1—普通磁鐵礦礦球團(tuán)；2—1號高鎂磁鐵礦預(yù)熱球團(tuán)(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.88%)；3—2號高鎂磁鐵礦預(yù)熱球團(tuán)(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.48%)；4—普通磁鐵礦配加至質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.88% MgO的預(yù)熱球團(tuán)；5—普通磁鐵礦配加至質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.48% MgO的預(yù)熱球團(tuán)。

5種預(yù)熱球團(tuán)FeO質(zhì)量分?jǐn)?shù)如圖5所示。由圖5可知：普通磁鐵礦預(yù)熱球中FeO質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為0.66%，外加1.88%和2.48%MgO粉的預(yù)熱球團(tuán)FeO質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為2.73%和2.99%，而氧化鎂質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1.88%和2.48%的高鎂磁鐵礦預(yù)熱球團(tuán)FeO質(zhì)量分?jǐn)?shù)卻高達(dá)4.27%和7.94%。這表明無論是外加的MgO還是磁鐵礦中原有的MgO均影響球團(tuán)氧化，但對氧化影響的程度不一樣。這是由于MgO粉在球團(tuán)中礦化需要較高的溫度[18]，而預(yù)熱階段溫度較低，MgO粉礦化較少，從而導(dǎo)致其對球團(tuán)氧化影響較小。即在MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同的情況下，高鎂磁鐵礦氧化更困難，而且MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，預(yù)熱球團(tuán)中FeO質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高。對預(yù)熱球團(tuán)中FeO質(zhì)量分?jǐn)?shù)與抗壓強(qiáng)度對比可知，雖然配加MgO粉的預(yù)熱球團(tuán)FeO質(zhì)量分?jǐn)?shù)比高鎂磁鐵礦球團(tuán)的小，但是其預(yù)熱球團(tuán)強(qiáng)度較低，這表明氧化并不完全是導(dǎo)致其預(yù)熱球團(tuán)抗壓強(qiáng)度低的主要原因。

圖5 預(yù)熱球團(tuán)中FeO質(zhì)量分?jǐn)?shù)

2.2 MgO來源對預(yù)熱球宏觀和微觀結(jié)構(gòu)的影響

MgO來源不同的預(yù)熱球團(tuán)剖面圖見圖6，其預(yù)熱溫度為950℃，預(yù)熱時間為10 min。由圖6可見：普通磁鐵礦和外加MgO粉預(yù)熱球團(tuán)內(nèi)部氧化均勻，而1號和2號高鎂磁鐵礦預(yù)熱球團(tuán)則具有雙層結(jié)構(gòu)，球團(tuán)中未氧化的球核隨MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而變大。這進(jìn)一步表明高鎂磁鐵礦中的MgO對球團(tuán)氧化影響更大。

(a) 普通磁鐵礦礦球團(tuán)；(b) 1號高鎂磁鐵礦預(yù)熱球(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.88%)；(c) 2號高鎂磁鐵礦預(yù)熱球(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.48%)；(d) 普通磁鐵礦配加至質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.88% MgO的預(yù)熱球團(tuán)；(e) 普通磁鐵礦配加至質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.48% MgO的預(yù)熱球團(tuán)

MgO來源對預(yù)熱球團(tuán)微觀結(jié)構(gòu)的影響如圖7和圖8所示，其預(yù)熱溫度為950℃，預(yù)熱時間為10 min。從圖7和圖8可以看出：普通高品位磁鐵礦球團(tuán)內(nèi)部氧化完全，多數(shù)Fe3O4被氧化成Fe2O3，新生的赤鐵礦顆粒之間由微晶鍵連接。對MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同的1號和2號高鎂磁鐵礦，在同樣預(yù)熱制度下，球團(tuán)內(nèi)部氧化不完全，球團(tuán)中心部位仍殘存較多的Fe3O4，這是由于高鎂磁鐵礦晶格中Mg2+質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，在氧化過程中阻礙Fe3O4的氧化[1]，致使預(yù)熱球內(nèi)部Fe2O3微晶連接減弱，從而致使預(yù)熱球強(qiáng)度比普通磁鐵礦的強(qiáng)度低。普通磁鐵礦配加MgO粉的預(yù)熱球團(tuán)同樣存在少量氧化不完全的現(xiàn)象，這是由于Mg2+與Fe2+的半徑相近，在氧化過程中 Mg2+進(jìn)入磁鐵礦晶格中并占據(jù)了鐵離子擴(kuò)散產(chǎn)生的空位，穩(wěn)定了磁鐵礦晶格，阻礙Fe3O4的氧化[1]。從普通磁鐵礦配加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.48% MgO粉的預(yù)熱球團(tuán)SEM圖中可以清晰地看到未礦化的MgO顆粒和少量礦化生成的含鎂固溶體，這說明雖然普通磁鐵礦配入MgO粉的預(yù)熱球氧化程度較高，但由于未礦化的MgO顆粒殘留在新生的Fe2O3顆粒之間，遏制晶體互聯(lián)及晶粒生長，從而導(dǎo)致其預(yù)熱球強(qiáng)度較低。

(a) 普通磁鐵礦礦球團(tuán)；(b) 1號高鎂磁鐵礦預(yù)熱球(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.88%)；(c) 2號高鎂磁鐵礦預(yù)熱球(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.48%)；(d) 普通磁鐵礦配加至質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.88% MgO的預(yù)熱球團(tuán)；(e) 普通磁鐵礦配加至質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.48% MgO的預(yù)熱球團(tuán)H—赤鐵礦；M—磁鐵礦；MgO—氧化鎂粉顆粒

(a) 低倍圖；(b) 高倍圖

3 結(jié)論

1) MgO來源對磁鐵精礦預(yù)熱球團(tuán)抗壓強(qiáng)度影響顯著。在預(yù)熱溫度為950 ℃，預(yù)熱時間為10 min的條件下，MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.88%的高鎂磁鐵礦預(yù)熱球團(tuán)抗壓強(qiáng)度為501 N/個，而普通磁鐵礦配入1.88% MgO的預(yù)熱球團(tuán)強(qiáng)度為223 N/個；MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.48%的高鎂磁鐵礦預(yù)熱球團(tuán)抗壓強(qiáng)度為488 N/個，普通磁鐵礦配入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.48% MgO的預(yù)熱球團(tuán)強(qiáng)度僅為184 N/個。

2) MgO來源對磁鐵精礦預(yù)熱球團(tuán)氧化影響顯著。其中高鎂磁鐵礦中的MgO嚴(yán)重影響球團(tuán)氧化。在預(yù)熱溫度為950 ℃，預(yù)熱時間為10 min的條件下，MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.48%的高鎂磁鐵礦預(yù)熱球團(tuán)中FeO質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)7.94%，遠(yuǎn)高于MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同但以配加MgO粉形式存在預(yù)熱球團(tuán)的FeO質(zhì)量分?jǐn)?shù)(2.99%)，同時球團(tuán)內(nèi)部出現(xiàn)明顯雙層結(jié)構(gòu)。

3) MgO來源對磁鐵精礦預(yù)熱球團(tuán)內(nèi)部結(jié)構(gòu)影響不同。普通磁鐵礦預(yù)熱球團(tuán)內(nèi)部氧化均勻，新生的赤鐵礦顆粒之間由微晶鍵連接。高鎂磁鐵礦預(yù)熱球團(tuán)內(nèi)部氧化不完全，球團(tuán)中心部位仍殘存較多的Fe3O4。普通磁鐵精礦配加MgO粉的預(yù)熱球團(tuán)中殘留大量未礦化的MgO顆粒，礦化部分的MgO與磁鐵礦生成含鎂固溶體，未礦化的MgO顆粒殘留在新生赤鐵礦顆粒之間，影響新生晶粒之間的微晶連接及晶粒生長，致使球團(tuán)內(nèi)部存在應(yīng)力缺陷，從而導(dǎo)致預(yù)熱球強(qiáng)度較低。

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(編輯 劉錦偉)

Influence of MgO sources on behavior of preheated pellets of magnetite concentrate

PAN Jian, YU Hongbin, ZHU Deqing, CHUN Tiejun

(School of Minerals Processing and Bioengineering, Central South University, Changsha 410083, China)

Three different kinds of pellets(general magnetite pellets, magnetite with high MgO content pellets and magnetite pellets added MgO powder) were studied to investigate the influence of MgO sources on the behavior of preheated pellets. The results show that the compressive strength of preheated pellets reduces with the increase of the mass fraction of MgO at different preheated temperatures varing from 850 ℃ to 1 000 ℃. The common preheated magnetite pellets have the maximal compressive strength under the same preheating condition. The MgO existing in isomorphism or adscitious MgO powder can both decrease the compressive strength of preheated pellet, and the strength of pellets added with adscitious MgO powder is minimum. The oxidation of pellets made from magnetite with high MgO mass fraction is difficult, and preheated pellets present the double layer structure. Only a small amount of adscititious MgO powder mineralizes during the preheating stage. The unmineralized MgO powder remains in the hematite grains, which will affect the connections of new hematite grains and the growth of grains, and leads to the low compressive strength of preheated pellets finally.

MgO; magnetite; preheated pellets; compressive strength

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.06.001

TF4

A

1672?7207(2016)06?1823?07

2015?06?03；

2015?07?28

國家科技部火炬計劃項(xiàng)目(2011GH561685)；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51474161)(Project(2011GH561685) supported by the Torch Plan of the Ministry of Science and Technology;Project(51474161) supported by the National Natural Science Foundation of China)

潘建，博士，副教授，從事燒結(jié)球團(tuán)、直接還原、二次資源利用和鋼鐵冶金環(huán)境保護(hù)等研究；E-mail：pjcsu@csu.edu.cn