MgO含量及來源對磁鐵精礦球團(tuán)固結(jié)行為的影響

潘建，于鴻賓，朱德慶，春鐵軍

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MgO含量及來源對磁鐵精礦球團(tuán)固結(jié)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)

對普通磁鐵礦球團(tuán)、高鎂磁鐵礦球團(tuán)和普通磁鐵礦配加MgO粉的球團(tuán)固結(jié)行為進(jìn)行研究，考察MgO含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))及來源對球團(tuán)固結(jié)行為的影響。研究結(jié)果表明：當(dāng)焙燒溫度低于1 210 ℃時(shí)，MgO來源對焙燒球團(tuán)抗壓強(qiáng)度影響顯著，表現(xiàn)為普通磁鐵礦焙燒球團(tuán)抗壓強(qiáng)度最高，高鎂磁鐵礦球團(tuán)次之，普通磁鐵礦配加MgO粉球團(tuán)抗壓強(qiáng)度最低。當(dāng)焙燒溫度高于1 240 ℃時(shí)，MgO含量對焙燒球團(tuán)抗壓強(qiáng)度影響較大，焙燒球團(tuán)抗壓強(qiáng)度隨MgO含量的增加而降低；在MgO含量相同條件下，高鎂磁鐵礦球團(tuán)強(qiáng)度高于配加MgO粉球團(tuán)。來源不同的MgO均抑制磁鐵礦球團(tuán)氧化和新生物相的分布，從而影響了球團(tuán)的固結(jié)強(qiáng)度。礦化是配加MgO粉球團(tuán)固結(jié)的限制性環(huán)節(jié)，提高焙燒溫度有助于強(qiáng)化外加MgO粉的礦化并減弱MgO來源的影響，進(jìn)而提高焙燒球團(tuán)強(qiáng)度。

氧化鎂；磁鐵礦；抗壓強(qiáng)度；微觀結(jié)構(gòu)

近年來，受市場資源的影響，鋼鐵企業(yè)為降低成本，在燒結(jié)生產(chǎn)中采取了大量配加印度、澳礦、非洲塞拉利昂高鋁粗粉等經(jīng)濟(jì)料的措施，致使高爐爐渣中Al2O3明顯升高，給高爐操作帶來了很大難度[1]。解決高爐中Al2O3含量高的問題，通常的做法是提高入爐料中的MgO含量。目前，高爐爐料的普遍模式為高堿度燒結(jié)礦配加酸性爐料(氧化球團(tuán)、普通燒結(jié)礦或天然塊礦)[2]，導(dǎo)致高爐煉鐵中所需的MgO幾乎全部由燒結(jié)礦提供，而MgO含量過高將直接影響燒結(jié)礦的產(chǎn)質(zhì)量[3?4]，從而給燒結(jié)生產(chǎn)帶來嚴(yán)重壓力。將一定量的MgO轉(zhuǎn)移到球團(tuán)礦中，不僅能改善爐渣流動(dòng)性，還能提高燒結(jié)礦質(zhì)量和高爐技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。研究表 明[5?13]：含鎂熔劑性球團(tuán)具有較高的還原度和較好的軟熔特性，因而能夠降低焦比、提高高爐產(chǎn)量，但是，鎂質(zhì)球團(tuán)礦存在焙燒性能差和抗壓強(qiáng)度低等不 足[14?18]。研究發(fā)現(xiàn)[16]：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(huì)降低，而且球團(tuán)強(qiáng)度隨著MgO含量的增加急劇下降。當(dāng)球團(tuán)中MgO含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))大于2.4%時(shí)，預(yù)熱球強(qiáng)度甚至不足200 N/個(gè)，焙燒球團(tuán)強(qiáng)度也低于1 500 N/個(gè)，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(gè)，焙燒球團(tuán)抗壓強(qiáng)度大于2 500 N/個(gè)的要求，不利于球團(tuán)礦生產(chǎn)的大型化。因此，研究MgO對氧化球團(tuán)固結(jié)的影響十分重要。然而當(dāng)前MgO來源對球團(tuán)固結(jié)機(jī)理的研究較少，尤其是對MgO以類質(zhì)同象形式存在的高鎂磁鐵礦球團(tuán)，為此，本文作者對普通磁鐵礦球團(tuán)(低MgO含量)，高鎂磁鐵礦球團(tuán)和普通磁鐵礦配加MgO粉的球團(tuán)進(jìn)行固結(jié)行為研究，探討MgO含量及來源對磁鐵精礦球團(tuán)固結(jié)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

本試驗(yàn)采用3種高品位磁鐵精礦，化學(xué)成分與物理性能見表1和表2。由表1可見：試驗(yàn)用3種磁鐵礦TFe品位較高，均大于67%，同時(shí)，SiO2含量也都較低，是3種優(yōu)質(zhì)的球團(tuán)原料。1號和2號高鎂磁鐵礦MgO含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))分別為1.88%和2.48%，均遠(yuǎn)比普通磁鐵礦的高。1號和2號高鎂磁鐵礦掃描電鏡能譜圖如圖1和圖2所示。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%，這說明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。

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) SEM照片；(b) 能譜圖

(a) SEM照片；(b) 能譜圖

研究發(fā)現(xiàn)[19]：用比表面積評價(jià)原料造球性能更可靠，造球物料適宜的比表面積為1 500~1 900 cm2/g。由表2可知：2種磁鐵礦粒度較大，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。

試驗(yàn)所用膨潤土的化學(xué)成分與物理性能見表3和表4。由表3和表4可知：該鈉基膨潤土蒙脫石含量高，吸水率較大且粒度細(xì)，屬于優(yōu)質(zhì)的球團(tuán)黏結(jié)劑。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%。

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

球團(tuán)制備試驗(yàn)流程模擬工業(yè)生產(chǎn)氧化球團(tuán)的工藝流程，首先進(jìn)行原料準(zhǔn)備，然后按配料、混合、造球、烘干、預(yù)熱、焙燒的過程依次進(jìn)行。3種磁鐵精礦先經(jīng)高壓輥磨預(yù)處理至比表面積約為1 500 cm2/g，采用高壓輥磨機(jī)進(jìn)行預(yù)處理，在開路條件下，輥磨壓力為3.5 t，轉(zhuǎn)速為40 r/min，物料水分為7.0%。造球試驗(yàn)在直徑為1 000 mm的圓盤造球機(jī)中進(jìn)行，轉(zhuǎn)速為 28 r/min，邊高=150 mm，傾角=47°。造球時(shí)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，進(jìn)行預(yù)熱焙燒試驗(yàn)。預(yù)熱焙燒試驗(yàn)在臥式電熱管爐中進(jìn)行，預(yù)熱溫度為950 ℃，預(yù)熱時(shí)間為12 min。焙燒球團(tuán)抗壓強(qiáng)度測定設(shè)備為ZQYC?智能抗壓測量儀。成品球團(tuán)礦顯微結(jié)構(gòu)的鑒定和分析采用Leica DMRXE光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 MgO含量及來源對抗壓強(qiáng)度的影響

焙燒溫度對焙燒球團(tuán)抗壓強(qiáng)度的影響見圖3。由圖3可見：隨著焙燒溫度的升高，不同焙燒球團(tuán)的抗壓強(qiáng)度先顯著增加，然后有所降低。氧化球團(tuán)在焙燒過程的固結(jié)機(jī)理是通過新生赤鐵礦的再結(jié)晶與晶粒之間互連強(qiáng)化球團(tuán)抗壓強(qiáng)度，溫度的升高能夠促進(jìn)礦物晶格中質(zhì)點(diǎn)的可動(dòng)性，強(qiáng)化新生赤鐵礦的再結(jié)晶，同時(shí)促使其與相接觸的Fe2O3聚集成較大晶體顆粒[19]。當(dāng)焙燒溫度低于1 210 ℃時(shí)，MgO來源對焙燒球團(tuán)抗壓強(qiáng)度影響顯著，表現(xiàn)為普通磁鐵礦焙燒球團(tuán)的抗壓強(qiáng)度最大，可達(dá)3 178 N/個(gè)；高鎂磁鐵礦次之，1號高鎂磁鐵礦球團(tuán)和2號高鎂磁鐵礦球團(tuán)抗壓強(qiáng)度分別為3 012 N/個(gè)和2 843 N/個(gè)；而配加MgO粉的球團(tuán)強(qiáng)度最低，配加至MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.88%和2.48%的焙燒球團(tuán)抗壓強(qiáng)度分別只有2 383 N/個(gè)和2 024 N/個(gè)。當(dāng)焙燒溫度高于1 240 ℃時(shí)，MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)對焙燒球團(tuán)抗壓強(qiáng)度影響較大，配加MgO粉(MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.88%)的磁鐵礦焙燒球團(tuán)抗壓強(qiáng)度為2 881 N/個(gè)，大于MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.48%的高鎂磁鐵礦球團(tuán)(2 645 N/個(gè))，但仍低于MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.88%的高鎂磁鐵礦球團(tuán) (3 228 N/個(gè))。這是由于MgO粉在球團(tuán)中礦化需要較高的焙燒溫度[4]，在低溫焙燒時(shí)，配加MgO粉的球團(tuán)礦化困難，阻礙新生赤鐵礦的結(jié)晶和互聯(lián)，從而成為限制性環(huán)節(jié)。隨著溫度的升高，MgO的礦化完善，有助于MgO進(jìn)入鐵相中，從而減弱MgO來源的影響，此時(shí)，MgO含量對球團(tuán)強(qiáng)度的影響起主導(dǎo)作用。

1—普通磁鐵礦焙燒球團(tuán)；2—1號高鎂磁鐵礦焙燒球團(tuán)(1.88%MgO)；3—2號高鎂磁鐵礦焙燒球團(tuán)(2.48%MgO)；4—普通磁鐵礦配加MgO粉至1.88%MgO的焙燒球團(tuán)；5—普通磁鐵礦配加MgO粉至2.48%MgO的焙燒球團(tuán)。(預(yù)熱溫度950 ℃，預(yù)熱時(shí)間12 min，焙燒時(shí)間12 min)

焙燒時(shí)間對焙燒球團(tuán)抗壓強(qiáng)度的影響見圖4。由圖4可知：隨著焙燒時(shí)間的延長，焙燒球的抗壓強(qiáng)度隨之增加。當(dāng)焙燒時(shí)間從9 min增加至15 min，普通磁鐵礦焙燒球團(tuán)抗壓強(qiáng)度從3 333 N/個(gè)提高至3 644 N/個(gè)；而MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.88%和2.48%的高鎂磁鐵礦焙燒球團(tuán)分別從2 712 N/個(gè)和2 417 N/個(gè)提高到3 310 N/個(gè)和3 013 N/個(gè)；普通磁鐵礦配加MgO粉至質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.88%和2.48%的焙燒球團(tuán)抗壓強(qiáng)度也分別從2 550 N/個(gè)和2 463 N/個(gè)升高到3 254 N/個(gè)和2 829 N/個(gè)。這是由于高溫停留時(shí)間的延長有助于晶粒的長大和充分結(jié)晶[19]。從圖5可以看到：焙燒球團(tuán)中FeO含量隨時(shí)間的延長而下降。當(dāng)焙燒時(shí)間為18 min時(shí)，普通磁鐵礦焙燒球團(tuán)中FeO質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為0.44%，MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為1.88%的高鎂磁鐵礦球團(tuán)和普通磁鐵礦配加MgO粉的球團(tuán)中FeO質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1.98%和1.43%，而MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為2.48%的高鎂磁鐵礦球團(tuán)和普通磁鐵礦配加MgO粉的球團(tuán)中FeO質(zhì)量分?jǐn)?shù)卻高達(dá)3.16%和2.25%，這表明MgO來源及含量對球團(tuán)氧化均會(huì)產(chǎn)生影響。對MgO含量相同的球團(tuán)，高鎂磁鐵礦比普通磁鐵礦配加MgO粉的球團(tuán)氧化困難。而對MgO來源相同的球團(tuán)，MgO含量越高，球團(tuán)氧化越困難。

1—普通磁鐵礦焙燒球團(tuán)；2—1號高鎂磁鐵礦焙燒球團(tuán)(1.88%MgO)；3—2號高鎂磁鐵礦焙燒球團(tuán)(2.48%MgO)；4—普通磁鐵礦配加MgO粉至1.88%MgO的焙燒球團(tuán)；5—普通磁鐵礦配加MgO粉至2.48%MgO的焙燒球團(tuán)。(預(yù)熱溫度950 ℃，預(yù)熱時(shí)間12 min，焙燒溫度1 240 ℃)

1—普通磁鐵礦焙燒球團(tuán)；2—1號高鎂磁鐵礦焙燒球團(tuán)(1.88%MgO)；3—2號高鎂磁鐵礦焙燒球團(tuán)(2.48%MgO)；4—普通磁鐵礦配加MgO粉至1.88%MgO的焙燒球團(tuán)；5—普通磁鐵礦配加MgO粉至2.48%MgO的焙燒球團(tuán)。(預(yù)熱溫度950 ℃，預(yù)熱時(shí)間12 min，焙燒溫度1 240 ℃)

2.2 MgO含量及來源對焙燒球團(tuán)微觀結(jié)構(gòu)的影響

焙燒球團(tuán)微觀結(jié)構(gòu)見圖6。由圖6可見：普通磁鐵礦的焙燒球團(tuán)內(nèi)部以Fe2O3為主，晶粒粗大，互聯(lián)成片，連接緊密，同時(shí)存在微量鐵酸鎂，所以，球團(tuán)抗壓強(qiáng)度最高。而高鎂磁鐵礦球團(tuán)和普通磁鐵礦配加MgO粉的球團(tuán)內(nèi)部，除了新生赤鐵礦與鐵酸鎂外，同時(shí)球團(tuán)內(nèi)部存在大量灰色、不規(guī)則狀顆粒。SEM?EDS證實(shí)這種物體為含鎂固溶體(見圖7)，含鎂固溶體的存在導(dǎo)致骸晶的產(chǎn)生，影響Fe2O3再結(jié)晶，所以球團(tuán)的抗壓強(qiáng)度較低。含鎂固溶體在MgO來源不同的焙燒球團(tuán)內(nèi)部存在形式具有差異，高鎂磁鐵礦球團(tuán)中的含鎂固溶體在球團(tuán)固結(jié)過程中大部分存在于鐵相之中；而普通磁鐵礦配加MgO粉的球團(tuán)在焙燒過程中形成的含鎂固溶體則主要賦存在Fe2O3晶粒之間，形成渣相連接，這勢必會(huì)影響球團(tuán)強(qiáng)度。這是由于磁鐵礦氧化和鐵離子擴(kuò)散比鎂離子快得多[20]，導(dǎo)致外加MgO無法全部擴(kuò)散到磁鐵礦晶格中，致使球團(tuán)內(nèi)部仍存在少量未礦化的MgO顆粒(見圖8)。而對于高鎂磁鐵礦，由于大部分MgO以類質(zhì)同象的形式存在會(huì)使Mg2+更多的賦存在晶格內(nèi)部，并不存在未礦化的MgO顆粒和大量渣相連接，從而導(dǎo)致在MgO含量相同的條件下，高鎂磁鐵礦球團(tuán)抗壓強(qiáng)度較高。

(a) 普通磁鐵礦焙燒球團(tuán)；(b) 1號高鎂磁鐵礦焙燒球團(tuán)(1.88%MgO)；(c) 2號高鎂磁鐵礦焙燒球團(tuán)(2.48%MgO)；(d) 普通磁鐵礦配加MgO粉至1.88%MgO的焙燒球團(tuán)；(e) 普通磁鐵礦配加MgO粉至2.48%MgO的焙燒球團(tuán) H—赤鐵礦，白色；(Mg-Fe)O—含鎂固溶體體，灰色；MF—鐵酸鎂，彩色；P—空洞，黑色(預(yù)熱溫度950 ℃，預(yù)熱時(shí)間12 min，焙燒溫度1 240 ℃，焙燒時(shí)間12 min)

圖6 光學(xué)顯微鏡下焙燒球團(tuán)礦顯微結(jié)構(gòu)

Fig. 6 Mineral phases of fired pellets under optical microscope

(a) SEM照片；(b) 能譜圖

(a) SEM照片；(b) 能譜圖

3 結(jié)論

1) MgO含量及來源對磁鐵精礦焙燒球團(tuán)抗壓強(qiáng)度影響顯著。當(dāng)焙燒溫度低于1 210 ℃時(shí)，MgO來源對球團(tuán)抗壓強(qiáng)度影響較大，普通磁鐵礦焙燒球團(tuán)抗壓強(qiáng)度最高，高鎂磁鐵礦球團(tuán)次之，配加MgO粉的球團(tuán)強(qiáng)度最低。當(dāng)焙燒溫度大于1 240 ℃，MgO含量對球團(tuán)抗壓強(qiáng)度影響較大，焙燒球團(tuán)抗壓強(qiáng)度隨MgO含量的增加而降低，而在MgO含量相同時(shí)，高鎂磁鐵礦球團(tuán)抗壓強(qiáng)度相對配加MgO粉的高。

2) MgO含量及來源均影響磁鐵精礦球團(tuán)氧化。MgO含量越高，球團(tuán)氧化越困難，致使球團(tuán)內(nèi)殘留的FeO含量越高。在MgO含量相同的條件下，高鎂磁鐵礦中以類質(zhì)同象形式存在的MgO對球團(tuán)氧化影響更大。

3) MgO含量對球團(tuán)固結(jié)影響顯著。普通磁鐵礦的焙燒球內(nèi)部以Fe2O3為主，晶粒粗大，互聯(lián)成片。而高鎂磁鐵礦球團(tuán)和配加MgO粉的磁鐵礦球團(tuán)內(nèi)部存在大量含鎂固溶體，含鎂固溶體的存在導(dǎo)致骸晶的產(chǎn)生，影響Fe2O3再結(jié)晶，降低含鎂球團(tuán)的抗壓強(qiáng)度。

4) MgO來源則對焙燒球團(tuán)固結(jié)形式的影響存在差異。高鎂磁鐵礦球團(tuán)中的含鎂固溶體大部分存在于Fe2O3之中。而配加MgO粉的磁鐵礦球團(tuán)在焙燒過程中形成的含鎂固溶體則主要賦存在Fe2O3晶粒之間，形成渣相連接，同時(shí)球團(tuán)內(nèi)部仍存在少量未礦化的MgO顆粒，從而導(dǎo)致在MgO含量相同的條件下，高鎂磁鐵礦球團(tuán)抗壓強(qiáng)度較高。

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Effect of MgO content and sources on induration behavior of magnetite concentrate pellets

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 (common magnetite pellet, magnetite with high MgO content pellet and magnetite pellet adding MgO powder) were studied to investigate the effect of MgO content and sources on induration behavior of pellets. The results show that MgO sources have a great influence on the compressive strength of fired pellets when fired temperature is below 1 210 ℃, and the compressive strength of common magnetite pellets are maximal, followed by the pellets made of magnetite with high MgO content, and the pellets adding MgO powder are minimum. The MgO content has greater effect on the compressive strength of fired pellets when fired temperature is above 1 240 ℃, and the compressive strength decreases with the increase of MgO content. Meanwhile, the strength of fired pellets composed by magnetite with high MgO content is higher at the same level of MgO content. Induration mechanism research shows that MgO affects not only the pellets oxidation but also new phase distribution. As a result, it influences the compressive strength of pellets. The mineralization is the restricted factor for pellets adding MgO powder. Higher roasted temperature is conducive to strengthening MgO powder mineralization and weakening the influence of MgO sources, leading to the high compressive strength.

MgO; magnetite; compressive strength; microstructure

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.09.002

TF046.6

A

1672?7207(2016)09?2914?07

2015?05?11；

2015?09?07

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

潘建，博士，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

(編輯 趙俊)