邯鋼鐵精粉軟化特性的研究分析

郭蘭芬 劉曉明 魏瓊花 賈文君

(邯鋼生產(chǎn)制造部)

邯鋼鐵精粉軟化特性的研究分析

郭蘭芬 劉曉明 魏瓊花 賈文君

(邯鋼生產(chǎn)制造部)

通過對球團(tuán)用鐵精粉的軟熔收縮特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，并在一定的溫度制度下測定了兩種精粉混合狀態(tài)下發(fā)生軟化變形的程度，對比分析了鐵礦粉高溫軟熔特性。研究表明：混合礦粉的軟化收縮不具有加和性，其收縮程度與礦粉礦物組成及晶粒大小等因素有關(guān)，該指標(biāo)可作為球團(tuán)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的主要指標(biāo)在配礦中加以應(yīng)用。

球團(tuán) 精粉 軟化 收縮

0 前言

邯鋼球團(tuán)生產(chǎn)中所用鐵精粉品種較多，其中進(jìn)口精粉成分較為穩(wěn)定，國產(chǎn)精粉由于礦點(diǎn)兒多，成分波動(dòng)較大，因此其常溫和高溫性能存在較大差別。球團(tuán)礦中鐵晶粒的連接主要是依靠高溫環(huán)境赤鐵礦晶粒發(fā)育長大互聯(lián)成整體固結(jié)[1]，產(chǎn)生液相極少，但由于鐵精粉的成分不同，有的精粉雜質(zhì)較多，導(dǎo)致軟熔特性變差，在窯內(nèi)焙燒時(shí)容易使球團(tuán)表面過早軟化變形，造成球團(tuán)焙燒不充分，而且容易造成回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈。為保持球團(tuán)生產(chǎn)及質(zhì)量的穩(wěn)定，需要掌握每種精粉的高溫軟熔特性，尤其在目前優(yōu)質(zhì)鐵精粉資源匱乏、礦種復(fù)雜的情況下開展該研究是非常有必要的。

球團(tuán)礦在焙燒過程中，由于化學(xué)反應(yīng)和晶形轉(zhuǎn)變，與干燥球相比其體積都會發(fā)生相應(yīng)的收縮和密實(shí)，甚至在冷卻過程中由于存在應(yīng)力區(qū)，會使球團(tuán)內(nèi)部產(chǎn)生裂紋，尤其在應(yīng)用成分較為復(fù)雜的礦種時(shí)更為常見。通過模擬球團(tuán)焙燒的溫度與時(shí)間，從球團(tuán)用鐵精粉軟化收縮特性方面，研究鐵精粉在高溫焙燒過程中的行為及相互作用的能力，衡量不同鐵精粉在高溫條件下發(fā)生軟化收縮的程度，以此評價(jià)鐵精粉高溫軟熔特性，更加有效地指導(dǎo)生產(chǎn)，達(dá)到結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的。

1 鐵精粉軟化收縮試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 試驗(yàn)裝置

采用傳統(tǒng)的試驗(yàn)方法對球團(tuán)鐵精粉的高溫軟熔性能研究所需時(shí)間長、耗材多、費(fèi)用高[2]。文中所述試驗(yàn)是依據(jù)球團(tuán)預(yù)熱、焙燒制度在WSXT-01鐵礦石基礎(chǔ)特性的試驗(yàn)裝置中進(jìn)行，試驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 測定精粉高溫軟化特性試驗(yàn)裝置

1.2 原料條件

本次試驗(yàn)原料選取邯鋼10種球團(tuán)常用鐵精粉。各種鐵精粉的化學(xué)成分及小于200目的粒級百分?jǐn)?shù)見表1。

表1 鐵精粉化學(xué)成分及粒級

從表1可以看出，五礦精粉屬于赤鐵礦類型，其余精粉都屬于磁鐵礦類型；鵬捷和高鎂的品位相對較低；高鎂精粉的SiO2、CaO、MgO含量較高，成分雜。另外，幾種精粉粒度組成存在較大差別，尤其是和耀、鵬捷精粉粒度較粗，大于100目的粒級比例較高，而小于200目的粒級百分?jǐn)?shù)只有58.80%，56.11%。由于不同礦物粒度組成差別較大，為了不影響試驗(yàn)研究對比結(jié)果，本試驗(yàn)所用鐵精粉的粒級控制在100目以下。

1.3 制定升溫速率

根據(jù)球團(tuán)預(yù)熱焙燒的溫度與時(shí)間，摸索并制定鐵精粉的升溫制度。模擬實(shí)際生產(chǎn)中回轉(zhuǎn)窯焙燒條件。制定升溫制度為：室溫到950 ℃的升溫速率為20 ℃/min，在950 ℃保持10 min，繼續(xù)以10 ℃/min的速率逐漸減小到5 ℃/min升溫至1 350 ℃，保持10 min，觀察鐵精粉的變化過程。升溫制度如圖2所示。

圖2 升溫制度

2 鐵精粉軟化收縮的測定

鐵精粉軟化收縮率定義為鐵精粉焙燒前后的體積差與焙燒前體積的比值。用公式表示為：

鐵精粉的收縮率=(焙燒后體積—焙燒前體積)/焙燒前體積×100%

為保證試驗(yàn)條件一致，需使各種鐵精粉的焙燒前體積相同，將試樣放入壓樣機(jī)中，保持壓力10 MPa，時(shí)間2 min，制成統(tǒng)一高為5 mm，直徑為8 mm的圓柱體。

2.1 單種鐵精粉軟化收縮

根據(jù)以上制定的升溫制度和試樣制作過程，在相同的試驗(yàn)條件下對10種鐵精粉在氧化氣氛下預(yù)熱焙燒，焙燒后測定其體積，然后按照上述公式計(jì)算單種鐵精粉的收縮率。單種鐵精粉所測得的收縮率見表2。

表2 單種鐵精粉的收縮率

從表2可以看出，和耀的收縮率最低，只有1.66%，高鎂的收縮率最高，達(dá)到27.46%，從化學(xué)成分上看，高鎂是低品位礦，成分復(fù)雜，SiO2、MgO含量較高，高溫時(shí)容易形成低熔點(diǎn)化合物而軟化，所以收縮率高。智利收縮率也較高，其余精粉收縮率在6%～10%范圍，收縮程度居中。但是在實(shí)際生產(chǎn)中，用于生產(chǎn)球團(tuán)的鐵精粉往往不止一種，那么，單種精粉的這種收縮特性對混合礦造成的影響是生產(chǎn)中需要關(guān)注的問題。因此，需要對混合狀態(tài)下精粉的收縮特性進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

2.2 混合鐵精粉軟化收縮試驗(yàn)

一般情況下，兩種或兩種以上的物質(zhì)混合后，其物理特性大多具有加和性；那么對于文中研究的混合礦的軟化收縮性能是否具有簡單加和的特性，采用收縮率較高的智力和高鎂粉與收縮率較低的和耀礦粉進(jìn)行了試驗(yàn)，同時(shí)對現(xiàn)場正在配加的混合料結(jié)構(gòu)也進(jìn)行軟化收縮試驗(yàn)。試驗(yàn)選擇的和耀精粉比例分別為20%、40%、50%、60%、80%，具體情況見表3，現(xiàn)場配比見表4。

表3 混合精粉不同配比的收縮率 / %

表4 三種混合精粉不同配比的收縮率 / %

從表4 可以看出，智利、高細(xì)、本地混合后實(shí)測收縮率11.44%遠(yuǎn)高于簡單加和計(jì)算的收縮率8.99%，趨向智利的收縮率11.35%。

根據(jù)表3中混合精粉不同配比收縮率數(shù)據(jù)的實(shí)測值和加和值作圖，橫坐標(biāo)為配比方案，縱坐標(biāo)為收縮率，和耀與高鎂不同配比收縮率圖如圖3所示，和耀與智利不同配比收縮率圖如圖4所示。

圖3 和耀與高鎂不同配比收縮率圖

圖4 和耀與智利不同配比收縮率圖

從圖3可以看出，和耀與高鎂精粉的結(jié)構(gòu)，隨著高鎂配比的增加，收縮率呈增加趨勢，實(shí)測收縮率都低于加和值，兩者差值幅度慢慢減??；方案1～方案5(高鎂配比小于60%)實(shí)測收縮率緩慢的增加，方案6、方案7(高鎂配比高于60%)，收縮率開始梯度增加。

從圖4可以看出：和耀與智利精粉搭配，隨著智利配比的增加，收縮率也是增加趨勢，與上述和耀與高鎂搭配相反的是，實(shí)測收縮率都高于計(jì)算加和收縮率值，兩者差值幅度緩慢增加再減?。环桨?～方案4(智利配比小于50%)收縮率趨勢直線上升，從方案5開始(智利配比50%以上時(shí))收縮率緩慢增加，甚至方案6、方案7(智利配比80%時(shí)與100%時(shí))的收縮率相當(dāng)，收縮率與智利配比成對數(shù)關(guān)系。

通過上述分析，和耀分別與高鎂和智利搭配，收縮率都隨著高鎂或智利的配比增加而增加，但增加的趨勢不同。和耀與高鎂精粉擬合的曲線呈指數(shù)關(guān)系，和耀與智利擬合的曲線呈對數(shù)關(guān)系。

以上研究表明混合礦的收縮不是簡單的單種礦粉收縮率的加和，而受自身特性影響。為解釋這一現(xiàn)象，進(jìn)一步研究精粉的微觀組織結(jié)構(gòu)。

3 鐵精粉軟化收縮后的顯微結(jié)構(gòu)

將研究的鐵精粉收縮后的試樣制成光片，在顯微鏡下觀察，鐵精粉的軟化收縮后顆粒形貌如圖5所示。

(a) 和耀-100X

(b) 高鎂-100X

(c) 智利-100X

(d) 智利和耀各50 %-100X

(e) 高鎂和耀各50 %-100X

(f) 現(xiàn)場配比-100X

圖5 鐵精粉的軟化收縮后顆粒形貌從圖5可以看出，智利的晶粒細(xì)小并且是鐵晶須連接，和耀晶粒尺寸較大，氣孔尺寸也較大，智利與和耀混合，很容易填充和耀的氣孔，使混合后精粉的收縮率提高，固在智利配比低時(shí)，收縮率明顯，從混合后的顯微圖片看出，致密度提高。而高鎂與智利恰相反，高鎂的鐵相是以小塊脈石粘結(jié)，連接成片，高鎂與和耀混合后，和耀的鐵晶粒和脈石顆粒阻止了高鎂鐵相的粘結(jié)，局部高鎂的鐵相連接成片后也不能填充氣孔，在高鎂配比低時(shí)，收縮率趨向和耀，在高鎂配比高時(shí)，收縮率趨向高鎂。

鐵精粉高溫焙燒后顆粒形貌發(fā)生明顯變化，進(jìn)一步對其處理，將各種精粉顯微圖片通過Qwin軟件的圖像處理，統(tǒng)計(jì)出各種精粉的氣孔和鐵相的含量，以及鐵相晶粒相對單位的大小，數(shù)據(jù)見表5。

表5 鐵精粉的顯微結(jié)構(gòu)含量及晶粒比較

注：1.所用處理圖片的倍數(shù)都是100倍； 2.鐵相晶粒的大小只是相對的比較，為像素點(diǎn)單位。

從圖5和表5可以看出，和耀精粉焙燒收縮后的鐵相和脈石晶粒都較大，晶粒與晶粒之間連接較弱，大都單獨(dú)存在，由于晶粒尺寸較大不能填充氣孔，導(dǎo)致收縮率最低；高鎂精粉物質(zhì)雜，焙燒后產(chǎn)生低熔點(diǎn)物質(zhì)，鐵相多呈圓形，鐵相連接之間由液相粘結(jié)，氣孔率低，故高鎂精粉的收縮率高；智利精粉焙燒收縮后的氣孔率含量低，鐵相晶粒細(xì)小，鐵晶須與鐵晶須連接，脈石顆粒多數(shù)單獨(dú)存在。

球團(tuán)收縮程度直接影響成品率，生產(chǎn)可以針對不同的原料結(jié)構(gòu)，依據(jù)收縮特性，適當(dāng)調(diào)整造球時(shí)間，控制成品球尺寸，以滿足球團(tuán)產(chǎn)量的要求。

4 結(jié)論

(1)每種鐵精粉特性不同，收縮率也不同，混合后鐵精粉的收縮率不是單種精粉收縮率的簡單加和。

(2)鐵精粉焙燒后的收縮率與形成的液相、氣孔率大小以及鐵晶粒大小有關(guān)。

(3)收縮率指標(biāo)是實(shí)現(xiàn)球團(tuán)原料結(jié)構(gòu)優(yōu)化的有利補(bǔ)充。

[1] 陳耀銘,陳銳.燒結(jié)球團(tuán)礦微觀結(jié)構(gòu)[M].長沙：中南大學(xué)出版社，2011:115.

[2] 朱德慶,潘建,胡曉銘,等.熔劑作用下的鐵礦石高溫反應(yīng)性能研究[C].2005年度全國燒結(jié)球團(tuán)技術(shù)交流年會.2005年.

ANALYSIS AND RESEARCH ON SOFTENING PROPERTIES OF IRON POWDER IN HAN STEEL

Guo Lanfen Liu Xiaoming Wei Qionghua Jia Wenjun

(Manufacturing department of Han steel)

In this paper, experimental study on soft melting shrink properties of iron powders for pelletizing, softening deformation of two kinds of mixed iron powders were measured under a certain temperature regime, soft melting properties at high temperature were compared and analyzed. Research shows:softening shrink properties of mixed iron powders are not summation. Shrinkage degree of iron powders are related to mineral composition and grain size. It can be used as the main index of pellet structure optimization and used in ore blending.

pelletizing iron powder softening shrink

芬，高級工程師，河北.邯鄲(056015)，河北鋼鐵集團(tuán)邯鋼生產(chǎn)制造部；

2017—3—10