高硅鎂質(zhì)熔劑性球團(tuán)焙燒試驗(yàn)研究

王曉磊，師學(xué)峰，胡長(zhǎng)慶，王新東，胡啟辰

（1. 華北理工大學(xué)冶金與能源學(xué)院 河北 唐山 063210；2. 河鋼股份 河北 石家莊050023）

我國(guó)鋼鐵工業(yè)正向著高效化、清潔化、綠色化、低成本化方向發(fā)展[1-3]。在國(guó)家大力倡導(dǎo)節(jié)能減排、高爐精料號(hào)召下[4-5]，擁有良好機(jī)械強(qiáng)度及優(yōu)良冶金性能的鎂質(zhì)熔劑性球團(tuán)礦在優(yōu)化高爐爐料結(jié)構(gòu)的過(guò)程中起到了非常重要作用[6-8]，因此要生產(chǎn)高質(zhì)量的球團(tuán)礦，必須要摸清影響球團(tuán)性能的影響規(guī)律[9-11]，高強(qiáng)健等[12]研究了MgO 對(duì)鐵礦球團(tuán)低溫還原粉化率、還原性以及還原膨脹率等幾種冶金性能的影響, 結(jié)果表明，隨著MgO 含量的提高，鐵礦球團(tuán)的還原粉化和還原現(xiàn)象都得到抑制，而還原性能呈上升趨勢(shì)。李杰等[13]研究發(fā)現(xiàn)隨著MgO 含量的提高，軟化開(kāi)始溫度略微升高，軟化區(qū)間逐漸降低，還原膨脹率呈降低趨勢(shì)，冶金性能得到明顯改善。王黎光等[14]研究了堿度對(duì)鎂質(zhì)熔劑性球團(tuán)抗壓強(qiáng)度的影響，并基于孔結(jié)構(gòu)及顯微形貌分析了抗壓強(qiáng)度變化的原因，建立了孔隙率與抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系。邢宏偉[15]等研究了熔劑性球團(tuán)孔結(jié)構(gòu)以及堿度對(duì)熔劑性球團(tuán)性能的影響，采用壓汞試驗(yàn)法，結(jié)合分形理論，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析及球團(tuán)圖像的處理，利用軟件仿真，得到了球團(tuán)孔徑分布的多重分形譜擬合曲線。

本文以唐鋼生產(chǎn)所用三種磁鐵礦為原料，通過(guò)改變SiO2、堿度及MgO 含量，系統(tǒng)的研究了SiO2、堿度及MgO 含量對(duì)鎂質(zhì)熔劑性球團(tuán)強(qiáng)度及粘結(jié)率的影響規(guī)律，為企業(yè)的生產(chǎn)實(shí)踐提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)原料

本試驗(yàn)所用礦粉為唐鋼生產(chǎn)所用鐵精粉，包含PMC 鐵精粉、廟溝礦鐵精粉、硯山3#鐵精粉3 種，三種鐵礦粉全為磁鐵礦，熔劑使用白云石和白灰，粘結(jié)劑為膨潤(rùn)土，具體成分見(jiàn)表1。

表1 原料化學(xué)成分/%Table 1 Chemical composition of the raw material

2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)設(shè)備用于球團(tuán)焙燒的豎式管式爐， 試驗(yàn)步驟如下：

（1）焙燒過(guò)程及抗壓強(qiáng)度測(cè)定：球團(tuán)焙燒試驗(yàn)在豎式電爐中進(jìn)行，高溫吊籃裝入500 g 左右生球，待電爐溫度升至設(shè)定溫度，將吊籃放入電爐爐頂，然后使吊籃緩慢下行。干燥預(yù)熱約20 min，焙燒約20 min，均熱和冷卻約10 min，全過(guò)程共計(jì)50 min。焙燒完成的球團(tuán)礦，在彈簧壓力試驗(yàn)機(jī)上測(cè)定抗壓強(qiáng)度（壓力機(jī)量程5000 N，感量10 N，壓下速度0.2 mm/s），每組試樣測(cè)量60 個(gè)球，結(jié)果取其平均值。

（2）粘結(jié)率(η) 測(cè)定：將焙燒后的球團(tuán)進(jìn)行分類，篩選出粘結(jié)的球團(tuán)，并對(duì)其稱重G 粘，粘結(jié)率計(jì)算公式：

3 結(jié)果分析

3.1 SiO2 對(duì)熔劑性球團(tuán)強(qiáng)度及粘結(jié)率的影響

為了研究SiO2含量對(duì)生球性能的影響規(guī)律，固定膨潤(rùn)土為1%，通過(guò)白云石調(diào)整MgO 含量為1.8%，通過(guò)白灰調(diào)整堿度為1.0。試驗(yàn)方案見(jiàn)表2。3.1.1 SiO2對(duì)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果與分析

表2 試驗(yàn)方案/%Table 2 Test scheme

表3 試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Test results

圖2 SiO2 含量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響（1250℃）Fig .2 Effect of SiO2 content on compressive strength

由圖2 可知，在焙燒溫度1250℃，堿度為1.0，MgO 含量為1.8% 時(shí)，隨SiO2含量的增加，球團(tuán)抗壓強(qiáng)度先上升后下降；SiO2含量為5.0% 時(shí)，球團(tuán)抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大2813 N/ 個(gè)球；SiO2含量繼續(xù)升高，球團(tuán)抗壓強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，主要是因?yàn)镾iO2增加后，勢(shì)必會(huì)增加球團(tuán)液相含量，而適宜的液相量有利于球團(tuán)強(qiáng)度的提高，但過(guò)量后將會(huì)抑制Fe2O3晶粒的長(zhǎng)大，并阻礙Fe2O3晶粒連接，生成部分的硅酸鹽體系，從而降低了球團(tuán)的抗壓強(qiáng)度，尤其是SiO2含量從5.5% 提高到6.0% 時(shí)，下降了435 N。

3.1.2 SiO2對(duì)粘結(jié)現(xiàn)象試驗(yàn)結(jié)果與分析

焙燒溫度定為1250℃，各SiO2含量條件下均有不同程度的粘結(jié)現(xiàn)象，且隨著SiO2含量的提高，粘結(jié)程度呈增多趨勢(shì)。粘結(jié)率見(jiàn)表4。

表4 SiO2 含量對(duì)粘結(jié)率的影響Table 4 Effect of SiO2 content on bonding rate

圖3 SiO2 含量對(duì)粘結(jié)率的影響Fig. 3 Effect of SiO2 content on Bonding Rate

由圖3 可知當(dāng)SiO2含量在5.0 以下時(shí)粘結(jié)率較低，超過(guò)5.0 后粘結(jié)率上升明顯，分析認(rèn)為隨著SiO2含量升高，容易生成低熔點(diǎn)液相，同時(shí)在球團(tuán)焙燒過(guò)程中，磁鐵礦向赤鐵礦氧化不充分時(shí)，F(xiàn)eO 容易與SiO2反應(yīng)生成低熔點(diǎn)化合物，液相量增加，過(guò)多的液相量促使球團(tuán)相互間發(fā)生粘結(jié)現(xiàn)象，從而導(dǎo)致球團(tuán)粘結(jié)率呈增加趨勢(shì)。

3.2 堿度對(duì)熔劑性球團(tuán)強(qiáng)度及粘結(jié)率的影響

通過(guò)研究SiO2含量對(duì)球團(tuán)性能影響，在SiO2含量為4.5% ～ 5.0% 時(shí)，球團(tuán)性能較好，下邊將進(jìn)一步研究SiO2含量為5.0% 時(shí)，堿度對(duì)球團(tuán)性能影響規(guī)律，固定研山3#為40%、膨潤(rùn)土為1%，通過(guò)PMC、廟溝礦調(diào)整SiO2含量為5.0%，通過(guò)白云石調(diào)整MgO 含量為1.8%，白灰調(diào)整堿度為0.6 ～ 1.4。試驗(yàn)方案見(jiàn)表5。

表5 試驗(yàn)方案/%Table 5 Test scheme

3.2.1 堿度對(duì)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果與分析

表6 抗壓強(qiáng)度與焙燒粘結(jié)現(xiàn)象試驗(yàn)結(jié)果與分析Table 6 Test results and analysis of compressive strength and calcination bonding

圖4 堿度對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響（1250℃）Fig. 4 Effect of alkalinity on compressive strength (1250 ℃)

由圖4可知，在焙燒溫度1250℃，MgO含量1.8%，SiO2含量為5.0% 時(shí)，堿度由0.6～1.4，隨著堿度的提高，球團(tuán)抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)，并在堿度為1.0 時(shí)最高，抗壓強(qiáng)度為2813 N。

分析認(rèn)為隨著堿度的提高，適量液相有助于球團(tuán)內(nèi)部顆粒表面張力的提高，以及固相質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散，從而加快了晶體的重結(jié)晶速度、降低了球團(tuán)內(nèi)部氣孔率，使氣孔分布均勻，球團(tuán)內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加緊密與完整，從而會(huì)提高球團(tuán)強(qiáng)度。

堿度過(guò)大而造成抗壓強(qiáng)度下降的主要原因是：(1) 堿度繼續(xù)升高，球團(tuán)中CaO 含量占比過(guò)大，導(dǎo)致鐵礦顆粒分散嚴(yán)重，接觸條件變差，減弱氧化作用；(2) 形成液相量過(guò)大，阻礙固相顆粒間的直接接觸，不利于赤鐵礦再結(jié)晶長(zhǎng)大，并且液相沿晶界滲透，會(huì)破壞已聚集成的晶體固結(jié)，呈圓形大氣孔狀，進(jìn)而削弱了以氧化固結(jié)為主的作用；(3)添加熔劑后焙燒過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)鐵酸鈣體系礦物，尤其是在SiO2較少的情況下，更易生成鐵酸鹽，隨著堿度的繼續(xù)提高，過(guò)剩的CaO 會(huì)使生成的液相量不斷增大，導(dǎo)致球團(tuán)強(qiáng)度劇烈下降。

3.2.2 堿度對(duì)粘結(jié)現(xiàn)象試驗(yàn)結(jié)果與分析

焙燒溫度定為1250℃，各堿度條件下均有不同程度的粘結(jié)現(xiàn)象，且隨著堿度的提高，粘結(jié)程度呈增多趨勢(shì)。

粘結(jié)率見(jiàn)下表7：

表7 堿度對(duì)粘結(jié)率的影響Table 7 Effect of alkalinity on bonding ratio

圖4 堿度對(duì)粘結(jié)現(xiàn)象的影響Fig. 4 Effect of alkalinity on bonding

由圖4 可知，隨著堿度的提高，粘結(jié)程度呈增多趨勢(shì)。分析可知，一方面，由于球團(tuán)中SiO2含量較高，隨著堿度提高，更易生成低熔點(diǎn)液相；另一方面，在球團(tuán)焙燒過(guò)程中磁鐵礦向赤鐵礦氧化不充分時(shí)，F(xiàn)eO易與SiO2反應(yīng)生成低熔點(diǎn)化合物，同時(shí)隨著堿度提高，低熔點(diǎn)的鐵酸鈣含量也會(huì)升高。由于較多的低熔點(diǎn)化合物生成，液相量必然增加，過(guò)多的液相量會(huì)加重球團(tuán)相互之間粘連現(xiàn)象，從而提高了球團(tuán)粘結(jié)率。

3.3 MgO 對(duì)熔劑性球團(tuán)強(qiáng)度及粘結(jié)率的影響

結(jié)合SiO2、堿度對(duì)球團(tuán)性能影響，研究MgO含量對(duì)球團(tuán)性能影響規(guī)律，為使球團(tuán)性能達(dá)到最優(yōu)，固定研山3#為40%、膨潤(rùn)土為1%，通過(guò)PMC、廟溝礦調(diào)整SiO2含量為5.0%，通過(guò)白灰調(diào)整堿度為1.0。試驗(yàn)方案見(jiàn)表8。

表8 試驗(yàn)方案/% Table 8 Test scheme

3.3.1 MgO 對(duì)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果與分析

表9 抗壓強(qiáng)度測(cè)定結(jié)果Table 9 Compressive strength measurement result

圖6 MgO 含量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響（1250℃）Fig. 6 Effect of MgO content on compressive strength (1250℃)

由圖6 可知，在焙燒溫度1250℃，堿度為1.0，SiO2含量為5.0% 時(shí)，隨著MgO 含量的提高，球團(tuán)抗壓強(qiáng)度呈逐漸降低的趨勢(shì)；MgO 含量每升高0.1%，抗壓強(qiáng)度降低69.9 N/ 個(gè)球。造成上述結(jié)果的原因?yàn)镸g2+會(huì)擴(kuò)散進(jìn)入Fe3O4晶格生成固溶體，降低Fe3O4的再結(jié)晶能力，而Fe3O4的存在也會(huì)阻礙Fe2O3之間的連晶性能，會(huì)進(jìn)一步降低球團(tuán)抗壓強(qiáng)度。

3.3.2 MgO 對(duì)粘結(jié)現(xiàn)象試驗(yàn)結(jié)果與分析粘結(jié)率見(jiàn)下表10。

表10 堿度對(duì)粘結(jié)率的影響Table 10 Effect of alkalinity on bonding ratio

圖7 MgO 含量對(duì)粘結(jié)率的影響Fig. 7 Effect of MgO Content on Bonding Rate

由圖6 可知，隨著MgO 含量的提高，粘結(jié)程度呈降低趨勢(shì)，原因是添加MgO 后的熔劑性球團(tuán)在焙燒過(guò)程中可生成Fe2O3-CaO-MgO-SiO2體系，MgO 進(jìn)入渣相或進(jìn)人氧化鐵中都能夠提高球團(tuán)的熔點(diǎn)和改善還原性(MgO 含量的提高會(huì)促使生成高熔點(diǎn)渣相，減少低熔點(diǎn)渣相的形成，從而提高了熔化溫度；又因?yàn)樵诩訜徇€原過(guò)程中MgO 與FeO 無(wú)限固溶，生成高熔點(diǎn)含鎂浮士體，提高熔滴溫度)，減少液相生成。

4 結(jié) 論

（1）在焙燒溫度1250℃，堿度為1.0，MgO含量為1.8% 時(shí)，隨SiO2含量的增加，球團(tuán)抗壓強(qiáng)度先上升后下降；SiO2含量為5.0% 時(shí)，球團(tuán)抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大2813 N/ 個(gè)球；SiO2含量繼續(xù)升高，球團(tuán)抗壓強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，粘結(jié)率呈不斷上升趨勢(shì)。

（2）在焙燒溫度1250℃，SiO2含量為5.0%，MgO 含量為1.8% 時(shí)，隨著堿度的提高，球團(tuán)抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)，并在堿度為1.0時(shí)最高，抗壓強(qiáng)度為2813 N；粘結(jié)率呈不斷升高趨勢(shì)。

（3）在焙燒溫度1250℃，堿度為1.0，SiO2含量為5.0% 時(shí)，隨著MgO 含量的提高，球團(tuán)抗壓強(qiáng)度逐漸降低；MgO 含量每升高0.1%，抗壓強(qiáng)度降低69.9 N/ 個(gè)球。粘結(jié)率呈不斷下降的趨勢(shì)。