硼鎂鐵精礦粉球團工藝參數(shù)探索

張勇前 宋見峰 張濤濤 陸品發(fā)

(江蘇省沙鋼集團有限公司煉鐵廠，江蘇 張家港 215625)

0 引言

在煉鐵工藝中，MgO的主要作用主要是調節(jié)高爐渣中的MgO/Al2O3，隨著高爐常態(tài)操作中的Al2O3含量高于15%，甚至達到17%～18%，高爐渣穩(wěn)定系數(shù)降低[1-3]。調節(jié)爐渣角度的最常用的辦法即調節(jié)高爐渣中的MgO含量。MgO的加入方式主要有兩種：1)來自燒結礦中的白云石、蛇紋石等；2)球團礦中加入鎂。MgO在燒結工序中加入的好處在于，燒結礦轉鼓強度，粒級和成品率都有提升；壞處在于，燒結也相溫度隨MgO增加而升高，白云石熱解和高溫礦化都需要大量的熱量，焦粉增加，從而導致燒結部分區(qū)域過熔，粘結相增加，燒結過程透氣性變差，垂直燒結速率降低，燒結利用系數(shù)降低，燒結礦的還原性變差。因此，在盡可能在不降低燒結質量的情況下，將MgO配加到球團礦中。

硼鎂鐵精礦是一種硼鎂鐵共生的復合礦，其中含有Fe2O3，F(xiàn)e3O4，MgO及B2O3，具有很高的利用價值[4,5]。以硼鎂鐵精粉擬用于鏈箅機-回轉窯的球團生產為背景，通過實驗室造球參數(shù)、預熱參數(shù)、焙燒參數(shù)的摸索，為球團生產提供必要的參數(shù)。

1 原料條件及基礎特性

1.1 硼鎂鐵精粉

球團生產的首要環(huán)節(jié)是原料準備，對其有三個重要的要求：一定的粒度組成、適宜的水分和均勻的化學性質?；瘜W成分是球團焙燒的基礎，試驗選擇單一硼鎂鐵礦進行球團制備工藝的摸索，其成分如表1所示。

表1 硼鎂鐵精粉質量百分含量(質量分數(shù)) %

硼鎂鐵礦主要以磁鐵礦為主，品位較低，TFe只有54.82%；自身高鎂，不需要再額外加含MgO熔劑；B2O3含量5.38%，硼含量高；SiO2較低，含量為3.88%；硫含量在0.962%，非常高。此鐵礦屬于高鎂高硼高硫低鐵低硅鐵礦。同時該鐵礦含鐵量波動<±0.3%，SiO2波動<0.2%。

礦粉的粒度組成在球團生產中有嚴格的要求，給料粒度成為球團生產的保證。粒度需要適中，若是粒度過粗，生球落下強度、抗壓強度、爆裂溫度等性能及球團轉鼓指數(shù)都受到嚴重的影響；而粒度細，有利于造球，但是生球較為密實，球團干燥工序脫水困難，對爆裂指數(shù)影響較大。礦粉的比表面積是粒級的另一種表示形式，更好的反映了原料的成球性能。比表面積增大，生球的抗壓強度、落下強度和焙燒球團抗壓強度都增大。但有一個臨界值，超過此臨界值，比表面積增大對生球抗壓強度不利。

表2 硼鎂鐵精粉粒級組成(質量分數(shù)) %

硼鎂鐵精粉的粒度組成如表2所示，其<0.074 mm達到92.12%，大于90%，比表面積2 140 cm2/g，其值有些大，會對造球有些影響。

硼鎂鐵精粉主要礦物成分有磁鐵礦、硼鐵礦、硼鎂石、鎂橄欖石，沒有赤鐵礦，見圖1。

圖1 硼鎂鐵精粉主要礦物成分

1.2 膨潤土

在造球的過程中，需要加入膨潤土改善鐵精粉的成球性能，提高生球強度，最重要的提高爆裂溫度。膨潤土分鈣基和鈉基兩種，對其相關成分和物理化學性能進行測試，測試結果如表3、表4，圖2所示。

表3 膨潤土化學成分(質量分數(shù)) %

表4 膨潤土物理化學性質

圖2 膨潤土物相組成

2 球團焙燒工藝摸索試驗

2.1 造球性能

含鐵物料為100%硼鎂鐵礦，生球制備采用圓盤造球機，直徑800 mm，轉速18 r/min，傾角45°，將制備好的球團進行含水量，抗壓強度，落下強度，爆裂溫度試驗，且在105 ℃下進行生球烘干，為球團預熱-焙燒試驗進行準備。球團焙燒試驗采用箱式氣氛爐摸索焙燒參數(shù)，再采用焙燒杯焙燒驗證的辦法。

首先對膨潤土適用量的試驗研究，實驗采用納基復合膨潤土，選擇的用量分別為0.8%，1.0%，1.5%，其造球性能結果如表5所示。

表5 硼鎂鐵精粉配加不同膨潤土含量下的造球性能指數(shù)

由于硼鎂鐵精礦粒度較細，比表面積大，所以其造球性能良好。在膨潤土配加0.8%～1.5%范圍內，生球抗壓強度大于10 N/P、落下強度大于5次/0.5 m、爆裂溫度大于500℃，可以滿足球團礦生產規(guī)范進入鏈箅機-回轉窯的要求。因此，考慮生產工藝特點，膨潤土配加量選擇為0.8%～1.0%。

2.2 預熱參數(shù)確定

預熱過程的主要作用是排出干燥過程未排凈的少量水分、碳酸鹽分解、脫硫及進行某些低溫固相反應。本次預熱研究根據(jù)球團的特點，選擇900 ℃、950 ℃兩個溫度，時間選擇10 min、20 min、30 min。試驗結果如表6所示。

表6 不同條件下預熱強度下的球團抗壓強度

從預熱結果和分析討論來看，該種硼鎂鐵精礦粉具有良好的預熱效果，950 ℃預熱20 min以上，抗壓強度可以達到500～700 N/P以上。從預熱參數(shù)上看，提高預熱溫度和延長預熱時間對于該種鐵精礦球團的預熱性能有好處。

建議在鏈箅機的設計中，適當延長預熱段，促進初步再結晶，有利于減輕回轉窯的壓力。預熱制度為一段700 ℃預熱10 min，預熱二段提高到950 ℃溫度，預熱20 min。這樣可以使得預熱后的球團滿足回轉窯生產的要求。

2.3 焙燒

球團焙燒主要作用為鐵氧化物結晶和再結晶、晶粒長大、固相反應以及產生低熔點化合物或共晶的熔化形成部分液相，使球團礦體積收縮及組織致密化。本次焙燒試驗參數(shù)選擇1 100～1 280 ℃，時間10～30 min。在每次焙燒試驗結束后，都會進行均熱，使球團內部晶粒長大，盡可能發(fā)育完整，礦物組成均勻化，消除部分內應力。均熱參數(shù)為1 100 ℃，20 min。預熱-焙燒制度及成品球抗壓強度如表7所示。

表7 硼鎂鐵精礦球團礦焙燒實驗結果

球團焙燒溫度是影響球團礦固結的關鍵因素，有效的高溫熱量對于球團礦的固相再結晶具有明顯的作用。全硼鎂鐵精礦粉球團焙燒溫度對球團礦抗壓強度的影響為：焙燒溫度的提高有利于球團礦抗壓強度的改善。950 ℃預熱30 min條件下，當焙燒溫度從1 100 ℃提高到1 250 ℃，焙燒10 min時，球團礦抗壓強度從1 230 N/P提高到了3 915 N/P；950 ℃預熱30 min條件下，當焙燒溫度從1 100 ℃提高到1 250 ℃，焙燒20 min時，球團礦抗壓強度從1 290 N/P提高到了4 561 N/P；950 ℃預熱30 min條件下，當焙燒溫度從1 100 ℃提高到1 250 ℃，焙燒30 min時，球團礦抗壓強度從1 310 N/P提高到了4 928 N/P；950 ℃預熱30 min條件下，當焙燒溫度提高到1 280 ℃，焙燒20～30 min時，球團礦抗壓強度從4 928 N/P降低至3 718 N/P。從焙燒試驗來看，該種鐵精礦粉固相再結晶能力較強，焙燒溫度區(qū)間較寬，在焙燒溫度達到1 150～1 280 ℃時，一定的焙燒時間條件下球團礦抗壓強度固相再結晶較好，抗壓強度達到2 500 N/P以上的要求。過高的焙燒溫度1 280 ℃、超過一定的焙燒時間，將出現(xiàn)少量液相，強度下降。由此，方案7、8較為合適，具體參數(shù)為950 ℃，預熱30 min，焙燒溫度1 200 ℃，焙燒20～30 min。

3 結果分析

全硼鎂精礦粉焙燒球團物相分析XRD如圖3所示，由于礦物繁多，許多衍射線相互疊加，加之一些礦物含量很低，給分析帶來了一定難度。隨著溫度升高，反應時間延長，從物相分析可以看出，逐漸發(fā)生Fe7O10(OH)2，MgBO2(OH)分解反應生產Fe3O4，F(xiàn)e3O4峰逐漸增強。

圖3 全硼鎂鐵精礦粉焙燒后XRD圖

全硼鎂精粉焙燒球團成分中FeO含量較高，預熱950 ℃，30 min，焙燒1 200 ℃，20 min球團中FeO含量1.50%?？赡苁且驗榍驁F焙燒過程中，焙燒氣氛O2含量過低，但是后來經試驗，當O2達到18%以上，F(xiàn)eO含量還是1.5%左右。從此可見，球團FeO含量高，與焙燒氣氛關系不明顯。從固結機理分析，硼鎂鐵精粉中含硼礦物大部分皆以低熔點復雜化合物或固溶體存在，礦粉中含硼5.38%，含量高，分散度也高，若在某一微區(qū)達到富集，在1 200 ℃時形成液相核心。另外硼離子熔入晶格中，降低焙燒活化能。B2O3半徑很小(B3+，0.10A)，很容易熔入其他晶體的晶格中，根據(jù)結晶學相關理論，一種物質熔入另一種物質的晶格，會使其發(fā)生畸變，能力升高，使晶格活化，反應的活化能降低。

磁鐵礦具有較多的空位缺陷，F(xiàn)e3O4比Fe2O3更易于與其它氧化物或尖晶石類氧化物形成固溶體。MgO·B2O3、CaO、B2O3等屬于尖晶石類，可與Fe3O4形成固溶體，圖3中的硼酸鎂就是典型的固熔體。固溶體增加，加之Fe3O4氧化，使由球團表面到內部存在一個氧的梯度，內部氧分壓低，有利于FeO存在。

4 結語

本研究主要是對全硼鎂精粉球團提供焙燒工藝參數(shù)，為球團生產提供系統(tǒng)的理論依據(jù)。通過研究得到如下結論：

1)硼鎂鐵精礦屬于高鎂高硼高硫磁鐵礦，比表面積2 140 cm2/g，造球性能佳，膨潤土添加量應在1%以下，增加膨潤土用量，會使生球更加密實，干燥段脫水困難，爆裂性能變差。

2)實驗室預熱焙燒最佳參數(shù)為：950 ℃，預熱30 min，焙燒溫度1 200 ℃，焙燒20～30 min，均熱1 100 ℃，20 min。在鏈箅機的生產設計中，適當延長預熱段，促進初步再結晶，有利于減輕回轉窯的壓力。

3)焙燒產物中FeO含量較高，并非因為焙燒氣氛O2不夠所致，主要原因為硼鎂鐵精礦低熔點復雜化合物較多，易形成液相，硼離子熔入晶格中，降低焙燒活化能。MgO·B2O3、CaO、B2O3等尖晶石類，與Fe3O4形成固溶體，固溶體增加，加之Fe3O4氧化，使由球團表面到內部存在一個氧的梯度，內部氧分壓低，有利于FeO存在。多種因素造成含硼球團中FeO含量較高。