B2O3對(duì)釩鈦燒結(jié)礦液相量影響研究

汪小虎，李星志

(1.成渝釩鈦科技有限公司，四川 內(nèi)江 641000；2.廣西柳州鋼鐵(集團(tuán))公司，廣西 柳州 545002)

我國(guó)釩鈦磁鐵礦資源儲(chǔ)量豐富，由于其鐵含量相對(duì)較低，且鈦、釩含量均不突出，工業(yè)生產(chǎn)中分別采用高爐—轉(zhuǎn)爐工藝提取鐵和釩、電爐工藝提取鈦。釩鈦燒結(jié)礦為高爐工藝爐料主要含鐵載體，由于其礦物成分和結(jié)構(gòu)的特殊性，在釩鈦燒結(jié)生產(chǎn)過(guò)程中仍舊面臨著諸多難題。隨著釩鈦磁鐵礦精粉在燒結(jié)過(guò)程中加入比例的提升，燒結(jié)礦成礦過(guò)程中不但產(chǎn)生的液相量減少，液相粘結(jié)力也會(huì)變差，造成含釩鈦燒結(jié)礦成品率和強(qiáng)度均較低，小粒級(jí)增多，釩鈦燒結(jié)礦的低溫還原粉化率RDI-3.15也明顯高于普通燒結(jié)礦[1-2]。

近年來(lái)隨著含B2O3的廢棄物如硼泥、硼鐵礦選礦后的尾渣、硼酸廢液等所帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題日益突出，將這些含硼廢棄物應(yīng)用于釩鈦燒結(jié)再次成為研究熱點(diǎn)。儲(chǔ)滿生等人研究了硼鐵礦對(duì)燒結(jié)礦冶金性能和燒結(jié)生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)的影響，結(jié)果表明，燒結(jié)礦的低溫還原粉化性能以及燒結(jié)杯利用系數(shù)、轉(zhuǎn)鼓指數(shù)、成品率、垂直燒結(jié)速度等指標(biāo)隨硼鐵礦質(zhì)量配比的增加呈先升高后降低的趨勢(shì)[3]。郝德勝研究發(fā)現(xiàn)，在燒結(jié)礦中配加氯化鈣和硼酸會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度和低溫還原性有所增加，而軟融區(qū)間、軟化溫度和高溫還原性基本不發(fā)生變化[4]。趙慶杰等人的研究結(jié)果表明，配加適量的硼鐵精礦可以有效改善釩鈦燒結(jié)礦的冶金性能，這是由于硼鐵精礦中的B2O3可以促進(jìn)燒結(jié)礦中鐵精粉晶粒長(zhǎng)大，同時(shí)使得液相量增加，固結(jié)強(qiáng)度有所提高[5]。

以上研究者均發(fā)現(xiàn)，在燒結(jié)礦中添加硼鐵精礦、硼酸和硼泥是降低粉化率，提高燒結(jié)礦強(qiáng)度的有效手段，能夠改善燒結(jié)礦冶金性能，提高高爐的冶煉強(qiáng)度，增加產(chǎn)量?？梢?jiàn)有效成分B2O3，可以改善釩鈦爐料冶金性能，也可以為含硼固體廢棄物中B2O3循環(huán)利用尋找一條新的途徑。

在本文中，在中國(guó)西南某企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)配料結(jié)構(gòu)下，用釩鈦磁鐵礦精粉和澳大利亞赤鐵礦粉按照一定配比混合為基礎(chǔ)鐵礦粉，運(yùn)用FactSage熱力學(xué)軟件計(jì)算化學(xué)成分變化對(duì)燒結(jié)過(guò)程液相量的影響，在實(shí)驗(yàn)室條件下以化學(xué)分析純?cè)噭〣2O3、生石灰、焦粉為原料，用燒結(jié)杯試驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)研究了B2O3的含量對(duì)釩鈦磁鐵礦粉燒結(jié)成礦過(guò)程工藝參數(shù)的影響，進(jìn)一步明確了不同B2O3含量對(duì)釩鈦燒結(jié)礦燒結(jié)成礦過(guò)程影響規(guī)律。

1 化學(xué)成分對(duì)釩鈦燒結(jié)礦液相的影響

1.1 熱力學(xué)計(jì)算基礎(chǔ)

采用FactSage軟件中的Equilib模塊和Reaction模塊開(kāi)展熱力學(xué)計(jì)算?；诘V石化學(xué)成分、混料中氧化亞鐵(FeO)和全鐵(TFe)的含量，計(jì)算得到Fe2O3的含量，堿度固定為2.0，配碳量為3.5。釩鈦鐵精粉成分來(lái)源于西南某企業(yè)的釩鈦鐵精礦粉和澳大利亞赤鐵礦礦粉以8:2比例混合而成。鐵礦粉、釩鈦燒結(jié)礦的化學(xué)成分如表1、表2所示。

表1 鐵礦粉化學(xué)成分/wt%

表2 釩鈦燒結(jié)礦化學(xué)成分/wt%

1.2 MgO和Al2O3對(duì)釩鈦燒結(jié)礦液相量的影響計(jì)算

以表2的燒結(jié)礦原料化學(xué)成分表為基礎(chǔ)，外加MgO和Al2O3配比分別為0～5%，得到計(jì)算所需的不同MgO和Al2O3配比的原料數(shù)據(jù)，利用FactSage軟件計(jì)算出不同MgO和Al2O3配比的燒結(jié)礦原料隨溫度變化生成液相的含量。

圖1 MgO和Al2O3含量對(duì)釩鈦燒結(jié)礦液相量影響

從圖1可知隨著MgO含量的升高其釩鈦燒結(jié)礦在燒結(jié)過(guò)程中的液相量是隨之降低的。由于燒結(jié)礦中的MgO會(huì)與CaO和SiO2反應(yīng)生成鈣鎂橄欖石，此類鈣鎂橄欖石的熔點(diǎn)均很高，其中CaO·MgO·2SiO2、2CaO·MgO·2SiO2、3CaO·MgO·2SiO2的熔點(diǎn)分別為1350 ℃、1405 ℃、1595 ℃，熔點(diǎn)都較高，在1200 ℃的燒結(jié)溫度下這些鈣鎂橄欖石礦物不會(huì)熔化進(jìn)入到液相中。而CaO相對(duì)含量減少，使得CaO與Fe2O3反應(yīng)生成鐵酸鈣的數(shù)量降低。所以隨著MgO含量的升高，生成的鈣鎂橄欖石越多，鐵酸鈣數(shù)量相對(duì)減少。燒結(jié)礦計(jì)算液相量在1100 ℃之前沒(méi)有液相生成，在1100-1150 ℃時(shí)，液相量隨溫度的升高增長(zhǎng)較為平緩，在1150-1350 ℃時(shí)，液相量增長(zhǎng)很快，且在1350 ℃時(shí)液相量接近100%。在燒結(jié)溫度1200 ℃條件下，當(dāng)Al2O3含量從0%增加至5%時(shí)，燒結(jié)礦液相量分別為21.43%、19.32%、30.98%、42.27%、53.73%、54.85%。整體上液相量是呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，則隨著Al2O3含量的升高其釩鈦燒結(jié)礦在燒結(jié)過(guò)程中的液相量是隨之增加的。

1.3 B2O3釩鈦燒結(jié)礦液相量的影響計(jì)算

利用FactSage軟件計(jì)算當(dāng)溫度變化時(shí)，B2O3含量在0%、1%、2%、3%、4%、5%時(shí)釩鈦燒結(jié)礦生成液相的含量變化情況。壓力設(shè)定為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，溫度區(qū)間設(shè)定為850-1250 ℃，溫度間隔50 ℃，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 含硼釩鈦燒結(jié)礦液相量隨溫度的變化情況

如圖2所示，在燒結(jié)過(guò)程中，隨著溫度的升高和B2O3配比的增加，液相量均呈增加趨勢(shì)。究其原因，配加B2O3后，燒結(jié)礦中的Al2O3、MgO、SiO2、MgO、CaO等與其發(fā)生反應(yīng)，生成物的熔點(diǎn)較低，且低熔點(diǎn)生成物隨著B(niǎo)2O3含量的增多而增多。此外，由于B2O3熔點(diǎn)低(450 ℃)，進(jìn)入液相的時(shí)間最早，導(dǎo)致液相粘度減小，從而加速液相的生成，有助于燒結(jié)過(guò)程反應(yīng)的順利進(jìn)行。與此同時(shí)，SiO2、CaO和B2O3反應(yīng)的可以生成低熔點(diǎn)物質(zhì)2CaO·B2O3·SiO2(901 ℃)，該反應(yīng)能夠有效抑制正硅酸鈣(2CaO·SiO2)的生成。

2 含B2O3釩鈦燒結(jié)試驗(yàn)研究

2.1 燒結(jié)杯實(shí)驗(yàn)參數(shù)

本研究所采用的燒結(jié)杯裝置主要包括以下幾部分：燒結(jié)杯、混勻裝置、點(diǎn)火助燃風(fēng)機(jī)、主抽風(fēng)機(jī)、破碎裝置、轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)測(cè)試和振動(dòng)篩分裝置。實(shí)驗(yàn)裝置參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 燒結(jié)試驗(yàn)工藝參數(shù)

2.2 不同B2O3含量燒結(jié)杯實(shí)驗(yàn)指標(biāo)

在釩鈦磁鐵礦中配加B2O3后，燒結(jié)技術(shù)指標(biāo)變化明顯。圖3表明，燒結(jié)礦試樣的轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度隨B2O3添加比例的提升，呈先增大后減小的趨勢(shì)。B2O3的添加比例為3.00%時(shí)，轉(zhuǎn)股強(qiáng)度達(dá)到最大值58.00%。同樣地，燒結(jié)礦試樣的垂直燒結(jié)速度和成品率均隨B2O3添加比例的提升呈先增大后減小的趨勢(shì)，并在B2O3添加比例為3.00%時(shí)達(dá)到峰值。

圖3 不同B2O3含量的H-VTM燒結(jié)杯指標(biāo)

在釩鈦磁鐵礦中配加B2O3后，燒結(jié)杯實(shí)驗(yàn)的樣品粒度分布變化明顯，平均粒徑隨著B(niǎo)2O3添加比例的提升呈先增大后減小的趨勢(shì)。配加B2O3后，大塊燒結(jié)礦比例上升，整體粒徑增大。大于40mm粒級(jí)的燒結(jié)礦由2.74%大幅增加至23.92%，而小于5.00mm粒級(jí)的燒結(jié)礦由38.65%減少至28.55%，降幅明顯。

當(dāng)釩鈦燒結(jié)礦溫度降至725 ℃時(shí)，其內(nèi)部的晶型發(fā)生轉(zhuǎn)變，由α'-2CaO-SiO2

轉(zhuǎn)變?yōu)棣?2CaO·SiO2，體積也隨之變化，增大約12.00%；繼續(xù)冷卻，當(dāng)釩鈦燒結(jié)礦溫度降至525 ℃時(shí)，其內(nèi)部晶型再次發(fā)生轉(zhuǎn)變，晶格重排，由β-2CaO·SiO2轉(zhuǎn)變?yōu)棣?2CaO·SiO2，密度變化導(dǎo)致體積增大了約10.00%。冷卻過(guò)程中，燒結(jié)礦的體積增大導(dǎo)致其內(nèi)部應(yīng)力增大，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐蔁Y(jié)礦粉化。燒結(jié)礦中存在多種具有不同結(jié)晶能力、熱膨脹系數(shù)和熔點(diǎn)的礦物，導(dǎo)致其在冷卻降溫過(guò)程中產(chǎn)生裂紋和較大的內(nèi)應(yīng)力，使得強(qiáng)度降低。

B2O3熔點(diǎn)低，可以促進(jìn)燒結(jié)礦液相晶核的產(chǎn)生；硼離子半徑小(0.02nm)，易擴(kuò)散，進(jìn)入正硅酸鈣的晶格后，可以起到穩(wěn)定晶型的作用，使得自然粉化率降低，燒結(jié)礦粒徑和強(qiáng)度也隨之增加。燒結(jié)礦的液相量隨著B(niǎo)2O3配加比例的提升而增大，在上部抽風(fēng)冷卻過(guò)程中，燒結(jié)礦液相收縮產(chǎn)生結(jié)晶。由于表面張力的減小，過(guò)熔的燒結(jié)液相會(huì)產(chǎn)生泡沫，出現(xiàn)大孔薄壁結(jié)構(gòu)，最終導(dǎo)致燒結(jié)礦整體強(qiáng)度的下降。

3 結(jié)論

通過(guò)以釩鈦磁鐵礦為主的混合礦粉成分的FactSage計(jì)算和燒結(jié)杯試驗(yàn)分析研究可以得到如下結(jié)論：

(1)在本文計(jì)算條件下，隨著B(niǎo)2O3和Al2O3含量的升高，釩鈦燒結(jié)礦在燒結(jié)過(guò)程中的液相量呈增大趨勢(shì)。

(2)燒結(jié)杯實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明隨著B(niǎo)2O3添加比例的提升，燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度呈先增大后降低的趨勢(shì)，成品率、垂直燒結(jié)速度等燒結(jié)指標(biāo)趨勢(shì)也相同。燒結(jié)液相量持續(xù)增大，但是過(guò)多液相收縮結(jié)晶，造成大孔薄壁結(jié)構(gòu)引起燒結(jié)礦整體強(qiáng)度的下降。