PMC配加廟溝粉球團(tuán)氧化焙燒行為研究

田鐵磊，蔡爽，劉蓮繼

(1.華北理工大學(xué)冶金與能源學(xué)院，河北 唐山 063009；2.唐山鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司，河北 唐山 063009)

為了減輕環(huán)保及燒結(jié)限產(chǎn)壓力，高爐爐料結(jié)構(gòu)由高比例燒結(jié)礦逐步轉(zhuǎn)變?yōu)楦弑壤驁F(tuán)礦[1-3]，然而球團(tuán)礦在高爐中的使用比例大量增加，勢必應(yīng)擴(kuò)大球團(tuán)產(chǎn)能，所以對球團(tuán)原料結(jié)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)、經(jīng)濟(jì)、合理的優(yōu)化配置成為必然趨勢。PMC含鐵品位高，SiO2含量低于1%，是一種性能優(yōu)、性價(jià)比高的礦種，并已成為球團(tuán)礦生產(chǎn)的重要原料之一，但由于PMC鐵精粉粒度較粗，且含有大量的堿金屬、磷、銅等有害元素[4]，無法單獨(dú)直接用于球團(tuán)生產(chǎn)。因此，對于粒度粗、有害元素含量高的鐵精粉急需一種合理的利用途徑。

廟溝粉鐵品位高、粒度細(xì)、成球性優(yōu)良，但成本較高，且隨著廟溝礦石大量開采，其礦石更加難磨難選[5]，廟溝粉的產(chǎn)量逐漸降低，所以為了彌補(bǔ)廟溝粉不足和保證球團(tuán)正常生產(chǎn)要求，把PMC粉和廟溝精粉混合用于生產(chǎn)球團(tuán)，不僅可以改善粒度組成，提高其成球性能，而且能夠降本增效和解決廟溝鐵精粉緊缺問題。為此，本文在前期研究的基礎(chǔ)上，對以一定比例混合的這兩種鐵精粉進(jìn)行了預(yù)熱和焙燒實(shí)驗(yàn)，確定了其合理的預(yù)熱、焙燒制度，為鋼鐵企業(yè)高效利用PMC精粉提供了一種思路。

1 原料特性及實(shí)驗(yàn)方法

1.1 原料成分

實(shí)驗(yàn)原料化學(xué)成分及物理性質(zhì)分別見表1、2。

表1 原料化學(xué)成分及粒度檢測結(jié)果/%Table 1 Test results of chemical composition and particle size of raw materials

1.2 原料特性

由表2可知，鐵精粉中廟溝粉較PMC粉的比表面積大，說明廟溝粉的粒度較細(xì)，且在球團(tuán)焙燒過程更容易氧化和提高抗壓強(qiáng)度；廟溝粉的孔容較PMC粉大，但平均孔徑小，說明PMC大孔較多，而廟溝小孔較多，且孔分布較密集，即PMC粉配比高后，將會造成生球強(qiáng)度降低。

表2 原料比表面積及孔結(jié)構(gòu)Table 2 Specific surface area and pore structure of raw materials

從表3可知，廟溝鐵精粉的成球性較好，PMC粉稍差；但對于成球性而言，成球性過好將會造成母球量增多，導(dǎo)致母球長大速度變慢，尤其是中球長大速度變緩，從而影響生球的合格數(shù)量。因此兩種粉混合造球能夠改善母球的長大速度，利于母球的長大。

表3 鐵精粉成球性指數(shù)測定結(jié)果Table 3 Determination results of pelletization index of Tiejing powder

表4 鐵精粉物相分析/%Table 4 Phase analysis of iron essence powder

由4可知，廟溝、PMC兩種鐵精粉均以磁鐵礦為主，分別為63.84%、63.15%，而其他的含鐵物相含量較低。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法及方案

在前期研究的基礎(chǔ)上獲得了PMC和廟溝的配比為2:3時(shí)，生球和球團(tuán)礦的質(zhì)量較優(yōu)[4]。為此在該比例下進(jìn)一步進(jìn)行造球?qū)嶒?yàn)用于研究生球的預(yù)熱和焙燒制度。

采用Φ500 mm×150 mm圓盤造球機(jī)進(jìn)行造球，并對生球進(jìn)行預(yù)熱及焙燒。預(yù)熱溫度設(shè)定為800℃、850℃、900℃、950℃、1000℃、1050℃，而對應(yīng)的焙燒溫度為1280℃，然后選取60個(gè)10 mm-12.5 mm之間的球團(tuán)進(jìn)行抗壓強(qiáng)度的檢測，確定適宜的預(yù)熱溫度范圍，接著固定預(yù)熱溫度和焙燒溫度，測定預(yù)熱時(shí)間5 min、10 min、15 min對球團(tuán)強(qiáng)度的影響；在適宜的預(yù)熱溫度和預(yù)熱時(shí)間下，設(shè)定焙燒溫度為1240℃、1260℃、1280℃、1300℃、1320℃，并測定球團(tuán)礦的抗壓強(qiáng)度，在確定適宜的焙燒溫度后，分析焙燒時(shí)間10 min、15 min及20 min對球團(tuán)強(qiáng)度的影響，從而獲得生球的適宜的預(yù)熱溫度、時(shí)間及焙燒溫度、時(shí)間。選取不同預(yù)熱溫度和焙燒溫度的球團(tuán)礦進(jìn)行微觀形貌檢測。實(shí)驗(yàn)方案見表5、6。

表5 預(yù)熱溫度實(shí)驗(yàn)方案Table 5 Preheating temperature test scheme

表6 焙燒溫度實(shí)驗(yàn)方案Table 6 Roasting temperature test scheme

2 結(jié)果及討論

2.1 預(yù)熱條件對球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度的影響

由圖1可知，隨著預(yù)熱溫度的提高，球團(tuán)的抗壓強(qiáng)度先提高后降低，并在950℃時(shí)到達(dá)了較佳值為3283 N。主要是因?yàn)轭A(yù)熱溫度提高后，生球的氧化反應(yīng)改善，加快了生球了氧化速率，從而提高了球團(tuán)的抗壓強(qiáng)度；當(dāng)預(yù)熱化溫度為1000℃時(shí)，生球中SiO2和磁鐵礦開始反應(yīng)生成硅酸鹽礦相[6]，且在焙燒段直接變成液相，大量的液相降低了球團(tuán)抗壓強(qiáng)度；因此，球團(tuán)的預(yù)熱溫度應(yīng)選擇950℃。

圖1 預(yù)熱溫度對球團(tuán)抗壓強(qiáng)度的影響Fig.1 Effect of preheating temperature on the compressive strength of pellets

由圖2可知，在相同的預(yù)熱溫度條件下，隨著預(yù)熱時(shí)間的增加，球團(tuán)的抗壓強(qiáng)度逐漸提高，且在預(yù)熱時(shí)間10 ～ 15 min范圍內(nèi)，抗壓強(qiáng)度變化較緩。主要是因?yàn)轭A(yù)熱時(shí)間越長，生球氧化程度越徹底，赤鐵礦晶體連接越緊密，從而使球團(tuán)抗壓強(qiáng)度越高；但預(yù)熱時(shí)間進(jìn)一步延長，球團(tuán)抗壓強(qiáng)度變化較緩，主要是因?yàn)槌噼F礦晶體的逐漸加厚，造成氧氣向球核中擴(kuò)散速率降低，導(dǎo)致球團(tuán)的氧化度升幅逐漸減緩，所以繼續(xù)延長預(yù)熱時(shí)間，球團(tuán)抗壓強(qiáng)度變化也不大，反而增加球團(tuán)能耗及降低球團(tuán)產(chǎn)量。因此，球團(tuán)的預(yù)熱時(shí)間應(yīng)選擇10 min。

圖2 預(yù)熱時(shí)間對球團(tuán)抗壓強(qiáng)度的影響Fig.2 Effect of preheating time on the compressive strength of pellets

由圖3可知，在850℃時(shí)，球團(tuán)中的赤鐵礦已經(jīng)連接，但大部分晶體連接多以細(xì)小的赤鐵礦晶鍵連接為主，局部顯微結(jié)構(gòu)疏松；在950℃時(shí)，球團(tuán)中赤鐵礦晶體已充分發(fā)育，且赤鐵礦晶體之間互連緊密成一片，顯微結(jié)構(gòu)比較致密；在1050℃時(shí)，球團(tuán)的顯微結(jié)構(gòu)孔洞較多、較大，主要是因?yàn)樯傻囊合嗬鋮s收縮造成的，且生成的玻璃質(zhì)進(jìn)一步使球團(tuán)強(qiáng)度降低。所以該球團(tuán)適宜的預(yù)熱溫度為950℃，時(shí)間為10 min。

圖3 預(yù)熱溫度對球團(tuán)顯微結(jié)構(gòu)的影響Fig.3 Effect of preheating temperature on microstructure of pellets

2.2 焙燒條件對球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度的影響

由圖4可知，隨焙燒溫度的提高，球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度先增加后降低，并在焙燒溫度為1280℃時(shí)，球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度達(dá)到了較佳值為3283 N。主要是因?yàn)楸簾郎囟仍礁?，球團(tuán)中的赤鐵礦晶體發(fā)育越完全，顯微結(jié)構(gòu)越致密，且大部分赤鐵礦已經(jīng)互連，所以球團(tuán)抗壓強(qiáng)度升高；但焙燒溫度超過1300℃時(shí)，赤鐵礦開始分解成磁鐵礦，影響球團(tuán)中赤鐵礦晶鍵的連接；同時(shí)由于廟溝中SiO2含量高，引起Fe3O4與SiO2反應(yīng)生成了低熔點(diǎn)液相，進(jìn)一步惡化了球團(tuán)強(qiáng)度。因此，球團(tuán)的焙燒溫度不能超過1300℃。

圖4 焙燒溫度對球團(tuán)抗壓強(qiáng)度的影響Fig.4 Effect of calcination temperature on the compressive strength of pellet

由圖5可知，焙燒時(shí)間對球團(tuán)抗壓強(qiáng)度的影響較顯著，在焙燒時(shí)間為10 ～ 15 min時(shí)，球團(tuán)的抗壓強(qiáng)度變化較陡，增長較快；而在15 ～2 0 min時(shí)，抗壓強(qiáng)度變化較緩。主要是因?yàn)榍驁F(tuán)中赤鐵礦的結(jié)晶和再結(jié)晶需要一定的時(shí)間，時(shí)間越長，晶體氧化越充分、連接越完全，球團(tuán)抗壓強(qiáng)度越高；當(dāng)再結(jié)晶達(dá)到一定程度，球團(tuán)形成一個(gè)致密的整體以后，球團(tuán)礦強(qiáng)度提高的幅度將會逐漸減小。因此，球團(tuán)的焙燒時(shí)間應(yīng)不低于15 min。

圖5 焙燒時(shí)間對球團(tuán)抗壓強(qiáng)度的影響Fig.5 Effect of roasting time on the compressive strength of pellets

由圖6可知，在1240℃時(shí)，球團(tuán)的礦相結(jié)構(gòu)疏松且均勻，赤鐵礦間晶相連接少；在1280℃時(shí)，球團(tuán)礦相結(jié)構(gòu)致密且均勻，磁鐵礦氧化再結(jié)晶充分，且赤鐵礦晶體之間互連緊密成整體；在1320℃時(shí)，球團(tuán)中Fe2O3開始由互連晶向粒狀晶發(fā)展，赤鐵礦晶體間的連接斷開，說明F赤鐵礦開始分解磁鐵礦，并與SiO2生成硅酸鹽礦相，造成球團(tuán)強(qiáng)度降低。所以該球團(tuán)適宜的焙燒溫度為1280℃，時(shí)間為15min。

圖6 焙燒溫度對球團(tuán)顯微形貌的影響Fig.6 Effect of calcination temperature on the micromorphology of pellets

3 結(jié) 論

（1）PMC粉和廟溝粉的比表面積分別為0.684 m2/g、1.240 m2/g，兩者搭配造球有利于改善粒度組成；PMC粉孔容小，平均孔徑大，說明PMC粉大孔較多，即PMC粉配比高后，將會造成生球強(qiáng)度降低；PMC粉和廟溝粉的成球性指數(shù)分別為0.67、0.97，兩者搭配造球能夠改善母球的長大速度，利于母球的長大；PMC粉和廟溝粉的鐵物相主要以磁鐵礦為主，分別為63.15%、63.84%。

（2）在預(yù)熱溫度950℃、預(yù)熱時(shí)間10 mim、焙燒溫度1280℃及焙燒時(shí)間15 mim條件下球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度達(dá)到了3283 N，能夠滿足球團(tuán)生產(chǎn)要求，且該球團(tuán)礦相結(jié)構(gòu)致密、均勻，赤鐵礦晶體已充分發(fā)育并互連緊密成整體。