鞍鋼利用鎂基粘結(jié)劑生產(chǎn)鎂質(zhì)球團(tuán)工業(yè)試驗(yàn)

孫彬，夏鐵玉，楊熙鵬，李建軍，高宏莊，李林春，曾宇，李曉春

（鞍鋼股份有限公司煉鐵總廠,遼寧 鞍山 114021）

高爐冶煉通常使用燒結(jié)礦、球團(tuán)礦及少量天然塊礦［1］。高爐冶煉需要爐渣中含有一定量的MgO，以保證爐渣必要的流動(dòng)性，同時(shí)提高爐渣的脫硫能力［2］。國(guó)內(nèi)高爐爐料中的MgO主要在燒結(jié)礦中配入。在燒結(jié)礦中加入鎂，通常會(huì)出現(xiàn)燒結(jié)礦強(qiáng)度下降，粒度組成變差，軟熔及滴落溫度升高等情況，致使高堿度燒結(jié)礦與普通酸性球團(tuán)礦爐料結(jié)構(gòu)的高爐，軟熔區(qū)間加大，影響高爐透氣性。為消除MgO在燒結(jié)中配加帶來(lái)的不利影響，國(guó)內(nèi)進(jìn)行了大量在球團(tuán)中配加MgO的研究和試驗(yàn)，一些研究同時(shí)配加CaO，生產(chǎn)含鎂熔劑性球團(tuán)。結(jié)果表明，含鎂熔劑性球團(tuán)礦的機(jī)械強(qiáng)度與各項(xiàng)冶金性能指標(biāo)均明顯優(yōu)于同種原料制備的酸性球團(tuán)礦［3］。為此，鞍鋼股份有限公司煉鐵總廠（以下簡(jiǎn)稱“煉鐵總廠”）進(jìn)行了鎂基粘結(jié)劑替代膨潤(rùn)土生產(chǎn)鎂質(zhì)球團(tuán)的工業(yè)試驗(yàn)研究，本文對(duì)此做一介紹。

1 工業(yè)試驗(yàn)條件

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

煉鐵總廠321.6 m2帶式球團(tuán)焙燒機(jī)生產(chǎn)工藝于1989年1月投產(chǎn)，年設(shè)計(jì)產(chǎn)能200萬(wàn)t，主要裝備有：①精礦槽及上料系統(tǒng)，包括1臺(tái)Ф3 600 mm×24 000 mm圓筒干燥混合機(jī)；② 配料系統(tǒng)，包括精礦、除塵灰、膨潤(rùn)土電子配料稱；③ 混料系統(tǒng)，包括2臺(tái)Ф1 980 mm×5 030 mm強(qiáng)力混合機(jī) （一工一備）；④制粒系統(tǒng)，包括8臺(tái)Ф6 000 mm圓盤造球機(jī)；⑤ 焙燒系統(tǒng)，包括1臺(tái)321.6 m2帶式球團(tuán)焙燒機(jī)和5臺(tái)風(fēng)機(jī)（主抽、回?zé)?、鼓干、冷卻、爐罩風(fēng)機(jī)）；⑥ 成品輸出及底料分出系統(tǒng)。試驗(yàn)期間，將原膨潤(rùn)土6個(gè)配料圓盤中4個(gè)倒空，儲(chǔ)存鎂基粘結(jié)劑，代替膨潤(rùn)土進(jìn)行試驗(yàn)生產(chǎn)。

1.2 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)所用原料主要包括鐵精礦、廠內(nèi)除塵灰、鎂基粘結(jié)劑。試驗(yàn)過(guò)程球團(tuán)所用的鐵料品種、配比基本保持不變。試驗(yàn)用鐵精礦化學(xué)成分如表1所示。

表1 試驗(yàn)用鐵精礦化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Chemical Compositions（Mass Fraction）in Iron Concentrate for Test %

2 工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 造球試驗(yàn)

依據(jù)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果確定試驗(yàn)方案，鎂基粘結(jié)劑配比為3.2%，球團(tuán)礦MgO含量為（1.8±0.2）%。鎂基粘結(jié)劑化學(xué)成分及灼減如表2所示。

表2 鎂基粘結(jié)劑化學(xué)成分及灼減（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 2 Chemical Compositions and Loss on Ignition（Mass Fraction） in Magnesium-based Binder %

鎂基粘結(jié)劑球團(tuán)工業(yè)試驗(yàn)共進(jìn)行37天，分為三個(gè)階段。

（1）第一階段為配方Ⅰ工業(yè)試驗(yàn)，共計(jì)用時(shí)11天。使用該配方粘結(jié)劑造球，生球長(zhǎng)大速度慢、粒度?。ㄒ妶D1），提高球盤加水量，生球大小不均勻，質(zhì)量嚴(yán)重惡化，球團(tuán)造球?qū)λ诌^(guò)于敏感，生產(chǎn)不穩(wěn)定。為此調(diào)整粘結(jié)劑配方，試驗(yàn)期間先后調(diào)整了兩次，分別為配方Ⅱ、Ⅲ。

圖1 配方Ⅰ粘結(jié)劑造球盤中生球情況Fig.1 Conditions of Green Pellets in Pelletizing Disc with Formula I Binder

（2）第二階段為配方Ⅱ試驗(yàn)，共計(jì)用時(shí)13天。配方Ⅱ調(diào)整了粘結(jié)劑的粘結(jié)性能，解決了水分敏感問(wèn)題，生產(chǎn)逐步穩(wěn)定，但球團(tuán)礦含鎂量在1.4%左右，未達(dá)到目標(biāo)值。

（3）第三階段為配方Ⅲ試驗(yàn)，共計(jì)用時(shí)13天。配方Ⅲ粘結(jié)劑基本達(dá)到了預(yù)期試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，造球生產(chǎn)基本穩(wěn)定，生球產(chǎn)率及質(zhì)量達(dá)到了目標(biāo)要求，球團(tuán)礦含鎂量達(dá)到了1.7%的水平。

鎂基粘結(jié)劑球團(tuán)工業(yè)試驗(yàn)基準(zhǔn)期生產(chǎn)配加1.5%膨潤(rùn)土的普通酸性球團(tuán)礦，基準(zhǔn)期指標(biāo)為試驗(yàn)前一個(gè)月的生產(chǎn)數(shù)據(jù)；試驗(yàn)期生產(chǎn)配加3.2%鎂基粘結(jié)劑的鎂質(zhì)球團(tuán)礦，試驗(yàn)期指標(biāo)為配方Ⅲ生產(chǎn)穩(wěn)定期的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。球團(tuán)礦生球指標(biāo)如表3所示。

表3 球團(tuán)礦生球指標(biāo)Table3 Indexes of Green Pellets for Producing Finished Pellets

造球試驗(yàn)表明：①利用鎂基粘結(jié)劑造球是可行的，可以生產(chǎn)出滿足需要的生球。②造球過(guò)程中需要少量提高生球水分。鎂基粘結(jié)劑對(duì)造球水具有較強(qiáng)的敏感性，適宜造球水分區(qū)間比較窄。③配加鎂基粘結(jié)劑，球機(jī)盤邊掛料有所減輕。其主要原因是鎂基粘結(jié)劑具有較大的濕容性，持水能力強(qiáng)，生球表面重力水較少，減輕了生球顆粒間及與盤邊的粘附。

2.2 生球爆裂性能試驗(yàn)

生球爆裂是由于生球蒸發(fā)干燥過(guò)程中，隨著溫度的升高，生球內(nèi)部飽和蒸汽壓大于生球表面所能承受的最大壓力所致，其對(duì)成品球團(tuán)礦質(zhì)量有重大影響。球團(tuán)生產(chǎn)中必須防止生球干燥爆裂。有機(jī)粘結(jié)劑及輕燒菱鎂石具有較好的水化活性，能與水緊密結(jié)合，可以降低生球內(nèi)部水分蒸發(fā)速率，阻滯生球內(nèi)部飽和蒸汽壓迅速升高，降低生球內(nèi)部最大飽和蒸汽壓。因鎂基粘結(jié)劑中存在有機(jī)粘結(jié)劑及輕燒菱鎂石，可減輕或避免生球在干燥過(guò)程中發(fā)生爆裂。

帶式焙燒機(jī)工業(yè)試驗(yàn)生球干燥制度如下：鼓干段溫度200℃，抽干段溫度300℃，預(yù)熱段溫度600℃。由于工業(yè)試驗(yàn)中生球升溫干燥全部在密閉的爐窯內(nèi)完成，無(wú)法獲取干燥后的生球，因此，通過(guò)對(duì)成品球團(tuán)表面裂紋檢查來(lái)確定生球是否出現(xiàn)干燥爆裂問(wèn)題。試驗(yàn)中對(duì)成品球表面裂紋進(jìn)行了多次檢查，球體顆粒完整無(wú)裂，說(shuō)明鎂基粘結(jié)劑生球干燥爆裂性能滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要。

2.3 焙燒制度試驗(yàn)

依據(jù)含鎂球團(tuán)的焙燒固結(jié)機(jī)理，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室焙燒試驗(yàn)溫度，工業(yè)試驗(yàn)時(shí)調(diào)整了球團(tuán)焙燒制度：焙燒溫度由普通酸性球團(tuán)的（1 270±50）℃范圍調(diào)整為≥1 280℃，焙燒時(shí)間不低于8 min。主要焙燒參數(shù)及產(chǎn)量指標(biāo)如表4所示。

表4 主要焙燒參數(shù)及產(chǎn)量指標(biāo)Table 4 Main Roasting Parameters and Output Index

由表4可以看出，球團(tuán)臺(tái)時(shí)產(chǎn)量達(dá)到233 t水平，與基準(zhǔn)期持平。含鎂球團(tuán)與普通酸性球團(tuán)相比,適宜焙燒溫度區(qū)間有所升高且明顯變窄，同時(shí)球團(tuán)抗壓強(qiáng)度有所下降。試驗(yàn)中含鎂球團(tuán)平均抗壓強(qiáng)度為2 544 N/個(gè)，較基準(zhǔn)期酸性球團(tuán)抗壓強(qiáng)度下降626 N/個(gè)。

生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)焙燒溫度高于1 300℃時(shí)，機(jī)尾卸料呈現(xiàn)整塊卸落，成品顆粒間出現(xiàn)輕度粘結(jié)（見圖2）；當(dāng)焙燒溫度低于1 280℃時(shí)，球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度陡降；當(dāng)焙燒溫度低于1 260℃時(shí)，抗壓強(qiáng)度可能會(huì)低于2 400 N/個(gè)的內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)要求。且當(dāng)焙燒溫度控制在1 280～1 290℃區(qū)間內(nèi)時(shí)，抗壓強(qiáng)度達(dá)到了2 734 N/個(gè)，但較基準(zhǔn)期的酸性球團(tuán)仍低了436 N/個(gè)。分析其原因，主要是添加鎂基添加劑后，抑制了Fe304向Fe203的轉(zhuǎn)變，F(xiàn)e203再結(jié)晶晶粒間夾雜著一定量的Fe304，晶粒連接減弱、晶粒發(fā)育不佳、分布不均，導(dǎo)致強(qiáng)度下降［4］。因此，鞍鋼原料條件下含鎂球團(tuán)適宜焙燒溫度在（1 290±10）℃范圍，最低焙燒溫度不應(yīng)低于1 260℃。

圖2 機(jī)尾卸礦輕度粘結(jié)情況Fig.2 Slight Bonding Circumstances on Unloading Ore at Tail of Pelletizer

2.4 冷卻制度試驗(yàn)

試驗(yàn)未對(duì)球團(tuán)冷卻制度進(jìn)行調(diào)整，完全按照普通酸性球團(tuán)冷卻要求進(jìn)行，具體參數(shù)見表5。由表5可以看出，普通酸性球團(tuán)的冷卻制度完全適用于鎂質(zhì)球團(tuán)。

表5 球團(tuán)冷卻制度參數(shù)Table 5 Pellet Cooling System Parameters

3 鎂基粘結(jié)劑球團(tuán)礦質(zhì)量分析

3.1 化學(xué)成分

基準(zhǔn)期與試驗(yàn)期的成品球團(tuán)礦化學(xué)成分及堿度如表6所示。由表6可以看出，配加鎂基粘結(jié)劑后，球團(tuán)礦TFe含量較基準(zhǔn)期降低了1%；MgO含量升高了1.34%；其它成分變化不大。

表6 成品球團(tuán)礦化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）及堿度Table 6 Chemical Compositions（Mass Fraction）and Alkalinity in Finished Pellets

3.2 機(jī)械強(qiáng)度

對(duì)基準(zhǔn)期與試驗(yàn)期成品球團(tuán)礦機(jī)械強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，具體指標(biāo)如表7所示。由表7可以看出，配加鎂基粘結(jié)劑后，球團(tuán)礦的轉(zhuǎn)鼓、抗磨、篩分指數(shù)均無(wú)明顯變化。

表7 球團(tuán)礦機(jī)械強(qiáng)度指標(biāo)Table 7 Indexes for Mechanical Strength of Pellets%

3.3 冶金性能

對(duì)基準(zhǔn)期酸性球團(tuán)礦與試驗(yàn)期鎂質(zhì)球團(tuán)礦低溫還原粉化性能和熔滴性能進(jìn)行檢驗(yàn)，具體指標(biāo)分別見表8和表9。通過(guò)對(duì)比兩種球團(tuán)礦的低溫還原粉化指數(shù)和冶金性能、熔滴性能指標(biāo)可以看出，含鎂球團(tuán)礦的低溫還原粉化指標(biāo)明顯改善，膨脹指數(shù)下降，軟化區(qū)間變窄，透氣性指數(shù)變小，含鎂球團(tuán)的冶金性能檢測(cè)結(jié)果明顯優(yōu)于普通酸性球團(tuán)。使用含鎂球團(tuán)礦冶煉能夠使高爐料層透氣性變好。

表8 球團(tuán)礦低溫還原粉化性能指標(biāo)Table 8 Indexes for Low Temperature Reduction Pulverization Properties of Pellets %

表9 球團(tuán)礦熔滴性能指標(biāo)Table 9 Indexes for Droplet Properties of Pellets

圖3 、圖4分別為FeO-MgO二元相圖和Fe2O3-MgO相圖。結(jié)合圖3、圖4分析認(rèn)為MgO球團(tuán)礦冶金性能改善的主要原因有：

圖3 FeO-MgO二元相圖Fig.3 FeO-MgO Binary Phase Diagram

圖4 F2O3-MgO相圖Fig.4 F2O3-MgO Phase Diagram

（1）球團(tuán)礦內(nèi)存在MgO時(shí)，焙燒過(guò)程中生成MF（（Fex·Mg1-x）O·Fe203）相，在還原時(shí)抑制六面體晶格的Fe2O3轉(zhuǎn)變成立方晶格的Fe3O4。還原膨脹率降低，低溫還原粉化指標(biāo)得到改善［4］。

（2）由于MgO的存在，球團(tuán)礦固結(jié)過(guò)程中，F(xiàn)e2+和Mg2+可相互取代，形成連續(xù)的類質(zhì)同象，形成鐵酸鎂，因其熔化溫度比較高，使球團(tuán)礦開始熔化溫度升高，融熔區(qū)間變窄。高爐冶煉時(shí)軟熔帶的位置較低，高爐透氣性變好，有利于間接還原。

4 鎂質(zhì)球團(tuán)高爐冶煉試驗(yàn)

在進(jìn)行鎂基粘結(jié)劑球團(tuán)工業(yè)試驗(yàn)的同時(shí)，煉鐵總廠10號(hào)高爐同步進(jìn)行了鎂質(zhì)球團(tuán)高爐冶煉試驗(yàn)。高爐冶煉基準(zhǔn)期指標(biāo)為試驗(yàn)前高爐使用普通酸性球團(tuán)生產(chǎn)的半個(gè)月生產(chǎn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)期指標(biāo)為高爐使用鎂質(zhì)球團(tuán)冶煉的一個(gè)月生產(chǎn)數(shù)據(jù)。高爐用燒結(jié)礦、球團(tuán)礦化學(xué)成分及堿度如表10所示。

表10 高爐用燒結(jié)礦、球團(tuán)礦化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）及堿度Table 10 Chemical Compositions（Mass Fraction）and Alkalinity in Sinter and Pellets Used in Blast Furnace

由表10可以看出，燒結(jié)礦MgO平均在1.64%水平，與基準(zhǔn)期（1.62%）基本一致，TFe含量較基準(zhǔn)期高了0.15%；由于MgO的配入，球團(tuán)礦TFe含量降低0.83%。

試驗(yàn)期間高爐主要操作指標(biāo)如表11所示，主要生產(chǎn)指標(biāo)如表12所示。因球團(tuán)礦中配入MgO，高爐按三元堿度調(diào)整。爐料三元堿度按1.70控制（實(shí)際1.68），終渣三元堿度按1.35控制 （實(shí)際1.34）。試驗(yàn)期間終渣MgO含量由7.1%提高到7.9%。風(fēng)壓、爐頂溫度、鐵水含硅量等未進(jìn)行調(diào)整。由表11可以看出，使用鎂質(zhì)球團(tuán)后，高爐風(fēng)壓基本保持不變情況下，風(fēng)量增加了74 m3/min，說(shuō)明爐料透氣性有了改善。由表12可以看出，使用鎂質(zhì)球團(tuán)后，高爐產(chǎn)量提升，利用系數(shù)提高了 0.03 t/（m3·d），綜合焦比下降了4 kg/t。

表11 高爐主要操作指標(biāo)Table 11 Main Operation Indexes for Blast Furnace

表12 高爐主要生產(chǎn)指標(biāo)Table 12 Main Production Indexes for Blast Furnace

5 結(jié)論

（1）鞍鋼股份有限公司煉鐵總廠帶式球團(tuán)焙燒機(jī)使用鎂基粘結(jié)劑生產(chǎn)鎂質(zhì)球團(tuán)是可行的。試驗(yàn)期間，配加鎂基粘結(jié)劑，生球抗壓強(qiáng)度達(dá)到12.0 N/個(gè)、落下強(qiáng)度達(dá)5.0次/個(gè)、粒度合格率75%，與使用膨潤(rùn)土生產(chǎn)的普通酸性球相比，沒(méi)有明顯變化；成品球團(tuán)轉(zhuǎn)鼓、抗磨、篩分指數(shù)與酸性球團(tuán)相比變化不大；球團(tuán)抗壓強(qiáng)度為2 544 N/個(gè)，較酸性球團(tuán)降低了626 N/個(gè)，但高于≥2 400 N/個(gè)的內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)要求，完全滿足高爐冶煉需要。

（2）利用鎂基粘結(jié)劑生產(chǎn)鎂質(zhì)球團(tuán)需要較高的焙燒溫度。鎂質(zhì)球團(tuán)焙燒溫度平均為1 284℃，較酸性球團(tuán)提高了40℃。鎂質(zhì)球團(tuán)試驗(yàn)期間的適宜焙燒溫度范圍為（1 290±10）℃，適宜區(qū)間明顯變窄。

（3）配加鎂基粘結(jié)劑后，球團(tuán)礦的冶金性能指標(biāo)明顯改善。試驗(yàn)期間，含鎂球團(tuán)的低溫還原粉化率及還原膨脹率指標(biāo)改善；球團(tuán)的軟化開始和軟化終了溫度升高，軟化區(qū)間縮小；熔化溫度升高，滴落溫度升高，透氣性指數(shù)變小，高爐料層透氣性改善。

（4）高爐使用鎂質(zhì)球團(tuán)冶煉，生鐵產(chǎn)量提高，焦比下降，生鐵含硫量下降，高爐冶煉狀況整體向好。試驗(yàn)期間，高爐生鐵產(chǎn)量日平均提升107 t，綜合焦比下降4 kg/t，生鐵含硫量降低0.002%，爐渣流動(dòng)性較好，排放順暢，高爐冶煉穩(wěn)定順行。