TZFC礦粉燒結(jié)性能試驗(yàn)研究

陸潤瑩 王毅格 梁海源 郭正啟

(1.廣西柳州鋼鐵股份有限公司，廣西 柳州 545002；2.中南大學(xué)資源加工與生物工程學(xué)院，湖南 長沙 410083；3.寶鋼湛江鋼鐵有限公司，廣東 湛江 524072)

0 引言

隨著中國鋼鐵工業(yè)快速發(fā)展，中國粗鋼產(chǎn)量迅速增加，并長期處于高位，2020年，中國粗鋼產(chǎn)量達(dá)到10.53億t。鋼鐵工業(yè)的蓬勃發(fā)展無疑促進(jìn)鐵礦石需求的攀升，2020年中國鐵礦石進(jìn)口量為11.7億t，較上年的10.69億t增加9.5%，突破2017年創(chuàng)出的10.75億t的鐵礦石年度進(jìn)口量歷史記錄，對外依存度也超過80%[1]，與此同時(shí)，世界高品質(zhì)鐵礦石資源逐漸消耗殆盡，鐵品位高、雜質(zhì)少的優(yōu)質(zhì)鐵礦石越來越稀缺，這無疑給鋼鐵行業(yè)帶來新的挑戰(zhàn)。因此，開發(fā)新的鐵礦資源是解決這些困境的重要途徑之一[2-4]。

TZFC礦粉產(chǎn)自非洲西部，產(chǎn)量可穩(wěn)定達(dá)到500～600萬t/a[5]。TZFC礦粉鐵品位超過63%，SiO2含量為7.46%，Al2O3含量為0.54%。此外，S和P等有害元素的含量非常低，僅為0.013%和0.063%。TZFC礦粉的SiO2含量與巴西粗粉相似。在粒度分布上，TZFC礦粉主要分布在0.5～5.0 mm和-0.15 mm的粒度范圍內(nèi)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為38.42%和38.59%。從粒度和化學(xué)成分的角度分析，除了SiO2含量高外，TZFC礦粉是一種較好的燒結(jié)原料，有望在燒結(jié)工藝中得到廣泛應(yīng)用。

為此，針對國內(nèi)某鋼鐵廠原料和典型配礦方案配加不同比例TZFC礦粉進(jìn)行燒結(jié)試驗(yàn)，研究該礦粉的燒結(jié)和冶金性能，確定其適宜的使用比例，為鋼鐵企業(yè)合理利用該類鐵礦石提供理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)原料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

此次試驗(yàn)采用的原料包括含鐵物料、熔劑和焦粉，均來自國內(nèi)某大型鋼鐵企業(yè)。各物料的化學(xué)成分和粒度組成分別見表1、表2。由表可知，TZFC礦粉鐵含量高，為63.52%，硅含量較高達(dá)7.46%，其他雜質(zhì)成分，如鎂、鋁含量較低，分別為0.40%和0.54%。相比于巴粗而言，其鐵和硅含量稍高，但是有害元素較低。因此，由原料分析，TZFC礦粉是一種優(yōu)質(zhì)的燒結(jié)精粉。TZFC礦粉粒度較為合理，其+8 mm粒度僅為5.27%，中間粒度0.25～0.5 mm為3.75%，相比于巴西高硅粉低。其他礦都是典型的高鐵低硅原料，其中，鐵礦A、鐵礦B、鐵礦C和鐵礦D來自澳洲；鐵礦E是一種國內(nèi)赤鐵精粉；鐵礦F來自巴西。

表1 燒結(jié)原料化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

表2 原料的粒度組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

TZFC礦粉的XRD如圖1所示。TZFC礦粉含鐵物相主要礦物包括赤鐵礦、磁鐵礦、鏡鐵礦和褐鐵礦，其他脈石礦物包括少量的閃石、石英和其他礦物。通過對其鐵物相進(jìn)行分析，結(jié)果如圖2和表3所示。TZFC礦粉中磁鐵礦和赤鐵礦的比例分別為42.1%和48.9%。磁鐵礦主要以單體形式存在，僅極少數(shù)與以石英為代表的脈石礦物毗連鑲嵌或呈細(xì)粒包裹體分布在脈石內(nèi)部而構(gòu)成不同比例的連生體；赤鐵礦呈現(xiàn)出致密狀集合體的特征，其中很少或無脈石礦物分布。TZFC礦粉中含有近50%的磁鐵礦，因此，在燒結(jié)過程中可氧化放熱，或能降低燒結(jié)能耗。

表3 TZFC礦粉的礦物組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

1.2 研究方法

1.2.1 鐵礦石基礎(chǔ)特性

1)同化性能(AT)：分別篩分出鐵礦粉和分析純CaO的小于0.25 mm部分，在一定壓力(300 N)下分別壓制成Φ8 mm×10 mm的團(tuán)塊和直徑25 mm的小餅，將礦粉團(tuán)塊放在CaO小餅上，升至預(yù)設(shè)溫度后推入臥式管爐，每1 min推入一段，5 min推至熱電偶位置進(jìn)行焙燒。焙燒5 min后，按相反的方向緩慢推出。冷卻后，觀察鐵礦粉團(tuán)塊和CaO小餅接觸面，以出現(xiàn)明顯的溶蝕現(xiàn)象為開始同化的特征，測定達(dá)到這一特征所需的最低溫度。

M—磁鐵礦，H—赤鐵礦；G—脈石；L—褐鐵礦

2)液相流動(dòng)性(LF)：將鐵礦粉和分析純Ca(OH)2的小于0.25 mm部分按固定堿度R=4.0配礦混合加水后在一定的壓力(300 N)下壓制成Φ8 mm×10 mm的團(tuán)塊?；谙嗤谋簾贫龋? 340 ℃進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)束后取出團(tuán)塊，測定其垂直投影面積，并根據(jù)式(1)計(jì)算出試樣的液相流動(dòng)性指數(shù)。

(1)

3)黏結(jié)相自身強(qiáng)度(BSS)：將鐵礦粉和分析純Ca(OH)2的小于0.25 mm部分壓制成堿度為1.8的團(tuán)塊 (Φ8 mm×10 mm)。在1 280 ℃進(jìn)行焙燒，團(tuán)塊冷卻后，測定焙燒后團(tuán)塊的抗壓強(qiáng)度。

4)鐵酸鈣生成特性(CFFP)：將鐵礦粉和分析純 Ca(OH)2的小于0.25 mm部分壓制成堿度為2.0的團(tuán)塊 (Φ8 mm×10 mm)，在1 280 ℃進(jìn)行焙燒，將焙燒后的團(tuán)塊制成光片并結(jié)合顯微鑒別方法統(tǒng)計(jì)鐵酸鈣生成量[6-10]。

1.2.2 燒結(jié)試驗(yàn)

燒結(jié)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)在中試規(guī)模的設(shè)備中進(jìn)行，主要包括混勻、配料、制粒、燒結(jié)、成品檢測等環(huán)節(jié)。

燒結(jié)過程，配料采用質(zhì)量配料法，燒結(jié)礦的目標(biāo)成分為：Fe含量為56.5%～58.5%，SiO2含量為5.20%，MgO含量為1.80%，堿度為1.90；返礦配比為外配30%。

制粒：在尺寸為600 mm×1 400 mm的圓筒制粒機(jī)進(jìn)行制粒，轉(zhuǎn)速為30 rmp，制粒時(shí)間為3.5 min。

燒結(jié)點(diǎn)火：點(diǎn)火時(shí)間為1.5 min，點(diǎn)火負(fù)壓為6 kPa，點(diǎn)火溫度(1 100±50 ) ℃。

燒結(jié)過程：燒結(jié)杯為直徑為185 mm，燒結(jié)負(fù)壓為12 kPa , 鋪底料厚度為30 mm，料高為700 mm；

冷卻：冷卻時(shí)間為5 min，冷卻負(fù)壓為5 kPa；

檢測：評價(jià)指標(biāo)按國家標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，成品燒結(jié)礦按ISO3271-2015標(biāo)準(zhǔn)檢測轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度，取樣用于化學(xué)分析，按照GBl3242-2017和GBl3241-2017標(biāo)準(zhǔn)測定還原度(RI)和低溫還原粉化率(RDI+3，15)等冶金性能。利用德國萊卡DM RXP型光學(xué)顯微，對燒結(jié)礦的礦相進(jìn)行分析。

基于實(shí)驗(yàn)室結(jié)果，某公司360 m2燒結(jié)機(jī)上開展工業(yè)試驗(yàn)，為期一個(gè)月；并將燒結(jié)礦應(yīng)用于高爐生產(chǎn)，跟蹤高爐生產(chǎn)數(shù)據(jù)，研究TZFC礦粉配比對燒結(jié)生產(chǎn)的影響，為該礦的工業(yè)應(yīng)用提供依據(jù)。

1.3 配礦方案

實(shí)驗(yàn)室燒結(jié)試驗(yàn)的配礦方案如表4所示。由表可知，基準(zhǔn)方案中，TZFC礦粉配比為0，巴西粗粉比例為20%；方案1～方案4，TZFC礦粉逐漸取代巴西粗粉，最高比例可達(dá)到20%。

表4 配礦方案(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

2 結(jié)果與分析

2.1 鐵礦基礎(chǔ)特性

通過對巴粗和TZFC礦粉的高溫反應(yīng)性能進(jìn)行測定，單一礦粉的高溫反應(yīng)性能檢測結(jié)果如表5所示。結(jié)果表明：TZFC礦粉的最低同化溫度低于巴粗，最低同化溫度越低，同化性能越好；TZFC礦粉的液相流動(dòng)性弱于巴粗，但由于兩者的SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，在相同的堿度下，配入的CaO多，液相量大，其液相流動(dòng)性都屬于較高水平，粘結(jié)周圍物料的能力大，有利于提高燒結(jié)礦強(qiáng)度，但過高可能影響燒結(jié)過程的透氣性，從而降低燒結(jié)生產(chǎn)率。另一方面，使得物料表面的粘結(jié)相層厚度變薄，燒結(jié)礦易形成薄壁大孔結(jié)構(gòu)，從而燒結(jié)礦整體變脆，強(qiáng)度變差；TZFC礦粉的黏結(jié)相強(qiáng)度高于巴粗，但二者都屬于較低水平；TZFC礦粉的FeO含量遠(yuǎn)高于巴粗，由于CaO與SiO2和FeO的親和力比與Fe2O3的親和力大得多，在堿度3.0時(shí)，CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)不足以生成較多的鐵酸鈣，因此其鐵酸鈣生成特性弱于巴粗，但兩者都屬于中等生成能力[11]。

表5 單礦高溫性能反應(yīng)指標(biāo)

2.2 配礦燒結(jié)

2.2.1 配礦燒結(jié)優(yōu)化后的燒結(jié)結(jié)果

針對1.3中列出的配礦方案，進(jìn)行大量的燒結(jié)試驗(yàn)，優(yōu)化焦比和燒結(jié)水分，在保證返礦平衡的情況下，所得最佳燒結(jié)試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 配礦燒結(jié)最佳工藝參數(shù)及優(yōu)化后的燒結(jié)結(jié)構(gòu)

由表可知，隨著TZFC礦粉配入比例從0到20%，燒結(jié)速度從20.84 mm/min提高至22.81 mm/min，燒結(jié)利用系數(shù)從1.43 t/(m2·h)逐漸增加到1.56 t/(m2·h)；燒結(jié)礦的轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度略有提高，同時(shí)，燒結(jié)固體能耗從64.51 kg/t逐漸降低至58.92 kg/t。從高溫性能看，巴西粗粉其液相流動(dòng)性過好，不利于其燒結(jié)熱態(tài)透氣性，降低燒結(jié)速率，因而，配加TZFC粉礦取代巴西粗粉，可提高利用系數(shù)。此外，由于巴粗的粗顆粒較多，燒結(jié)中難以完全礦化，不利于其強(qiáng)度；另外，從高溫性能看，TZFC礦粉具有較高的粘結(jié)相強(qiáng)度，因此配入TZFC礦粉取代巴粗，燒結(jié)礦強(qiáng)度有所改善。此外，TZFC礦粉中含有50%左右的磁鐵礦，當(dāng)其配入量較高時(shí)，混合料中磁鐵礦比例也增加，其燒結(jié)過程氧化放熱的優(yōu)勢有所體現(xiàn)，導(dǎo)致燒結(jié)能耗降低，這有利于燒結(jié)過程節(jié)能減排[12]。

2.2.2 成品燒結(jié)礦化學(xué)成分及粒度組成

五種配礦方案所獲得的成品燒結(jié)礦化學(xué)成分如表7所示。由表可知，燒結(jié)礦鐵含量56%左右，堿度1.85左右，MgO含量1.75%左右，基本達(dá)到目標(biāo)值。燒結(jié)礦中有害元素，如S、P、K2O、Na2O等含量較低?？傮w來看，5種配礦方案均可獲得優(yōu)質(zhì)的燒結(jié)礦。

表7 產(chǎn)品燒結(jié)礦的成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

表8所示為不同配礦方案的成品燒結(jié)礦的粒度組成?？芍撼善窡Y(jié)的粒度較為均勻，-10 mm粒級含量較低，為20%～24%。通常，燒結(jié)礦中5～10 mm粒級含量越低，高爐透氣性越好。

表8 成品燒結(jié)礦的粒度組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

2.2.3 成品燒結(jié)礦的冶金性能

成品燒結(jié)的還原度和還原粉化如表9所示。由表可知，成品燒結(jié)礦的還原度RI在74%～78%之間，配入TZFC礦粉取代巴西粗粉對成品燒結(jié)礦的還原度影響不大。此外，成品燒結(jié)礦還原粉化RDI+3.15在64%～69%，提高TZFC礦粉用量，能夠改善燒結(jié)礦的還原粉化性能，這主要是由于巴西粗粉流動(dòng)性能較好，在燒結(jié)過程中導(dǎo)致粘接相厚度變薄，容易形成大孔薄壁結(jié)構(gòu)和玻璃相，導(dǎo)致強(qiáng)度變差，還原粉化嚴(yán)重。

表9 成品燒結(jié)礦的冶金性能(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

總體而言，當(dāng)TZFC礦粉取代巴西粗粉時(shí)，燒結(jié)礦鐵含量較高，雜質(zhì)元素含量低，還原度和還原粉化性能好，能夠滿足高爐冶煉要求，其配入比例可高達(dá)20%。

2.3 成品燒結(jié)礦物組成及微觀結(jié)構(gòu)

2.3.1 礦物組成

燒結(jié)礦經(jīng)光學(xué)顯微鏡鑒定，其主要礦物組成為：赤鐵礦(Fe2O3)，磁鐵礦(Fe3O4)，復(fù)合鐵酸鈣(SFCA)。少量橄欖石(CaO·FeO·SiO2)，鐵酸鎂(MgO·Fe2O3)，硅酸鈣(2CaO·SiO2)及玻璃質(zhì)等。方案4鐵酸鈣含量高，玻璃質(zhì)含量較低，或是其還原性能好，還原粉化低的內(nèi)在原因。

2.3.2 微觀結(jié)構(gòu)

5個(gè)配比成品燒結(jié)礦的微觀結(jié)構(gòu)如圖3所示，鐵酸鈣為藍(lán)灰色，針條狀，熔蝕狀；Fe3O4為淺黃色，粒狀，互連狀；Fe2O3-亮白色，粒狀；孔洞為黑色，不規(guī)則。由圖可知，燒結(jié)礦中主要礦物為鐵酸鈣、赤鐵礦、磁鐵礦，還有少量的橄欖石和玻璃相?；鶞?zhǔn)燒結(jié)礦中，常見大孔薄壁結(jié)構(gòu)和骸晶狀次生赤鐵礦，導(dǎo)致其還原粉化性能較差。方案1～方案4，添加不同比例的TZFC礦粉后，燒結(jié)礦孔洞發(fā)展為微孔厚壁結(jié)構(gòu)，鐵酸鈣呈現(xiàn)針狀和柱狀，結(jié)晶良好，結(jié)構(gòu)稠密，并與磁鐵礦相互共生，橄欖石相填充在鐵酸鈣中，表現(xiàn)出較好的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。通常，具備此種微觀結(jié)構(gòu)的燒結(jié)礦有較高的強(qiáng)度和較好的冶金性能。因此，當(dāng)TZFC礦粉取代巴西粗粉后，燒結(jié)礦還原粉化性能有所改善。通過SEM-EDS(圖4)進(jìn)一步證實(shí)，燒結(jié)礦中的鐵酸鈣以含有硅、鋁的復(fù)合鐵酸鈣形式存在[13-15]。

表10 燒結(jié)礦礦物組成(面積分?jǐn)?shù)) %

圖3 燒結(jié)礦微觀結(jié)構(gòu)

圖4 鐵酸鈣SEM-EDS圖譜

3 燒結(jié)工業(yè)實(shí)驗(yàn)

在該公司360 m2燒結(jié)機(jī)進(jìn)行了配加TZFC的燒結(jié)工業(yè)試驗(yàn)，結(jié)果見表11。由表可知提高TZFC用量，燒結(jié)焦比從4.90%可降低至4.60%，固體能耗從66.12 kg/t降低至64.07 kg/t，轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度基本維持在77%左右，成品率74.3%左右，利用系數(shù)有所提高。工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果與試驗(yàn)室結(jié)果基本吻合，進(jìn)一步證實(shí)了，TZFC礦粉可取代巴西粗粉，應(yīng)用于燒結(jié)工序。

表11 燒結(jié)工業(yè)生產(chǎn)結(jié)果

4 結(jié)語

1)TZFC礦粉鐵品位超過63%，SiO2和Al2O3含量分別為7.46%和0.54%，有害元素如S、P含量極低，僅為0.013%和0.063%，是一種良好的燒結(jié)高硅粉。

2)TZFC礦粉的同化性能和黏結(jié)相強(qiáng)度優(yōu)于巴粗，流動(dòng)性和鐵酸鈣生成能力弱于巴粗，但都處于較高范圍內(nèi)，高溫性能較好。

3)對于鋼鐵廠典型的配礦方案，當(dāng)逐漸增加TZFC礦粉的配加比例時(shí)，轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度、利用系數(shù)逐漸增大，當(dāng)配加20%TZFC礦粉時(shí)轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度雖略有降低，但利用系數(shù)有明顯的提高，固體燃耗也有明顯下降，說明TZFC礦粉的加入改善了燒結(jié)性能。且成品燒結(jié)礦的全鐵含量56%～56.3%之間，冶金性能均良好，能夠滿足高爐冶煉需求。

4)提高TZFC用量，燒結(jié)焦比從4.90%可降低至4.60%，固體能耗從66.12 kg/t降低至64.07 kg/t，轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度基本維持在77%左右，成品率74.3%左右，利用系數(shù)有所提高，進(jìn)一步證實(shí)了，TZFC礦粉可取代巴西粗粉，大規(guī)模應(yīng)用于燒結(jié)工序，其應(yīng)用比例可達(dá)20%。