堿度對熔劑性球團抗壓強度及冶金性能的影響

曲旭東 李堅毅 折 媛

(1. 新疆昕昊達礦業(yè)有限責任公司，2. 西安建筑科技大學冶金工程學院)

近年來，為落實鋼鐵工業(yè)綠色發(fā)展計劃，國家對鋼鐵企業(yè)在節(jié)能、降耗和減排等方面提出了更高的要求，鋼鐵企業(yè)超低排放改造工程需要在2025年底前基本完成[1-2]。在鋼鐵生產(chǎn)節(jié)能減排的背景下，球團礦入爐比例逐年增加，這更需要球團礦的質(zhì)量和冶金性能有更大程度的改善[3-4]。目前，礦價進入低價新常態(tài)，在現(xiàn)階段國家《關(guān)于推進實施鋼鐵行業(yè)超低排放的意見》政策要求下，可以預見未來球團礦生產(chǎn)會迎來新的發(fā)展[5]。

高堿度燒結(jié)礦配加酸性球團礦是當前高爐煉鐵采用的主要爐料結(jié)構(gòu)模式[1]。但目前采用的普通酸性球團礦存在還原膨脹率高、軟化溫度低等冶金性能較差的問題，限制了球團礦在爐料結(jié)構(gòu)中的配比，對高爐的順行產(chǎn)生了不利的影響[6-7]。研究表明，提高球團礦的堿度可以有效改善球團礦的還原膨脹率、軟熔性能，從而提高球團礦的入爐比[8-10]。因此，發(fā)展熔劑性球團對實現(xiàn)高爐煉鐵節(jié)能及清潔生產(chǎn)具有十分重要的意義。

目前，國內(nèi)外針對熔劑性球團冶金性能的影響已做了大量的研究，但以石灰石調(diào)節(jié)堿度來系統(tǒng)研究熔劑性球團性能的文獻并不多。因此，文章以石灰石調(diào)節(jié)堿度，開展熔劑性球團預熱焙燒實驗研究，考察堿度對球團預熱焙燒球抗壓強度及冶金性能的影響，探究適宜的預熱焙燒工藝參數(shù)，為昕昊達公司未來堿性球團生產(chǎn)提供一定指導，以適應于酒鋼高爐爐料的調(diào)整。

1 實驗

1.1 實驗原料

實驗原料為新疆昕昊達礦業(yè)有限責任公司使用的鐵礦粉、石灰石和膨潤土。原料化學成分如表1所示，由化學分析可知：三種磁鐵精礦粉的品位不一，品位最高的鐵礦粉A達到67.37%，是較優(yōu)質(zhì)的球團原料。原料化學成分及粒徑分布分別如表2和表3所示，礦粉A粒度最細，比表面積最大。實驗用膨潤土物理性能如表4所示，其膠質(zhì)價為99 mL/ (15 g)，2 h的吸水率為256%，膨脹指數(shù)為40 mL/ (2 g)。

表1 實驗原料化學分析 %

表2 礦粉粒度分布

表3 石灰石粒徑分布 %

表4 膨潤土物理性能指標

鐵礦粉顆粒形貌如圖1所示。礦粉A顆粒大小不均勻，礦粉粒度相差較大，顆粒表面致密光滑，有顯著棱角，大顆粒表面附著有少量小顆粒；礦粉B顆粒表面較為光滑，黏附小顆粒較少，一定程度上減弱了礦粉的吸附固結(jié)效果；礦粉C顆粒大小差別較大，表面粗糙，有明顯層狀結(jié)構(gòu)，易黏附粉末狀礦粉，這與其比表面積較小的檢測結(jié)果相對應。

圖1 鐵礦粉顆粒形貌

1.2 實驗方法

將礦粉A、礦粉B和礦粉C按一定比例混合均勻，配入1.8%的膨潤土，并配加不同比例的石灰石用于圓盤造球，得到試驗球團樣品，原料配比見表5。

表5 配加熔劑堿性球團造球原料配比

實驗每次稱取5 kg混合物料在圓盤造球機上進行造球。圓盤造球機的直徑為1 000 mm，邊高250 mm，傾角為45°，固定轉(zhuǎn)速為16 r/min。固定造球水分為8%，造球時間為12 min。造球終止后取直徑為10～12.5 mm的生球進行落下強度和抗壓強度的測試。在105 ℃的電熱鼓風干燥箱內(nèi)干燥合格生球(落下強度>3.5次/(0.5 m)、抗壓強度>10 N/個)3 h。干燥后的球團在高溫臥式管狀電阻爐內(nèi)進行預熱和焙燒實驗，測定預熱、焙燒后球團的抗壓強度。抗壓強度以15個球團樣品在球團抗壓機下測定的平均值為準。待焙燒后的球團冷卻至室溫后，進行冶金性能測定和礦相分析。

球團礦還原膨脹指數(shù)測定采用國家標準GB/T 13240-1991，鐵礦石還原度測定實驗依據(jù)國家標準GB/T 13241-91，使用的是西安建筑科技大學冶金工程實驗室的焦炭、礦石綜合性能

測定儀。礦相分析由每種球團礦中隨機取4個球，經(jīng)過磨制和拋光，制成光片試樣，利用上海長方光學儀器廠生產(chǎn)的XPV-400E透反射偏光顯微鏡進行礦相觀察。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 堿度對預熱球團抗壓強度的影響

在不同預熱時間和不同預熱溫度條件下，堿度對預熱球團抗壓強度的影響分別如圖2和圖3所示。隨著堿度的增大，球團抗壓強度略有增大后減小，總體變化較小。主要是因為：石灰石在球團預熱過程中的分解需要吸收一定的熱量，熱量不足會導致強度下降；石灰石在分解過程中會產(chǎn)生CO2氣體，形成空隙，導致球團的致密程度下降，影響球團的抗壓強度。

由圖2可知，當堿度相同時，隨著預熱溫度提高，球團抗壓強度均明顯增大。這是因為預熱溫度提高，可以加速固相擴散反應[11]，使得赤鐵礦的晶粒增多且變大，連晶更加緊密，鐵礦顆粒互相連接，預熱球團抗壓強度增大。預熱球抗壓強度越大越符合工藝要求，但溫度高于900 ℃時，磁鐵礦會形成液相，降低球團氧化速度，因此合適的預熱溫度為900 ℃。

圖2 不同預熱溫度下堿度對預熱球抗壓強度的影響

由圖3可知，當堿度相同時，隨著預熱時間延長，球團抗壓強度逐漸增大。這主要是因為球團內(nèi)部磁鐵礦氧化形成連接橋需要一定的時間，時間延長可促進赤鐵礦的晶粒分布更加均勻，且新生的赤鐵礦不斷發(fā)生固相擴散反應，增大了預熱球的抗壓強度。根據(jù)大型高爐生產(chǎn)工藝要求，預熱球抗壓強度需達到400 N，而球團預熱是焙燒之前的過渡階段，過長的時間會降低工藝熱效率，因此合適的預熱時間為18 min。

圖3 不同預熱時間下堿度對預熱球抗壓強度的影響

綜上所述，在預熱溫度900 ℃、預熱時間18 min條件下，預熱球團抗壓強度最大可達到437.1 N/個。

2.2 堿度對焙燒球團抗壓強度的影響

在不同焙燒時間和不同焙燒溫度條件下，堿度對焙燒球團抗壓強度的影響分別如圖4和圖5所示。隨著堿度增大，焙燒球抗壓強度先增大后減小。石灰石增多，球團礦中CaO和Fe2O3發(fā)生反應，生成CaO·Fe2O3黏結(jié)相，有利于表面張力提高和固相質(zhì)點向接觸點或接觸面上擴散，質(zhì)點間的接觸面積變大，球團礦的氣孔率降低，球團礦結(jié)構(gòu)更加致密。同時堿度增大使得赤鐵礦再結(jié)晶更加充分，晶粒增大，球團抗壓強度升高。但隨著堿度進一步增大，石灰石在高溫下分解會吸收一定的熱量，熱量不足會導致強度下降[12]。鐵酸鈣的含量過多時，過多的液相生成會阻礙Fe3+的遷移，F(xiàn)e2O3的再結(jié)晶受到限制，生成大量的硅酸鹽，促使球團內(nèi)部孔隙增大形成氣孔，導致球團的致密度下降，抗壓強度減小。

由圖4可知，當堿度相同時，隨著焙燒溫度提高，焙燒球團抗壓強度明顯增大。這是由于焙燒溫度升高，利于球團氧化，赤鐵礦晶粒分布更加均勻，連晶變緊密，同時，球團礦中CaO-Fe2O3生成量增多，質(zhì)點間接觸面積增大，球團礦結(jié)構(gòu)更加致密。焙燒溫度的提高有利于磁鐵礦氧化程度的增大，但過高的焙燒溫度會使球團礦粘連、降低焙燒球團強度，而1 220 ℃完全滿足焙燒所需溫度，因此適宜的焙燒溫度應在1 220 ℃左右。

圖4 不同焙燒溫度下堿度對焙燒球抗壓強度的影響

由圖5可知，當堿度相同時，隨著焙燒時間延長，焙燒球團抗壓強度明顯增大。焙燒時間延長，促進了磁鐵礦的氧化，赤鐵礦的晶粒連接趨于緊密，再結(jié)晶鍵也逐漸增強，球團的固結(jié)得到強化，降低了石灰石分解對抗壓強度的影響。焙燒時間超過20 min后，焙燒球抗壓強度增大幅度逐漸減小。為提高整個工藝的熱效率，適宜的焙燒時間為20 min。

圖5 不同焙燒時間下堿度對焙燒球抗壓強度的影響

綜上所述，在焙燒溫度1 220 ℃、焙燒時間20 min條件下，焙燒球團抗壓強度最大達到2 813.8 N/個。

2.3 堿度對球團礦還原膨脹指數(shù)及還原度的影響

隨著球團礦堿度增大，焙燒球還原膨脹指數(shù)逐漸降低，且均小于15%，最低為13.2%。隨著堿度增大，球團還原度略微升高，其值均大于70%，最高為74.52%。不同堿度下球團礦還原膨脹指數(shù)及還原度如表6所示。

表6 還原膨脹指數(shù)和還原度實驗結(jié)果

堿度小于0.6時，球團生成含有不同比例的SiO2、CaO、Fe2O3玻璃質(zhì)渣相，這種渣相在還原過程中會生成低熔點橄欖石晶體，而低熔點橄欖石晶體對球團還原過程的膨脹無抑制作用，故此時還原膨脹指數(shù)較大。

堿度增大至0.6以上，球團在焙燒過程中除了會生成含有SiO2、CaO、Fe2O3的玻璃質(zhì)渣相，還會有鐵酸鈣生成。球團在焙燒過程中，CaO的存在利于赤鐵礦結(jié)晶長大。在鐵酸鈣還原過程中，鈣浮氏體表面生成金屬鐵層[13]，抑制了球團進一步膨脹，故此時還原膨脹指數(shù)降低。由于添加的石灰石在球團預熱焙燒過程中不斷分解，球團孔隙率隨著石灰石熔劑添加量增加而增大，球團孔隙率上升，有利于還原氣體擴散，同時球團中出現(xiàn)較多易還原的鐵酸鈣，因此球團還原度隨著堿度增大而升高。

2.4 堿度對球團礦軟熔性能的影響

球團礦的軟熔特性實驗結(jié)果如表7所示。隨著堿度的增加，球團礦軟化開始溫度和軟化終了溫度略微上升。這是因為石灰石的添加可以形成易還原的鐵酸鈣，促進球團礦還原，產(chǎn)生較多熔點高的金屬鐵[14]。熔融性能的變化規(guī)律與軟化性能相似，隨著堿度增加，球團還原過程中產(chǎn)生更多熔點相對較高的金屬鐵，球團礦熔融開始溫度和滴落溫度略微上升。

表7 球團礦軟熔特性實驗結(jié)果

軟化溫度區(qū)間及熔融溫度區(qū)間逐漸減小，軟化溫度區(qū)間由85 ℃減至69 ℃，熔融溫度區(qū)間由189 ℃減至169 ℃。說明配加石灰石后，軟熔帶位置下移且厚度變薄，可以改善高爐冶煉時的透氣性，利于高爐順行。根據(jù)軟熔性能指標數(shù)據(jù)對比，綜合考慮，試驗四組球團礦的最大壓差值都較小，符合高爐入爐原料要求。

2.5 堿度對球團礦礦相結(jié)構(gòu)的影響

四組堿度的焙燒球團礦礦相分析結(jié)果如圖6所示。

圖6 球團礦顯微結(jié)構(gòu)照片

從圖6可以看出，球團內(nèi)部主要由磁鐵礦、赤鐵礦、鐵酸鈣和硅酸鹽渣相組成。由圖6(a)可知，堿度為0.29時，球團礦的礦相結(jié)構(gòu)不佳，孔洞較大，此時球團強度降低，最終會影響到高爐冶煉的正常進行。由圖6(b)可知，隨著堿度增加，球團礦中赤鐵礦含量逐漸增多且結(jié)晶程度逐漸變強，晶鍵結(jié)晶良好，赤鐵礦晶粒出現(xiàn)輪廓，結(jié)構(gòu)力變強，孔洞明顯減少，球團礦強度增大。由圖6(c)可知，磁鐵礦氧化生成的赤鐵礦增多，赤鐵礦結(jié)晶程度良好，晶粒輪廓明顯，晶鍵充分長大幾乎連成一片，結(jié)構(gòu)力變強。球團礦中CaO和Fe2O3發(fā)生反應，使球團礦結(jié)構(gòu)更加致密，降低了球團礦的氣孔率，同時隨著堿度的升高，赤鐵礦再結(jié)晶更加充分，晶粒呈增大的趨勢，使球團抗壓強度升高。說明在堿度為0.8時，焙燒球團的強度明顯改善。由圖6(d)可知，堿度為1.0時，球團礦中赤鐵礦含量大，結(jié)構(gòu)相對致密。石灰石配比的增加產(chǎn)生了更多的CO2，使得氣孔增多，故還原后球團強度相對堿度為0.8時要低一些。

3 結(jié)論

(1)隨著堿度由0.29增大至1.0，預熱球的抗壓強度變化較小，焙燒球抗壓強度先增大后減??；焙燒球還原膨脹特性指數(shù)逐漸下降，最低為13.2%；球團還原度略微升高，最大為74.52%。

(2)隨著堿度的增加，球團礦軟化開始溫度和軟化終了溫度略微上升，軟化區(qū)間逐漸減小，熔融開始溫度和滴落溫度略微上升，熔滴區(qū)間逐漸減小，且最大壓差值較?。磺驁F礦中赤鐵礦及鐵酸鈣含量逐漸增多，堿度為0.8時，球團礦中赤鐵礦及鐵酸鈣含量最多，結(jié)構(gòu)最致密。

(3)預熱過程適宜的工藝參數(shù)為：堿度0.8、預熱溫度900 ℃、預熱時間18 min，此條件下預熱球團抗壓強度最大達到437.1 N/個；焙燒過程適宜的工藝參數(shù)為：堿度0.8、焙燒溫度1 220 ℃、焙燒時間20 min，此條件下焙燒球團抗壓強度最大達到2 813.8 N/個。