堿度對熔劑性球團礦性能的影響規(guī)律

游 高 劉慶華

(中冶北方(大連)工程技術有限公司，遼寧 大連 116600)

0 引言

高爐煉鐵工藝仍是我國煉鐵行業(yè)的主導工藝，其燒結工序是二氧化硫和氮氧化物主要產地[1-2]。面對“碳達峰”和“碳中和”的雙碳要求，鋼鐵行業(yè)亟需轉變發(fā)展模式，實現(xiàn)鋼鐵行業(yè)的低碳、減排發(fā)展[3]。

采用優(yōu)質的冶煉原料，可降低冶金過程中的能耗，減少污染物的排放，促進現(xiàn)有煉鐵工藝的升級[4]。球團礦作為優(yōu)質爐料，具有品位高、粒度均勻、粉化率低的特點[5]，可顯著改善高爐的透氣性，其入爐比例也在不斷增加[6]。鄂州500 萬t球團廠生產表明，球團礦的加工費僅為燒結礦加工費的50%左右[7],球團工序與燒結工序相比，其粉塵、二氧化硫和氮氧化物的排放量分別為燒結的1/7、1/3和1/5[8]。爐料中酸性球團礦的增加，也會產生一系列的問題[9-10]，如酸性球團礦不能滿足高爐煉鐵對鈣、鎂等成分的要求，高堿度燒結礦和酸性球團礦軟熔帶不一致?；谝陨显?，熔劑性球團礦成為了理想的選擇[11]。熔劑性球團指二元堿度>0.6的球團[12]，經過高溫焙燒后，其成分以Fe2O3為主，并含有鐵酸鈣、硅酸鈣等[13]。對于二元堿度在0.6～1.4范圍內球團礦性能的系統(tǒng)研究還鮮有報道，所以開展此堿度范圍內的熔劑性球團礦的研究，對其生產和應用具有重要意義。

1 試驗原料特性及研究方法

1.1 原料特性

針對研究的目的，試驗中選用了幾種代表性礦樣，鐵精礦既有磁鐵礦又有赤鐵礦，并選擇石灰石作為堿性球團的熔劑，膨潤土作為粘結劑。

試驗中所選擇的幾種鐵精礦、熔劑及粘結劑的主要化學成分見表1，物理性能見表2、表3、表4和表5。

表1 原料化學成分檢驗結果 %

表2 原料粒度組成檢驗結果 %

表3 鐵精礦比表面積檢測結果

表4 鐵精礦成球性指數(shù)檢測結果

從鐵精礦的多元素分析結果可以看出，4號鐵精礦的FeO含量很低，為赤鐵礦。1號、2號、3號鐵礦FeO含量，均在25%以上，為典型的磁鐵礦。

從原料粒度組成來看，粘結劑和熔劑的細度較大，-200目含量均在95%以上，有利于黏結劑和熔劑在鐵精礦中均勻分散，所以適合球團使用。鐵精礦粒度相對較粗，成球之前需要細磨處理。

通常球團用鐵精礦的比表面積要求在1 500～1 900 cm2/g，從鐵精礦比表面積來看，1號、2號和4號精礦的比表面積相對較小，只有3號鐵精礦比表面積值達到了球團用鐵精礦對比表面積的要求。

從成球性指數(shù)來看，均屬于若成球性礦種，成球性能相差不大。

1.2 研究方法

由于試驗所用鐵精礦在物理和化學性質方面存在一定的差異，為了盡量減小由于鐵精礦物理化學性質差異對球團礦性能的影響，減弱由于球團礦成分差異對球團礦冶金性能結果的影響，在球團礦堿度滿足試驗研究要求的情況下，根據(jù)鐵精礦物理化學性質方面的特性，將鐵精礦分組搭配進行成球試驗。

鐵精礦具體分組方案如下：

第一組：精礦1和精礦3進行搭配。

第二組：精礦1、精礦2和精礦3進行搭配。

第三組：精礦1、精礦3和精礦4進行搭配。

在成球試驗之前，對粒度較粗的鐵精礦均進行了細磨處理，使其-200目含量達到了85.0%以上，比表面均在1 500～1 600 cm2/g范圍內，不僅消除了鐵精礦細度方面的差異，而且也會減少粘結劑的添加量，保證球團礦鐵品位。

根據(jù)試驗計劃，將鐵精礦、膨潤土和熔劑進行配料(每次10 kg混合料)，造球前加入一定量的水，人工充分混勻,將混勻后的混合料靜置20 min后進行造球。造球設備為圓盤造球機，圓盤直徑1 000 mm，邊高210 mm，傾角45°，轉速21.5 r/min。造球過程中再以霧狀水的方式，補加一定量的水，使混合料順利成球。造好的生球經篩分后，隨機取粒度為10～12.5 mm的生球進行生球水分、生球落下強度、生球抗壓強度檢測。

試驗以生球落下>5.0次/0.5m為生球落下強度合格指標，以生球抗壓強度>10.0 N/個球作為生球抗壓強度合格指標。

通過配礦計算，分別生產出堿度為0.6、0.8、1.0、1.2和1.4 的合格生球，在105℃的烘箱中干燥后，用于管爐預熱和焙燒試驗。焙燒設備為Φ55 mm×600 mm×2的臥式管爐，爐子由Φ55 mm預熱爐和Φ55 mm焙燒爐組成。每次將相同數(shù)量干燥后的生球裝入60 mm×30 mm×15 mm的瓷舟中，按設定的程序，將同一瓷舟按時間先后分別推入預熱段和焙燒段，并在各溫度段內保持一定的時間，完成不同堿度球團的預熱和焙燒試驗。將獲得的球團礦進行抗壓強度和主要化學成分檢測，并從每組的0.6、0.8、1.0、1.2和1.4堿度的球團礦中分別取樣，進行冶金性能檢測。

2 試驗結果與分析

分別對三組球團礦主要化學成分進行檢測，具體檢測結果見表6、表7、表8。

表7 第二組球團礦的主要化學成分

表8 第三組球團礦的主要化學成分

通過配礦，使球團礦的鐵品位控制在了60%～63%范圍內，二氧化硅含量控制在了4.4%～6.5%范圍內。既得到了不同礦種的球團礦，又縮小了球團礦成分之間的差異，從而使試驗結果更能凸顯堿度對球團礦性能的影響規(guī)律。

由圖1可以看出，隨著球團礦堿度的提高，三組球團礦抗壓強度均呈現(xiàn)下降的趨勢，只是下降的幅度有所差異。其中，第一組和第二組在低于1.0堿度時，球團礦抗壓強度下降幅度較小，但是當堿度在1.0以上時，球團礦抗壓強度降低的幅度較大。而第三組在0.6～1.0堿度范圍內和1.0～1.4堿度范圍內，球團礦抗壓強度下降幅度基本一致。1.2堿度以上，三組球團礦的抗壓強度大多降至2 800 N/個球以下，且配加赤鐵礦的第三組球團礦抗壓強度更低。所以試驗結果表明，隨著球團礦堿度的提高，球團礦抗壓強度會下降，且1.0堿度以上下降更明顯。由氧化球團礦固結機理可知，球團礦的強度主要靠Fe2O3的再結晶，當球團礦中配入較多的熔劑后，會增加球團礦的氣孔率，從而降低球團礦的抗壓強度。原生赤鐵礦的再結晶能力弱于磁鐵礦氧化生成的赤鐵礦的再結晶能力，所以添加赤鐵礦會加劇球團礦強度的降低。

圖1 球團礦抗壓強度隨堿度變化曲線

由圖2可以看出，隨著球團礦堿度的提高，三組球團礦的還原度總體均呈現(xiàn)先上升，后趨于穩(wěn)定，再有所下降的趨勢。堿度在0.6～1.0范圍內時，隨堿度升高，三組球團礦還原度均明顯改善，這是由于球團礦中添加熔劑后不僅增加了球團礦的氣孔率，同時CaO的加入抑制了難還原的鐵橄欖石的生成，從而提高了球團礦的還原度。堿度在1.0～1.4范圍內時，三組球團礦的還原度變化不大，且均較高，其中第一組和第二組的還原度都在75%以上。還可以看出，第三組球團礦還原度始終低于第一組和第二組的還原度，這可能與第三組球團礦中配加了赤鐵礦有關。由于原生的赤鐵礦的還原性低于磁鐵礦氧化新生成的Fe2O3的還原性，所以添加赤鐵礦的球團礦還原度低于其他兩組。除此之外，在鐵的氧化物中，F(xiàn)e2O3的還原性好于鐵酸鈣，當堿度繼續(xù)增加后，球團礦的鐵酸鈣比例增加，F(xiàn)e2O3的比例下降，從而使球團礦的還原度隨堿度增加到一定數(shù)值后，稍微有所降低。

圖2 球團礦還原度隨堿度變化曲線

所以將球團礦堿度控制在1.0～1.3范圍內時，球團礦的還原度最佳，同時也可以看出，紅礦的配入會降低球團礦的還原度。

由圖3可以看出，隨著球團礦堿度的提高，三組球團礦的還原膨脹率總體差異不大，在0.8～1.2堿度范圍有下降的趨勢。在0.8堿度時，第一組和第二組球團礦的還原膨脹率出現(xiàn)了峰值，而第三組還原膨脹率在0.6時最大。對于熔劑型球團來說，0.6堿度和0.8堿度球團礦的還原膨脹率相對較大，在熔劑型球團礦生產中應加以注意。三組球團礦的還原膨脹率在堿度1.0～1.4范圍內均較低(≤15%)，其中一組和三組球團礦的還原膨脹率在1.2堿度時最小。第三組的還原膨脹率總體上低于第一組和第二組的還原膨脹率，這應該是添加紅礦后還原度降低，發(fā)生體積膨脹的部分所占比例減少，球團礦膨脹率下降。所以熔劑性球團礦生產中，應盡量避開0.6～0.8堿度范圍，添加紅礦有助于降低還原膨脹率。

圖3 球團礦還原膨脹率隨堿度變化曲線

由圖4、圖5可以看出，在0.6～1.4堿度范圍內，隨著堿度的提高，第二組和第三組球團礦低溫還原粉化指標呈惡化的趨勢，而第一組球團礦低溫還原粉化指標卻變化不大。第二組和第三組球團礦的低溫還原粉化指標在0.6～1.0堿度范圍內，明顯變差，在0.8～1.0堿度范圍內最差?？傮w來看，三組球團礦低溫還原粉化指標相差不大，第一組和第二組指標稍好于第三組，這可能是由于第三組球團礦中添加赤鐵礦后，球團礦內部顆粒之間的再結晶程度低于不添加赤鐵礦的球團礦。所以大多數(shù)情況下，熔劑性球團礦的低溫還原粉化指標隨球團礦堿度的提高而變差，但變化幅度不大，均能滿足高爐生產要求。添加赤鐵礦會惡化球團礦的粉化指標。

圖4 球團礦還原粉化率+6.3mm粒級隨堿度變化曲線

圖5 球團礦還原粉化率+3.15mm粒級隨堿度變化曲線

由圖6、圖7、圖8可以看出，在0.6～1.0堿度范圍內，軟化開始溫度、軟化終了溫度均呈現(xiàn)上升的趨勢，在1.0～1.4堿度范圍內，基本趨于穩(wěn)定。軟化區(qū)間在0.6～1.4堿度范圍內，也有所增加。所以總的來看，隨著堿度的提高，球團礦還原后的軟化溫度升高了，但區(qū)間也變寬了。除此之外，添加赤鐵礦的球團礦強度相對低，在壓力下更容易軟化。

圖6 球團礦軟化開始溫度ΔH10%隨堿度變化曲線

圖7 球團礦軟化終了溫度ΔH40%隨堿度變化曲線

圖8 球團礦軟化區(qū)間隨堿度變化曲線

由圖9、圖10、圖11可以看出，三組的熔滴性能相差不大。在0.6～1.0堿度范圍內，壓差陡升溫度大多數(shù)呈現(xiàn)上升的趨勢，在1.0堿度以上，基本不變，而滴落溫度隨堿度升變化不明顯。熔滴區(qū)間在0.6～1.4堿度范圍內，有所下降，有利于改善料層透氣性。所以總的來看，隨著堿度的提高，球團礦還原后的壓差陡升溫度升高了，熔滴區(qū)間也變窄了，對高爐透氣性的改善比較有利。

圖9 球團礦壓差陡升溫度隨堿度變化曲線

圖10 球團礦滴落溫度隨堿度變化曲線

圖11 球團礦熔滴區(qū)間溫度隨堿度變化曲線

由圖12、圖13可以看出，三組球團礦的變化趨勢基本一致，在0.6～1.0堿度范圍內，最大壓差和總特征值S下降比較明顯，表明爐料的透氣性隨堿度升高而不斷改善。在1.0堿度以上，基本不變，且最大壓差和總特征值S的值均相對較小。所以總的來看，堿度在0.6～1.4范圍內，隨著堿度的提高，三組球團礦還原后的料層透氣性均得到了改善，特別是堿度在1.0～1.4范圍內時，熔劑性球團礦對改善料層透氣性比較有利。

圖12 球團礦最大壓差隨堿度變化曲線

圖13 球團礦總特征值S隨堿度變化曲線

3 結語

1)在0.6～1.4堿度范圍內，隨著堿度的提高，球團礦強度總體上呈現(xiàn)降低的趨勢，且1.0堿度以上，球團礦強度下降更明顯。

2)球團礦的還原度隨堿度提高而得到改善，特別是球團礦堿度控制在1.0～1.3范圍內時，球團礦的還原度最佳。

3)球團礦的還原膨脹率隨著堿度的提高而降低，在0.6～0.8堿度范圍內還原度相對較高，在1.0～1.4堿度范圍內，球團礦的還原膨脹率均在15%以下，所以熔劑性球團礦應盡量避開0.6～0.8堿度范圍。

4)在0.6～1.4堿度范圍內，大多數(shù)球團礦的低溫還原粉化率有變差的趨勢，在0.8～1.0堿度范圍內最差，但均能滿足高爐生產要求。

5)在0.6～1.4堿度范圍內，球團礦的軟熔-滴落性能隨著堿度的提高改善比較明顯，特別是1.0～1.4堿度范圍內，球團礦的軟熔-滴落性能最好。