王代軍

(北京首鋼國際工程技術(shù)有限公司，北京 100043)

·礦物工程·

巴西赤鐵精礦成球性能試驗

王代軍

(北京首鋼國際工程技術(shù)有限公司，北京 100043)

為確定鐵品位為67.45%、SiO2含量為2.54%、-0.045 mm占95.72%、比表面積為1 647.00 cm2/g的巴西Carajas赤鐵精礦造球的合適工藝技術(shù)參數(shù)，以鐵品位為14.38%、SiO2含量為67.22%、-0.045 mm占87.27%、比表面積為1 698.85 cm2/g的山西某赤鐵礦強磁選尾礦為調(diào)硅劑，以吸水率為436.01%、蒙脫石含量為62.22%、-0.074 mm占99.4%的某膨潤土為黏結(jié)劑，以生球落下強度、抗壓強度、爆裂溫度為評價指標，研究了生球原料的成分和性質(zhì)、造球工藝參數(shù)對生球性能的影響。試驗確定的赤鐵精礦(含所加鐵尾礦)的比表面積為1 768 cm2/g，膨潤土的質(zhì)量分數(shù)為0.8%，尾礦與精礦的質(zhì)量比為2.2%，赤鐵精礦水分為8.0%，造球過程中生球的水分為10.0%，造球時間為12 min，造球盤的轉(zhuǎn)速為22 r/min，對應(yīng)的生球落下強度為6.8次，抗壓強度為14.15 N，爆裂溫度為427 ℃。

赤鐵精礦 鐵尾礦 膨潤土 造球 成球性 落下強度 抗壓強度 爆裂溫度

球團礦作為高爐爐料結(jié)構(gòu)的主要組成部分[1-3]，其冶金性能的優(yōu)劣直接影響著高爐冶煉，乃至整個鋼鐵工業(yè)的生產(chǎn)。隨著我國鋼鐵工業(yè)規(guī)模的迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)的、適于生產(chǎn)氧化球團的主要原料——磁鐵精礦在鐵精礦中的比例不斷下降，為了滿足鋼鐵工業(yè)規(guī)?；l(fā)展的需要，國內(nèi)許多鋼鐵企業(yè)在制備球團時不得不配加品質(zhì)較差(包括粒度較粗、品位較低)的國產(chǎn)赤鐵精礦。使用這樣的赤鐵精礦造球，往往需要添加更多的膨潤土，這使得成品球的鐵品位進一步下降。成品球鐵品位的降低會使煉鐵渣量和焦比上升，與當前倡導(dǎo)的高效、節(jié)能、減排生產(chǎn)方式背道而馳。因而，用高品質(zhì)進口赤鐵精礦替代國產(chǎn)赤鐵精礦生產(chǎn)球團成為當下一種不錯的選擇[4-8]。

良好的成球性能是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鐵精礦球團的基礎(chǔ)和前提[7]。黃柱成、肖炸和和戚岳剛等分別研究了混合料預(yù)處理和配礦對鐵精礦成球性能改善的作用[9-11]，但對赤鐵精礦的成球性能，國內(nèi)尚缺乏全面而系統(tǒng)的研究。本研究將以巴西赤鐵精礦為原料探討其成球性能。

1 試驗原料

1.1 赤鐵精礦

巴西Carajas赤鐵精礦的化學(xué)成分分析結(jié)果見表1，鐵物相分析結(jié)果見表2，粒度分析結(jié)果見表3，SEM照片見圖1。

表1 赤鐵精礦主要化學(xué)成分分析結(jié)果

Table 1 Main chemical composition of hematite concentrate %

表2 赤鐵精礦的物相分析結(jié)果

Table 2 Mineralogical analysis of hematite concentrate %

鐵相態(tài)含 量鐵分布率赤褐鐵47.5470.49磁性鐵18.1026.84硅酸鐵1.592.35碳酸鐵0.210.31硫化鐵0.010.01總 鐵67.45100.00

表3 赤鐵精礦粒度分析結(jié)果Table 3 Result on sizing analysis of hematite concentrate

圖1 赤鐵精礦SEM照片(放大200倍)Fig.1 SEM analysis of hematite concentrate (×200)

由表1可見，赤鐵精礦的鐵品位達67.45%，SiO2含量較低，僅為2.54%，有害雜質(zhì)S、P含量均較低，屬優(yōu)質(zhì)赤鐵精礦，其四元堿度為0.14，屬酸性礦。

由表2可見，赤鐵精礦中的鐵主要為赤褐鐵，占總鐵的70.49%，其次為磁性鐵，占總鐵的26.84%，其他鐵含量極低。因此，該赤鐵精礦是以赤褐鐵為主的鐵精礦。

由表3可見，赤鐵精礦粒度較細，-0.045 mm粒級含量占95.72%。進一步的分析表明，其比表面積為1 647.00 cm2/g。物料篩析和比表面積指標均表明，該赤鐵精礦滿足造球工藝對原料粒度的要求。

由圖1可見，赤鐵精礦大多數(shù)為形狀不規(guī)則顆粒，極微細粒級含量較低，粒級分布較集中。由于大多數(shù)顆粒表面較平滑，黏附的極微細顆粒較少，因而對造球有負面影響。

1.2 鐵尾礦

山西某高硅赤鐵礦強磁選尾礦用于調(diào)整赤鐵精礦品位和硅含量，其主要化學(xué)成分分析結(jié)果見表4，粒度分析結(jié)果見表5，SEM照片見圖2。

表4 鐵尾礦主要化學(xué)成分分析結(jié)果

Table 4 Main chemical composition of iron tailings %

成 分TFeFeOSiO2Al2O3CaOMgO含 量14.384.9967.222.632.552.01成 分MnOK2ONa2OSP燒失含 量0.190.0940.0270.0240.0804.44

表5 鐵尾礦粒度分析結(jié)果Table 5 Particle size analysis of iron tailings

圖2 鐵尾礦SEM照片(放大200倍)Fig.2 SEM analysis of iron tailings (×200)

由表4可見，鐵尾礦的鐵品位為14.38%，SiO2含量較高，達67.22%。

由表5可見，鐵尾礦-0.045 mm粒級占87.27%。進一步的分析表明，其比表面積為1 698.85 cm2/g。與赤鐵精礦粒度比較，二者粒度相近。

由圖2可見，鐵尾礦大多數(shù)為形狀不規(guī)則顆粒，極微細粒級含量較低，粒級分布比赤鐵精礦寬；由于大多數(shù)顆粒表面較光滑，黏附的極微細顆粒較少，因而對造球也有負面影響。

1.3 膨潤土

膨潤土是目前氧化球團生產(chǎn)中使用較廣、效果較好的一種黏結(jié)劑，其主要成分是蒙脫石，此外還含有部分黏土礦物(如高嶺石等)和非黏土礦物(如石英、長石等)。蒙脫石屬層狀結(jié)構(gòu)的鋁硅酸鹽礦物，吸水性較強，有膨脹性，因而具有提高生球及干球強度(特別是生球落下強度)、調(diào)節(jié)造球水分、穩(wěn)定造球過程的作用。

試驗用膨潤土的主要化學(xué)成分分析結(jié)果見表6，主要物理性能見表7。

表6 膨潤土的主要化學(xué)成分

Table 6 Chemical composition of bentonite %

成 分SiO2Al2O3TFeFeOCaO含 量63.4414.551.940.152.38成 分MgONa2OK2O燒失含 量3.632.130.3210.03

表7 膨潤土的物理性能Table 7 Physical properties of bentonite

由表6可見，膨潤土的化學(xué)成分主要為SiO2和Al2O3，占礦物總量的77.99%，其次是MgO、CaO等，鐵含量僅占1.94%；根據(jù)CaO和Na2O的含量可知，該膨潤土為鈉基膨潤土。

由表7可見，膨潤土的吸水率達436.01%，蒙脫石含量達62.22%。從這些評價膨潤土物理性能的主要指標看，該膨潤土屬優(yōu)質(zhì)膨潤土。

2 試驗結(jié)果與分析

造球是球團生產(chǎn)工藝中的重要環(huán)節(jié)之一。生球質(zhì)量(評價指標主要有落下強度、抗壓強度和爆裂溫度等)的好壞對后續(xù)干燥、預(yù)熱、焙燒等工序以及成品球團產(chǎn)量、質(zhì)量指標均有較大影響。生球質(zhì)量除了與鐵精礦的物理化學(xué)性質(zhì)(礦物組成、化學(xué)成分、表面親疏水性、粒度組成、顆粒形貌)有關(guān)外，還受黏結(jié)劑用量、造球工藝參數(shù)(赤鐵精礦水分、生球水分、造球時間、造球盤轉(zhuǎn)速)等因素的影響[12]。試驗將研究膨潤土用量、赤鐵精礦硅含量、造球工藝參數(shù)、赤鐵精礦比表面積對巴西赤鐵精礦成球性能的影響。

2.1 膨潤土用量對生球性能的影響

膨潤土用量(占原料的質(zhì)量分數(shù))對生球性能影響試驗固定赤鐵精礦水分為8.0%，造球過程中生球水分為9.5%，造球盤(φ1 000 mm)轉(zhuǎn)速為22 r/min，造球時間為12 min，膨潤土用量對生球落下強度和抗壓強度的影響見圖3、對生球爆裂溫度的影響見表8。

由圖3可見，隨著膨潤土用量的增加，生球的落下強度和抗壓強度呈先慢后快的上升趨勢。

由表8可見，隨著膨潤土用量的增加，生球的爆裂溫度呈先快后慢的下降趨勢。

圖3 膨潤土用量對生球落下強度和抗壓強度的影響Fig.3 Effects of bentonite dosage on drop strength and compressive strength of green pellets■—落下強度；◆—抗壓強度表8 膨潤土用量對生球爆裂溫度的影響Table 8 Effects of bentonite dosage on burst temperature of green pellets

膨潤土用量/%0.40.60.81.01.2爆裂溫度/℃456415406403398

結(jié)合球團生產(chǎn)的經(jīng)濟性，確定膨潤土用量為0.8%，對應(yīng)的生球落下強度為5.15次，抗壓強度為12.30 N，爆裂溫度為406 ℃，滿足《GB50491—2009》規(guī)定的落下強度大于5次、抗壓強度大于12 N、爆裂溫度高于400 ℃的要求。

2.2 赤鐵精礦硅含量對生球性能的影響

由于生球質(zhì)量與赤鐵精礦的化學(xué)成分密切相關(guān)，而硅是赤鐵精礦的主要化學(xué)成分之一，因此，有必要研究硅含量對生球性能的影響。試驗采用向巴西赤鐵精礦配加山西某高硅赤鐵礦強磁選尾礦的方式，調(diào)節(jié)試驗所用赤鐵精礦硅含量。試驗固定赤鐵精礦水分為8.0%，膨潤土用量為0.8%，造球過程中生球水分為9.5%，造球盤轉(zhuǎn)速為22 r/min，造球時間為12 min，赤鐵精礦硅含量對生球落下強度和抗壓強度的影響見圖4，赤鐵精礦硅含量所對應(yīng)的尾礦添加量(與精礦的質(zhì)量比)及其對生球爆裂溫度的影響見表9。

圖4 赤鐵精礦硅含量對生球落下 強度和抗壓強度的影響Fig.4 Effects of silicon content in hematite concentrate on drop strength and compressive strength of green pellets□—落下強度；■—抗壓強度表9 赤鐵精礦硅含量所對應(yīng)的尾礦添加量及 對生球爆裂溫度的影響Table 9 Effects of silicon content in hematite concentrate on burst temperature of green pellets

鐵尾礦添加量/%赤鐵精礦硅含量/%生球爆裂溫度/℃02.544031.53.504052.03.814102.23.934272.54.12406

由圖4可見，隨著赤鐵精礦硅含量的提高，生球的落下強度和抗壓強度提高。

由表9可見，隨著赤鐵精礦硅含量的提高，生球爆裂溫度先升后降。

綜合考慮，確定后續(xù)試驗赤鐵精礦的硅含量為3.93%，即添加與精礦質(zhì)量比為2.2%的鐵尾礦，對應(yīng)的爆裂溫度為427 ℃，落下強度為5.55次，抗壓強度為13.15 N。

2.3 赤鐵精礦水分對生球性能的影響

關(guān)于赤鐵精礦水分對生球性能的影響，通常認為，如果赤鐵精礦水分不足，則赤鐵精礦預(yù)先潤濕不夠，造球過程中新加入的水又難以在短時間內(nèi)充分潤濕赤鐵精礦，從而影響生球的強度。如果赤鐵精礦水分過高，則會顯著壓縮造球過程加水量，使得生球的成長過程較難控制。此外，赤鐵精礦水分過高，也容易使混合料發(fā)黏，一方面混合料難以呈細料分散狀態(tài)在小球上逐層黏附；另一方面料、球均容易黏盤，甚至出現(xiàn)球運動混亂現(xiàn)象。因此，造球過程需要控制適宜的赤鐵精礦水分。

赤鐵精礦水分對生球性能影響試驗固定膨潤土用量為0.8%，尾礦添加量為2.2%，造球過程中生球水分為9.5%，造球盤轉(zhuǎn)速為22 r/min，造球時間為12 min，赤鐵精礦水分對生球落下強度和抗壓強度的影響見圖5、對生球爆裂溫度的影響見表10。

圖5 赤鐵精礦水分對生球落下強度和抗壓強度的影響Fig.5 Effects of water content in hematite concentrate on drop strength and compressive strength of green pellets■—落下強度；◆—抗壓強度表10 赤鐵精礦水分對生球爆裂溫度的影響Table 10 Effects of water content in hematite concentrate on burst temperature of green pellets

赤鐵精礦水分/%7.007.257.507.758.00爆裂溫度/℃412419426432427

由圖5可見，隨著赤鐵精礦水分的增加，生球的落下強度和抗壓強度均呈先快后慢的上升趨勢。

由表10可見，隨著赤鐵精礦水分的增加，生球爆裂溫度先升后降。

綜合考慮，確定適宜的赤鐵精礦水分為8.0%。此時生球的落下強度和抗壓強度均達到最大，分別為5.55次和13.15 N，生球的爆裂溫度為427 ℃。

2.4 生球水分對生球性能的影響

生球水分對生球性能的影響較顯著。生球水分不足，生球內(nèi)部顆粒間的毛細力較小，不利于生球強度的提高；生球水分過高，塑性增強，在滾動過程中易發(fā)生變形，且球表面黏性增大，黏盤現(xiàn)象會導(dǎo)致生球滾動混亂，不利于造球過程的控制，嚴重時，致使重力水出現(xiàn)，進而導(dǎo)致成球過程無法進行。不同的赤鐵精礦具有不同的最佳生球水分，因此對巴西赤鐵精礦的最佳生球水分進行了研究。試驗固定膨潤土用量為0.8%，尾礦添加量為2.2%，赤鐵精礦水分為8.0%，造球盤轉(zhuǎn)速為22 r/min，造球時間為12 min，生球水分對生球落下強度和抗壓強度的影響見圖6、對生球爆裂溫度的影響見表11。

圖6 生球水分對生球落下強度和抗壓強度的影響Fig.6 Effect of moisture of green ball on drop strength and compressive strength of green pellets■—落下強度；◆—抗壓強度表11 生球水分對生球爆裂溫度的影響Table 11 Effect of moisture of green ball on burst temperature of green pellets

生球水分/%9.509.7510.0010.2510.50爆裂溫度/℃427422419415409

由圖6可見，生球水分由9.5%提高到10.5%，生球的落下強度呈先快后慢的上升趨勢；生球水分由9.5%提高到10.0%，生球的抗壓強度上升，繼續(xù)提高生球水分至10.5%，生球的抗壓強度下降。

由表11可見，隨著生球水分的上升，生球的爆裂溫度呈下降趨勢。

綜合考慮，確定造球過程中生球水分控制在10.0%，對應(yīng)的生球抗壓強度最高，為13.9 N，落下強度為5.9次，爆裂溫度為419 ℃。

2.5 造球時間對生球性能的影響

為了確保生球長大，并獲得足夠的強度，需要一定的造球時間。隨著造球時間的延長，生球緊密度增加，強度提高。但造球時間過長，一方面會導(dǎo)致生球結(jié)構(gòu)過于緊密，在干燥過程中，生球內(nèi)部蒸汽壓過大，容易引起生球爆裂，給生球的干燥帶來困難；另一方面會降低造球機的生產(chǎn)效率。因此，確定合理的造球時間十分重要。試驗固定膨潤土用量為0.8%，尾礦用量為2.2%，赤鐵精礦水分為8.0%，造球過程中生球水分為10.0%，造球盤轉(zhuǎn)速為22 r/min，造球時間對生球落下強度和抗壓強度的影響見圖7、對生球爆裂溫度的影響見表12。

圖7 造球時間對生球落下強度和抗壓強度的影響Fig.7 Drop strength and compressive strength of green pellets at different length of time for pelletizing■—落下強度；◆—抗壓強度

表12 造球時間對生球爆裂溫度的影響Table 12 Burst temperature of green pellets at different length of time for pelletizing

由圖7可見，隨著造球時間的延長，生球的落下強度和抗壓強度先顯著提高后提高緩慢。

由表12可見，隨著造球時間的延長，生球的爆裂溫度呈下降趨勢。

綜合考慮，確定造球時間為12 min，此時生球的落下強度5.9次，抗壓強度13.9 N，爆裂溫度419 ℃。

2.6 造球盤轉(zhuǎn)速對生球性能的影響

造球盤轉(zhuǎn)速對生球長大速率和質(zhì)量均有明顯影響。造球盤轉(zhuǎn)速過低，盤中物料不產(chǎn)生滾動或滾動不暢，嚴重影響物料上升的高度和盤面利用效率，從而不利于母球的生成和長大；造球盤轉(zhuǎn)速過快，物料的離心力過大，由于慣性作用，物料貼在盤邊和盤底隨盤轉(zhuǎn)動，而不產(chǎn)生滾動，從而惡化造球過程。因此，確定合適的造球盤轉(zhuǎn)速十分重要。試驗固定膨潤土用量為0.8%，尾礦用量為2.2%，赤鐵精礦水分為8.0%，造球過程中生球水分為10.0%，造球時間為12 min，造球盤轉(zhuǎn)速對生球落下強度和抗壓強度的影響見圖8、對生球爆裂溫度的影響見表13。

圖8 造球盤轉(zhuǎn)速對生球落下強度和抗壓強度的影響Fig.8 Drop strength and compressive strength of green pellets at different revolving speed of the plate■—落下強度；◆—抗壓強度

表13 造球盤轉(zhuǎn)速對生球爆裂溫度的影響Table 13 Burst temperature of green pellets at different revolving speed of the plate

由圖8可見，隨著造球盤轉(zhuǎn)速的提高，生球的落下強度先上升后下降，抗壓強度逐步提高。

由表13可見，隨著造球盤轉(zhuǎn)速的提高，生球的爆裂溫度逐漸下降。

綜合考慮，確定造球盤的轉(zhuǎn)速為22 r/min，生球的落下強度最高，達5.9次，此時的抗壓強度為13.9 N，爆裂溫度為419 ℃。

2.7 赤鐵精礦比表面積對生球性能的影響

根據(jù)國外球團廠的經(jīng)驗，鐵精礦比表面積每增加約500 cm2/g，生球的落下強度增加3次、抗壓強度增加1.5 N、成品率提高5個百分點[13]。因此，確定適宜的赤鐵精礦比表面積十分重要。試驗固定膨潤土用量為0.8%，尾礦用量為2.2%，赤鐵精礦水分為8.0%，造球過程中生球水分為10.0%，造球時間為12 min，造球盤的轉(zhuǎn)速為22 r/min，赤鐵精礦(含所加鐵尾礦)比表面積對生球落下強度和抗壓強度的影響見圖9、對生球爆裂溫度的影響見表14。

表14 赤鐵精礦比表面積對生球爆裂溫度的影響Table 14 Effect of hematite concentrate specific surface area on burst temperature of green pellets

圖9 赤鐵精礦比表面積對生球落下強度和抗壓強度的影響Fig.9 Effect of hematite concentrate specific surface area on drop strength and compressive strength of green pellets□—落下強度；■—抗壓強度

由圖9可見，隨著赤鐵精礦比表面積的增大，生球的落下強度和抗壓強度均提高。

由表14可見，隨著赤鐵精礦比表面積的增大，生球的爆裂溫度先微幅下降，后加速下降。

隨著赤鐵精礦比表面積的增大，細粒級含量的增加，生球毛細管直徑變小，毛細力增大，從而提高了鐵精礦的成球性能，同時顆粒粉碎后，在斷裂面出現(xiàn)不飽和鍵和帶電的結(jié)構(gòu)單元，使顆粒處于不穩(wěn)定的高能狀態(tài)，提高了其表面的吸附能力，從而使顆粒接觸更加緊密，但是粒度過細不利于水分的遷移，從而降低了生球的爆裂溫度。

綜合考慮，確定赤鐵精礦適宜的比表面積為1 768 cm2/g，此時生球落下強度6.8次，抗壓強度14.15 N，爆裂溫度427 ℃，滿足GB50491—2009要求。

3 結(jié) 論

(1) 巴西Carajas赤鐵精礦屬高鐵低硅以赤鐵礦為主的優(yōu)質(zhì)鐵精礦，顆粒形貌和成球性指數(shù)分析表明，該赤鐵精礦屬中等成球性鐵精礦。

(2) 試驗確定的適宜成球參數(shù)為：赤鐵精礦比表面積為1 768 cm2/g，膨潤土用量為0.8%，尾礦用量為2.2%(對應(yīng)的赤鐵精礦硅含量為3.93%)，赤鐵精礦水分為8.0%，造球過程中生球的水分為10.0%，造球時間為12 min，造球盤轉(zhuǎn)速為22 r/min，對應(yīng)的生球落下強度為6.8次，抗壓強度為14.15 N，爆裂溫度為427 ℃,滿足GB50491—2009標準要求。

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(責(zé)任編輯 羅主平)

Pelletizing Properties of Hematite Concentrate from Brazil

Wang Daijun

(ShougangInternationalEngineeringTechnologyCo.，Ltd.，Beijing100043，China)

The effects of content and properties of raw materials and pelletizing parameters on properties of green pellet were studied in order to determine the appropriate technology parameters for pelletizing of a Brazilian Carajas hematite concentrate with Fe grade of 67.45%,SiO2content of 2.54%, particle size of 95.72% passing -0.045 mm and specific surface area of 1 647 cm2/g as main raw material, the hematite tailings from Shanxi with Fe grade of 14.38%, SiO2content of 67.22%,particle size of 87.27% passing 0.045 mm and specific surface area of 1 698.85 cm2/g produced from high intensity magnetic separation as silicon agents, bentonite with water absorption rate of 436.01%, montmorillonite content of 62.22% and particle size of 99.4% 0.074 mm used as binder, with drop strength, compressive intensity, and burst temperature of green pellet as evaluating index. The result showed that the optimum conditions for pelletizing were hematite concentrate specific surface area of of 1 768 cm2/g, bentonite dosage of 0.8%, ratio of tailings to hematite concentrate of 2.2%, moisture content of hematite concentrate at 8.0%, moisture content of green pellet at 10.0% during pelletizing, pelletizing for 12 minutes, revolving speed of the plate at 22 r/min, and the corresponding dropping strength and compressive strength were 6.8 times and 14.15 N respectively with critical burst temperature of 427 ℃.

Hematite concentrate，Iron tailings，Bentonite，Pelletizing，Sphericity forming,Drop strength，Compressive strength，Burst temperature

2013-11-09

王代軍(1981—)，男，工程師，博士。

TF046.6

A

1001-1250(2014)-01-050-06