吳文斌

( 新興鑄管新疆有限公司)

0 前言

與普通球團(tuán)礦相比，含鎂球團(tuán)具有粒度均勻、強(qiáng)度高、能夠有效改善高爐料柱透氣性等明顯優(yōu)勢(shì)，因而在現(xiàn)代冶金工業(yè)中，將其作為實(shí)現(xiàn)高爐高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、低耗的一種優(yōu)質(zhì)爐料得到了迅速普及和應(yīng)用［1］。由于球團(tuán)礦性能對(duì)于高爐冶煉指標(biāo)和冶煉過(guò)程具有重要影響，強(qiáng)度作為球團(tuán)礦性能評(píng)價(jià)的關(guān)鍵指標(biāo)也越來(lái)越受到企業(yè)的關(guān)注。相對(duì)球團(tuán)礦技術(shù)較為成熟的北美國(guó)家來(lái)說(shuō)，我國(guó)球團(tuán)礦技術(shù)發(fā)展尚還有較大差距，究其原因主要是成品球團(tuán)礦的熱態(tài)性能不穩(wěn)定，對(duì)高爐煉鐵產(chǎn)生一定負(fù)面影響，基于此，對(duì)于球團(tuán)礦熱態(tài)參數(shù)的研究也越來(lái)越重要。

1 試驗(yàn)

1．1 試驗(yàn)原料

本試驗(yàn)選取了新興鑄管新疆公司2012年9月、2012年12月、2013年3月份生產(chǎn)的三批次球團(tuán)礦作為樣品，編碼依次為1#、2#、3#，球團(tuán)礦檢驗(yàn)指標(biāo)見表1。

表1 球團(tuán)礦檢驗(yàn)指標(biāo)

1．2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)的主要設(shè)備為X 射線衍射分析儀、掃描電子顯微鏡、能譜儀，采用了TPT － 3 型鐵礦石配礦特性試驗(yàn)裝置，其中涵蓋了紅外線快速高溫試驗(yàn)爐、溫度程序控制顯示儀、冷卻水控制器和相關(guān)的控制系統(tǒng)［2］。

1．3 實(shí)驗(yàn)方法

按球團(tuán)礦在高爐內(nèi)不同高度的溫度、氣氛和停留時(shí)間等條件，在實(shí)驗(yàn)室動(dòng)態(tài)模擬球團(tuán)礦在高爐內(nèi)的升溫還原變化過(guò)程。用水銀浸入法對(duì)球團(tuán)礦體積進(jìn)行測(cè)定，用游標(biāo)卡尺對(duì)球團(tuán)礦平均直徑進(jìn)行測(cè)定。

1)900 ℃恒溫還原實(shí)驗(yàn)，采用國(guó)標(biāo)GB/T13240－91 進(jìn)行測(cè)定。

2) 不同溫度條件下的恒溫還原膨脹試驗(yàn)。將事先準(zhǔn)備好的反應(yīng)管一次升溫到800 ℃、900 ℃、1000 ℃、1100 ℃，恒溫30 min，再通還原氣體恒溫1 h，之后將反應(yīng)管提出爐外，然后通入氮?dú)饫鋮s至100 ℃以下。

3) 熱模擬高爐內(nèi)不同高度條件的還原膨脹試驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)?zāi)M球團(tuán)礦在高爐內(nèi)的升溫速度以及氣氛條件，試樣在氮?dú)? 流量15 L/min) 保護(hù)條件下進(jìn)行升溫，當(dāng)溫度達(dá)到100 ℃時(shí)，通還原氣體CO( 流量15 L/min) ，待溫度達(dá)到預(yù)定溫度后，立刻改通氮?dú)饫鋮s至100 ℃以下［3］。爐料升溫速度結(jié)合高爐冶煉周期、高爐內(nèi)型數(shù)據(jù)以及不同高度的溫度場(chǎng)分布等情況進(jìn)行精確的計(jì)算確定。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2．1 還原膨脹

1)900 ℃恒溫還原膨脹試驗(yàn)分析。三批球團(tuán)礦900 ℃恒溫還原后的具體檢測(cè)情況見表2。

表2 球團(tuán)礦900 ℃恒溫還原后指標(biāo)

由表2 可以看出，1#球團(tuán)礦的還原膨脹屬于正常范圍，2#球團(tuán)相對(duì)較高，還原膨脹率平均達(dá)到了16．6%。3#球團(tuán)和1#球團(tuán)相近，還原膨脹率較低，其還原后球團(tuán)抗壓強(qiáng)度最高。三批球團(tuán)樣品中，1#、3#樣品900 ℃恒溫還原后指標(biāo)較好。

通常球團(tuán)礦膨脹的主要原因是Fe2O3還原成Fe3O4后發(fā)生晶格轉(zhuǎn)變?cè)斐傻?。?－ Fe2O3→γ －Fe2O3→Fe3O4的轉(zhuǎn)變過(guò)程中，其體積增加7．8% 左右，同時(shí)伴隨物理熱膨脹3% ，包括內(nèi)外部膨脹區(qū)域形成的膨脹差異導(dǎo)致的新的膨脹，綜合起來(lái)不高于20%。3#球團(tuán)從原來(lái)的浮氏體逐漸向金屬鐵還原時(shí)，這一環(huán)節(jié)主要是鐵離子擴(kuò)散起作用，金屬鐵主要以一種較為致密的層狀形態(tài)析出，即使還原度最高，也未造成體積增大，反而呈現(xiàn)出收縮的狀態(tài)，其還原后抗壓強(qiáng)度最高。

假如這一還原過(guò)程受到化學(xué)反應(yīng)的影響，金屬鐵將通過(guò)一種纖維狀、針狀鐵晶須形態(tài)進(jìn)行析出和長(zhǎng)大，從而造成球團(tuán)礦異常膨脹，一旦其膨脹率高于20%，將對(duì)高爐順行造成不利影響。通過(guò)對(duì)還原后的球團(tuán)礦進(jìn)行觀察，其表面大裂紋較少，僅有少數(shù)球存在，大部分球表面有0．2 mm 左右的微裂紋，分析認(rèn)為球團(tuán)礦處于900 ℃恒溫還原時(shí)，膨脹是因晶格的轉(zhuǎn)變所致，這一過(guò)程受鐵離子擴(kuò)散的控制。

2) 不同溫度條件下恒溫還原膨脹試驗(yàn)［4］。實(shí)驗(yàn)在不同溫度條件下對(duì)2#球團(tuán)進(jìn)行恒溫還原1 h，當(dāng)溫度處于800 ℃～1100 ℃這一范圍時(shí)，隨著溫度的逐漸提高，其體積膨脹開始的是增大的，之后逐漸降低，在900 ℃時(shí)達(dá)到峰值11．11% ，同時(shí)觀察表面發(fā)現(xiàn)明顯的裂紋和變形。隨著溫度繼續(xù)升高到1000 ℃以上時(shí)，發(fā)現(xiàn)球團(tuán)礦的還原膨脹率開始呈現(xiàn)出緩慢降低的趨勢(shì)。究其原因，主要是隨著溫度的不斷升高，所生成的金屬鐵核量也開始逐漸升高，與此同時(shí)擴(kuò)散能力也越來(lái)越強(qiáng)，導(dǎo)致各個(gè)方向上金屬鐵核成長(zhǎng)為較為致密的金屬鐵層。

3) 模擬高爐不同高度條件下球團(tuán)礦的還原膨脹。仍選取2#球團(tuán)進(jìn)行高爐內(nèi)的升溫速度以及氣氛條件的模擬實(shí)驗(yàn)，其升溫還原試驗(yàn)結(jié)果如圖1 和圖2 所示。

圖1 球團(tuán)礦體膨脹率和還原度的關(guān)系

圖2 球團(tuán)礦和還原度、還原速率以及溫度的關(guān)系

由圖1、圖2 可以看出，球團(tuán)礦如果在非等溫條件下進(jìn)行還原，它的膨脹率與處于等溫條件下相比，呈現(xiàn)出顯著減小的趨勢(shì)。

由圖中還可以看出，不同溫度下球團(tuán)礦的膨脹率與還原度、溫度呈現(xiàn)出一種凸形曲線關(guān)系，與最大膨脹率相對(duì)應(yīng)的溫度在550 ℃～650 ℃區(qū)間，大約600 ℃，還原度的值在20% ～40%之間，大約30%，此時(shí)的還原速率最大，而與最大膨脹率相對(duì)應(yīng)的抗壓強(qiáng)度卻最低。

當(dāng)溫度低于600 ℃時(shí)，球團(tuán)礦就會(huì)隨著溫度的逐步升高，在膨脹率上呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，當(dāng)溫度超過(guò)600 ℃時(shí)，隨著溫度的逐步升高，其膨脹率將呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)。這一階段的還原過(guò)程通常呈α－Fe2O3→γ － Fe2O3→Fe3O4→Fe 轉(zhuǎn)變這一趨勢(shì)。當(dāng)溫度超過(guò)900 ℃時(shí)，球團(tuán)礦體積呈現(xiàn)逐漸收縮態(tài)勢(shì)，隨著溫度的逐漸升高，收縮率也隨之不斷升高，到1100 ℃時(shí)，球團(tuán)礦的抗壓強(qiáng)度將達(dá)到700 N/球。這一還原過(guò)程α－Fe2O3→γ －Fe2O3→Fe3O4→FexO→Fe 轉(zhuǎn)變。隨著溫度的逐漸升高，球團(tuán)礦還原度將呈現(xiàn)出繼續(xù)升高的趨勢(shì)，同時(shí)FexO 還原成金屬鐵的量也會(huì)逐漸增多，體積隨之減少，膨脹率越來(lái)越低，而強(qiáng)度就會(huì)越來(lái)越高。

所以說(shuō)，鐵球團(tuán)礦膨脹的最主要原因是從六方晶格的赤鐵礦開始向立方晶格的磁鐵礦發(fā)生相變。從實(shí)踐看，酸性氧化球團(tuán)因晶形轉(zhuǎn)變而帶來(lái)的膨脹是不可避免的。

當(dāng)球團(tuán)礦在非等溫條件下，其還原膨脹率之所以逐漸減小是因?yàn)槌跏嫉倪€原溫度較低，形成Fe2+時(shí)溫度也比較低，由于Fe2+處在浮氏體內(nèi)擴(kuò)散非常緩慢，從而造成氣固相界面還原之后Fe2+出現(xiàn)大幅度增加，直到濃度過(guò)飽和而催生出新相，進(jìn)一步形成大量的金屬Fe 核，可有效消除少數(shù)點(diǎn)生成的鐵晶須進(jìn)行。與此同時(shí)，由于還原時(shí)間較長(zhǎng)，為磁鐵礦、浮氏體的均勻發(fā)展創(chuàng)造了有利條件。研究表明，當(dāng)升溫速度越慢時(shí)，其初始的溫度就會(huì)越低，相應(yīng)的還原膨脹率也會(huì)較低［5］。

2．2 熔滴性能

在實(shí)驗(yàn)室中制備了不同堿度的燒結(jié)礦，將其分別與球團(tuán)礦按一定比例配合成綜合爐料，設(shè)定綜合爐料的堿度為1．10，其方案見表3。不同比例的2#球團(tuán)礦與燒結(jié)礦綜合爐料熔滴性能見表4。

表3 綜合爐料的熔滴實(shí)驗(yàn)方案

表4 不同比例球團(tuán)礦爐料熔滴性能

由表3、表4 可以看出，在綜合爐料堿度一定的條件下，球團(tuán)礦配比在5% ～30%范圍內(nèi)，隨球團(tuán)配比增加，綜合爐料的熔滴性能呈現(xiàn)出變差的趨勢(shì)。

為了改善綜合爐料的熔滴性能，對(duì)普通球團(tuán)與含鎂球團(tuán)、含鈣球團(tuán)進(jìn)行了試驗(yàn)比較。實(shí)驗(yàn)中選取了含鎂、含鈣球團(tuán)礦與球團(tuán)礦在熔滴性能上進(jìn)行了分析比較，具體情況見表5。

表5 球團(tuán)礦熔滴性能

由表5 可以看出，普通球團(tuán)礦熔滴性能較差，會(huì)出現(xiàn)明顯的變形溫度，變形在10% ～50% 之間溫度都較低。當(dāng)添加一定量的鎂或者部分鈣后，其熔滴性獲有一定的改善。軟化變形溫度以及開始滴落溫度都在不同程度上提高。另外，實(shí)驗(yàn)還表明添加鎂的球團(tuán)軟化區(qū)間增寬，如果添加鈣，軟化區(qū)間也會(huì)增寬。

3 改善球團(tuán)礦性能對(duì)策

3．1 做好溫度控制，改善球團(tuán)礦膨脹率

球團(tuán)礦在800 ℃～1100 ℃的范圍內(nèi)進(jìn)行等溫還原時(shí)，隨著溫度的不斷上升，其體積膨脹率在初始的時(shí)候增大，之后又呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，其中在900 ℃時(shí)膨脹率達(dá)到最大。通過(guò)模擬球團(tuán)礦在高爐內(nèi)的升溫速度以及相應(yīng)還原氣氛條件下的反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)球團(tuán)礦膨脹率比在等溫條件下會(huì)出現(xiàn)較為明顯的減小。

3．2 添加氧化鎂或者氧化鈣熔劑，改善球團(tuán)礦熔滴性

球團(tuán)礦在剛開始出現(xiàn)軟化時(shí)溫度較低，收縮率4%時(shí)對(duì)應(yīng)溫度大約在970 ℃～1035 ℃的范圍內(nèi)，此時(shí)熔滴性能較差。有效的改善辦法是向球團(tuán)中添加部分氧化鎂，添加氧化鈣熔劑也是一種有效的方法，都能夠不同程度的改善球團(tuán)礦熔滴性。

3．3 生產(chǎn)以含鎂為主的球團(tuán)礦，降低還原膨脹率

在生產(chǎn)球團(tuán)礦時(shí)，可以考慮以含鎂球團(tuán)礦為主。該種球團(tuán)礦能夠有效降低還原膨脹率，同時(shí)也可以提高軟化溫度，從而為進(jìn)一步提高球團(tuán)礦在高爐中的使用比例創(chuàng)造有利條件。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，爐料的結(jié)構(gòu)優(yōu)劣對(duì)于高爐煉鐵多項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)都具有重要影響，對(duì)于大型鋼鐵企業(yè)來(lái)說(shuō)，需要借助自產(chǎn)的球團(tuán)礦，通過(guò)優(yōu)化爐料結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)自身競(jìng)爭(zhēng)水平的提高，因而球團(tuán)礦質(zhì)量就成為企業(yè)贏得競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵之一。在實(shí)際生產(chǎn)中，企業(yè)需要從控制膨脹率、提高軟化溫度等各個(gè)方面著手，不斷改善球團(tuán)礦熱態(tài)冶金性能，更好的滿足高爐生產(chǎn)的需要。

［1］方覺，龔瑞娟，趙立樹，孟輝．球團(tuán)礦氧化焙燒及還原過(guò)程中的強(qiáng)度變化［J］．鋼鐵，2007，42(2) :11 －13．

［2］李彩虹，方覺，時(shí)國(guó)松．宣鋼豎爐球團(tuán)礦強(qiáng)度變化規(guī)律［J］．河北理工大學(xué)學(xué)報(bào)( 自然科學(xué)版) ．2010(3) :29 －32．

［3］ZHANG Han －quan． Optim ization on Tech nical Fact ors of Pel let s Shaf t Roast ing in Daye［J］Researchon Iron and St eel，2002(4) :1 －4．

［4］趙威，王翠輕． 邯邢磁鐵礦精粉用作球團(tuán)礦原料的試驗(yàn)研究［J］．燒結(jié)球團(tuán)，2008，33(6) :11 －13．

［5］張玉柱，曹朝真，劉鵬君，李振國(guó)，尹海生．球團(tuán)用膨潤(rùn)土高溫焙燒活化改性試驗(yàn)［J］． 河北理工學(xué)院學(xué)報(bào)．2006，28( 2) : 11 －13，22．