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        還原回轉(zhuǎn)窯中的粉末黏結(jié)特性及其固結(jié)機(jī)理

        2018-01-18 06:45:35黃柱成沈雪華朱順偉鐘榮海漢合童中南大學(xué)資源加工與生物工程學(xué)院湖南長(zhǎng)沙410083
        金屬礦山 2018年1期
        關(guān)鍵詞:煤灰團(tuán)塊球團(tuán)

        黃柱成 沈雪華 朱順偉 鐘榮海 漢合童(中南大學(xué)資源加工與生物工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410083)

        還原回轉(zhuǎn)窯法生產(chǎn)直接還原鐵具有工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)費(fèi)用低、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),該工藝在天然氣缺乏但非焦煤資源豐富的國(guó)家得到了快速發(fā)展[1-2]。然而,還原回轉(zhuǎn)窯一直受到結(jié)圈現(xiàn)象的困擾,在生產(chǎn)過程中一旦發(fā)生結(jié)圈,輕則生產(chǎn)失常、產(chǎn)品質(zhì)量下降,重則導(dǎo)致無法繼續(xù)生產(chǎn)[3]。因此,回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈的防范與消除是煤基回轉(zhuǎn)窯工藝技術(shù)成功的關(guān)鍵,對(duì)其進(jìn)行研究具有重要意義。

        郭光新等[4]研究表明,還原回轉(zhuǎn)窯的結(jié)圈,其本質(zhì)是還原鐵礦石與煤灰在高溫作用下所形成的低熔點(diǎn)玻璃相呈環(huán)狀黏附在窯內(nèi)。葉匡吾等[5]認(rèn)為,粉末在窯內(nèi)的沉積速度隨著粉化率的增加而加快,小顆粒散落在窯壁表面,將作為結(jié)圈的支撐點(diǎn)。王中旨、澹臺(tái)恒心等[6-7]研究認(rèn)為,煤灰與磁性粉是煤基還原回轉(zhuǎn)窯結(jié)窯的物質(zhì)基礎(chǔ),為防止黏結(jié),要求原料具有良好的冷態(tài)和熱態(tài)抗粉碎強(qiáng)度和抗磨蝕性,以盡可能減少粉末。O.A.Mohamed[8]研究表明,當(dāng)窯壁上黏附大量粉末時(shí),通過固相黏結(jié)同樣可以發(fā)生較嚴(yán)重的結(jié)圈現(xiàn)象,對(duì)于某些熔點(diǎn)較高的粉末,固相黏結(jié)很可能是回轉(zhuǎn)窯產(chǎn)生結(jié)圈的主要原因。此外,J.A.Lepinski[9]研究表明,顆粒較細(xì)、密度較小的粉末易附著在窯壁上,當(dāng)受到料層內(nèi)還原性氣氛和窯內(nèi)氧化性氣氛交替作用時(shí),在氧化發(fā)熱和還原熔融作用下這些粉末發(fā)生黏結(jié),并產(chǎn)生低熔點(diǎn)的浮氏體組織。由此可見,爐料粉末容易黏附在窯壁上,形成固相黏結(jié),也容易形成低熔點(diǎn)物質(zhì),產(chǎn)生液相,形成液相黏結(jié)。

        粉末在回轉(zhuǎn)窯中產(chǎn)生液相的難易程度和固結(jié)強(qiáng)度大小決定了回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈形成的難易程度。因此,對(duì)爐料的粉末黏結(jié)特性進(jìn)行研究非常必要。目前,對(duì)于此方面的研究較少,研究者主要針對(duì)的是氧化窯粉末固結(jié)。范曉慧等[10]研究了焙燒時(shí)間及溫度對(duì)粉末固結(jié)強(qiáng)度的影響。司金鳳等[11]研究了煤粉對(duì)粉末固結(jié)強(qiáng)度和軟熔溫度的影響。前人對(duì)于還原過程結(jié)圈的研究主要從還原溫度和礦石、煤種等方面進(jìn)行分析[12-13],而對(duì)于還原過程中粉末黏結(jié)特性的研究還未見報(bào)道。

        以湖南某還原球團(tuán)廠的球團(tuán)粉末為對(duì)象,研究了粉末的軟熔特性及粉末固結(jié)強(qiáng)度的影響因素,并探究了粉末的固結(jié)機(jī)理。

        1 原料性能

        試驗(yàn)原料鐵礦粉、還原煤粉均取自湖南某還原球團(tuán)廠,還原煤粉和鐵礦粉按煤粉中固定碳質(zhì)量與鐵礦粉中全鐵質(zhì)量比0.3進(jìn)行配比,再加入與鐵礦粉和還原煤粉總質(zhì)量比為0~10%的還原煤煤灰,并充分混勻制成混合粉末,供后續(xù)試驗(yàn)用。鐵礦粉主要化學(xué)成分分析結(jié)果見表1,粒度篩析結(jié)果見表2,物相組成見表3;還原煤粉工業(yè)分析結(jié)果見表4,對(duì)應(yīng)的煤灰(煤灰的制備采用國(guó)標(biāo)GB/T212—2001所規(guī)定的步驟進(jìn)行)主要化學(xué)成分分析結(jié)果見表5,還原煤粉粒度篩析結(jié)果見表6。

        由表1可知,鐵礦粉品位較低,僅為31.77%,石英是其中的主要脈石礦物,SiO2含量達(dá)41.83%,Al2O3含量為4.58%,伴生元素有K、Ca、Mg等,有害元素S含量較低。

        表1 鐵礦粉主要化學(xué)成分分析結(jié)果Table 1 Main chemical composition of iron ore %

        表2 鐵礦粉粒度篩析結(jié)果Table 2 Granularity analysis results of iron ore

        表3 鐵礦粉礦物組成分析Table 3 Mineral phase analysis of iron ore %

        表4 還原煤粉工業(yè)分析結(jié)果Table 4 Proximate analysis of reduction coal powder %

        表5 對(duì)應(yīng)的煤灰主要化學(xué)成分分析結(jié)果Table 5 Main chemical composition of the corresponding coal powder %

        表6 還原煤粉粒度篩析結(jié)果Table 6 Granularity analysis results of reduction coal powder

        由表2可知,鐵礦粉的粒度較細(xì),-0.074 mm占85.1%。

        由表3可知,鐵礦粉中主要含鐵礦物為赤鐵礦;主要脈石礦物為石英,并伴生有絹云母、綠泥石及少量的長(zhǎng)石、方解石等礦物。

        由表4可知,還原煤中固定碳含量為56.67%,揮發(fā)分含量為32.01%,灰分含量為11.32%,為一種較好的還原劑。

        由表5可知,煤灰鐵含量為27.73%,SiO2、Al2O3及CaO含量均較高,S含量低。

        由表6可知,還原煤粉的粒度較細(xì),-0.074 mm占83.48%。

        2 研究方法

        試驗(yàn)包括粉末軟熔特性測(cè)定、固結(jié)強(qiáng)度測(cè)定及粉末固結(jié)機(jī)理分析等3個(gè)環(huán)節(jié)。

        2.1 粉末軟熔溫度測(cè)定

        依據(jù)GB/T 219—2008,采用長(zhǎng)沙友欣YX-HRD 3000型灰熔融性測(cè)試儀測(cè)定粉末熔融溫度。稱取一定質(zhì)量的混合粉末置于瓷舟中,加少量水潤(rùn)濕并調(diào)至可塑狀,然后在灰錐模具中擠壓成三角錐體。將制成的三角錐體置于灰錐托盤中,并放入灰熔融性測(cè)試儀中,按一定的升溫速度加熱,觀察其在不同氣氛下的形態(tài)變化,記錄其熔融特征溫度——變形溫度(DT)、軟化溫度(ST)及流動(dòng)溫度(FT)。

        2.2 粉末固結(jié)強(qiáng)度測(cè)定

        采用壓團(tuán)—焙燒法測(cè)定粉末黏結(jié)特性。稱取一定量混合粉末,添加與混合粉末質(zhì)量比為10%的水,混勻后置于φ10 mm×80 mm的壓團(tuán)模具中,在一定壓力下制成φ10 mm×10 mm團(tuán)塊(每組試驗(yàn)各8個(gè)團(tuán)塊),在105 ℃下干燥至水分完全脫除,取出置于干燥皿中冷卻至室溫,將冷卻后的團(tuán)塊放入瓷舟中,在臥式管爐中焙燒,焙燒開始前通N2排盡管爐內(nèi)的空氣,焙燒時(shí)通入CO,焙燒結(jié)束后通N2冷卻至室溫,檢測(cè)其抗壓強(qiáng)度(取8個(gè)團(tuán)塊的平均值),以此作為判斷粉末黏結(jié)特性的依據(jù)。焙燒試驗(yàn)裝置見圖1。

        圖1 焙燒試驗(yàn)裝置示意Fig.1 Principle diagram of the roasting test1—?dú)夤蓿?—放散閥;3—流量計(jì);4—?dú)怏w混合器;5—石英管;6—磁舟;7—團(tuán)塊;8—熱電偶;9—控制面板;10—加熱電阻器

        團(tuán)塊抗壓強(qiáng)度的檢測(cè)采用ISO4700—1996國(guó)際檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn),在ZQYC-10000NⅢ型智能球團(tuán)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)中進(jìn)行。

        2.3 粉末的固結(jié)機(jī)理分析

        對(duì)不同焙燒條件下的產(chǎn)物進(jìn)行XRD分析,以分析其固結(jié)機(jī)理。

        3 試驗(yàn)結(jié)果及討論

        3.1 粉末軟熔特性試驗(yàn)

        粉末高溫熔化,形成液相黏結(jié)對(duì)回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈具有重要影響,形成的液相越多,越容易造成回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈。因此,對(duì)粉末的軟熔特性進(jìn)行了研究,不同氣氛下煤灰配比對(duì)粉末熔融特性的影響見圖2~圖4。

        圖2 空氣氣氛下粉末熔融溫度Fig.2 Melting temperature of powder in air■—變形溫度;●—軟化溫度;▲—流動(dòng)溫度

        圖3 N2氣氛下粉末熔融溫度Fig.3 Melting temperature of powder in N2■—變形溫度;●—軟化溫度;▲—流動(dòng)溫度

        圖4 CO氣氛下粉末熔融溫度Fig.4 Melting temperature of powder in CO■—變形溫度;●—軟化溫度;▲—流動(dòng)溫度

        從圖2~圖4可知,摻加不同量煤灰的粉末在空氣氣氛下的變形、軟化及流動(dòng)溫度最高,在N2氣氛下次之,在CO氣氛下最低,表明還原氣氛越強(qiáng),粉末的軟熔溫度越低,越容易形成液相,進(jìn)而越容易形成結(jié)圈。

        無論在何種氣氛下,煤灰摻量增加,其熔融溫度均下降,煤灰中含有的11.30%的CaO和6.06%的Al2O3,當(dāng)粉末配加煤灰時(shí),混合粉末CaO含量明顯升高,而在有大量SiO2和CaO存在時(shí),Al2O3和FeO的存在將顯著降低粉末熔點(diǎn)。粉末中煤灰配比越高越容易產(chǎn)生液相黏結(jié),從而越容易使回轉(zhuǎn)窯形成結(jié)圈。

        3.2 粉末固結(jié)強(qiáng)度影響因素試驗(yàn)

        回轉(zhuǎn)窯還原過程形成的粉末包括球團(tuán)破裂形成的粉末和還原煤燃燒產(chǎn)生的煤灰,分別探究焙燒溫度、焙燒時(shí)間和煤灰配比對(duì)粉末固結(jié)強(qiáng)度的影響。

        3.2.1 焙燒溫度和時(shí)間對(duì)粉末固結(jié)強(qiáng)度的影響

        將未配加煤灰的粉末壓制成團(tuán)塊,烘干后置于臥式管爐內(nèi)焙燒,考察焙燒溫度和時(shí)間對(duì)粉末固結(jié)強(qiáng)度(以團(tuán)塊的抗壓強(qiáng)度表征)的影響,結(jié)果見圖5。

        圖5 焙燒時(shí)間和焙燒溫度對(duì)粉末固結(jié)強(qiáng)度的影響Fig.5 Effect of roast time and temperature on compression strength of powder■—950 ℃;●—1 000 ℃;▲—1 050 ℃

        由圖5可知,在相同焙燒時(shí)間條件下,焙燒溫度升高將導(dǎo)致粉末固結(jié)強(qiáng)度升高,表明在較高焙燒溫度下,粉末黏附在窯壁上更不易脫落。在相同焙燒溫度條件下,粉末固結(jié)強(qiáng)度與焙燒時(shí)間的關(guān)系較復(fù)雜:還原焙燒時(shí)間在10 min以內(nèi),粉末固結(jié)強(qiáng)度隨焙燒時(shí)間延長(zhǎng)而提高;焙燒時(shí)間在10~20 min,粉末固結(jié)強(qiáng)度隨焙燒時(shí)間延長(zhǎng)而降低;繼續(xù)延長(zhǎng)焙燒時(shí)間,粉末固結(jié)強(qiáng)度先升高后趨于平穩(wěn)。以焙燒溫度1 050 ℃為例,焙燒時(shí)間為10 min,團(tuán)塊的抗壓強(qiáng)度上升至 1 425 N/個(gè),隨后開始下降,焙燒時(shí)間為20 min時(shí),團(tuán)塊的抗壓強(qiáng)度降至最低的953 N/個(gè),然后開始上升,到30 min時(shí)為1 187 N/個(gè),此后再延長(zhǎng)焙燒時(shí)間,團(tuán)塊的抗壓強(qiáng)度上升不再顯著。

        3.2.2 煤灰配比對(duì)粉末固結(jié)強(qiáng)度的影響

        在焙燒時(shí)間為30 min時(shí),考察不同焙燒溫度下粉末中煤灰的摻量對(duì)粉末固結(jié)強(qiáng)度的影響,結(jié)果見圖6。

        圖6 煤灰配比對(duì)粉末固結(jié)強(qiáng)度的影響Fig.6 Effect of coal ash content on compression strength of powder■—950 ℃;●—1 000 ℃;▲—1 050 ℃

        由圖6可知,3個(gè)焙燒溫度下粉末固結(jié)強(qiáng)度隨煤灰摻量變化的趨勢(shì)基本一致,即粉末固結(jié)強(qiáng)度皆隨煤灰摻量的增加先顯著升高,在煤灰摻量升至3%以后升幅趨于平穩(wěn)。在煤灰摻量為3%,焙燒溫度為 1 050 ℃時(shí),粉末固結(jié)強(qiáng)度達(dá)1 411 N/個(gè)。

        在煤灰摻量為3%時(shí),焙燒時(shí)間與焙燒溫度對(duì)粉末固結(jié)強(qiáng)度的影響見圖7。

        圖7 焙燒時(shí)間和焙燒溫度對(duì)粉末固結(jié)強(qiáng)度的影響Fig.7 Effect of roast time and temperature on compression strength of powder■—950 ℃;●—1 000 ℃;▲—1 050 ℃

        由圖7可知,在煤灰摻量為3%時(shí)焙燒時(shí)間和焙燒溫度對(duì)粉末固結(jié)強(qiáng)度的影響與不摻加煤灰情況下的影響一致,焙燒溫度上升,粉末固結(jié)強(qiáng)度上升;焙燒時(shí)間延長(zhǎng),粉末固結(jié)強(qiáng)度的變化為上升—下降—上升;焙燒時(shí)間和焙燒溫度相同情況下,摻加3%的煤灰的粉末與不摻加煤灰的粉末相比,固結(jié)強(qiáng)度顯著提高。以焙燒溫度1 050 ℃為例,摻加3%的煤灰的粉末團(tuán)塊焙燒10、20、30 min的抗壓強(qiáng)度分別為1 673、1 166、1 411 N/個(gè),明顯高于未摻加煤灰的粉末團(tuán)塊。

        以上研究表明,煤灰對(duì)粉末黏結(jié)特性的影響顯著,摻加煤灰不但會(huì)使粉末的軟熔溫度下降,更易形成液相,還會(huì)使粉末固結(jié)強(qiáng)度上升。因此,煤灰的摻入,會(huì)大大增加還原回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈的可能性。

        3.3 粉末固結(jié)機(jī)理分析

        3.3.1 焙燒時(shí)間對(duì)粉末固結(jié)強(qiáng)度影響的機(jī)理分析

        根據(jù)粉末固結(jié)強(qiáng)度與焙燒時(shí)間的關(guān)系,對(duì)在 1 050 ℃條件下焙燒10、20、30 min的未加煤灰的球團(tuán)粉末進(jìn)行XRD分析,結(jié)果見圖8。

        圖8 不同焙燒時(shí)間下粉末XRD分析結(jié)果Fig.8 X-ray diffraction pattern of powder at different firing timeM—磁鐵礦;Q—石英;I—金屬鐵;F—鐵橄欖石

        由圖8可見,焙燒10 min的粉末中赤鐵礦已被完全還原為磁鐵礦,焙燒20 min時(shí)已有金屬鐵生成,焙燒30 min時(shí)磁鐵礦相基本消失,金屬鐵含量大增。

        粉末黏結(jié)強(qiáng)度與焙燒時(shí)間的關(guān)系涉及粉末固結(jié)及其還原過程2部分。粉末在還原焙燒過程中以固相固結(jié)為主,固體顆粒間以固體質(zhì)點(diǎn)擴(kuò)散方式發(fā)生反應(yīng),形成連接橋、化合物或固溶體,把固體顆粒相互連結(jié)起來。粉末在還原過程中以Fe2O3—Fe3O4—FeO—Fe過程分階段發(fā)生反應(yīng),其中Fe2O3—Fe3O4階段由于晶格常數(shù)變化較大,晶格間產(chǎn)生一定內(nèi)應(yīng)力,導(dǎo)致體系膨脹,而FeO到Fe階段將導(dǎo)致體積收縮。

        在焙燒初期,固相固結(jié)和還原過程對(duì)粉末強(qiáng)度均有影響,固相固結(jié)提高粉末固結(jié)強(qiáng)度,而還原過程導(dǎo)致粉末體積膨脹、強(qiáng)度降低,相比較而言,粉末固結(jié)強(qiáng)度受固相固結(jié)影響較大,因此,其強(qiáng)度呈升高趨勢(shì)。在焙燒中期,固相固結(jié)過程基本結(jié)束,還原膨脹效果開始顯現(xiàn),粉末固結(jié)強(qiáng)度迅速下降。焙燒一定時(shí)間后,F(xiàn)e2O3—Fe3O4—FeO階段基本結(jié)束,由于金屬鐵大量生成,粉末體積收縮,粉末固結(jié)強(qiáng)度提高。

        3.3.2灰分摻量對(duì)粉末固結(jié)強(qiáng)度影響的機(jī)理分析

        不同煤灰摻量情況下1 050 ℃下焙燒30 min的粉末的XRD分析結(jié)果見圖9。

        圖9 不同煤灰配比條件下粉末XRD分析結(jié)果Fig.9 X-ray diffraction pattern of powder at different ratio of coal ashQ—石英;I—金屬鐵;F—鐵橄欖石;A—鈣鐵輝石;B—磁綠泥石

        由圖9可知:煤灰摻量從0提高至3%,粉末中鐵橄欖石含量明顯增加,同時(shí)有鈣鐵輝石和磁綠泥石生成;繼續(xù)增加煤灰摻量至5%,粉末的成分與煤灰摻量為3%時(shí)的成分差不多。由此表明,摻加煤灰提高粉末固結(jié)強(qiáng)度的原因是加入的灰分與粉末反應(yīng)生成鐵橄欖石和鈣鐵輝石等物質(zhì),將周圍粉末黏結(jié)在一起,從而提高了粉末的固結(jié)強(qiáng)度,并且灰分加入量超過3%以后,鐵橄欖石等物質(zhì)的生成量基本不再增加,因而粉末的固結(jié)強(qiáng)度在灰分配比高于3%時(shí)趨于穩(wěn)定。

        3.3.3 溫度對(duì)粉末固結(jié)強(qiáng)度影響的機(jī)理分析

        煤灰摻量為3%的不同溫度下焙燒30 min的粉末的XRD圖譜見圖10。

        圖10 不同焙燒溫度下粉末XRD分析結(jié)果Fig.10 X-ray diffraction pattern of powder at different firing temperatureQ—石英;I—金屬鐵;F—鐵橄欖石;A—鈣鐵輝石;B—磁綠泥石;W—浮氏體

        由圖10可得,隨著焙燒溫度的升高,鐵橄欖石及鈣鐵輝石含量增加,新生成的物質(zhì)把粉末結(jié)合在一起,從而使粉末的固結(jié)強(qiáng)度增加。

        4 結(jié) 論

        (1)還原氣氛越強(qiáng),粉末的軟熔溫度越低,越容易形成液相;煤灰摻量增加,粉末的軟熔溫度下降,固結(jié)強(qiáng)度增加,液相更容易形成,因而更容易造成回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈。

        (2)焙燒溫度和煤灰摻量越高,粉末的固結(jié)強(qiáng)度越高,越易黏附固結(jié)在回轉(zhuǎn)窯窯壁上;隨著焙燒時(shí)間的延長(zhǎng),粉末的固結(jié)強(qiáng)度先顯著上升,再顯著下降,然后又上升。

        (3)焙燒時(shí)間延長(zhǎng),在焙燒初期,固相固結(jié)和還原同時(shí)進(jìn)行,粉末固結(jié)強(qiáng)度上升;在還原焙燒中期,固相固結(jié)過程基本結(jié)束,還原膨脹效果顯現(xiàn),粉末的固結(jié)強(qiáng)度迅速下降;在焙燒后期,F(xiàn)e2O3—Fe3O4—FeO階段基本結(jié)束,金屬鐵大量生成,粉末的體積收縮,其強(qiáng)度上升。溫度上升、煤灰摻量增加會(huì)促進(jìn)粉末形成鐵橄欖石和鈣鐵輝石等物質(zhì),使粉末顆粒間的固相黏結(jié)更緊密,導(dǎo)致粉末的固結(jié)強(qiáng)度上升。

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