張勇前 宋見峰 張濤濤 陸品發(fā)

(江蘇省沙鋼集團(tuán)有限公司煉鐵廠，江蘇 張家港 215625)

0 引言

在煉鐵工藝中，MgO的主要作用主要是調(diào)節(jié)高爐渣中的MgO/Al2O3，隨著高爐常態(tài)操作中的Al2O3含量高于15%，甚至達(dá)到17%～18%，高爐渣穩(wěn)定系數(shù)降低[1-3]。調(diào)節(jié)爐渣角度的最常用的辦法即調(diào)節(jié)高爐渣中的MgO含量。MgO的加入方式主要有兩種：1)來自燒結(jié)礦中的白云石、蛇紋石等；2)球團(tuán)礦中加入鎂。MgO在燒結(jié)工序中加入的好處在于，燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度，粒級和成品率都有提升；壞處在于，燒結(jié)也相溫度隨MgO增加而升高，白云石熱解和高溫礦化都需要大量的熱量，焦粉增加，從而導(dǎo)致燒結(jié)部分區(qū)域過熔，粘結(jié)相增加，燒結(jié)過程透氣性變差，垂直燒結(jié)速率降低，燒結(jié)利用系數(shù)降低，燒結(jié)礦的還原性變差。因此，在盡可能在不降低燒結(jié)質(zhì)量的情況下，將MgO配加到球團(tuán)礦中。

硼鎂鐵精礦是一種硼鎂鐵共生的復(fù)合礦，其中含有Fe2O3，F(xiàn)e3O4，MgO及B2O3，具有很高的利用價值[4,5]。以硼鎂鐵精粉擬用于鏈箅機(jī)-回轉(zhuǎn)窯的球團(tuán)生產(chǎn)為背景，通過實驗室造球參數(shù)、預(yù)熱參數(shù)、焙燒參數(shù)的摸索，為球團(tuán)生產(chǎn)提供必要的參數(shù)。

1 原料條件及基礎(chǔ)特性

1.1 硼鎂鐵精粉

球團(tuán)生產(chǎn)的首要環(huán)節(jié)是原料準(zhǔn)備，對其有三個重要的要求：一定的粒度組成、適宜的水分和均勻的化學(xué)性質(zhì)?；瘜W(xué)成分是球團(tuán)焙燒的基礎(chǔ)，試驗選擇單一硼鎂鐵礦進(jìn)行球團(tuán)制備工藝的摸索，其成分如表1所示。

表1 硼鎂鐵精粉質(zhì)量百分含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

硼鎂鐵礦主要以磁鐵礦為主，品位較低，TFe只有54.82%；自身高鎂，不需要再額外加含MgO熔劑；B2O3含量5.38%，硼含量高；SiO2較低，含量為3.88%；硫含量在0.962%，非常高。此鐵礦屬于高鎂高硼高硫低鐵低硅鐵礦。同時該鐵礦含鐵量波動<±0.3%，SiO2波動<0.2%。

礦粉的粒度組成在球團(tuán)生產(chǎn)中有嚴(yán)格的要求，給料粒度成為球團(tuán)生產(chǎn)的保證。粒度需要適中，若是粒度過粗，生球落下強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、爆裂溫度等性能及球團(tuán)轉(zhuǎn)鼓指數(shù)都受到嚴(yán)重的影響；而粒度細(xì)，有利于造球，但是生球較為密實，球團(tuán)干燥工序脫水困難，對爆裂指數(shù)影響較大。礦粉的比表面積是粒級的另一種表示形式，更好的反映了原料的成球性能。比表面積增大，生球的抗壓強(qiáng)度、落下強(qiáng)度和焙燒球團(tuán)抗壓強(qiáng)度都增大。但有一個臨界值，超過此臨界值，比表面積增大對生球抗壓強(qiáng)度不利。

表2 硼鎂鐵精粉粒級組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

硼鎂鐵精粉的粒度組成如表2所示，其<0.074 mm達(dá)到92.12%，大于90%，比表面積2 140 cm2/g，其值有些大，會對造球有些影響。

硼鎂鐵精粉主要礦物成分有磁鐵礦、硼鐵礦、硼鎂石、鎂橄欖石，沒有赤鐵礦，見圖1。

圖1 硼鎂鐵精粉主要礦物成分

1.2 膨潤土

在造球的過程中，需要加入膨潤土改善鐵精粉的成球性能，提高生球強(qiáng)度，最重要的提高爆裂溫度。膨潤土分鈣基和鈉基兩種，對其相關(guān)成分和物理化學(xué)性能進(jìn)行測試，測試結(jié)果如表3、表4，圖2所示。

表3 膨潤土化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

表4 膨潤土物理化學(xué)性質(zhì)

圖2 膨潤土物相組成

2 球團(tuán)焙燒工藝摸索試驗

2.1 造球性能

含鐵物料為100%硼鎂鐵礦，生球制備采用圓盤造球機(jī)，直徑800 mm，轉(zhuǎn)速18 r/min，傾角45°，將制備好的球團(tuán)進(jìn)行含水量，抗壓強(qiáng)度，落下強(qiáng)度，爆裂溫度試驗，且在105 ℃下進(jìn)行生球烘干，為球團(tuán)預(yù)熱-焙燒試驗進(jìn)行準(zhǔn)備。球團(tuán)焙燒試驗采用箱式氣氛爐摸索焙燒參數(shù)，再采用焙燒杯焙燒驗證的辦法。

首先對膨潤土適用量的試驗研究，實驗采用納基復(fù)合膨潤土，選擇的用量分別為0.8%，1.0%，1.5%，其造球性能結(jié)果如表5所示。

表5 硼鎂鐵精粉配加不同膨潤土含量下的造球性能指數(shù)

由于硼鎂鐵精礦粒度較細(xì)，比表面積大，所以其造球性能良好。在膨潤土配加0.8%～1.5%范圍內(nèi)，生球抗壓強(qiáng)度大于10 N/P、落下強(qiáng)度大于5次/0.5 m、爆裂溫度大于500℃，可以滿足球團(tuán)礦生產(chǎn)規(guī)范進(jìn)入鏈箅機(jī)-回轉(zhuǎn)窯的要求。因此，考慮生產(chǎn)工藝特點，膨潤土配加量選擇為0.8%～1.0%。

2.2 預(yù)熱參數(shù)確定

預(yù)熱過程的主要作用是排出干燥過程未排凈的少量水分、碳酸鹽分解、脫硫及進(jìn)行某些低溫固相反應(yīng)。本次預(yù)熱研究根據(jù)球團(tuán)的特點，選擇900 ℃、950 ℃兩個溫度，時間選擇10 min、20 min、30 min。試驗結(jié)果如表6所示。

表6 不同條件下預(yù)熱強(qiáng)度下的球團(tuán)抗壓強(qiáng)度

從預(yù)熱結(jié)果和分析討論來看，該種硼鎂鐵精礦粉具有良好的預(yù)熱效果，950 ℃預(yù)熱20 min以上，抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到500～700 N/P以上。從預(yù)熱參數(shù)上看，提高預(yù)熱溫度和延長預(yù)熱時間對于該種鐵精礦球團(tuán)的預(yù)熱性能有好處。

建議在鏈箅機(jī)的設(shè)計中，適當(dāng)延長預(yù)熱段，促進(jìn)初步再結(jié)晶，有利于減輕回轉(zhuǎn)窯的壓力。預(yù)熱制度為一段700 ℃預(yù)熱10 min，預(yù)熱二段提高到950 ℃溫度，預(yù)熱20 min。這樣可以使得預(yù)熱后的球團(tuán)滿足回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)的要求。

2.3 焙燒

球團(tuán)焙燒主要作用為鐵氧化物結(jié)晶和再結(jié)晶、晶粒長大、固相反應(yīng)以及產(chǎn)生低熔點化合物或共晶的熔化形成部分液相，使球團(tuán)礦體積收縮及組織致密化。本次焙燒試驗參數(shù)選擇1 100～1 280 ℃，時間10～30 min。在每次焙燒試驗結(jié)束后，都會進(jìn)行均熱，使球團(tuán)內(nèi)部晶粒長大，盡可能發(fā)育完整，礦物組成均勻化，消除部分內(nèi)應(yīng)力。均熱參數(shù)為1 100 ℃，20 min。預(yù)熱-焙燒制度及成品球抗壓強(qiáng)度如表7所示。

表7 硼鎂鐵精礦球團(tuán)礦焙燒實驗結(jié)果

球團(tuán)焙燒溫度是影響球團(tuán)礦固結(jié)的關(guān)鍵因素，有效的高溫?zé)崃繉τ谇驁F(tuán)礦的固相再結(jié)晶具有明顯的作用。全硼鎂鐵精礦粉球團(tuán)焙燒溫度對球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度的影響為：焙燒溫度的提高有利于球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度的改善。950 ℃預(yù)熱30 min條件下，當(dāng)焙燒溫度從1 100 ℃提高到1 250 ℃，焙燒10 min時，球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度從1 230 N/P提高到了3 915 N/P；950 ℃預(yù)熱30 min條件下，當(dāng)焙燒溫度從1 100 ℃提高到1 250 ℃，焙燒20 min時，球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度從1 290 N/P提高到了4 561 N/P；950 ℃預(yù)熱30 min條件下，當(dāng)焙燒溫度從1 100 ℃提高到1 250 ℃，焙燒30 min時，球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度從1 310 N/P提高到了4 928 N/P；950 ℃預(yù)熱30 min條件下，當(dāng)焙燒溫度提高到1 280 ℃，焙燒20～30 min時，球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度從4 928 N/P降低至3 718 N/P。從焙燒試驗來看，該種鐵精礦粉固相再結(jié)晶能力較強(qiáng)，焙燒溫度區(qū)間較寬，在焙燒溫度達(dá)到1 150～1 280 ℃時，一定的焙燒時間條件下球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度固相再結(jié)晶較好，抗壓強(qiáng)度達(dá)到2 500 N/P以上的要求。過高的焙燒溫度1 280 ℃、超過一定的焙燒時間，將出現(xiàn)少量液相，強(qiáng)度下降。由此，方案7、8較為合適，具體參數(shù)為950 ℃，預(yù)熱30 min，焙燒溫度1 200 ℃，焙燒20～30 min。

3 結(jié)果分析

全硼鎂精礦粉焙燒球團(tuán)物相分析XRD如圖3所示，由于礦物繁多，許多衍射線相互疊加，加之一些礦物含量很低，給分析帶來了一定難度。隨著溫度升高，反應(yīng)時間延長，從物相分析可以看出，逐漸發(fā)生Fe7O10(OH)2，MgBO2(OH)分解反應(yīng)生產(chǎn)Fe3O4，F(xiàn)e3O4峰逐漸增強(qiáng)。

圖3 全硼鎂鐵精礦粉焙燒后XRD圖

全硼鎂精粉焙燒球團(tuán)成分中FeO含量較高，預(yù)熱950 ℃，30 min，焙燒1 200 ℃，20 min球團(tuán)中FeO含量1.50%。可能是因為球團(tuán)焙燒過程中，焙燒氣氛O2含量過低，但是后來經(jīng)試驗，當(dāng)O2達(dá)到18%以上，F(xiàn)eO含量還是1.5%左右。從此可見，球團(tuán)FeO含量高，與焙燒氣氛關(guān)系不明顯。從固結(jié)機(jī)理分析，硼鎂鐵精粉中含硼礦物大部分皆以低熔點復(fù)雜化合物或固溶體存在，礦粉中含硼5.38%，含量高，分散度也高，若在某一微區(qū)達(dá)到富集，在1 200 ℃時形成液相核心。另外硼離子熔入晶格中，降低焙燒活化能。B2O3半徑很小(B3+，0.10A)，很容易熔入其他晶體的晶格中，根據(jù)結(jié)晶學(xué)相關(guān)理論，一種物質(zhì)熔入另一種物質(zhì)的晶格，會使其發(fā)生畸變，能力升高，使晶格活化，反應(yīng)的活化能降低。

磁鐵礦具有較多的空位缺陷，F(xiàn)e3O4比Fe2O3更易于與其它氧化物或尖晶石類氧化物形成固溶體。MgO·B2O3、CaO、B2O3等屬于尖晶石類，可與Fe3O4形成固溶體，圖3中的硼酸鎂就是典型的固熔體。固溶體增加，加之Fe3O4氧化，使由球團(tuán)表面到內(nèi)部存在一個氧的梯度，內(nèi)部氧分壓低，有利于FeO存在。

4 結(jié)語

本研究主要是對全硼鎂精粉球團(tuán)提供焙燒工藝參數(shù)，為球團(tuán)生產(chǎn)提供系統(tǒng)的理論依據(jù)。通過研究得到如下結(jié)論：

1)硼鎂鐵精礦屬于高鎂高硼高硫磁鐵礦，比表面積2 140 cm2/g，造球性能佳，膨潤土添加量應(yīng)在1%以下，增加膨潤土用量，會使生球更加密實，干燥段脫水困難，爆裂性能變差。

2)實驗室預(yù)熱焙燒最佳參數(shù)為：950 ℃，預(yù)熱30 min，焙燒溫度1 200 ℃，焙燒20～30 min，均熱1 100 ℃，20 min。在鏈箅機(jī)的生產(chǎn)設(shè)計中，適當(dāng)延長預(yù)熱段，促進(jìn)初步再結(jié)晶，有利于減輕回轉(zhuǎn)窯的壓力。

3)焙燒產(chǎn)物中FeO含量較高，并非因為焙燒氣氛O2不夠所致，主要原因為硼鎂鐵精礦低熔點復(fù)雜化合物較多，易形成液相，硼離子熔入晶格中，降低焙燒活化能。MgO·B2O3、CaO、B2O3等尖晶石類，與Fe3O4形成固溶體，固溶體增加，加之Fe3O4氧化，使由球團(tuán)表面到內(nèi)部存在一個氧的梯度，內(nèi)部氧分壓低，有利于FeO存在。多種因素造成含硼球團(tuán)中FeO含量較高。