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        硼鎂鐵精礦粉球團(tuán)工藝參數(shù)探索

        2020-11-18 07:38:12張勇前宋見峰張濤濤陸品發(fā)
        礦業(yè)工程 2020年4期

        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。

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