胡 鵬，蔣 勝，譚陽杰，周 密，向紹紅

（1.攀鋼集團研究院有限公司,四川 攀枝花 617000；2.攀鋼集團西昌鋼釩有限公司,四川 西昌 615000；3.東北大學冶金學院,遼寧 沈陽 110819；4.攀枝花鋼城集團有限公司,四川 攀枝花 617000）

0 引言

隨著高爐煉鐵技術的進步，精料工作越來越受到重視，研究表明，酸性球團礦與高堿度燒結礦搭配，可以構成合理的高爐爐料結構，對高爐增產(chǎn)節(jié)焦、降低生產(chǎn)成本的效果顯著[1-2]。球團礦因強度高、粒度均勻、含鐵品位高、還原性好等優(yōu)點，在高爐煉鐵入爐爐料中所占比例呈不斷上升趨勢。通過文獻調(diào)研來看，世界先進的高爐煉鐵爐料結構球團礦比例一般為30%～50%，西歐部分高爐球團礦配比甚至已經(jīng)達到100%[3]。

攀鋼地處攀西地區(qū)，釩鈦磁鐵礦資源豐富，但由于鐵鈦緊密共生的特點，導致在燒結過程中生成較多的鈣鈦礦物相，使釩鈦燒結礦液相生成量不足、粘結相結構不合理，因此脆性大、強度差[4-5]，且隨著選礦技術進步，釩鈦磁鐵礦粒度越來越細，TFe 含量越來越高，SiO2含量越來越低，導致其更加適宜于走球團工藝生產(chǎn)路線，故攀鋼高爐球團礦配比逐步從20%左右提高至35%，隨著球團礦在爐料中比重增加，其質量的好壞，特別是抗壓強度的高低對高爐的影響越來越大。對攀鋼2020 年前幾個月的全釩鈦球團礦抗壓強度進行了檢測，其平均抗壓強度僅在1 600 N/個左右，遠低于國標要求的2 000 N/個以上，而且波動較大，導致高爐操作調(diào)整頻繁，對高爐爐況影響較大，為了保證高爐穩(wěn)定順行，特開展了提高全釩鈦球團礦抗壓強度技術研究與應用。

1 原料與研究方法

1.1 原料性質

試驗用釩鈦磁鐵礦取自攀枝花鋼城集團白馬球團廠配料倉。釩鈦磁鐵礦的主要化學成分及燒損量見表1，其粒度組成見表2。從表1 可以看出：該鐵精礦的TFe 含量較低，為55.22%，F(xiàn)eO 和TiO2含量較高，分別為29.46%和9.99%，屬于典型的高鈦型釩鈦磁鐵礦。表2 數(shù)據(jù)表明：釩鈦磁鐵礦精礦小于0.074 mm 粒級所占的質量分數(shù)為64.71%，相對于球團生產(chǎn)對含鐵原料的要求而言，該鐵精礦粒度較粗。

表1 釩鈦磁鐵礦樣品的主要化學成分及燒損Table 1 Main chemical composition and Ig of sample V-Ti magnetite %

表2 釩鈦磁鐵礦樣品的粒度組成Table 2 Size distribution of sample V-Ti magnetite %

1.2 粘結劑

試驗用粘結劑為膨潤土，同樣取自攀枝花鋼城集團球團廠，其化學組成和物料性能見表3 和表4。

表3 膨潤土的主要化學成分Table 3 Main chemical composition of bentonite %

表4 膨潤土的物理性能Table 4 Physical properties of bentonite

1.3 試驗方法

全部含鐵原料均經(jīng)過干燥箱進行烘干處理，烘干溫度105 ℃，烘干時間以其水分低于適宜混合料水分為準，一般要求水分控制在5%左右[6]。造球混合料采用人工配料和混勻，每次按稱取5 kg 釩鈦磁鐵礦，配加按比例計算好膨潤土（膨潤土外配2%），由于配料中僅使用了高鈦型釩鈦磁鐵精礦一種，故生產(chǎn)的球團為全釩鈦球團礦；其中潤磨采用d500 mm×500 mm 無極調(diào)速潤磨機對混合料進行處理，開展?jié)櫮︹C鈦球團礦性能影響試驗；生球的制備采用圓盤造球機，造球機直徑為1 000 mm，邊高250 mm，圓盤轉速23 r/min，傾角46°。固定造球時間為10 min，生球水分控制為適宜水分；造球完成后，選取直徑為10～12.5 mm 的生球分別測定其落下強度、抗壓強度，其余生球放入105 ℃烘箱進行干燥，直至水分脫除完全；取直徑為10～12.5 mm的干球進行預熱和焙燒，預熱和焙燒試驗是在豎式管狀電爐中進行，開展預熱及焙燒制度對釩鈦球團礦抗壓強度影響試驗研究；預熱和焙燒試驗完成后，將球團置于空氣中冷卻至室溫，然后通過球團礦抗壓強度儀測定球團的強度。

2 試驗結果及分析

2.1 潤磨對全釩鈦球團礦性能影響研究

潤磨是提高生球強度、降低膨潤土用量、改善成品球團礦質量的有效措施。國內(nèi)外許多球團廠都設有潤磨工藝，特別是粒度較粗、造球性能差的鐵精礦都需要經(jīng)過潤磨工序去提高造球性能。潤磨效果通常主要與潤磨時間、混合料水分、潤磨機轉速、料球比及填充率等因素有關。由于試驗室潤磨機屬于間歇排料，與工業(yè)生產(chǎn)潤磨機有一定差異，因此主要研究了潤磨時間對粒度組成、生球質量的影響。

潤磨時間對混合料粒度組成的影響見表5，混合料潤磨前后顆粒形貌見圖1，對生球質量的影響規(guī)律見圖2。從表5 和圖2 中可以看出：①隨著潤磨時間的延長，混合料粒度得到明顯改善，細粒級含量明顯增多，當潤磨時間從0 min 提高至3 min 后，小于0.074 mm 粒級由64.71%提高至70.92%，提高了6.21 個百分點；②潤磨后混合料單體顆粒粒度明顯細化，顆粒表面變粗糙，粘性增強，顆粒間互相粘附成團，已無明顯縫隙，大顆粒表明附著小顆粒數(shù)量明顯增多，原來相對明顯孤立的單體顆粒變成粗細搭配的堆料；③隨著潤磨時間的增加，生球強度明顯改善，主要原因在于通過潤磨的揉搓、擠壓作用，增加了礦物晶格缺陷，提高了礦物表面活性，增強了礦粒與粘結劑之間的作用力，從而提高了生球強度；④當潤磨時間從3 min 后繼續(xù)延長時，雖然小于0.074 mm 粒級含量提高幅度不大，但生球強度，特別是落下強度明顯提高，主要也在于隨著潤磨時間延長，物料塑性改善更加明顯所致。

圖2 潤磨時間對生球落下強度和抗壓強度的影響Fig.2 Effect of wet grinding time on wet knock and strength of green pellet

表5 潤磨時間對混合料粒度組成的影響Table 5 Effect of wet grinding time on size distribution of mixture

圖1 潤磨前后混合料顆粒形貌Fig.1 Particle morphology of mixture before and after wet grinding

2.2 預熱溫度和時間對抗壓強度的影響研究

預熱溫度和預熱時間對球團氧化率和抗壓強度影響的試驗結果見圖3、4。試驗過程中，焙燒溫度為1 280 ℃，焙燒時間為25 min。從圖中可以看出：①在其它試驗條件保持相同的情況下，預熱溫度在800～1 000 ℃范圍內(nèi)變化時，隨著預熱溫度的提高，球團的氧化率不斷增加，當預熱溫度大于900 ℃，預熱時間超過10 min 時，球團氧化率的增加幅度顯著降低，并趨于穩(wěn)定值，而預熱溫度小于900 ℃時，球團氧化率的增加幅度顯著降低并趨于穩(wěn)定值所需的時間大于15 min，當預熱時間為10 min，預熱溫度為800、850、900、950 ℃和1 000 ℃時，球團的氧化率分別為58.12%、69.18%、77.22%、81.56%和85.27%；②隨著預熱溫度的提高和預熱時間的延長，焙燒球團抗壓強度均呈現(xiàn)提高趨勢，從變化趨勢來看，當預熱時間為9 min，預熱溫度從800 ℃提高至900 ℃時，焙燒球抗壓強度提高了1 170 N/個，主要原因在于隨著預熱溫度升高，F(xiàn)e2O3晶粒進一步增多，晶粒變大，連晶也趨于緊密，而且新生的Fe2O3晶粒具有較強的遷移能力，促使了微晶長大，生成Fe2O3晶橋，使鐵礦顆粒相互連接，球團強度明顯提高[7]，繼續(xù)提高焙燒溫度抗壓強度提高幅度不大，當預熱溫度為900 ℃時，預熱時間由5 min 延長到7 min，焙燒球抗壓溫度提高了560 N/個，繼續(xù)延長預熱時間對焙燒球抗壓強度影響不大；③因此，釩鈦球團礦焙燒適宜的預熱溫度為900 ℃，預熱時間為7 min。

圖3 預熱溫度和預熱時間對球團氧化率的影響規(guī)律Fig.3 Effect of preheating temperature and time on pellet oxidation rate

圖4 預熱溫度和預熱時間對球團抗壓強度的影響規(guī)律Fig.4 Effect of preheating temperature and time on pellet strength

2.3 焙燒溫度和時間對抗壓強度的影響研究

焙燒溫度和焙燒時間對球團抗壓強度和FeO含量影響的試驗結果見圖5、6。試驗過程中，預熱溫度為900 ℃，預熱時間為7 min。從圖5、6 中可以看出：①球團礦抗壓強度與焙燒溫度和時間呈正相關，F(xiàn)eO 含量與焙燒溫度和時間呈負相關，其中焙燒溫度對抗壓強度和FeO 含量影響效果更加顯著，主要原因在于球團礦抗壓強度是由Fe3O4氧化而來的再生赤鐵礦晶粒的發(fā)展、連接起主要作用，提高焙燒溫度促進了球團內(nèi)各種物理化學反應，加速了Fe3O4向再生赤鐵礦的氧化轉化[8]；②隨著焙燒溫度的升高，球團礦的抗壓強度明顯升高，當焙燒溫度為1 150 ℃時，抗壓強度僅為1 725 N/個，未滿足高爐技術標準和用戶要求，當焙燒溫度大于1 180 ℃時，球團礦抗壓強度達到了2 000 N/個以上；③隨著焙燒時間的延長，球團礦的抗壓強度逐漸升高，球團礦的焙燒固結屬于固相固結，是通過表面層原子的擴散在晶粒接觸處形成連接橋，使顆粒互相粘結而固結，隨著焙燒時間的延長，F(xiàn)e2O3晶粒的連接趨于緊密，再結晶逐漸增加，從而提高了球團礦抗壓強度[9]；④球團礦中FeO 含量指標隨著焙燒溫度升高和時間的延長而逐漸降低，其原因在于隨著焙燒溫度升高和時間延長，球團的氧化速率逐漸升高，球團礦內(nèi)部的鈦磁鐵礦不斷的氧化成鈦赤鐵礦，從而降低了球團礦FeO 含量；⑤綜合以往實驗室研究的經(jīng)驗來看，由于現(xiàn)場物料穩(wěn)定性、混勻效果等因素無法做到與實驗室相同的水平，導致相同焙燒制度條件下球團礦的抗壓強度較實驗室研究結果低200 N/個以上，故釩鈦球團礦適宜的焙燒溫度應大于1 200 ℃，焙燒時間為25 min。

圖5 焙燒溫度對球團抗壓強度和FeO 含量的影響規(guī)律Fig.5 Effect of roasting temperature on strength and FeO content of pellet

圖6 焙燒時間對球團抗壓強度和FeO 含量的影響規(guī)律Fig.6 Effect of roasting time on strength and FeO content of pellet

對焙燒完成后直徑15 mm 左右的球團進行了微觀結構分析，發(fā)現(xiàn)焙燒后的全釩鈦球團礦有明顯的分層現(xiàn)象，從里到外可分為兩個層帶，見圖7，即外部帶（呈亮白色）、內(nèi)部帶（呈紅褐色），并且隨著焙燒溫度的升高，內(nèi)部帶的直徑逐漸減小，見表6，球團內(nèi)核的直徑越小，證明氧化固結反應越充分，球團的強度越高。對內(nèi)外兩個層帶進行了礦相結構分析，結果見圖8。從圖8 可以看出：①全釩鈦球團礦的微觀結構表明赤鐵礦依靠固相固結相互粘結在一起，形成了較為致密的基體；②但球團礦內(nèi)部帶物相分布不均，存在較大的夾雜，孔洞與裂縫的存在較為明顯，雖有利于還原，也導致了強度下降的問題，同時也可以看出赤鐵礦晶粒在內(nèi)部帶發(fā)育不夠徹底，即存在發(fā)育較好的清晰晶粒結構（紅框所示），也存在發(fā)育不良的大塊狀赤鐵礦（藍框所示），同時少量鈦鐵礦（L）也與大塊赤鐵礦相結合在一起；③球團礦外部帶的微觀形貌則明顯與內(nèi)部帶不同，其形貌更致密，孔洞更少，晶體發(fā)育也更完全，大塊的赤鐵礦較內(nèi)部帶明顯減少，同時出現(xiàn)了更多清晰的晶粒結構，大片硅酸鹽相也呈現(xiàn)了減少的趨勢。

圖7 全釩鈦球團宏觀形貌Fig.7 Macro-morphology of full V-Ti pellet

表6 不同焙燒溫度的內(nèi)部帶直徑Table 6 Inner band diameter of pellet after roasting at different temperatures

圖8 全釩鈦球團內(nèi)部帶和外部帶的微觀形貌Fig.8 Micro-morphology of the inner and outer band

3 工業(yè)應用及效果

3.1 提高球團礦抗壓強度的措施

3.1.1 增加潤磨設備，強化造球

在造球之前、強混之后增加一臺潤磨設備，對造球混合料進行潤磨處理，并控制潤磨時間≥4 min，對工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場應用潤磨設備前后的混合料粒度進行了篩分檢測，結果表明，造球混合料經(jīng)過潤磨后，小于0.074 mm 粒度部分達到71.69%，較磨前的66.64%提高了5.05 個百分點，隨著造球混合料粒度細化，球團致密性改善，更利于Fe2O3晶須之間的連接和再結晶，從而能夠提高球團礦抗壓強度。

3.1.2 優(yōu)化熱工制度

合理的熱工制度是保證球團礦質量的重要因素[10]，由于全釩鈦球團礦中高熔點物相較多，其預熱和焙燒溫度均較一般球團礦要高，但近幾年由于回轉窯結圈問題、成本壓力和產(chǎn)量要求，鋼城集團球團礦通過開展低溫焙燒技術攻關，將焙燒溫度從1 300 ℃降低至了1 150 ℃，雖然結圈現(xiàn)象和工序能耗明顯改善，但球團礦抗壓強度僅為1 600 N/個，無法達到高爐入爐要求。因此，結合上述實驗室研究，對熱工制度進行了合理的優(yōu)化，優(yōu)化后的參數(shù)見表7。從表7 可以看出：工業(yè)上降低了鏈篦機機速和回轉窯轉速，提高了預熱段和焙燒段各段溫度，進一步提高全釩鈦球團礦氧化固結溫度和時間，從而能夠提高球團礦抗壓強度。

表7 鏈篦機-回轉窯熱工制度優(yōu)化情況Table 7 Optimization of grate kiln thermal system

3.1.3 深化氧化固結效果

高鈦型釩鈦磁鐵礦在焙燒過程中，磁鐵礦將被氧化成赤鐵礦，氧化過程為放熱反應，球團在氧化過程中伴隨結構的變化，氧化反應的過程也是球團礦強度增加的過程。因此，磁鐵礦在焙燒過程中能夠被充分氧化對于提高球團礦強度有明顯的好處，但在生產(chǎn)過程中對鏈篦機頭部、窯頭和環(huán)冷機尾部的球團樣品進行了FeO 分析，發(fā)現(xiàn)其FeO 含量明顯偏高，分別為16.62%、15.74%和6.25%，為此對生產(chǎn)過程進行了調(diào)整，加大了助燃風機閥門開度，提高了焙燒氣氛中氧含量，調(diào)整過后對三個部分的球團樣品再次進行了FeO 分析，結果分別為15.50%、13.91%和4.40%，較調(diào)整前明顯降低，從而有利于提高球團礦抗壓強度。

3.2 工業(yè)效果

通過上述工業(yè)應用，全釩鈦球團礦抗壓強度得到了顯著改善，對應用前后的球團礦抗壓強度進行了檢測分析，結果見圖9。從圖中可以看出，應用后球團礦抗壓強度明顯升高，達到1 989 N/個，較應用前提高了314 N/個，基本滿足了高爐入爐要求，且全釩鈦球團礦抗壓強度波動明顯減少，更利于保持高爐的穩(wěn)定生產(chǎn)。

圖9 工業(yè)應用前后抗壓強度變化情況Fig.9 Changes of compressive strength of pellet before and after technology optimization

4 結論

1）實驗室研究表明，工業(yè)現(xiàn)場用高鈦型釩鈦磁鐵精礦小于0.074 mm 粒級僅占64.71%，膨潤土小于0.074 mm 粒級為97.79%，均較粗，需要對其混合料進行潤磨處理，適宜的潤磨時間為3 min 以上；通過焙燒試驗發(fā)現(xiàn)，全釩鈦球團礦適宜的預熱溫度為900 ℃、預熱時間為7 min，焙燒溫度大于1 200 ℃，焙燒時間25 min。

2）全釩鈦球團礦主要由鈦鐵礦、磁鐵礦、硅酸鹽等物相構成，且存在明顯的內(nèi)外分層現(xiàn)象，內(nèi)部帶由于氧化固結不夠充分，導致物相分布不均，孔洞和裂縫明顯，從而降低了球團礦抗壓強度，故應盡量減小內(nèi)部帶直徑。

3）工業(yè)應用表明，通過增加潤磨設備后，造球混合料小于0.074 mm 粒級由66.64%提高至71.69%，降低鏈篦機機速和回轉窯轉速，預熱2 段溫度從850 ℃左右提高至900 ℃左右，焙燒溫度從1 150 ℃左右提高至1 220 ℃左右，全釩鈦球團礦抗壓強度從1 675 N/個提高到了1989 N/個。