黃柱成，呂麗麗，朱良柱，姜濤

（中南大學 資源加工與生物工程學院，湖南 長沙，410083）

新生Fe2O3對磁鐵精礦預熱球團強度的影響

黃柱成，呂麗麗，朱良柱，姜濤

（中南大學 資源加工與生物工程學院，湖南 長沙，410083）

據(jù)磁鐵精礦在空氣及氮氣氣氛中預熱的質量損失計算新生Fe2O3質量分數(shù)，研究預熱溫度、預熱時間對新生Fe2O3質量分數(shù)的影響和新生Fe2O3質量分數(shù)對磁鐵精礦預熱球團抗壓強度及轉鼓強度的影響。研究結果表明：提高預熱溫度，預熱球新生Fe2O3質量分數(shù)迅速增加，當Fe2O3質量分數(shù)超過50%后，其抗壓強度迅速提高（大于400 N/個）；同時，預熱球中新生Fe2O3由鄰近礦粒結晶向毗鄰的氧化物體間擴散遷移并形成Fe2O3連接橋，球團強度迅速提高。

磁鐵精礦；球團；預熱球強度；Fe2O3

中國鐵礦資源豐富，其資源儲量占世界第5位，其中，磁鐵礦儲量占已查明儲量的64%。近年來，鐵礦石供不應求，我國每年需進口大量鐵礦石，對外依存度高達50%以上，因此，研究磁鐵精礦利用的有效途徑對我國鋼鐵產業(yè)具有重大意義[1?3]。隨著現(xiàn)代高爐煉鐵的迅速發(fā)展，對爐料的要求也越來越高。實踐表明，高堿度燒結礦配加酸性球團礦是高爐煉鐵理想的爐料結構，而且球團礦是現(xiàn)代大規(guī)模生產直接還原鐵最重要的爐料，因此，球團礦在鋼鐵工業(yè)中的作用更加重要，已成為一種不可或缺的優(yōu)質冶金爐料。近年來，我國鋼鐵產能迅速擴大，球團礦需求持續(xù)快速增長。球團預熱是球團生產的必經階段，預熱效果直接影響著球團生產后續(xù)工藝的進行[4?5]。目前，人們對生球強度、預熱球強度和焙燒球強度進行了大量研究[6?10]，但是，對預熱球強度形成機理研究較少，特別是對預熱球強度形成過程進行系統(tǒng)、深入的研究較少。在此，本文作者對球團預熱過程及其強度形成機理進行基礎研究，力求為球團礦生產工藝研究及其參數(shù)優(yōu)化提供可靠依據(jù)。

1 磁鐵精礦球團預熱過程

1.1 磁鐵精礦球團氧化預熱過程

氧化氣氛下磁鐵精礦球團預熱過程包括4個階段。

（1） 干燥階段。溫度低于200 ℃，在干燥初期，磁鐵精礦球團毛細水減少，毛細管收縮，毛細力增大。在干燥后期，黏結劑在粒子間黏結力加大，因此，球團強度逐漸提高。

（2） 低溫預熱階段（200＜t＜600 ℃）。在此過程中，細粒礦物首先被氧化，鄰近的礦?？拷Y晶作用連接在一起，這一過程分為2個連續(xù)階段進行。

（3） 高溫預熱階段（t＞800 ℃）。新生的赤鐵礦晶格中原子具有很大的活性，不僅能在晶體內發(fā)生擴散，并且在毗鄰的氧化物晶體間也發(fā)生擴散遷移，在顆粒之間產生赤鐵礦連接橋。隨著原子的擴散和連接橋的形成，預熱球強度迅速提高。

（4） 高溫焙燒階段（t＞1 000 ℃）。氧化預熱溫度達到1 000 ℃，約95%的磁鐵礦氧化成新生的Fe2O3，并形成微晶鍵。在最佳焙燒制度下，一方面，殘存的磁鐵礦繼續(xù)氧化；另一方面，赤鐵礦晶粒擴散增強，并產生再結晶和聚晶長大，顆粒之間的空隙變圓，孔隙率下降，球團體積收縮，球團內顆粒連接成一個致密的整體，球團的強度大大提高。在球團預熱過程中，膨潤土逐漸失去層間水。在失水的同時，為了減緩因為水分消失而出現(xiàn)的體積空位，其纖維結構會相互靠攏，將鐵礦顆粒拉緊，增大了球團內部的范德華力，使球團體積出現(xiàn)一定程度的收縮。此外，失水后，球團內部形成了以膨潤土為膠結骨架的分子—纖維—分子呈三維態(tài)的網絡結構，每個鐵礦顆粒類似于晶體結構中的原子，而膨潤土則充當了晶鍵，使球團內部結構更加穩(wěn)定[11?13]。

1.2 磁鐵精礦球團在N2氣氛下預熱過程

在中性氣氛中，球團在干燥過程中脫除水分，碳酸鹽礦物進一步分解，并發(fā)生某些固相反應。由于不存在氧，脫硫反應不會發(fā)生。

2 原料性能與研究方法

2.1 原料性能與實驗設備

試驗所用原料為磁鐵精礦，其化學成分如表1所示，原礦粒度組成如表2所示。原礦中礦粒大于74 μm的質量分數(shù)占28.70%，粒度較大。試驗所用黏結劑為繁昌膨潤土，其化學成分（質量分數(shù)）如表3所示。

表1 磁鐵精礦主要化學成分（質量分數(shù)）Table 1 Main chemical composition of magnetite concentrate %

表2 磁鐵精礦粒度組成（質量分數(shù)）Table 2 Size composition of magnetite concentrate %

表3 膨潤土理化性能Table 3 Physical and chemical properties of bentonite

原礦經潤磨6 min后造球，潤磨采用直徑×長度為500 mm×500 mm無級調速潤磨機，轉速為35～40 r/min，介質充填率為12%，每次潤磨原料處理量均為7 kg。生球的制備在圓盤造球機上進行，生球檢測結果如表4所示。圓盤造球機主要技術參數(shù)如下：直徑為1 500 mm，轉速為25 r/min，傾角為49°，造球時每批料量為5 kg。成球后生球在100 ℃烘箱中干燥12 h以上。

表4 生球檢測結果Table 4 Detection results of green pellets

由表4可以看出：膨潤土質量分數(shù)較低時生球的落下強度較低，這是由于原礦粒度較粗，雖經過潤磨但造球時成球效果仍然不理想，落下強度偏低。因此，選取膨潤土質量分數(shù)為2.5%的生球進行干燥、預熱試驗。

預熱段試驗裝置如圖1所示。試驗爐可控溫、調節(jié)升溫速度，控制反應氣氛，氣體的氣流量控制在10 L/min。在夾層反應罐內層底部開孔，石英吊籃底部及四周打孔。試驗時先將反應罐溫度升至指定溫度并從反應罐夾層通入氣體，待穩(wěn)定后迅速將石英吊籃放入反應罐進行試驗，試驗結束后將石英吊籃迅速取出，并在空氣中冷卻。

圖1 磁鐵精礦預熱過程研究裝置Fig.1 Research apparatus for magnetite concentrate preheating

試驗結束后檢測預熱球的抗壓強度與轉鼓強度（耐磨強度）?？箟簭姸劝碔SO 4700—1996進行檢測，壓力機采用中南大學研制的ZQYC?智能抗壓測量儀。預熱球轉鼓強度的檢測方法為將400 g預熱球團放入轉鼓器（直徑×長度為200 mm×360 mm）中，以52 r/min的轉速轉1 min，鼓強強度指數(shù)為測試后顆粒粒徑大于5 mm的質量占總質量的質量分數(shù), 轉鼓強度指數(shù)越高，則球團耐磨性能越好。

2.2 磁鐵精礦氧化新生Fe2O3質量分數(shù)

通過對磁鐵精礦球團預熱過程的分析得知：在空氣預熱過程中影響球團質量的因素主要包括磁鐵礦氧化過程吸氧，結晶水進一步脫除，硫化物分解和氧化以及碳酸鹽分解。在中性氣氛預熱過程中，影響球團質量的因素主要包括結晶水進一步脫除及碳酸鹽分解。由于實驗用磁鐵精礦的硫含量很少，其影響可以忽略。因此，定義預熱球在氮氣中質量損失與空氣中質量損失之差為預熱球氧質量增量，即?m1。根據(jù)化學反應式（1）求得預熱球新生Fe2O3的質量，即?m2。

設球團預熱后質量為m3，定義（?m2/m3）×100%為新生Fe2O3的質量分數(shù)，它與預熱球團的氧化程度緊密相關。

3 試驗結果及討論

3.1 預熱條件對預熱球團新生Fe2O3質量分數(shù)的影響

3.1.1 預熱溫度對預熱球新生Fe2O3質量分數(shù)的影響

為研究預熱溫度對預熱球新生Fe2O3質量分數(shù)的影響，選擇膨潤土質量分數(shù)2.5%，預熱時間20 min條件下進行試驗。圖2所示為不同預熱溫度對新生Fe2O3質量分數(shù)的影響。

圖2 預熱溫度對Fe2O3質量分數(shù)的影響Fig.2 Effect of preheating temperature on mass fraction of neonatal Fe2O3

由圖2可以看出：隨著預熱溫度的升高，新生Fe2O3質量分數(shù)增加；在600～800 ℃，預熱球新生Fe2O3質量分數(shù)隨溫度變化最劇烈。這是由于溫度過低（＜600 ℃）時，球團氧化反應較緩慢；當溫度高于600 ℃時，球團氧化反應迅速進行；當溫度提高（＞800 ℃）時，顆粒表面基本上已氧化成Fe2O3，在球團表面形成較致密的氧化層使磁鐵礦顆粒內部氧化反應速度減小。

3.1.2 預熱時間對預熱球新生Fe2O3質量分數(shù)的影響

為研究預熱時間對預熱球新生Fe2O3質量分數(shù)的影響，選擇膨潤土質量分數(shù)2.5%，預熱溫度為800 ℃，改變預熱時間進行試驗。圖3所示為預熱時間對預熱球新生Fe2O3質量分數(shù)的影響。

圖3 預熱時間對新生Fe2O3質量分數(shù)的影響Fig.3 Effect of preheating time on mass fraction of neonatal Fe2O3

從圖3可以看出：隨著預熱時間的增加，新生Fe2O3質量分數(shù)迅速增加；而當預熱時間超過20 min后，新生Fe2O3質量分數(shù)提高速度變慢，說明在此溫度下再增加預熱時間，磁鐵精礦球團氧化的速度減小。即預熱時間可以在一定范圍內提高磁鐵精礦預熱球團的氧化程度，超過這個范圍時，預熱時間的增加對球團的氧化影響變小。

3.2 新生Fe2O3質量分數(shù)對預熱球強度的影響

當膨潤土質量分數(shù)2.5%時，不同預熱氣氛下預熱球抗壓強度隨溫度的變化如圖4所示。

圖4 不同預熱氣氛下預熱溫度對預熱球抗壓強度的影響Fig.4 Effect of preheating temperature on compressive strength of preheated pellets under different atmosphers

由圖4可以看出：在N2氣氛下，預熱球的抗壓強度隨溫度升高而稍提高，當預熱溫度為500 ℃時，抗壓強度為179 N；當預熱溫度為900 ℃時，抗壓強度為273 N；而在空氣中，預熱球的抗壓強度隨預熱溫度增加即預熱球中新生Fe2O3質量分數(shù)增加而增加，說明預熱球中新生Fe2O3對預熱球的抗壓強度有明顯影響。

當膨潤土質量分數(shù)為2.5%時，不同預熱氣氛下預熱球轉鼓強度隨溫度的變化如圖5所示。

圖5 不同預熱氣氛下預熱溫度對預熱球轉鼓強度的影響Fig.5 Effect of preheating temperature on drum strength of preheated pellets under different atmosphers

由圖5可以看出：N2氣氛比空氣氣氛下預熱球的轉鼓強度稍低，空氣氣氛中的預熱球轉鼓強度略高。這說明預熱球中新生Fe2O3對預熱球的轉鼓強度影響較小，即磁鐵精礦預熱球的轉鼓強度受預熱溫度、預熱時間影響較大，受預熱氣氛及預熱球的氧化影響較小。因此，以下只討論預熱球新生Fe2O3質量分數(shù)對預熱球抗壓強度的影響。

為研究預熱球團中新生Fe2O3質量分數(shù)對氧化預熱球強度的影響，取膨潤土質量分數(shù)為2.5%，預熱時間為20 min，改變預熱溫度進行試驗，預熱球不同新生Fe2O3質量分數(shù)對其在空氣氣氛下預熱后抗壓強度的影響如圖6所示。

由圖6可以看出：磁鐵精礦氧化預熱球團抗壓強度隨球團中新生Fe2O3質量分數(shù)增加而增加，預熱過程可以分為2個階段；當預熱球新生Fe2O3質量分數(shù)超過50%時，氧化預熱球的抗壓強度隨新生Fe2O3質量分數(shù)增加而急劇增加。

于800 ℃預熱不同時間時，新生Fe2O3質量分數(shù)對預熱球抗壓強度的影響見圖7。由圖7可以看出：在預熱溫度相同、改變預熱時間的試驗中，磁鐵精礦氧化預熱球團抗壓強度隨預熱球新生Fe2O3質量分數(shù)增加而增加；當預熱球新生Fe2O3質量分數(shù)超過50%

后，氧化預熱球的抗壓強度隨新生Fe2O3質量分數(shù)增加而急劇增加。圖8和圖9所示分別為預熱溫度為600℃與800 ℃時磁鐵精礦預熱球團的SEM照片。

圖6 預熱溫度升高時新生Fe2O3質量分數(shù)對預熱球抗壓強度的影響Fig.6 Effect of mass fraction of neonatal Fe2O3 at different temperatures on compressive strength of preheated pellets

圖7 于800 ℃預熱不同時間時新生Fe2O3質量分數(shù)對預熱球抗壓強度的影響Fig.7 Effect of mass fraction of neonatal Fe2O3 at 800 ℃with different time on drum strength of preheated pellets

圖8 預熱溫度為600 ℃預熱球SEM照片F(xiàn)ig.8 SEM image of pellets preheated at 600 ℃

圖9 預熱溫度為800 ℃預熱球SEM照片F(xiàn)ig.9 SEM image of pellets preheated at 800 ℃

圖8和圖9中：銀白色物質為新生Fe2O3，灰色物質為雜質，黑色為空洞。當預熱溫度600 ℃，預熱球中新生Fe2O3質量分數(shù)為19.15%，此時，球團內的礦物大多數(shù)還是以單顆粒存在，結晶還只發(fā)生在鄰近的礦粒之間（圖8）；當預熱溫度為800 ℃時，預熱球中新生Fe2O3質量分數(shù)為49.37%，此時，F(xiàn)e2O3結晶的方式已經發(fā)生改變，多數(shù)Fe2O3連接成片，相互連接較好，形成Fe2O3連接橋（圖9）。

由以上分析可以認為：盡管磁鐵精礦預熱球團抗壓強度受預熱溫度、預熱時間的影響，但是，對預熱球抗壓強度有本質影響的因素為預熱球團中新生Fe2O3質量分數(shù)。在本實驗中，當預熱球團中新生Fe2O3質量分數(shù)達到50%以后，其抗壓強度急劇增加。這是由于Fe2O3的質量分數(shù)為50%時，預熱球團中新生成Fe2O3結晶開始互連，球團中Fe2O3結晶方式由鄰近礦粒結晶連接轉變?yōu)榕彽难趸锝Y晶間擴散遷移并形成Fe2O3連接橋，從而Fe2O3使預球團抗壓強度迅速升高[14]。

4 結論

（1） 預熱溫度對預熱球中新生Fe2O3質量分數(shù)有很大影響，在600～800 ℃影響最劇烈；當預熱時間在一定范圍內時，可以迅速提高磁鐵精礦預熱球團的氧化程度，并有效提高球團強度。

（2） 磁鐵精礦在氧化預熱過程中經歷2個階段。當預熱球團中新生Fe2O3質量分數(shù)達到50%以后，其抗壓強度急劇增加，抗壓強度大于400 N/個。

（3） 當磁鐵精礦預熱球團中新生Fe2O3質量分數(shù)達50%時，預熱球團內新生Fe2O3由鄰近礦粒結晶連接轉向毗鄰的氧化物晶體間擴散遷移并形成Fe2O3連接橋，從而迅速提高球團強度。

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（編輯 陳燦華）

Effect of neonatal Fe2O3on preheated magnetite concentrate pellets strength

HUANG Zhu-cheng, Lü Li-li, ZHU Liang-zhu, JIANG Tao
（School of Mineral Processing and Bioengineering, Central South University, Changsha 410083, China）

The mass fraction of neonatal Fe2O3generated through the preheating process was calculated according to the mass loss of magnetite concentrate in air and neutral atmosphere. The effect of preheating temperature and time on the mass fraction of neonatal Fe2O3and the impact of neonatal Fe2O3mass fraction on compressive and drum strength of preheated pellets were discussed. The results show that improving the preheating temperature, the mass fraction of neonatal Fe2O3and compressive strength of the preheated pellets increase rapidly when the mass fraction of neonatal Fe2O3is more than 50%. Compressive strength is more than 400 N per pellet. The mode of neonatal Fe2O3crystallization is transformed from crystallize between adjoining mineral particles to diffusive migration between adjacent oxide and form Fe2O3connecting bridge, and the strength of preheated pellets increases rapidly.

magnetite concentrate; pellet; strength of preheated pellets; Fe2O3

TF521+.1

A

1672?7207（2011）05?1175?06

2010?03?01；

2010?06?22

國家杰出青年科學基金資助項目（50725416）

黃柱成（1964?），湖南寧鄉(xiāng)人，博士，教授，博士生導師，從事鋼鐵冶金、綜合利用等研究；電話：0731-88830542；E-mail：achuangcsu@126.com