范曉慧，謝路奔，甘敏，陳許玲，袁禮順

(中南大學(xué) 資源加工與生物工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410083)

高爐冶煉對(duì)爐渣化學(xué)成分有一定的要求[1-3]，當(dāng)爐渣堿度為1.0～1.2，Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13%～15%，MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%～12%時(shí)，爐渣的性能最佳，高爐能達(dá)到較好的冶煉效果[4-7]。礦石中MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)不足以提供爐渣所需的MgO，因此通常要往高爐爐料中添加含鎂熔劑。直接向高爐內(nèi)添加含鎂熔劑是不經(jīng)濟(jì)、不科學(xué)的，因?yàn)橹饕暮V熔劑白云石、菱鎂石加入高爐后，碳酸鹽分解吸熱，使高爐焦比明顯上升[8-10]。因此，MgO需要加入到燒結(jié)礦和球團(tuán)礦這2種熟料中再進(jìn)入高爐。生產(chǎn)低硅燒結(jié)礦時(shí)，一般控制 MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2.0%以下，這不能滿足高爐對(duì)MgO的需求。部分 MgO需要添加到球團(tuán)礦中。研究表明：含鎂球團(tuán)有很好的冶金性能[11-13]，但含鎂球團(tuán)具有難焙燒和強(qiáng)度差的特點(diǎn)，給工業(yè)生產(chǎn)帶來困難[14-15]，因此，對(duì)含鎂球團(tuán)的深入研究很有必要。

1 原料物化性能與研究方法

1.1 原料物化性能

原料物化性能見表1。試驗(yàn)采用2種有代表性的鐵精礦，磁鐵精礦和赤鐵精礦。2種鐵精礦鐵品位都比較高，除SiO2外其他雜質(zhì)含量較少；蛇紋石除MgO含量高外，SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)也達(dá)到了35.18%；MgO粉為分析純?cè)噭琈gO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98%；菱鎂石主要礦物為MgCO3，MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為45.82%；石灰石主要礦物為CaCO3，CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為52.02%。磁鐵精礦粒度低于0.074 mm的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到79%；赤鐵精礦粒度低于0.074 mm的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在80%以上；其他鈣、鎂添加劑粒度都較細(xì)，粒度低于0.074 mm的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在80%以上。

球團(tuán)粘結(jié)劑采用膨潤(rùn)土。膨潤(rùn)土物理性能較好，各指標(biāo)如下：膠質(zhì)價(jià)為100 mL/(15 g)，膨脹容為49.2 mL/g，2 h吸水率為510.3%，蒙脫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90.1%。

另外，采用硼砂作為含硼添加劑，分子式為Na2B4O7·10H2O。硼砂熔點(diǎn)低，熔點(diǎn)為741 ℃。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 球團(tuán)制備、焙燒的試驗(yàn)方法

造球試驗(yàn)是在圓盤造球機(jī)中進(jìn)行的，其主要技術(shù)參數(shù)為：圓盤直徑Ф=1 000 mm，轉(zhuǎn)速22 r/min，邊高h(yuǎn)=150 mm，傾角α=47°。預(yù)熱焙燒試驗(yàn)是在臥式管爐中進(jìn)行的，它由2個(gè)管爐對(duì)接而成；鐵鉻鋁絲電阻爐作預(yù)熱用，硅炭管電阻爐作焙燒用。將制備好的球團(tuán)干燥2 h后進(jìn)行預(yù)熱、焙燒試驗(yàn)，其條件為：在950 ℃下預(yù)熱10 min，在1 250 ℃下焙燒10 min。

1.2.2 離子擴(kuò)散的研究方法

將鐵礦石或鐵礦石與石灰石的混合物和MgO試劑分別在125 MPa的壓力下壓塊成型，并在1 300 ℃的溫度下焙燒10 h，煅燒后將團(tuán)塊進(jìn)行退火處理，然后將團(tuán)塊切片，并將橫斷面研磨、拋光成鏡面。將2個(gè)團(tuán)塊的鏡面緊密接觸制備成擴(kuò)散耦，如圖 1(a)所示。

將擴(kuò)散耦在1 300 ℃下焙燒1 h，冷卻后用樹脂固化，然后沿?cái)U(kuò)散方向進(jìn)行切片，研磨斷面并拋光。通過顯微鏡觀察圖1(b)中產(chǎn)物層研究離子的擴(kuò)散。

表1 原料的物化性能(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of materials %

圖1 擴(kuò)散耦示意圖Fig.1 Diffusion-coupling

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 含鎂球團(tuán)焙燒的特性

在膨潤(rùn)土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%的情況下，通過添加單一的含鎂添加劑來改變球團(tuán)MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)。MgO對(duì)磁鐵礦球團(tuán)預(yù)熱球和焙燒球強(qiáng)度的影響如圖2所示。由圖2可知：隨著MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，3種含鎂添加劑都使得磁鐵礦球團(tuán)預(yù)熱球和焙燒球強(qiáng)度降低。

圖2 MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)磁鐵精礦球團(tuán)預(yù)熱球和焙燒球強(qiáng)度的影響Fig.2 Influence of MgO on preheated and roasted magnetite pellets

MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)赤鐵礦球團(tuán)預(yù)熱球和焙燒球強(qiáng)度影響如圖3所示。從圖3可見：隨著MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，3種含鎂添加劑同樣使得赤鐵精礦球團(tuán)預(yù)熱球和焙燒球強(qiáng)度降低。

2.2 MgO影響球團(tuán)強(qiáng)度的原因

針對(duì)不加含鎂添加劑的低鎂球團(tuán)和添加含鎂添加劑的高鎂球團(tuán)，研究了2種球團(tuán)的顯微結(jié)構(gòu)，結(jié)果如圖4所示。由圖4可見：低鎂球團(tuán)中，球團(tuán)礦物組成比較單一，主要為赤鐵礦，且赤鐵礦結(jié)晶較好；而在高鎂球團(tuán)中生成了MgO·Fe2O3，并有未礦化的MgO，阻礙了赤鐵礦與赤鐵礦間的接觸，不利于結(jié)晶長(zhǎng)大，赤鐵礦晶粒細(xì)小。

圖3 MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)赤鐵精礦球團(tuán)預(yù)熱球和焙燒球強(qiáng)度的影響Fig.3 Influence of MgO content on preheated and roasted hematite pellets

2.3 強(qiáng)化含鎂球團(tuán)焙燒固結(jié)的措施

研究了添加含鈣和含硼添加劑對(duì)高鎂球團(tuán)強(qiáng)度的影響，結(jié)果如圖5和圖6所示。從圖5和圖6可見：對(duì)于MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.2%的磁鐵礦球團(tuán)，隨著堿度的提高，球團(tuán)的預(yù)熱球和焙燒球強(qiáng)度都是先升高后降低，在R=0.4～0.5時(shí)球團(tuán)焙燒強(qiáng)度達(dá)到最大值；隨著硼質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，球團(tuán)預(yù)熱球和焙燒球的強(qiáng)度都升高；當(dāng)硼砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.2%后，再繼續(xù)增加其質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)球團(tuán)預(yù)熱強(qiáng)度的提高不再明顯，當(dāng)硼質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0.2%提高到0.6%，球團(tuán)預(yù)熱球強(qiáng)度由540 N/個(gè)提高到560 N/個(gè)。

圖4 MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)球團(tuán)顯微結(jié)構(gòu)的影響Fig.4 Influence of MgO content on microstructure of pellets

圖5 堿度與球團(tuán)預(yù)熱球和焙燒球強(qiáng)度的關(guān)系Fig.5 Influence of basicity on preheated and roasted pellets

對(duì)于MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%的赤鐵礦球團(tuán)，隨著堿度的提高，球團(tuán)的預(yù)熱球強(qiáng)度和焙燒球強(qiáng)度也是先升高后降低，球團(tuán)焙燒強(qiáng)度同樣在堿度R=0.4～0.5時(shí)達(dá)到最大值。提高堿度對(duì)赤鐵礦球團(tuán)焙燒強(qiáng)度的提高效果明顯；當(dāng)赤鐵礦球團(tuán)堿度由0.1提高到0.4時(shí)，球團(tuán)強(qiáng)度提高了將近1.5 kN/個(gè)。隨著硼質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，球團(tuán)預(yù)熱球、焙燒球強(qiáng)度也都升高，當(dāng)硼質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0提高到0.6%時(shí)，球團(tuán)焙燒強(qiáng)度提高了700 N/個(gè)。

圖6 硼質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)球團(tuán)預(yù)熱球和焙燒球強(qiáng)度的影響Fig.6 Influence of boron content on preheated and roasted pellets

2.4 含鎂球團(tuán)焙燒固結(jié)強(qiáng)化的機(jī)理

為了分析含鈣和含硼添加劑對(duì)球團(tuán)礦強(qiáng)度的影響，分別針對(duì)磁鐵精礦和赤鐵精礦研究含鈣和含硼添加劑對(duì)球團(tuán)顯微結(jié)構(gòu)和離子擴(kuò)散的影響。

含鈣添加劑對(duì)球團(tuán)顯微結(jié)構(gòu)的影響如圖7所示。與圖4(b)和(d) 2種高鎂球團(tuán)顯微結(jié)構(gòu)相比，加入石灰石后，球團(tuán)礦中出現(xiàn)低熔點(diǎn)的礦物即鐵酸鈣，未礦化的 MgO消失，球團(tuán)赤鐵礦晶粒明顯有長(zhǎng)大且晶粒都交織在一起，此時(shí)球團(tuán)強(qiáng)度最好。

含硼添加劑對(duì)球團(tuán)顯微結(jié)構(gòu)如圖8所示。硼砂與鐵酸鈣一樣，熔點(diǎn)低，在焙燒過程中以液相形式存在。球團(tuán)中加入硼砂后，球團(tuán)赤鐵礦晶粒發(fā)育良好，赤鐵礦晶粒大且相互連成一片，MgO完全礦化，球團(tuán)中沒有出現(xiàn)未礦化的MgO。

圖7 堿度對(duì)球團(tuán)顯微結(jié)構(gòu)的影響Fig.7 Influence of basicity on microstructure of pellets

圖8 硼質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.6%時(shí)的球團(tuán)顯微結(jié)構(gòu)Fig.8 Microstructure of pellets with 0.6% of boron

圖9 堿度對(duì)離子擴(kuò)散的影響Fig.9 Influence of basicity on ionic diffusion

以石灰石為代表，將石灰石與鐵精礦混勻后，與MgO粉制成擴(kuò)散耦，研究了添加劑對(duì)離子擴(kuò)散的影響，結(jié)果見圖9。由圖9可知：添加了石灰石的擴(kuò)散耦產(chǎn)物層鐵酸鎂要比不添加時(shí)的厚。石灰石的加入促進(jìn)了Mg2+的擴(kuò)散，Mg2+遷移能力變強(qiáng)，能夠擴(kuò)散到更遠(yuǎn)的距離，有利于含鎂物質(zhì)的礦化。這對(duì)球團(tuán)強(qiáng)度的提高是有利的。

由圖7～9可知：含鈣和含硼添加劑通過加快Mg2+擴(kuò)散和促進(jìn)赤鐵礦晶粒聚集長(zhǎng)大以提高高鎂球團(tuán)強(qiáng)度。含鈣和含硼添加劑的加入，使得球團(tuán)在焙燒過程中生成低熔點(diǎn)物質(zhì)并以液相形式存在，在有液相存在時(shí)，Mg2+和Fe3+有更強(qiáng)的遷移能力，能夠擴(kuò)散到更遠(yuǎn)的距離，有利于含鎂熔劑的礦化和赤鐵礦晶粒的長(zhǎng)大。這對(duì)球團(tuán)強(qiáng)度的提高有促進(jìn)作用。

3 結(jié)論

(1) 分別以蛇紋石、MgO試劑、菱鎂石3種物質(zhì)作為含鎂添加劑，無論是赤鐵礦球團(tuán)還是磁鐵礦球團(tuán)，其預(yù)熱球和焙燒球強(qiáng)度都隨著 MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而降低。

(2) 隨堿度的升高，含鎂球團(tuán)預(yù)熱球和焙燒球強(qiáng)度先升高后降低，堿度在 0.4～0.5時(shí)球團(tuán)強(qiáng)度最大。隨著硼質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高，2種高鎂球團(tuán)預(yù)熱球和焙燒球強(qiáng)度都升高。

(3) 含鈣和含硼添加劑都可以使球團(tuán)在焙燒過程產(chǎn)生一定的液相。在有液相存在的情況下，Mg2+和Fe3+有更強(qiáng)的遷移能力，能夠擴(kuò)散到更遠(yuǎn)的距離，有利于含鎂熔劑的礦化和赤鐵礦晶粒的長(zhǎng)大。對(duì)球團(tuán)強(qiáng)度的提高有促進(jìn)作用。

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