曲旭東 李堅(jiān)毅 折 媛

(1. 新疆昕昊達(dá)礦業(yè)有限責(zé)任公司，2. 西安建筑科技大學(xué)冶金工程學(xué)院)

近年來(lái)，為落實(shí)鋼鐵工業(yè)綠色發(fā)展計(jì)劃，國(guó)家對(duì)鋼鐵企業(yè)在節(jié)能、降耗和減排等方面提出了更高的要求，鋼鐵企業(yè)超低排放改造工程需要在2025年底前基本完成[1-2]。在鋼鐵生產(chǎn)節(jié)能減排的背景下，球團(tuán)礦入爐比例逐年增加，這更需要球團(tuán)礦的質(zhì)量和冶金性能有更大程度的改善[3-4]。目前，礦價(jià)進(jìn)入低價(jià)新常態(tài)，在現(xiàn)階段國(guó)家《關(guān)于推進(jìn)實(shí)施鋼鐵行業(yè)超低排放的意見(jiàn)》政策要求下，可以預(yù)見(jiàn)未來(lái)球團(tuán)礦生產(chǎn)會(huì)迎來(lái)新的發(fā)展[5]。

高堿度燒結(jié)礦配加酸性球團(tuán)礦是當(dāng)前高爐煉鐵采用的主要爐料結(jié)構(gòu)模式[1]。但目前采用的普通酸性球團(tuán)礦存在還原膨脹率高、軟化溫度低等冶金性能較差的問(wèn)題，限制了球團(tuán)礦在爐料結(jié)構(gòu)中的配比，對(duì)高爐的順行產(chǎn)生了不利的影響[6-7]。研究表明，提高球團(tuán)礦的堿度可以有效改善球團(tuán)礦的還原膨脹率、軟熔性能，從而提高球團(tuán)礦的入爐比[8-10]。因此，發(fā)展熔劑性球團(tuán)對(duì)實(shí)現(xiàn)高爐煉鐵節(jié)能及清潔生產(chǎn)具有十分重要的意義。

目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)熔劑性球團(tuán)冶金性能的影響已做了大量的研究，但以石灰石調(diào)節(jié)堿度來(lái)系統(tǒng)研究熔劑性球團(tuán)性能的文獻(xiàn)并不多。因此，文章以石灰石調(diào)節(jié)堿度，開(kāi)展熔劑性球團(tuán)預(yù)熱焙燒實(shí)驗(yàn)研究，考察堿度對(duì)球團(tuán)預(yù)熱焙燒球抗壓強(qiáng)度及冶金性能的影響，探究適宜的預(yù)熱焙燒工藝參數(shù)，為昕昊達(dá)公司未來(lái)堿性球團(tuán)生產(chǎn)提供一定指導(dǎo)，以適應(yīng)于酒鋼高爐爐料的調(diào)整。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)原料為新疆昕昊達(dá)礦業(yè)有限責(zé)任公司使用的鐵礦粉、石灰石和膨潤(rùn)土。原料化學(xué)成分如表1所示，由化學(xué)分析可知：三種磁鐵精礦粉的品位不一，品位最高的鐵礦粉A達(dá)到67.37%，是較優(yōu)質(zhì)的球團(tuán)原料。原料化學(xué)成分及粒徑分布分別如表2和表3所示，礦粉A粒度最細(xì)，比表面積最大。實(shí)驗(yàn)用膨潤(rùn)土物理性能如表4所示，其膠質(zhì)價(jià)為99 mL/ (15 g)，2 h的吸水率為256%，膨脹指數(shù)為40 mL/ (2 g)。

表1 實(shí)驗(yàn)原料化學(xué)分析 %

表2 礦粉粒度分布

表3 石灰石粒徑分布 %

表4 膨潤(rùn)土物理性能指標(biāo)

鐵礦粉顆粒形貌如圖1所示。礦粉A顆粒大小不均勻，礦粉粒度相差較大，顆粒表面致密光滑，有顯著棱角，大顆粒表面附著有少量小顆粒；礦粉B顆粒表面較為光滑，黏附小顆粒較少，一定程度上減弱了礦粉的吸附固結(jié)效果；礦粉C顆粒大小差別較大，表面粗糙，有明顯層狀結(jié)構(gòu)，易黏附粉末狀礦粉，這與其比表面積較小的檢測(cè)結(jié)果相對(duì)應(yīng)。

圖1 鐵礦粉顆粒形貌

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

將礦粉A、礦粉B和礦粉C按一定比例混合均勻，配入1.8%的膨潤(rùn)土，并配加不同比例的石灰石用于圓盤造球，得到試驗(yàn)球團(tuán)樣品，原料配比見(jiàn)表5。

表5 配加熔劑堿性球團(tuán)造球原料配比

實(shí)驗(yàn)每次稱取5 kg混合物料在圓盤造球機(jī)上進(jìn)行造球。圓盤造球機(jī)的直徑為1 000 mm，邊高250 mm，傾角為45°，固定轉(zhuǎn)速為16 r/min。固定造球水分為8%，造球時(shí)間為12 min。造球終止后取直徑為10～12.5 mm的生球進(jìn)行落下強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的測(cè)試。在105 ℃的電熱鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)干燥合格生球(落下強(qiáng)度>3.5次/(0.5 m)、抗壓強(qiáng)度>10 N/個(gè))3 h。干燥后的球團(tuán)在高溫臥式管狀電阻爐內(nèi)進(jìn)行預(yù)熱和焙燒實(shí)驗(yàn)，測(cè)定預(yù)熱、焙燒后球團(tuán)的抗壓強(qiáng)度?？箟簭?qiáng)度以15個(gè)球團(tuán)樣品在球團(tuán)抗壓機(jī)下測(cè)定的平均值為準(zhǔn)。待焙燒后的球團(tuán)冷卻至室溫后，進(jìn)行冶金性能測(cè)定和礦相分析。

球團(tuán)礦還原膨脹指數(shù)測(cè)定采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13240-1991，鐵礦石還原度測(cè)定實(shí)驗(yàn)依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13241-91，使用的是西安建筑科技大學(xué)冶金工程實(shí)驗(yàn)室的焦炭、礦石綜合性能

測(cè)定儀。礦相分析由每種球團(tuán)礦中隨機(jī)取4個(gè)球，經(jīng)過(guò)磨制和拋光，制成光片試樣，利用上海長(zhǎng)方光學(xué)儀器廠生產(chǎn)的XPV-400E透反射偏光顯微鏡進(jìn)行礦相觀察。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 堿度對(duì)預(yù)熱球團(tuán)抗壓強(qiáng)度的影響

在不同預(yù)熱時(shí)間和不同預(yù)熱溫度條件下，堿度對(duì)預(yù)熱球團(tuán)抗壓強(qiáng)度的影響分別如圖2和圖3所示。隨著堿度的增大，球團(tuán)抗壓強(qiáng)度略有增大后減小，總體變化較小。主要是因?yàn)椋菏沂谇驁F(tuán)預(yù)熱過(guò)程中的分解需要吸收一定的熱量，熱量不足會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度下降；石灰石在分解過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生CO2氣體，形成空隙，導(dǎo)致球團(tuán)的致密程度下降，影響球團(tuán)的抗壓強(qiáng)度。

由圖2可知，當(dāng)堿度相同時(shí)，隨著預(yù)熱溫度提高，球團(tuán)抗壓強(qiáng)度均明顯增大。這是因?yàn)轭A(yù)熱溫度提高，可以加速固相擴(kuò)散反應(yīng)[11]，使得赤鐵礦的晶粒增多且變大，連晶更加緊密，鐵礦顆?；ハ噙B接，預(yù)熱球團(tuán)抗壓強(qiáng)度增大。預(yù)熱球抗壓強(qiáng)度越大越符合工藝要求，但溫度高于900 ℃時(shí)，磁鐵礦會(huì)形成液相，降低球團(tuán)氧化速度，因此合適的預(yù)熱溫度為900 ℃。

圖2 不同預(yù)熱溫度下堿度對(duì)預(yù)熱球抗壓強(qiáng)度的影響

由圖3可知，當(dāng)堿度相同時(shí)，隨著預(yù)熱時(shí)間延長(zhǎng)，球團(tuán)抗壓強(qiáng)度逐漸增大。這主要是因?yàn)榍驁F(tuán)內(nèi)部磁鐵礦氧化形成連接橋需要一定的時(shí)間，時(shí)間延長(zhǎng)可促進(jìn)赤鐵礦的晶粒分布更加均勻，且新生的赤鐵礦不斷發(fā)生固相擴(kuò)散反應(yīng)，增大了預(yù)熱球的抗壓強(qiáng)度。根據(jù)大型高爐生產(chǎn)工藝要求，預(yù)熱球抗壓強(qiáng)度需達(dá)到400 N，而球團(tuán)預(yù)熱是焙燒之前的過(guò)渡階段，過(guò)長(zhǎng)的時(shí)間會(huì)降低工藝熱效率，因此合適的預(yù)熱時(shí)間為18 min。

圖3 不同預(yù)熱時(shí)間下堿度對(duì)預(yù)熱球抗壓強(qiáng)度的影響

綜上所述，在預(yù)熱溫度900 ℃、預(yù)熱時(shí)間18 min條件下，預(yù)熱球團(tuán)抗壓強(qiáng)度最大可達(dá)到437.1 N/個(gè)。

2.2 堿度對(duì)焙燒球團(tuán)抗壓強(qiáng)度的影響

在不同焙燒時(shí)間和不同焙燒溫度條件下，堿度對(duì)焙燒球團(tuán)抗壓強(qiáng)度的影響分別如圖4和圖5所示。隨著堿度增大，焙燒球抗壓強(qiáng)度先增大后減小。石灰石增多，球團(tuán)礦中CaO和Fe2O3發(fā)生反應(yīng)，生成CaO·Fe2O3黏結(jié)相，有利于表面張力提高和固相質(zhì)點(diǎn)向接觸點(diǎn)或接觸面上擴(kuò)散，質(zhì)點(diǎn)間的接觸面積變大，球團(tuán)礦的氣孔率降低，球團(tuán)礦結(jié)構(gòu)更加致密。同時(shí)堿度增大使得赤鐵礦再結(jié)晶更加充分，晶粒增大，球團(tuán)抗壓強(qiáng)度升高。但隨著堿度進(jìn)一步增大，石灰石在高溫下分解會(huì)吸收一定的熱量，熱量不足會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度下降[12]。鐵酸鈣的含量過(guò)多時(shí)，過(guò)多的液相生成會(huì)阻礙Fe3+的遷移，F(xiàn)e2O3的再結(jié)晶受到限制，生成大量的硅酸鹽，促使球團(tuán)內(nèi)部孔隙增大形成氣孔，導(dǎo)致球團(tuán)的致密度下降，抗壓強(qiáng)度減小。

由圖4可知，當(dāng)堿度相同時(shí)，隨著焙燒溫度提高，焙燒球團(tuán)抗壓強(qiáng)度明顯增大。這是由于焙燒溫度升高，利于球團(tuán)氧化，赤鐵礦晶粒分布更加均勻，連晶變緊密，同時(shí)，球團(tuán)礦中CaO-Fe2O3生成量增多，質(zhì)點(diǎn)間接觸面積增大，球團(tuán)礦結(jié)構(gòu)更加致密。焙燒溫度的提高有利于磁鐵礦氧化程度的增大，但過(guò)高的焙燒溫度會(huì)使球團(tuán)礦粘連、降低焙燒球團(tuán)強(qiáng)度，而1 220 ℃完全滿足焙燒所需溫度，因此適宜的焙燒溫度應(yīng)在1 220 ℃左右。

圖4 不同焙燒溫度下堿度對(duì)焙燒球抗壓強(qiáng)度的影響

由圖5可知，當(dāng)堿度相同時(shí)，隨著焙燒時(shí)間延長(zhǎng)，焙燒球團(tuán)抗壓強(qiáng)度明顯增大。焙燒時(shí)間延長(zhǎng)，促進(jìn)了磁鐵礦的氧化，赤鐵礦的晶粒連接趨于緊密，再結(jié)晶鍵也逐漸增強(qiáng)，球團(tuán)的固結(jié)得到強(qiáng)化，降低了石灰石分解對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響。焙燒時(shí)間超過(guò)20 min后，焙燒球抗壓強(qiáng)度增大幅度逐漸減小。為提高整個(gè)工藝的熱效率，適宜的焙燒時(shí)間為20 min。

圖5 不同焙燒時(shí)間下堿度對(duì)焙燒球抗壓強(qiáng)度的影響

綜上所述，在焙燒溫度1 220 ℃、焙燒時(shí)間20 min條件下，焙燒球團(tuán)抗壓強(qiáng)度最大達(dá)到2 813.8 N/個(gè)。

2.3 堿度對(duì)球團(tuán)礦還原膨脹指數(shù)及還原度的影響

隨著球團(tuán)礦堿度增大，焙燒球還原膨脹指數(shù)逐漸降低，且均小于15%，最低為13.2%。隨著堿度增大，球團(tuán)還原度略微升高，其值均大于70%，最高為74.52%。不同堿度下球團(tuán)礦還原膨脹指數(shù)及還原度如表6所示。

表6 還原膨脹指數(shù)和還原度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

堿度小于0.6時(shí)，球團(tuán)生成含有不同比例的SiO2、CaO、Fe2O3玻璃質(zhì)渣相，這種渣相在還原過(guò)程中會(huì)生成低熔點(diǎn)橄欖石晶體，而低熔點(diǎn)橄欖石晶體對(duì)球團(tuán)還原過(guò)程的膨脹無(wú)抑制作用，故此時(shí)還原膨脹指數(shù)較大。

堿度增大至0.6以上，球團(tuán)在焙燒過(guò)程中除了會(huì)生成含有SiO2、CaO、Fe2O3的玻璃質(zhì)渣相，還會(huì)有鐵酸鈣生成。球團(tuán)在焙燒過(guò)程中，CaO的存在利于赤鐵礦結(jié)晶長(zhǎng)大。在鐵酸鈣還原過(guò)程中，鈣浮氏體表面生成金屬鐵層[13]，抑制了球團(tuán)進(jìn)一步膨脹，故此時(shí)還原膨脹指數(shù)降低。由于添加的石灰石在球團(tuán)預(yù)熱焙燒過(guò)程中不斷分解，球團(tuán)孔隙率隨著石灰石熔劑添加量增加而增大，球團(tuán)孔隙率上升，有利于還原氣體擴(kuò)散，同時(shí)球團(tuán)中出現(xiàn)較多易還原的鐵酸鈣，因此球團(tuán)還原度隨著堿度增大而升高。

2.4 堿度對(duì)球團(tuán)礦軟熔性能的影響

球團(tuán)礦的軟熔特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表7所示。隨著堿度的增加，球團(tuán)礦軟化開(kāi)始溫度和軟化終了溫度略微上升。這是因?yàn)槭沂奶砑涌梢孕纬梢走€原的鐵酸鈣，促進(jìn)球團(tuán)礦還原，產(chǎn)生較多熔點(diǎn)高的金屬鐵[14]。熔融性能的變化規(guī)律與軟化性能相似，隨著堿度增加，球團(tuán)還原過(guò)程中產(chǎn)生更多熔點(diǎn)相對(duì)較高的金屬鐵，球團(tuán)礦熔融開(kāi)始溫度和滴落溫度略微上升。

表7 球團(tuán)礦軟熔特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

軟化溫度區(qū)間及熔融溫度區(qū)間逐漸減小，軟化溫度區(qū)間由85 ℃減至69 ℃，熔融溫度區(qū)間由189 ℃減至169 ℃。說(shuō)明配加石灰石后，軟熔帶位置下移且厚度變薄，可以改善高爐冶煉時(shí)的透氣性，利于高爐順行。根據(jù)軟熔性能指標(biāo)數(shù)據(jù)對(duì)比，綜合考慮，試驗(yàn)四組球團(tuán)礦的最大壓差值都較小，符合高爐入爐原料要求。

2.5 堿度對(duì)球團(tuán)礦礦相結(jié)構(gòu)的影響

四組堿度的焙燒球團(tuán)礦礦相分析結(jié)果如圖6所示。

圖6 球團(tuán)礦顯微結(jié)構(gòu)照片

從圖6可以看出，球團(tuán)內(nèi)部主要由磁鐵礦、赤鐵礦、鐵酸鈣和硅酸鹽渣相組成。由圖6(a)可知，堿度為0.29時(shí)，球團(tuán)礦的礦相結(jié)構(gòu)不佳，孔洞較大，此時(shí)球團(tuán)強(qiáng)度降低，最終會(huì)影響到高爐冶煉的正常進(jìn)行。由圖6(b)可知，隨著堿度增加，球團(tuán)礦中赤鐵礦含量逐漸增多且結(jié)晶程度逐漸變強(qiáng)，晶鍵結(jié)晶良好，赤鐵礦晶粒出現(xiàn)輪廓，結(jié)構(gòu)力變強(qiáng)，孔洞明顯減少，球團(tuán)礦強(qiáng)度增大。由圖6(c)可知，磁鐵礦氧化生成的赤鐵礦增多，赤鐵礦結(jié)晶程度良好，晶粒輪廓明顯，晶鍵充分長(zhǎng)大幾乎連成一片，結(jié)構(gòu)力變強(qiáng)。球團(tuán)礦中CaO和Fe2O3發(fā)生反應(yīng)，使球團(tuán)礦結(jié)構(gòu)更加致密，降低了球團(tuán)礦的氣孔率，同時(shí)隨著堿度的升高，赤鐵礦再結(jié)晶更加充分，晶粒呈增大的趨勢(shì)，使球團(tuán)抗壓強(qiáng)度升高。說(shuō)明在堿度為0.8時(shí)，焙燒球團(tuán)的強(qiáng)度明顯改善。由圖6(d)可知，堿度為1.0時(shí)，球團(tuán)礦中赤鐵礦含量大，結(jié)構(gòu)相對(duì)致密。石灰石配比的增加產(chǎn)生了更多的CO2，使得氣孔增多，故還原后球團(tuán)強(qiáng)度相對(duì)堿度為0.8時(shí)要低一些。

3 結(jié)論

(1)隨著堿度由0.29增大至1.0，預(yù)熱球的抗壓強(qiáng)度變化較小，焙燒球抗壓強(qiáng)度先增大后減??；焙燒球還原膨脹特性指數(shù)逐漸下降，最低為13.2%；球團(tuán)還原度略微升高，最大為74.52%。

(2)隨著堿度的增加，球團(tuán)礦軟化開(kāi)始溫度和軟化終了溫度略微上升，軟化區(qū)間逐漸減小，熔融開(kāi)始溫度和滴落溫度略微上升，熔滴區(qū)間逐漸減小，且最大壓差值較?。磺驁F(tuán)礦中赤鐵礦及鐵酸鈣含量逐漸增多，堿度為0.8時(shí)，球團(tuán)礦中赤鐵礦及鐵酸鈣含量最多，結(jié)構(gòu)最致密。

(3)預(yù)熱過(guò)程適宜的工藝參數(shù)為：堿度0.8、預(yù)熱溫度900 ℃、預(yù)熱時(shí)間18 min，此條件下預(yù)熱球團(tuán)抗壓強(qiáng)度最大達(dá)到437.1 N/個(gè)；焙燒過(guò)程適宜的工藝參數(shù)為：堿度0.8、焙燒溫度1 220 ℃、焙燒時(shí)間20 min，此條件下焙燒球團(tuán)抗壓強(qiáng)度最大達(dá)到2 813.8 N/個(gè)。