張志剛

(中冶北方(大連)工程技術(shù)有限公司，遼寧 大連 116600)

0 引言

釩鈦磁鐵礦不僅富含鐵元素，還伴生有釩、鈦、鉻等多種組分，具有較高的綜合利用價(jià)值[1]。我國釩鈦磁鐵礦資源儲量和開采量均達(dá)到全國鐵礦的第三位，但對于釩鈦磁鐵礦的高效利用，至今是諸多學(xué)者和鋼鐵企業(yè)亟待攻克的難題。諸多企業(yè)和學(xué)者[2-5]探究了將釩鈦磁鐵礦添加進(jìn)燒結(jié)礦，但是由于釩鈦磁鐵礦中的TiO2易與鈣質(zhì)熔劑反應(yīng)生成高熔點(diǎn)、脆性強(qiáng)的鈣鈦礦，劣化燒結(jié)礦低溫還原粉化性能[6, 7]。因此，需要探究適合釩鈦磁鐵礦的球團(tuán)制備工藝，特別是基于鏈箅機(jī)-回轉(zhuǎn)窯的高鈦型釩鈦球團(tuán)制備工藝。

目前，針對釩鈦磁鐵礦球團(tuán)氧化固結(jié)機(jī)理已有大量研究[8]，陳許玲[9-10]等人研究發(fā)現(xiàn)釩鈦磁鐵精礦球團(tuán)預(yù)熱時(shí)間比普通磁鐵精礦球團(tuán)長10 min、焙燒溫度高30 ℃。釩鈦磁鐵精礦中的磁鐵礦與鈦、鎂固熔，導(dǎo)致其氧化速率慢、預(yù)熱球氧化程度低，不利于球團(tuán)固結(jié)過程的Fe2O3結(jié)晶長大。儲滿生[11]等人研究發(fā)現(xiàn)高鉻型釩鈦磁鐵礦適宜的氧化焙燒條件為1 300 ℃，焙燒時(shí)間20 min，鐵鈦固溶體破壞了赤鐵礦再結(jié)晶的完整性，不利于形成大范圍連晶，同時(shí)，晶粒邊緣呈現(xiàn)尖角和毛刺狀，孔隙逐漸增加。張永康[12]采用55%釩鈦精礦(TFe 55.38%，TiO210.29%)搭配30%密地精礦(TFe 53.86%，TiO212.84%)和10%普通磁鐵礦(TFe 61.17%，SiO29.91%)以及5%高污混合料(TFe 65.92%，F(xiàn)eO 79.00%)進(jìn)行釩鈦球團(tuán)低溫焙燒實(shí)驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)將回轉(zhuǎn)窯焙燒溫度降到1 180 ℃，生產(chǎn)的氧化球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度可達(dá)到2 000 N以上，轉(zhuǎn)鼓指數(shù)大于93%，滿足高爐生產(chǎn)應(yīng)用要求。所有之前學(xué)者[13-16]的研究為基于鏈箅機(jī)-回轉(zhuǎn)窯的高鈦型釩鈦球團(tuán)生產(chǎn)制備工藝開發(fā)提供了良好支撐，由于高鈦型釩鈦磁鐵礦成礦機(jī)理復(fù)雜、選礦難度大和鐵鈦固熔共生等多方面因素制約，尚未有較系統(tǒng)的高鈦釩鈦球團(tuán)制備工藝應(yīng)用，相關(guān)研究對于實(shí)際生產(chǎn)過程中釩鈦磁鐵礦高壓輥磨和投籠實(shí)驗(yàn)等相關(guān)研究相對較少，因此，需針對高鈦型釩鈦磁鐵球團(tuán)應(yīng)用于鏈箅機(jī)-回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)體系進(jìn)行系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究。

通過高壓輥磨探究磨礦處理對高鈦型釩鈦磁鐵礦和普通磁精礦成球性能的改善效果；隨后通過實(shí)驗(yàn)室造球?qū)嶒?yàn)，探究了不同釩鈦磁鐵礦配比和不同磨礦壓力下球團(tuán)生球抗壓強(qiáng)度、落下次數(shù)和爆裂溫度的變化；然后通過實(shí)驗(yàn)室小型焙燒實(shí)驗(yàn)，探究了焙燒溫度和釩鈦磁鐵礦配比對于釩鈦球團(tuán)固結(jié)強(qiáng)度的影響，進(jìn)而確定了適宜的工業(yè)實(shí)驗(yàn)焙燒溫度。隨后對最佳的實(shí)驗(yàn)組進(jìn)行了工業(yè)投籠實(shí)驗(yàn)，并對投籠實(shí)驗(yàn)樣品球團(tuán)進(jìn)行了冶金性能實(shí)驗(yàn)。通過實(shí)驗(yàn)室模擬研究和工業(yè)試驗(yàn)相結(jié)合，探究了高鈦釩鈦球團(tuán)適宜的高壓輥磨壓力，適宜的焙燒溫度，為高鈦釩鈦球團(tuán)應(yīng)用于鏈箅機(jī)-回轉(zhuǎn)窯奠定了基礎(chǔ)，對促進(jìn)釩鈦磁鐵礦資源高效利用有參考意義。

1 試驗(yàn)原料與方法

1.1 試驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)共用到兩種磁鐵精粉，其中釩鈦精粉來自攀西地區(qū)，TFe為54.86%，TiO2為13.10%，屬高鈦型釩鈦磁鐵礦，其中鈦元素主要以鈦磁鐵礦的形式存在。普通精粉來自我國遼寧地區(qū)，TFe為65.27%，SiO2含量為5.36%，兩種磁精粉具體化學(xué)成分見表1。實(shí)驗(yàn)用膨潤土化學(xué)成分及基礎(chǔ)物性見表2，膨潤土中SiO2含量較高，達(dá)到57.56%，根據(jù)GB/T20973-2007冶金膨潤土質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)可知，實(shí)驗(yàn)用膨潤土吸藍(lán)量達(dá)到二級品標(biāo)準(zhǔn)，其余基礎(chǔ)物性較差。實(shí)驗(yàn)用原料的粒度組成采用Winner2000激光粒度分析儀測定，成球性指數(shù)根據(jù)最大分子水和最大毛細(xì)水計(jì)算得到。

表1 實(shí)驗(yàn)用鐵精粉化學(xué)成分及基礎(chǔ)物性分析 %

表2 實(shí)驗(yàn)用膨潤土化學(xué)成分及基礎(chǔ)物性分析

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及方法

釩鈦磁鐵礦球團(tuán)制備流程示意圖見圖1，首先進(jìn)行釩鈦磁鐵礦成球性能優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，通過使用輥磨裝置在2.0 MPa下進(jìn)行磨礦，通過對比兩種精礦粉磨礦前后比表面積、成球性指數(shù)和顯微結(jié)構(gòu)的變化，得出兩種礦粉的磨礦性能差異。按照表3實(shí)驗(yàn)方案配加膨潤土，實(shí)驗(yàn)方案按照現(xiàn)場實(shí)際生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)，固定膨潤土配比外配2.5%進(jìn)行，等同實(shí)際生產(chǎn)中的膨潤土消耗24.4 kg/t，采用混合機(jī)混勻后制備生球。然后進(jìn)行釩鈦磁鐵礦球團(tuán)生球性能研究，實(shí)驗(yàn)用圓盤造球機(jī)主要工藝參數(shù)：直徑Φ1 000 mm×200 mm，轉(zhuǎn)速25 r/min，傾角47°。每次造球共用混合料4 kg，造球時(shí)間控制在12 min，生球水分恒定在8.0±0.3%，完成造球后采用圓孔篩對生球進(jìn)行篩分，要求生球8～16 mm粒級占比超過90%。采用DZQYC-200/10000NⅢ智能球團(tuán)抗壓強(qiáng)度測試機(jī)和球團(tuán)落下裝置測量生球的抗壓強(qiáng)度和落下次數(shù)，要求生球抗壓強(qiáng)度大于10 N，生球落下強(qiáng)度大于5次。生球爆裂溫度依據(jù)GB/T 0322.6-2004標(biāo)準(zhǔn)動態(tài)測量。然后進(jìn)行釩鈦磁鐵礦球團(tuán)的焙燒實(shí)驗(yàn)，采用實(shí)驗(yàn)室豎式電爐和馬弗爐聯(lián)合模擬鏈箅機(jī)-回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)工況熱工制度，其中干燥、預(yù)熱溫度200～1 020 ℃。分別為鼓風(fēng)干燥段200 ℃，抽風(fēng)干燥段400 ℃，預(yù)熱1段700 ℃，預(yù)熱2段1 020 ℃，焙燒溫度按照實(shí)驗(yàn)方案對應(yīng)溫度測量，干燥、預(yù)熱、焙燒時(shí)間，模擬鏈箅機(jī)-回轉(zhuǎn)窯工藝，鼓風(fēng)干燥段1.9 min，抽風(fēng)干燥段4.7 min；預(yù)熱1段3.8 min；預(yù)熱2段7.5 min；焙燒時(shí)間為28 min，冷卻時(shí)間50 min。之后進(jìn)行按不同方案，將一定個(gè)數(shù)的生球裝入特制不銹鋼籠中，從輥式篩分布料機(jī)投入鏈箅機(jī)-回轉(zhuǎn)窯中進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)，最后對投籠得到的成品球團(tuán)進(jìn)行冶金性能實(shí)驗(yàn)。

圖1 釩鈦磁鐵礦球團(tuán)制備流程示意圖

表3 釩鈦磁鐵礦球團(tuán)制備實(shí)驗(yàn)方案

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 釩鈦磁鐵礦成球性能優(yōu)化

磨礦實(shí)驗(yàn)均采用2 MPa進(jìn)行高壓輥磨，高壓輥磨前后鐵礦粉的基礎(chǔ)物性見表4，其中-3 μm表征超細(xì)粉顆粒，超細(xì)粉可有效提高礦粉的粘附性能，改善顆粒間毛細(xì)作用力。-74μm為衡量礦粉粒度分布的標(biāo)準(zhǔn)。Dav表示礦粉顆粒群的平均粒徑，D50表示顆粒累計(jì)分布為50%的粒徑，對高壓輥磨前后的礦粉進(jìn)行了比表面積和成球性指數(shù)測量發(fā)現(xiàn)，普通精礦相較于釩鈦精礦更細(xì)被破碎細(xì)化，磨礦處理普通精礦比表面積增加20.07%，成球性指數(shù)提高0.4。釩鈦精礦比表面積增加9.03%，成球性指數(shù)提高0.3。由此可知磨礦處理顯著改善了礦粉的粒度分布，提高了礦粉中細(xì)粒級占比，可有效增加礦粉顆粒間的的靜電引力和與水之間的毛細(xì)作用力，改善礦粉的成球性能[17]。

表4 2 MPa高壓輥磨前后鐵礦粉基礎(chǔ)物性分析

通過SEM掃描電子顯微鏡對輥磨前后釩鈦磁鐵礦和普通磁鐵礦微觀形貌進(jìn)行了觀察，由圖2(a)、圖2(b)可知，高壓輥磨使高鈦型釩鈦磁鐵礦內(nèi)部大顆粒進(jìn)一步細(xì)化，并且可觀察到了高壓輥磨后的顆粒表面粘附有較多微細(xì)顆粒，這說明礦粉之間的靜電引力得到增強(qiáng)。由圖2(c)、圖2(d)可以看出，普通磁鐵礦通過高壓輥磨進(jìn)一步細(xì)化，可明顯觀察到了較多菱形不規(guī)則顆粒，礦石表面可觀察到較為清晰的紋理結(jié)構(gòu)。高壓輥磨處理減少了礦粉中大顆粒占比，提高了微細(xì)粉含量，優(yōu)化了礦粉的平均粒徑分布，因此改善了礦粉的成球性能[18]。

a-釩鈦磁鐵礦輥磨前形貌；b-釩鈦磁鐵礦輥磨后形貌c-普通磁鐵礦輥磨前形貌；d-普通磁鐵礦輥磨后形貌圖2 兩種磁鐵礦輥磨前后微觀形貌

2.2 不同釩鈦磁鐵礦精粉配比對生球性能的影響

不同高鈦型釩鈦磁鐵礦精粉配比對生球性能的影響見圖3，9個(gè)試樣的水分含量在5.98%和8.41%之間波動，水分含量與生球抗壓強(qiáng)度和落下次數(shù)呈現(xiàn)高度一致。隨著高鈦型釩鈦磁鐵礦配比增加，整體維持在9 N至12 N之間波動，強(qiáng)度變化幅度較小，其各實(shí)驗(yàn)組生球抗壓強(qiáng)度基本滿足大于10 N標(biāo)準(zhǔn)。釩鈦球團(tuán)生球落下次數(shù)相對較低，在2.7次和5.9次之間波動，隨著釩鈦磁鐵礦配比的增加，生球落下次數(shù)略微增加，輥磨后逐漸趨于穩(wěn)定，基于此可以得出配加90%釩鈦磁鐵礦實(shí)驗(yàn)組生球性能較好?？赡苁怯捎阝C鈦精粉相較于普通精礦SiO2含量相對更低，較少的石英脈石含量有助于提高礦粉顆粒間對毛細(xì)水粉粘附能力，從而使得球團(tuán)的塑性得到增強(qiáng)，礦粉顆粒間抗斷裂能力增強(qiáng)[19]。

圖3 釩鈦磁鐵礦球團(tuán)生球性能

不同高鈦型釩鈦磁鐵礦精粉配比對生球爆裂溫度影響見圖4，爆裂溫度與釩鈦精的配比相關(guān)性比較明顯。由圖4可見，爆裂溫度在釩鈦精粉配比增加的情況下，呈現(xiàn)下降趨勢，主要是由于隨著釩鈦精粉的增加，生球內(nèi)部礦粉顆粒對于水分的粘附能力降低，同時(shí)生球抗壓強(qiáng)度相對較高，球團(tuán)更為致密，干燥過程中，水蒸氣從生球顆粒的孔隙溢出難度增加，從而導(dǎo)致生球出現(xiàn)破裂現(xiàn)象。

圖4 釩鈦磁鐵礦球團(tuán)生球爆裂溫度

2.3 釩鈦磁鐵礦球團(tuán)焙燒固結(jié)性能研究

為進(jìn)一步確定釩鈦磁鐵礦配比對于球團(tuán)焙燒固結(jié)性能的影響，采用實(shí)驗(yàn)室豎爐和馬弗爐進(jìn)行了模擬焙燒實(shí)驗(yàn)，釩鈦磁鐵礦球團(tuán)抗壓強(qiáng)度見圖5，隨著焙燒溫度的升高，釩鈦球團(tuán)抗壓強(qiáng)度先增加后降低，但是實(shí)驗(yàn)室條件下，模擬鏈箅機(jī)-回轉(zhuǎn)窯工藝，焙燒時(shí)間較短，球團(tuán)連晶固結(jié)不充分，成品球抗壓強(qiáng)度最大僅達(dá)到1 450 N，但可以看出隨著高鈦型釩鈦磁鐵礦配比的增加，釩鈦球團(tuán)抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢。當(dāng)焙燒溫度為1 275 ℃抗壓強(qiáng)度最高，且全部大于1 120 N。由于1 250 ℃和1 300 ℃焙燒后球團(tuán)抗壓強(qiáng)度均較低，因此認(rèn)為高鈦型釩鈦磁鐵礦球團(tuán)適宜的焙燒溫度為1 275 ℃。根據(jù)前人的研究可知，釩鈦磁鐵礦氧化預(yù)熱過程，由于鈦磁鐵礦(Fe2.75Ti0.25O4)與磁鐵礦緊密嵌合[20]，阻礙了磁鐵礦的氧化，焙燒過程，F(xiàn)e2O3與鈦磁鐵礦氧化生成鈦赤鐵礦Fe2TiO5，鈦赤鐵礦嵌布在赤鐵礦周圍，阻礙了新生Fe2O3之間的連晶固結(jié)，從而使得釩鈦球團(tuán)抗壓強(qiáng)度相對較低[21]。

圖5 釩鈦磁鐵礦焙燒球團(tuán)抗壓強(qiáng)度

2.4 基于鏈箅機(jī)-回轉(zhuǎn)窯的釩鈦球團(tuán)投籠實(shí)驗(yàn)

為進(jìn)一步解析鏈箅機(jī)-回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)條件下，高鈦釩鈦球團(tuán)的固結(jié)性能，對各實(shí)驗(yàn)組球團(tuán)進(jìn)行了投籠實(shí)驗(yàn)，投籠實(shí)驗(yàn)鏈箅機(jī)-回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)參數(shù)見表5。其中釩鈦1-2焙燒溫度較低，窯中溫度僅為1 196 ℃。釩鈦2-2窯中溫度為1 270 ℃，釩鈦3-2窯中溫度為1 247 ℃。投籠實(shí)驗(yàn)釩鈦球團(tuán)抗壓強(qiáng)度見圖6，現(xiàn)場鏈箅機(jī)-回轉(zhuǎn)窯窯中溫度可到1 270 ℃，普通球團(tuán)抗壓強(qiáng)度可達(dá)到3 520 N，釩鈦球團(tuán)抗壓強(qiáng)度略低于普通球團(tuán)，隨著釩鈦磁鐵礦配比的逐漸增加，釩鈦磁鐵礦球團(tuán)抗壓強(qiáng)度呈先增加后降低，主要是由于釩鈦磁鐵礦配增加，球團(tuán)內(nèi)部新生Fe2O3連晶固結(jié)受周邊鈦赤鐵礦阻礙，破壞了赤鐵礦再結(jié)晶的完整性，不利于形成大范圍連晶，同時(shí)，晶粒邊緣呈現(xiàn)尖角和毛刺狀，孔隙逐漸增加[11]。并且較高焙燒溫度下，球團(tuán)連晶固結(jié)更加充分，這也再次證明了1 275 ℃條件下，釩鈦球團(tuán)強(qiáng)度較高[22]。

表5 投籠實(shí)驗(yàn)鏈箅機(jī)-回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)參數(shù)

圖6 釩鈦磁鐵礦球團(tuán)投籠樣品抗壓強(qiáng)度

2.5 釩鈦磁鐵礦配比對成品球團(tuán)冶金性能的影響

對高鈦型釩鈦磁鐵礦球團(tuán)投籠試驗(yàn)樣品中的釩鈦1-2和釩鈦3-2冶金性能實(shí)驗(yàn)，并結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)場高爐爐料結(jié)構(gòu)(釩鈦球團(tuán)12%+燒結(jié)礦82%塊礦6%)進(jìn)行了冶金性能實(shí)驗(yàn)。釩鈦磁鐵礦球團(tuán)投籠樣品冶金性能見表5，釩鈦3-2球團(tuán)還原性、還原膨脹性能和低溫還原粉化性能均優(yōu)于釩鈦1-2，其中釩鈦3-2還原性可達(dá)到81.1%，還原膨脹指數(shù)僅2.67%，低溫還原粉化指數(shù)為98.26%，還原性能較高。但是釩鈦3-2軟化區(qū)間相較于釩鈦1-2更寬，滴落溫度相對較高，因此實(shí)際應(yīng)用中適和與高堿度燒結(jié)礦聯(lián)合使用。按照生產(chǎn)現(xiàn)場高爐爐料結(jié)構(gòu)測試綜合爐料冶金性能發(fā)現(xiàn)，綜合爐料還原性為72.2%，低溫還原粉化指數(shù)為67.30%，燒結(jié)礦質(zhì)量相對較差，隨著含鐵球團(tuán)的配加，軟熔帶區(qū)間穩(wěn)定在1 026 ℃至1 402 ℃，高爐綜合爐料性能較為合理。

表6 釩鈦磁鐵礦球團(tuán)投籠樣品冶金性能

3 結(jié)語

1)釩鈦磁鐵礦適宜的高壓輥磨壓力為2.0 MPa，輥磨處理顯著提高了礦粉的比表面積和微細(xì)粉含量，改善了釩鈦磁鐵礦的成球性指數(shù)；生球抗壓強(qiáng)度隨釩鈦磁鐵礦配比波動較小，當(dāng)配加90%釩鈦磁鐵礦時(shí)，生球抗壓強(qiáng)度為11 N，落下次數(shù)為4.1次左右，生球爆裂溫度隨釩鈦磁鐵礦配比增加而降低，但均高于600 ℃。

2)高鈦型釩鈦磁鐵礦球團(tuán)適宜的焙燒溫度為1 275 ℃，適宜的釩鈦精粉配比為90%，焙燒球工業(yè)投籠實(shí)驗(yàn)抗壓強(qiáng)度可達(dá)到2 356 N，釩鈦磁鐵礦球團(tuán)內(nèi)部新生赤鐵礦顆粒連晶固結(jié)充分。

3)當(dāng)釩鈦磁體礦配比為90%時(shí)，釩鈦球團(tuán)還原性最高可達(dá)到81.1%，還原膨脹指數(shù)僅2.67%，低溫還原粉化指數(shù)為98.26%，軟化開始溫度為1 038 ℃，壓差陡升溫度為1 222 ℃，滴落溫度為1 326 ℃，滿足高爐生產(chǎn)使用。