于浩,師學(xué)峰,楊廣慶,韓濤,司新國(guó),何川

( 1. 華北理工大學(xué) 冶金與能源學(xué)院,河北 唐山 063210;2. 河鋼集團(tuán)唐鋼公司,河北 唐山063000;3. 中國(guó)鋼研科技集團(tuán)有限公司鋼研工程設(shè)計(jì)有限公司,北京100081)

目前,工藝上處理釩鈦磁鐵礦主要采用高爐-轉(zhuǎn)爐工藝,其工藝產(chǎn)能大、技術(shù)相對(duì)成熟,起到了主導(dǎo)作用[1,2]。但對(duì)于釩鈦磁鐵礦球團(tuán)礦來(lái)說,通常要先制備出合格的生球、經(jīng)過干燥、預(yù)熱和焙燒處理,才能滿足爐料入爐要求。在"精料方針"的爐料入爐要求下,球團(tuán)礦作為爐料的比重逐步提高[3,4],尤其是鎂質(zhì)熔劑性球團(tuán)礦,在優(yōu)化爐料中起到了至關(guān)重要的作用[5,6]。

多年來(lái),我國(guó)的高爐爐料結(jié)構(gòu)為高堿度燒結(jié)礦配加酸性球團(tuán)[7,8]。高堿度燒結(jié)礦提供高爐煉鐵所需的鈣、鎂等堿性成分過高,對(duì)高爐煉鐵產(chǎn)生不利影響。雖然提高酸性球團(tuán)礦入爐比重適應(yīng)目前的高爐生產(chǎn)現(xiàn)狀,但為了降低燒結(jié)礦中鈣、鎂元素等比例,需要將一定量的鈣、鎂等元素轉(zhuǎn)移至球團(tuán)礦中,從而達(dá)到良好的高爐生產(chǎn)環(huán)境。近年來(lái),各鋼廠積極探索強(qiáng)度和品味均高、粒度均勻、還原性好的入爐原料,以達(dá)到生產(chǎn)上降耗提質(zhì),排放上減少煙氣污染的目的[9]。

球團(tuán)礦作為入爐的爐料之一,其具有機(jī)械強(qiáng)度好,粒度均勻等優(yōu)點(diǎn),但我國(guó)生產(chǎn)的球團(tuán)礦存在全鐵品位低、均勻性差等問題[10-12]。對(duì)此,針對(duì)熔劑性球團(tuán)的優(yōu)良特點(diǎn),國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)熔劑性球團(tuán)進(jìn)行了大量的研究,王曉磊等[13]對(duì)高硅鎂質(zhì)熔劑性球團(tuán)焙燒實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在焙燒溫度為1 250 ℃,w(SiO2)=5.0%、堿度1.0及w(MgO)=1.8%時(shí),球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度達(dá)到最佳;羅林根等[14]對(duì)中關(guān)鐵礦制備熔劑性球團(tuán)生球性能試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),SiO2含量、MgO含量及堿度對(duì)生球性能影響不大,生球性能主要受造球時(shí)間、水分及黏結(jié)劑用量的影響,且在造球時(shí)間為12 min,水分8%～9%,黏結(jié)劑用量為2%時(shí),生球性能滿足質(zhì)量要求;劉衛(wèi)星等[15]通過研究SiO2含量、MgO含量及堿度對(duì)生球性能的影響發(fā)現(xiàn),隨著SiO2含量的增加,生球性能變差,隨著MgO含量及堿度的增加,生球抗壓強(qiáng)度升高,落下強(qiáng)度降低,爆裂溫度先升高后降低。張林林等[16]通過研究堿度對(duì)熔劑性球團(tuán)生球性能的影響發(fā)現(xiàn),隨著堿度的提高,生球抗壓強(qiáng)度和爆裂溫度升高,落下強(qiáng)度變化不大,干燥速率變化不明顯,隨著堿度自基準(zhǔn)自然堿度(R=0.14)提高到0.6,爆裂溫度提高了50 ℃;楊杰康[17]通過探究釩鈦球團(tuán)生球水分因素對(duì)生球性能的影響,生球水分控制在5%～7%變化,梯度為0.5%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示:隨著生球水分含量的增加,生球落下強(qiáng)度趨于上升,抗壓強(qiáng)度趨于下降,但均滿足要求。爆裂溫度趨于降低,爆裂個(gè)數(shù)增加。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,隨著含水量的增加,可以提高生球的落下強(qiáng)度,但抗壓強(qiáng)度會(huì)降低,爆裂性能差。因此確定了合理的含水量需要控制在7%以內(nèi),以達(dá)到良好的生球性能。

鑒于此,該研究以釩鈦磁鐵礦為原料,研究熔劑性球團(tuán)的生球制備工藝,探究生球冷態(tài)性能,以此確定合理的造球工藝制度。

1 實(shí)驗(yàn)原料

以釩鈦磁鐵礦粉和熔劑為原料,其化學(xué)成分如表1所示。釩鈦磁鐵礦粉中全鐵含量為61.70%,TiO2含量為7.23%,屬于低鈦釩鈦磁鐵礦粉,CaO、MgO含量較低,SiO2含量也僅為1.6%,因此可以作為釩鈦磁鐵礦粉制備熔劑性球團(tuán)的研究材料。

表1 原料化學(xué)成分及燒損率/%

表2為釩鈦磁鐵礦粉粒度組成,在0.15～0.044 mm的釩鈦磁鐵礦粉粒度組成中,各粒級(jí)占比分別為5.81%、12.02%、21.67%和60.50%,其中<0.074 mm的粒級(jí)占比為82.17%。

表2 釩鈦磁鐵礦粉粒度組成

2 實(shí)驗(yàn)方案及設(shè)備

2.1 生球制備

生球制備前將物料反復(fù)混勻,使造球過程中生球粒度均勻,之后在圓盤造球機(jī)上造球。首先在b處加水區(qū)噴入霧狀水,之后在c處加料區(qū)均勻加入混勻后的原料,使粉末狀原料在毛細(xì)水的作用下聚結(jié)長(zhǎng)大成核直至成球,最后在d處成球區(qū)得到想要的合格的成球。造球時(shí)需要控制好造球水分、造球時(shí)間以及膨潤(rùn)土用量,以達(dá)到最佳生球性能的效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后對(duì)生球進(jìn)行篩分,取粒度為10～12.5 mm的合格生球進(jìn)行性能檢測(cè)。圓盤造球機(jī)直徑為500 mm,傾角為45°,轉(zhuǎn)速為21 r/min,示意圖如圖1所示。

圖1 圓盤造球機(jī)示意圖

2.2 生球性能檢測(cè)

(1)落下強(qiáng)度測(cè)定

取30個(gè)直徑為10～12.5 mm的合格生球,從0.5 m高處自由落下,重復(fù)此操作到球團(tuán)破裂為止,記錄下每個(gè)生球未破裂的次數(shù),取其平均值作為生球的落下強(qiáng)度。生球落下強(qiáng)度測(cè)試儀示意圖如圖2所示。

圖2 生球落下強(qiáng)度測(cè)試儀

(2)抗壓強(qiáng)度測(cè)定

取30個(gè)直徑為10～12.5 mm的生球,在生球抗壓強(qiáng)度測(cè)試儀上依次測(cè)定每個(gè)生球的抗壓強(qiáng)度值,取其平均值作為生球的抗壓強(qiáng)度,生球抗壓強(qiáng)度測(cè)試儀示意圖如圖3所示。

圖3 生球抗壓強(qiáng)度測(cè)試儀

(3)爆裂溫度測(cè)定

取20個(gè)生球放入吊籃中,之后在立式管式爐底部通入風(fēng)速為1.8 m/s的空氣,加熱管式爐至要測(cè)取的風(fēng)溫,將吊籃放入立式管式爐中,持續(xù)吹熱風(fēng)5 min。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后將吊籃取出,觀測(cè)爆裂個(gè)數(shù),當(dāng)爆裂個(gè)數(shù)為生球總數(shù)的10%(2個(gè))時(shí),此時(shí)的風(fēng)溫為球團(tuán)的爆裂溫度。立式管式爐設(shè)備如圖4所示。

圖4 立式管式爐設(shè)備圖

3 生球制備工藝優(yōu)化

3.1 造球時(shí)間對(duì)生球性能的影響

為了探究造球時(shí)間對(duì)生球性能的影響,將物料按w(SiO2)=3.0%、w(MgO)=2.0%、R=1.0進(jìn)行配比,改變?cè)烨驎r(shí)間10～18 min,以2 min為梯度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 造球時(shí)間對(duì)生球性能的影響

由圖5(a)可知,造球時(shí)間為10～18 min生球抗壓強(qiáng)度良好,強(qiáng)度均為10 N/個(gè)以上,均能滿足質(zhì)量要求。隨著造球時(shí)間增加,造球時(shí)間為14 min時(shí)落下強(qiáng)度為5.1次/個(gè),之后變化不是很大,也可滿足生球質(zhì)量要求;由圖5(b)可知,隨著造球時(shí)間的增加,球團(tuán)爆裂溫度降低了95 ℃。

分析認(rèn)為,在毛細(xì)水的作用下,顆粒聚結(jié)成球,在水分一定的情況下,隨著造球時(shí)間的增加,在機(jī)械力的作用下,球團(tuán)表層水分會(huì)隨著球團(tuán)的滾動(dòng)摩擦而散失掉,內(nèi)部水分會(huì)沿著縫隙往表面進(jìn)行偏移,使得孔隙變小,球團(tuán)內(nèi)部結(jié)構(gòu)排列緊密,顆粒聚結(jié)程度更加緊實(shí),球團(tuán)粒度均勻,提高了生球強(qiáng)度。由圖6可知,隨著造球時(shí)間的增加,內(nèi)部孔隙變小,結(jié)構(gòu)排列更為緊密,干燥時(shí),內(nèi)部水分蒸發(fā)速率變慢,導(dǎo)致球團(tuán)爆裂溫度降低,當(dāng)造球時(shí)間為14 min時(shí),球團(tuán)爆裂溫度可以達(dá)到600 ℃以上,爆裂溫度較高,在干燥預(yù)熱時(shí)球團(tuán)不易爆裂,性能較好。綜上所述,選擇造球時(shí)間為14 min進(jìn)行后續(xù)的實(shí)驗(yàn)研究。

圖6 不同造球時(shí)間球團(tuán)緊密程度示意圖

3.2 造球水分對(duì)生球性能的影響

為了探究造球水分對(duì)生球性能的影響,將物料按w(SiO2)=3.0%、w(MgO)=2.0%、R=1.0進(jìn)行配比,固定造球時(shí)間為14 min,調(diào)整造球水分7%～10%,梯度為1%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 造球水分對(duì)生球性能的影響

由圖7(a)可知,隨著造球水分的增加,生球抗壓強(qiáng)度先升高后降低,在造球水分為8%時(shí),抗壓強(qiáng)度和落下強(qiáng)度均能夠達(dá)到要求,分別為10.2 N/個(gè)和4.2 次/個(gè)。由圖7(b)可知,造球水分由7%增加至10%,球團(tuán)爆裂溫度降低了63 ℃。圖8所示為不同造球水分毛細(xì)水變化示意圖。

圖8 不同造球水分毛細(xì)水變化示意圖

由圖8分析認(rèn)為,在圓盤造球機(jī)滾動(dòng)的過程中,水分加入量過少,導(dǎo)致粉末之間毛細(xì)力較弱,顆粒之間黏結(jié)力較弱,從而導(dǎo)致強(qiáng)度的降低,隨著水分加入量增加,粉末之間具有毛細(xì)力,水分的參加會(huì)產(chǎn)生毛細(xì)水,使顆粒聚結(jié)成核長(zhǎng)大,物料滾動(dòng)成母球后,隨著水分含量的增加會(huì)使母球過度濕潤(rùn),在表面張力的作用下內(nèi)部顆?？障堕g的毛細(xì)水會(huì)向母球表面遷移,在毛細(xì)力的作用下粘結(jié)濕度低的礦粉,或者與其他母球發(fā)生粘結(jié),在機(jī)械力的作用下發(fā)生變形,不僅會(huì)使球團(tuán)粒度變大,也會(huì)影響生球的抗壓強(qiáng)度。

若水分過多,顆粒之間的毛細(xì)力在水分的作用下形成最大毛細(xì)水,繼續(xù)加入水分會(huì)導(dǎo)致顆粒之間不再受毛細(xì)力的束縛,可能出現(xiàn)重力水,沿著顆?？p隙偏移到邊界,破壞了球團(tuán)均勻受力的條件,會(huì)降低生球抗壓強(qiáng)度。隨著水分的增加,落下強(qiáng)度呈現(xiàn)上升趨勢(shì),是由于較多的水分會(huì)使生球產(chǎn)生可塑性,在落下時(shí)會(huì)發(fā)生形變而不會(huì)在較低次數(shù)下產(chǎn)生破裂,提高了生球的落下強(qiáng)度。

隨著水分增加,生球內(nèi)部毛細(xì)水總量增多,在球團(tuán)干燥時(shí),由于球團(tuán)內(nèi)部水分遷移速度變慢,導(dǎo)致球團(tuán)內(nèi)部產(chǎn)生的瞬時(shí)蒸氣壓大,生球團(tuán)極易爆裂,故球團(tuán)爆裂溫度呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。綜合分析認(rèn)為,造球水分應(yīng)控制為8%較為合適。

3.3 膨潤(rùn)土用量對(duì)生球性能的影響

為了探究膨潤(rùn)土用量對(duì)生球性能的影響,將MgO百分含量調(diào)整為1.8%,堿度調(diào)整為1.2,膨潤(rùn)土用量為0.6%～1.4%,以0.2%為梯度,固定造球時(shí)間為14 min,造球水分含量為8%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

圖9 膨潤(rùn)土用量對(duì)生球性能的影響

由圖9(a)可知,隨著膨潤(rùn)土用量的增加,提高了生球的抗壓強(qiáng)度和落下強(qiáng)度,在膨潤(rùn)土用量為1%時(shí),抗壓強(qiáng)度為10.4 N/個(gè),落下強(qiáng)度為4.8次/個(gè),達(dá)到了生球質(zhì)量要求;由圖9(b)可知,隨著膨潤(rùn)土用量的增加,爆裂溫度升高了89 ℃。

分析認(rèn)為:膨潤(rùn)土具有吸水膨脹的特性,使鐵精粉成球時(shí)孔隙率減小,成球時(shí)吸水速度降低;同時(shí)膨潤(rùn)土具有粘結(jié)性,隨著膨潤(rùn)土用量的增加,粘結(jié)性增強(qiáng),在成核階段提高了成核數(shù),也降低了球團(tuán)的長(zhǎng)大速度,球團(tuán)粒度均勻。其內(nèi)部的分子結(jié)合水會(huì)減緩水分的流失,表面水分流失后,在毛細(xì)管的作用下內(nèi)部水分會(huì)擴(kuò)散到外層膨潤(rùn)土內(nèi),減緩了生球表面的干燥速率,降低了生球內(nèi)部瞬時(shí)蒸氣壓,內(nèi)外層不會(huì)產(chǎn)生較大壓差,在較高溫度下不會(huì)產(chǎn)生爆裂,因此適當(dāng)提高膨潤(rùn)土用量有利于爆裂溫度的提高。綜上所述,釩鈦磁鐵礦制備熔劑性球團(tuán)的適宜膨潤(rùn)土含量為1%。

4 結(jié)論

(1)隨著造球時(shí)間的增加,球團(tuán)內(nèi)部孔隙逐漸減小,結(jié)構(gòu)排列逐漸緊密,生球抗壓強(qiáng)度和落下強(qiáng)度均得到提高,在干燥時(shí),表面水分蒸發(fā)較快,球團(tuán)內(nèi)部過于緊密,蒸發(fā)速率較慢,使得內(nèi)外產(chǎn)生較大壓差,爆裂溫度逐漸降低。在造球時(shí)間為14 min時(shí),滿足生球質(zhì)量要求。

(2)研究造球水分對(duì)生球性能的過程中,毛細(xì)水發(fā)揮的作用較大。水分過少,導(dǎo)致粉末之間毛細(xì)力較弱,顆粒之間黏結(jié)力較弱,從而導(dǎo)致強(qiáng)度的降低;隨著水分含量的增加,較多的水分會(huì)使生球產(chǎn)生可塑性,落下時(shí)發(fā)生形變,不會(huì)較低次數(shù)下破裂,提高了生球的落下強(qiáng)度。水分過多,顆粒之間的毛細(xì)力在水分的作用下形成最大毛細(xì)水,繼續(xù)加入水分會(huì)導(dǎo)致顆粒之間不再受毛細(xì)力的束縛,可能出現(xiàn)重力水,會(huì)降低生球抗壓強(qiáng)度。在造球水分為8%時(shí),生球性能最佳。

(3)隨著膨潤(rùn)土用量的增加,其較強(qiáng)的粘結(jié)性增加了球團(tuán)內(nèi)部致密性,提高了生球的抗壓強(qiáng)度和落下強(qiáng)度,同時(shí)減緩了水分的流失,干燥時(shí),生球內(nèi)部瞬時(shí)蒸氣壓不會(huì)過大,從而提高了爆裂溫度。且當(dāng)膨潤(rùn)土用量為1.0%時(shí),生球滿足質(zhì)量要求。