優(yōu)化球團(tuán)礦配料的實(shí)驗(yàn)研究

供稿|賈文君，張艷允，游想琴，李志全，張紅闖，郭蘭芬，劉曉明/JIA Wen-jun,ZHANG Yan-yun, YOU Xiangqin, LI Zhi-quan, ZHANG Hong-chuang, GUO Lan-fen, LIU Xiao-ming

優(yōu)化球團(tuán)礦配料的實(shí)驗(yàn)研究

Experimental Study on Optimizing Spheric Agglomeration Ingredient

供稿|賈文君，張艷允，游想琴，李志全，張紅闖，郭蘭芬，劉曉明/JIA Wen-jun,ZHANG Yan-yun, YOU Xiangqin, LI Zhi-quan, ZHANG Hong-chuang, GUO Lan-fen, LIU Xiao-ming

內(nèi) 容 導(dǎo) 讀

我國(guó)鐵礦石多為磁鐵礦精粉，且貧礦多，開采條件差，因此我國(guó)鋼鐵生產(chǎn)目前已形成了依靠進(jìn)口鐵礦石的局面。巴西赤鐵礦資源豐富，含鐵品位高，二氧化硅含量低，礦石年產(chǎn)量在2億t左右，尤其適合鏈篦機(jī)-回轉(zhuǎn)窯工藝生產(chǎn)，是大型球團(tuán)廠采用進(jìn)口礦的首選品種。雖然近期進(jìn)口礦價(jià)格有所提高，但是在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行增加赤鐵礦比例的實(shí)驗(yàn)研究仍很有必要。邯鋼目前球團(tuán)車間進(jìn)口赤鐵礦精粉的配比在20%左右，因此結(jié)合目前球團(tuán)廠所用原料和生產(chǎn)情況，取現(xiàn)場(chǎng)原料首先在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行增加赤鐵礦比例的實(shí)驗(yàn)，使其比例達(dá)到40%以上，確定合適的造球、預(yù)熱、焙燒工藝參數(shù)具有重要的理論價(jià)值和實(shí)際意義。

通過大量實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)研究，隨著球團(tuán)礦中赤鐵礦比例的增加，根據(jù)其成球性、固結(jié)機(jī)理的不同，找尋合理的焙燒制度，使其強(qiáng)度滿足生產(chǎn)需要。確保隨后實(shí)際生產(chǎn)實(shí)施后球團(tuán)礦產(chǎn)量和質(zhì)量達(dá)到預(yù)期目標(biāo)、杜絕失誤、減少對(duì)球團(tuán)和高爐生產(chǎn)的影響，創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益。

造球?qū)嶒?yàn)

造球是球團(tuán)生產(chǎn)工藝中重要的工序，生球質(zhì)量好壞對(duì)后續(xù)工序及成品球團(tuán)礦的產(chǎn)質(zhì)量影響很大。本實(shí)驗(yàn)的配礦方案見表1，方案1是邯鋼球團(tuán)車間常用的配礦方案，方案2～5為赤鐵礦的比例逐步增加。根據(jù)表1中所列的配礦方案進(jìn)行造球?qū)嶒?yàn)。實(shí)驗(yàn)方法如下：取5 kg配好的含鐵原料，膨潤(rùn)土按比例外加，進(jìn)行人工混勻，同時(shí)加入一定量的預(yù)潤(rùn)濕水分（大約5%～6%），然后在圓盤造球機(jī)上造球。

圓盤造球機(jī)主要技術(shù)參數(shù)：直徑1000 mm，轉(zhuǎn)速35 r/min，邊高150 mm，傾角47°。先造母球，時(shí)間為1 min，然后邊加料邊加水，成球時(shí)間為8 min，緊密時(shí)間為1 min，共計(jì)10 min。將造好的球分別篩分出 10～12.5 mm 和 12.5～15 mm兩種球，前者用來進(jìn)行生球落下、抗壓及爆裂實(shí)驗(yàn)，后者放在烘箱內(nèi)烘干，供預(yù)熱焙燒用。

表1 配礦方案（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

預(yù)熱焙燒實(shí)驗(yàn)

大量的實(shí)驗(yàn)研究和生產(chǎn)實(shí)踐證明，赤鐵礦粉球團(tuán)比磁精粉球團(tuán)難焙燒，主要表現(xiàn)為：預(yù)熱和焙燒溫度高、時(shí)間長(zhǎng)，成品球強(qiáng)度低。

本實(shí)驗(yàn)的預(yù)熱焙燒在φ80 mm臥式管爐中空氣氣氛下進(jìn)行。預(yù)熱焙燒管爐由兩個(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。實(shí)驗(yàn)時(shí)將12.5～15 mm干球裝在瓷舟中進(jìn)行預(yù)熱、焙燒實(shí)驗(yàn)。取預(yù)熱球10個(gè)、成品球20個(gè),利用鐵礦球團(tuán)抗壓強(qiáng)度測(cè)定儀驗(yàn)機(jī)分別測(cè)預(yù)熱球和焙燒球的抗壓強(qiáng)度,以算術(shù)平均值作為其的抗壓強(qiáng)度。利用Laica光學(xué)顯微鏡觀察球團(tuán)礦固結(jié)過程中的微觀結(jié)構(gòu)變化。

表3 成品球的抗壓強(qiáng)度

首先以邯鋼生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的熱制度（即在950℃預(yù)熱10 min，在1250℃焙燒10 min）進(jìn)行預(yù)熱焙燒，5個(gè)方案的實(shí)驗(yàn)結(jié)果列于表3。由表3可見，在相同的熱制度下預(yù)熱、焙燒，從方案1到方案5，隨著赤鐵礦配比的增加，預(yù)熱球、焙燒球的抗壓強(qiáng)度都呈下降趨勢(shì)，尤其方案5的成品球抗壓強(qiáng)度最低。對(duì)于較純的赤鐵礦球團(tuán),一般認(rèn)為其固結(jié)機(jī)理主要為Fe2O3晶粒長(zhǎng)大和高溫時(shí)再結(jié)晶,赤鐵礦球團(tuán)預(yù)熱溫度為950～1050℃,焙燒溫度為1300～1350℃[2]。在本實(shí)驗(yàn)的焙燒溫度下，方案2～5尤其是方案5的成品球中Fe2O3晶粒沒有得到充分長(zhǎng)大和沒有發(fā)生高溫時(shí)再結(jié)晶。由于Fe2O3不會(huì)再氧化，沒有晶格轉(zhuǎn)變、所以固結(jié)困難，造成成品球抗壓強(qiáng)度低，因此需要較高的預(yù)熱和焙燒溫度。

提高預(yù)熱、焙燒溫度或者延長(zhǎng)焙燒時(shí)間，再進(jìn)行焙燒實(shí)驗(yàn)結(jié)果列于表4。由表4可見，方案2和方案3提高焙燒溫度到1280℃，成品球的抗壓強(qiáng)度顯著提高，超過基準(zhǔn)方案1的2824 N；方案4的成品球在950℃預(yù)熱10 min、1280℃焙燒10 min時(shí)強(qiáng)度雖然有所提高，但是沒有達(dá)到基準(zhǔn)方案1的2824 N,延長(zhǎng)焙燒時(shí)間至14 min，其強(qiáng)度有大幅提高；方案5雖然預(yù)熱溫度提高到1000℃、預(yù)熱時(shí)間延長(zhǎng)至15 min，焙燒溫度提高到1325℃、焙燒時(shí)間延長(zhǎng)至20 min，其成品球強(qiáng)度為2362 N，雖然有所提高，仍然無法達(dá)到基準(zhǔn)方案1的2824 N。所以適當(dāng)提高焙燒溫度或延長(zhǎng)焙燒時(shí)間在赤鐵礦配比在40%、60%、80%情況下，成品球的抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到甚至超過基準(zhǔn)方案1的2824 N，但是對(duì)單一赤鐵礦粉球團(tuán)，即使采用較高的溫度和較長(zhǎng)的時(shí)間焙燒，也達(dá)不到基準(zhǔn)方案1的2824 N。

表4 改變熱制度后各方案的成品球抗壓強(qiáng)度

顯微實(shí)驗(yàn)

球團(tuán)礦相結(jié)構(gòu)對(duì)球團(tuán)礦強(qiáng)度影響顯著，球團(tuán)氧化完全,固結(jié)以赤鐵礦再結(jié)晶長(zhǎng)大為主,使球團(tuán)致密,強(qiáng)度提高,相反球團(tuán)礦強(qiáng)度低。選取方案1、 3、4、5中強(qiáng)度較高的成品球進(jìn)行礦相制片及礦相顯微鑒定，鑒定結(jié)果見表5。圖1～圖4分別是相應(yīng)各方案中間部位礦相圖（200倍）。

結(jié)合表5及圖1～圖4可以看出， 4種方案中球團(tuán)礦均以Fe2O3連晶起固結(jié)作用，F(xiàn)e2O3為主要鐵相，形狀以板柱狀為主，但晶粒大小在各方案中的表現(xiàn)有所差異。方案1中赤鐵礦晶粒明顯長(zhǎng)大，氧化較為充分，已相互交結(jié)連成大片，整個(gè)結(jié)構(gòu)基本上完全連接成一個(gè)整體。方案3中相互交結(jié)的赤鐵礦顆粒有所減少，晶粒平均尺寸減小。方案4與方案5結(jié)構(gòu)較為接近，晶粒尺寸明顯減少，晶粒之間連接程度明顯減弱；球團(tuán)礦中心區(qū)域赤鐵礦顆粒較小，多呈棱角狀或未完全長(zhǎng)大，逐層向外晶粒增大，但方案4與方案5晶粒增大趨勢(shì)的明顯程度降低。從氣孔分布來看，方案1由于晶粒發(fā)育程度較好，組織結(jié)構(gòu)較為致密，是4種方案中氣孔率最低的，其他3種方案的球團(tuán)礦組織結(jié)構(gòu)基本上都是以赤鐵礦交織結(jié)構(gòu)與微氣孔及尺寸較大的圓形氣孔共存的方式形成，中心區(qū)域疏松程度較大，其中方案4最為嚴(yán)重；除了方案5，在其他方案中均可見磁鐵礦殘余，方案1和3最多，多分布在中心區(qū)域，方案3中還可見磁鐵礦的連晶結(jié)構(gòu)，方案4中的磁鐵礦含量極少，不足1%，多存在于赤鐵礦晶間；各方案球團(tuán)礦中均存在脈石顆粒，分布較為均勻，方案3中脈石含量最少。

表5 球團(tuán)礦顯微分析報(bào)告

圖1 方案1礦相圖

圖3 方案4礦相圖

圖2 方案3礦相圖

圖4 方案5礦相圖

從礦相鑒定可以看出，磁鐵礦粉球團(tuán)在預(yù)熱焙燒過程中Fe3O4氧化為Fe2O3，放出大量的熱。磁鐵礦粉球團(tuán)的固結(jié)機(jī)理主要為Fe2O3的再結(jié)晶長(zhǎng)大，其結(jié)晶規(guī)律均為“初晶—發(fā)育晶—互連，固結(jié)強(qiáng)度高；赤鐵礦粉球團(tuán)在焙燒過程中不放熱，其固結(jié)機(jī)理主要為Fe2O3的晶粒長(zhǎng)大和再結(jié)晶，由于Fe2O3不會(huì)再氧化，沒有晶格轉(zhuǎn)變、所以固結(jié)困難，造成其預(yù)熱和焙燒溫度高，成品球抗壓強(qiáng)度低。隨著球團(tuán)礦中赤鐵礦比例的增加，雖然經(jīng)過提高焙燒溫度或者延長(zhǎng)焙燒時(shí)間，但焙燒后的球團(tuán)礦中赤鐵礦晶粒平均尺寸呈減少趨勢(shì)，晶鍵連接有所減弱，說明隨著球團(tuán)礦中赤鐵礦比例的增加，F(xiàn)e2O3晶粒長(zhǎng)大和再結(jié)晶變得越來越困難。

化學(xué)成分分析

提高礦石的品位是高爐節(jié)焦增鐵的首要內(nèi)容，礦石品位提高后，熔劑用量和渣量減少，礦石消耗降低，不僅減少高爐冶煉的單位熱耗，也改善料柱的透氣性，對(duì)順行和提高冶煉強(qiáng)度、降低焦比都極為有利，因此提高礦石品位是改善技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)最有效的措施[3]。

表6 球團(tuán)礦的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

對(duì)各方案的成品球進(jìn)行化學(xué)分析，分析結(jié)果見表6。從表6可以看出，隨著球團(tuán)中赤鐵礦比例的增加從方案1到方案5成品球的品位逐漸提高，有利于改善高爐的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

方案優(yōu)選

隨著球團(tuán)中赤鐵礦比例的增加成品球的品位逐漸提高，但是赤鐵礦粉比例提高又會(huì)造成其預(yù)熱和焙燒溫度高，預(yù)熱焙燒時(shí)間長(zhǎng)勢(shì)必影響鏈篦機(jī)-回轉(zhuǎn)窯的能耗和產(chǎn)量。所以綜合考慮上述因素，在保證球團(tuán)礦質(zhì)量和產(chǎn)量的前提下，又不使其能耗增加太多，筆者認(rèn)為方案3（赤鐵礦配比為60%）為最佳配礦方案。在膨潤(rùn)土配比2%的情況下，造球時(shí)間10 min、造球水分8.5%左右，熱工制度為950℃預(yù)熱10 min、1280℃焙燒10 min時(shí)，根據(jù)方案3所生產(chǎn)的生球和成品球的各項(xiàng)性能指標(biāo)良好，能滿足后續(xù)生產(chǎn)工序的要求。

結(jié)束語

隨著赤鐵礦比例的增高，其生球的落下強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律不明顯，爆裂溫度呈下降趨勢(shì)，但都能滿足后續(xù)生產(chǎn)工序的要求。

實(shí)驗(yàn)表明, 適當(dāng)提高焙燒溫度或延長(zhǎng)焙燒時(shí)間在赤鐵礦配比在40%、60%、80%情況下，成品球的抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到甚至超過基準(zhǔn)方案的2824 N，但是對(duì)單一赤鐵礦粉球團(tuán)，即使采用較高的溫度和較長(zhǎng)時(shí)間焙燒，雖然強(qiáng)度有所提高，但較難達(dá)到基準(zhǔn)強(qiáng)度。

球團(tuán)礦礦相結(jié)構(gòu)對(duì)球團(tuán)強(qiáng)度影響顯著。隨著球團(tuán)礦中赤鐵礦比例的增加，赤鐵礦晶粒平均尺寸呈減少趨勢(shì)，晶鍵連接有所減弱，說明隨著球團(tuán)礦中赤鐵礦比例的增加，F(xiàn)e2O3晶粒長(zhǎng)大和再結(jié)晶變得越來越困難。

隨著球團(tuán)中赤鐵礦比例的增加，成品球的品位逐漸提高，有利于改善高爐的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

在保證球團(tuán)礦質(zhì)量和產(chǎn)量的前提下，又不使其能耗增加太多，筆者認(rèn)為方案3（赤鐵礦配比為60%）為最佳配礦方案。在膨潤(rùn)土配比2%、造球時(shí)間10 min、造球水分8.5%左右時(shí)，其適宜的熱工制度為950℃預(yù)熱10 min、1280℃焙燒10 min。

1 葉匡吾.我國(guó)球團(tuán)生產(chǎn)的現(xiàn)狀和展望.燒結(jié)球團(tuán)，2003，28（1）：2-3

2 黃柱成. 以赤鐵礦為主配加磁鐵礦制備的氧化球團(tuán)礦顯微結(jié)構(gòu). 中南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），34（6）：606-607

3 羅吉敖.煉鐵學(xué).北京：冶金工業(yè)出版社，1994：450-451

文章描述了在實(shí)驗(yàn)室研究球團(tuán)赤鐵礦不同配比和不同的預(yù)熱焙燒制度情況下的成品球礦性能。目前邯鋼球團(tuán)礦中赤鐵礦比例由20%增加到80%，通過改變焙燒條件，成品球的抗壓強(qiáng)度得以提高，能生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的球團(tuán)礦。經(jīng)過分析得出：赤鐵礦配比60%為最佳配礦方案，在膨潤(rùn)土配比2%、造球時(shí)間10 min、造球水分8.5%左右時(shí)，其適宜的熱工制度為950℃預(yù)熱10 min、1280℃焙燒10 min。

河北鋼鐵集團(tuán)邯鋼公司技術(shù)中心，河北 邯鄲 056015

表2 生球的落下、抗壓和爆裂性能

方案 生球水分/% 0.5 m生球落下強(qiáng)度/次 生球抗壓強(qiáng)度/N 生球爆裂溫度/℃1 8.48 4.6 10.7 ＞600 2 8.88 3.5 11.2 ＞600 3 8.52 3.7 10.2 588 4 8.94 3.9 10.4 573 5 9.23 4.5 10.5 545

實(shí)驗(yàn)所測(cè)生球的落下、抗壓和爆裂性能見表2，隨著赤鐵礦比例的增加，生球的落下強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律不明顯，但0.5 m生球落下強(qiáng)度均大于3次，單個(gè)生球平均抗壓強(qiáng)度均大于10 N；生球的爆裂溫度呈下降趨勢(shì)，最低的也高于540℃。因此球團(tuán)中赤鐵礦比例由20%增加到98%，生球的各項(xiàng)性能均能夠滿足后續(xù)生產(chǎn)工序的要求。