高壓輥磨強(qiáng)化高鎂磁鐵礦球團(tuán)工藝及機(jī)理

于鴻賓，潘建，朱德慶，廖金能

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

高壓輥磨強(qiáng)化高鎂磁鐵礦球團(tuán)工藝及機(jī)理

于鴻賓，潘建，朱德慶，廖金能

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

采用高壓輥磨預(yù)處理技術(shù)對MgO以類質(zhì)同象形式存在的高鎂磁鐵礦進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明：經(jīng)過3次開路高壓輥磨預(yù)處理，原料比表面積由669 cm2/g提高到1 560 cm2/g，膨潤土用量由1.5%降低到0.7%。生球指標(biāo)與未經(jīng)高壓輥磨預(yù)處理的相比均有大幅度提高，抗壓強(qiáng)度達(dá)26.06 N，落下強(qiáng)度達(dá)10.5 次，但是，生球爆裂溫度降低至405 ℃，同時，焙燒球抗壓強(qiáng)度由1 899 N提高到3 035 N。在高鎂磁鐵礦球團(tuán)焙燒過程中，內(nèi)部出現(xiàn)大量鎂質(zhì)浮士體，在晶格連接處產(chǎn)生骸晶，導(dǎo)致球團(tuán)強(qiáng)度較低。高壓輥磨預(yù)處理技術(shù)能促進(jìn)高鎂磁鐵礦球團(tuán)中 Fe2O3晶體發(fā)育和再結(jié)晶，球團(tuán)內(nèi)部晶粒粗大，互聯(lián)成片，逐漸將鎂質(zhì)浮士體包裹起來，克服含鎂浮士體導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)缺陷，強(qiáng)化球團(tuán)內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間的連接，從而提高球團(tuán)強(qiáng)度。

高鎂磁鐵礦；高壓輥磨；預(yù)處理；氧化球團(tuán)；抗壓強(qiáng)度

近年來，隨著鋼鐵工業(yè)的發(fā)展，煉鐵原料中進(jìn)口礦比例持續(xù)增加，由于進(jìn)口鐵礦中Al2O3含量較高，致使高爐中 Al2O3負(fù)荷提高，導(dǎo)致爐渣流動性變差，操作困難［1］。而解決高爐中Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)高的問題，通常的做法是提高入爐料中的 MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)。提高球團(tuán)中MgO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，能夠顯著改善低溫還原粉化、還原度指數(shù)和還原膨脹等冶金性能［2-6］，同時能改善鐵水流動性和高爐爐況，降低焦比［7］。但是，鎂質(zhì)球團(tuán)礦具有難焙燒和強(qiáng)度差的特點(diǎn)。DWARAPUDI等［2-3］研究認(rèn)為，添加輝石制備鎂質(zhì)球團(tuán)，內(nèi)部會形成大量低溫硅酸鹽礦物和鎂鐵礦，從而影響球團(tuán)強(qiáng)度。甘敏等［8-10］研究表明，以蛇紋石、MgO粉和菱鎂石等作為含鎂添加劑，預(yù)熱球和焙燒球的抗壓強(qiáng)度都會降低，而且球團(tuán)強(qiáng)度隨著MgO含量的增加急劇下降，當(dāng)球團(tuán)中MgO含量大于2.4%時，預(yù)熱球強(qiáng)度甚至不足200 N，焙燒球強(qiáng)度也低于1 500 N。宋招權(quán)［11］在用臨汾高鎂磁鐵精礦制備氧化球團(tuán)試驗(yàn)證實(shí)，在很寬的焙燒溫度區(qū)間內(nèi)，其抗壓強(qiáng)度大多處于1 000～1 500 N，基本不能滿足一般高爐的要求。熊紅云等［12-14］研究發(fā)現(xiàn)赤鐵礦、鏡鐵礦以及普通磁鐵礦經(jīng)過高壓輥磨預(yù)處理后，生球性能及焙燒性能均得到明顯的改善。為此，本文作者以高鎂磁鐵礦為研究對象，探討高壓輥磨預(yù)處理對高鎂磁鐵礦球團(tuán)性能和固結(jié)機(jī)理的影響。

1 原料性能與研究方法

1.1 原料性能

本試驗(yàn)所用某高鎂磁鐵礦化學(xué)成分見表1。由表1可知：試驗(yàn)所用磁鐵礦TFe品位高達(dá)67.73%，而SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，僅為0.97%，MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.48%，遠(yuǎn)高于普通鐵精礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)。球團(tuán)試驗(yàn)所用膨潤土的化學(xué)成分與物理性能分別見表2和表3。該鈉基膨潤土蒙脫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)高、吸水率大、粒度較小，是優(yōu)質(zhì)的球團(tuán)黏結(jié)劑。

1.2 高鎂磁鐵礦工藝礦物學(xué)

礦物學(xué)研究結(jié)果表明：鐵礦物主要是磁鐵礦，而脈石礦物以綠泥石居多。圖1所示為高鎂磁鐵礦X線衍射譜。主要礦物及含量見圖1和表4。經(jīng)過固化、制片，SEM-EDS能譜微區(qū)分析結(jié)果如圖2所示。由圖2可見：該高鎂磁鐵礦晶格中存在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 2.18%的MgO，占MgO總量的87.90%。同時對Fe，Si，Ca，Mg，Al，O和S元素進(jìn)行面掃描結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：MgO不僅存在于脈石礦中，還有一部分取代了磁鐵礦中的FeO，以類質(zhì)同象的形式賦存于磁鐵礦晶格中。有研究認(rèn)為［15］：高鎂磁鐵礦中的Fe2+和Mg2+離子半徑相近，兩者可互相取代形成連續(xù)的完全類質(zhì)同象。

1.3 研究方法

本次試驗(yàn)流程模擬工業(yè)生產(chǎn)氧化球團(tuán)的鏈篦機(jī)-回轉(zhuǎn)窯工藝，對進(jìn)行高壓輥磨預(yù)處理和未進(jìn)行預(yù)處理的高鎂磁鐵礦按配料、混合、造球、烘干、預(yù)熱、焙燒的過程依次進(jìn)行。高壓輥磨預(yù)處理采用直徑×高為200 mm×75 mm型高壓輥磨機(jī)，在開路條件下，輥磨壓力為0.67 N/mm2，轉(zhuǎn)速40 r/min，輥磨水分7.0%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。造球試驗(yàn)在直徑為1 000 mm的圓盤造球機(jī)中進(jìn)行，轉(zhuǎn)速為28 r/min，邊高h(yuǎn)=150 mm，傾角α=47°。造球時間為12 min，緊密2 min。預(yù)熱焙燒試驗(yàn)在直徑×長為60 mm×800 mm的臥式電熱管爐中進(jìn)行。預(yù)熱球及焙燒球抗壓強(qiáng)度測定設(shè)備為 ZQYC-智能抗壓測量儀。成品球團(tuán)礦礦物組成和顯微結(jié)構(gòu)的鑒定和分析采用Leica DMRXE光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡。

表1 鐵精礦化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Chemical composition of iron concentrates %

表2 膨潤土化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 2 Chemical composition of bentonite %

表3 膨潤土物化性能Table 3 Physical properties of bentonite

表4 高鎂磁鐵礦主要礦物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 4 Main mineral mass fraction of magnetite with high MgO content %

圖1 高鎂磁鐵礦X線衍射譜Fig.1 XRD pattern of magnetite with high MgO content

圖2 高鎂磁鐵礦掃描電鏡像和能譜Fig.2 SEM image and EDS spectra of magnetite with high MgO content

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 高壓輥磨預(yù)處理對高鎂磁鐵礦生球性能的影響

制備性能優(yōu)良的生球是球團(tuán)生產(chǎn)的關(guān)鍵。高鎂磁鐵礦經(jīng)過高壓輥磨預(yù)處理后，比表面積與細(xì)粒級質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯增加（見表5）。經(jīng)過高壓輥磨預(yù)處理3次，粒度小于0.074 mm和0.043 mm顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別由69.92%和64.29%增加到86.03%與79.00%，粒度小于0.038 mm顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)更是由49.32%急劇增加到71.12%。由于高壓輥磨工藝增加了高鎂磁鐵礦中細(xì)粒級的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，從而大幅度提高了其比表面積。對高壓輥磨預(yù)處理前后的高鎂磁鐵礦分別進(jìn)行造球試驗(yàn)，考察其對生球制備的影響（見表6）。結(jié)果表明經(jīng)過高壓輥磨預(yù)處理后，生球0.5 m落下強(qiáng)度大幅度提高，從預(yù)處理前的4.7次提高到10.5次，增幅高達(dá)123.40%；單球抗壓強(qiáng)度也由15.03 N提高到26.06 N。同時膨潤土用量由1.5%降低到0.7%，降幅為53.33%，這是由于高壓輥磨工藝能夠促進(jìn)新生表面的生成，增加高鎂磁鐵礦的表面活性，改善其成球性［13］。生球的爆裂溫度有所降低，這是因?yàn)樵辖?jīng)高壓輥磨預(yù)處理后，改變了高鎂磁鐵礦的粒度特性，生球的孔隙率小且致密，球團(tuán)內(nèi)部毛細(xì)管孔徑小，水分遷移較慢，內(nèi)部蒸汽擴(kuò)散阻力大［12， 16］。

2.2 高壓輥磨預(yù)處理對高鎂磁鐵礦預(yù)熱焙燒球性能的影響

2.2.1 預(yù)熱制度對高鎂磁鐵礦球團(tuán)性能的影響

預(yù)熱是球團(tuán)生產(chǎn)過程中的重要環(huán)節(jié)。預(yù)熱溫度和預(yù)熱時間對高壓輥磨前后高鎂磁鐵礦預(yù)熱球性能影響見圖4。結(jié)果表明：隨著預(yù)熱溫度的升高和預(yù)熱時間的延長，預(yù)熱球的抗壓強(qiáng)度隨之增加。這是由于溫度的升高有助于新生 Fe2O3顆粒在晶體內(nèi)擴(kuò)散，并與毗鄰的氧化鐵晶體顆粒之間形成連接橋；預(yù)熱時間的增加不僅有助于磁鐵礦氧化，同時能夠增強(qiáng) Fe2O3微晶鍵的連接，從而使預(yù)熱球的抗壓強(qiáng)度增加［17］。當(dāng)溫度低于1 000 ℃或預(yù)熱時間小于10 min時，未預(yù)處理的預(yù)熱球團(tuán)強(qiáng)度高于處理后的球團(tuán)強(qiáng)度，而當(dāng)預(yù)熱溫度升高到1 000 ℃或者預(yù)熱時間大于10 min時，高壓輥磨后的預(yù)熱球團(tuán)強(qiáng)度較高。這是由于鐵精礦經(jīng)高壓輥磨處理之后，粒度變細(xì)，球團(tuán)孔隙率下降。O2內(nèi)擴(kuò)散阻力變大，難以擴(kuò)散至球團(tuán)內(nèi)部，從而成為限制環(huán)節(jié)。隨著溫度提高，有利于O2的擴(kuò)散，同時，經(jīng)過預(yù)處理后的顆粒，由于機(jī)械活化作用，具有更高的活性，更容易被氧化［14］，從而具有較高的強(qiáng)度。圖4（b）顯示當(dāng)預(yù)熱時間大于10 min時，預(yù)處理的預(yù)熱球強(qiáng)度較高，而且隨著預(yù)處理次數(shù)的增加，抗壓強(qiáng)度提高的幅度越大。預(yù)熱試驗(yàn)結(jié)果表明，高鎂磁鐵礦需要較高的預(yù)熱溫度和較長的預(yù)熱時間。這是由于原料中 MgO含量較高，在氧化過程中Mg2+占據(jù)了鐵離子擴(kuò)散產(chǎn)生的空位，穩(wěn)定了磁鐵礦晶格，阻礙Fe3O4的氧化［15，17-18］。

2.2.2 焙燒制度對球團(tuán)性能的影響

圖3 高鎂磁鐵礦Fe，Si，Ca，Mg，Al，O和S面掃描Fig.3 Distribution of Fe， Si， Ca， Mg， Al， O and S in magnetite with high MgO content

表5 高壓輥磨對鐵精礦粒度組成和比表面積的影響Table 5 Effect of high pressure roll grinding on size distribution and specific surface area of iron concentrates

表6 高壓輥磨預(yù)處理對高鎂磁鐵礦生球性能的影響Table 6 Effect of pretreatment by high pressure roll grinding on properties of green pellets

圖4 預(yù)熱制度對預(yù)熱球強(qiáng)度的影響Fig.4 Effect of preheating parameters on compressive strength of preheated pellets

在圖5（a）確定的最佳溫度下，焙燒時間對高鎂磁鐵礦球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度的影響，見圖5（b）。從圖5（b）可見：隨著焙燒時間的延長，焙燒球的抗壓強(qiáng)度隨之增加。這是由于高溫停留時間的延長有助于晶粒的長大和充分結(jié)晶［17］。從圖5可知：在同樣焙燒條件下，經(jīng)過高壓輥磨預(yù)處理后的焙燒球強(qiáng)度均大于未預(yù)處理球團(tuán)。未經(jīng)高壓輥磨預(yù)處理的高鎂磁鐵礦，在預(yù)熱溫度為950 ℃，預(yù)熱時間10 min，焙燒溫度高達(dá)1 270 ℃，焙燒時間18 min時，焙燒球強(qiáng)度只有1 899 N，而經(jīng)過高壓輥磨預(yù)處理后，在預(yù)熱溫度950 ℃，預(yù)熱時間12 min，焙燒溫度為1 210 ℃，焙燒時間15 min時，球團(tuán)強(qiáng)度便可達(dá)3 055 N。由此可見：高壓輥磨預(yù)處理不僅可以降低高鎂磁鐵礦球團(tuán)的焙燒溫度，同時還能強(qiáng)化焙燒球強(qiáng)度。為了消除由于熱工制度不同對球團(tuán)強(qiáng)度所產(chǎn)生的影響，在同一熱工制度條件下（預(yù)熱溫度為950 ℃，預(yù)熱時間為10 min；焙燒溫度為1 210 ℃，焙燒時間為15 min）進(jìn)行焙燒試驗(yàn)（見表7），經(jīng)過高壓輥磨預(yù)處理后，焙燒球強(qiáng)度由1 690 N升高到2 984 N。結(jié)果進(jìn)一步證明了高壓輥磨對強(qiáng)化高鎂磁鐵礦球團(tuán)強(qiáng)度具有顯著作用。

2.3 機(jī)理分析

相同熱工制度的焙燒球團(tuán)微觀結(jié)構(gòu)見圖6。從圖6可以看出：未經(jīng)預(yù)處理的高鎂磁鐵礦球團(tuán)（圖6（a））晶粒松散，結(jié)晶后呈現(xiàn)為單獨(dú)顆粒，球團(tuán)內(nèi)部存在大量灰色、不規(guī)則狀顆粒，SEM-EDS證實(shí)這種物體為鎂質(zhì)浮士體（見圖7），鎂質(zhì)浮士體的存在導(dǎo)致骸晶的產(chǎn)生，影響Fe2O3再結(jié)晶，所以球團(tuán)的抗壓強(qiáng)度較低。從圖6（b），（c）和（d）可以看出：經(jīng)過高壓輥磨預(yù)處理后，球團(tuán)內(nèi)部致密程度較高。隨著預(yù)處理次數(shù)的增加，焙燒球中再結(jié)晶的Fe2O3互聯(lián)越多，結(jié)晶發(fā)育越完善，晶粒更加粗大，連接的程度越緊密。同時，結(jié)晶優(yōu)良的 Fe2O3顆粒將鎂質(zhì)浮士體包裹起來，彌補(bǔ)由于含鎂浮士體存在而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)缺陷，尤其是經(jīng)高壓輥磨預(yù)處理3次，含鎂浮士體絕大部分存在于 Fe2O3晶體內(nèi)部，強(qiáng)化球團(tuán)內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間的連接。

表7 相同焙燒條件下球團(tuán)的抗壓強(qiáng)度Table 7 Compressive strength of fired pellets under the same condition N/個

圖5 預(yù)熱溫度950 ℃下焙燒制度對焙燒球強(qiáng)度的影響Fig.5 Effect of firing parameters on compressive strength of fired pellets at preheating temperature of 950 ℃

圖6 焙燒球團(tuán)礦的光學(xué)顯微結(jié)構(gòu)Fig.6 Optical microstructures of mineral phases of fired pellets

圖7 焙燒球掃描電鏡能譜Fig.7 SEM image and EDS spectra of fired pellets

3 結(jié)論

1） 高壓輥磨預(yù)處理可顯著改善高鎂磁鐵礦生球性能并降低膨潤土用量。經(jīng)高壓輥磨預(yù)處理至比表面積為1 560 cm2/g， 膨潤土用量由1.5%降低到0.7%，降幅高達(dá)53.33%。同時，生球0.5 m落下強(qiáng)度從預(yù)處理前的4.7 次提高到10.5次，增幅高達(dá)123.4%；單球抗壓強(qiáng)度也由15.03 N提高到26.06 N，但是生球爆裂溫度降低至405 ℃。

2） 高鎂磁鐵礦焙燒性能較差，在預(yù)熱溫度為950 ℃，預(yù)熱時間為10 min，焙燒溫度為1 270 ℃，焙燒時間為18 min時，焙燒球強(qiáng)度僅為1 899 N。高壓輥磨預(yù)處理可明顯改善高鎂磁鐵礦球團(tuán)焙燒性能，經(jīng)高壓輥磨預(yù)處理3次，在預(yù)熱溫度為950 ℃，預(yù)熱時間為12 min，焙燒溫度為1 210 ℃，焙燒時間為15 min時，焙燒球強(qiáng)度可達(dá)3 035 N，滿足大型高爐對球團(tuán)強(qiáng)度的要求。

3） 高鎂磁鐵礦球團(tuán)焙燒過程中，內(nèi)部出現(xiàn)大量鎂質(zhì)浮士體，在晶格連接處產(chǎn)生骸晶，影響新生赤鐵礦再結(jié)晶，導(dǎo)致球團(tuán)強(qiáng)度較低。高壓輥磨預(yù)處理可促進(jìn)球團(tuán)內(nèi)部Fe2O3發(fā)育，經(jīng)高壓輥磨預(yù)處理后，球團(tuán)內(nèi)部晶粒粗大，互聯(lián)成片，結(jié)晶優(yōu)良的Fe2O3顆粒將鎂質(zhì)浮士體包裹起來，克服含鎂浮士體導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)缺陷，強(qiáng)化球團(tuán)內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間連接。

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（編輯 陳愛華）

Strengthening in processing and mechanism of magnetite with high MgO content pellet by high pressure grinding roller

YU Hongbin， PAN Jian， ZHU Deqing， LIAO Jinneng

（School of Minerals Processing and Bioengineering， Central South University， Changsha 410083， China）

The processing and mechanism of strengthening in pelletization of magnetite concentrate with high MgO content which exists in the Fe3O4lattice as isomorphism by high pressure grinding roller were investigated. The results show that after pretreatment three times by high pressure roll grinding， the specific surface area of magnetite concentrate increases from 669 to 1 560 cm2/g， and the dosage of bentonite decreases from 1.5% to 0.7%. Indexes of green balls are much higher than that of those pellets made of feed without the pretreatment， the compressive strength of green ball is 26.06 N per pellet and the drop number is 10.5 times from the 0.5 m in height， but the thermal shock temperature of green ball reduces to 405 ℃. The compressive strength of fired pellets increases from 1 899 N to 3 035 N. During the firing process， there are large numbers of solid solutions containing FeO and MgO which produce skeleton crystal that reduce the strength of pellets. Pretreatment by high pressure roller grinding promotes the development of hematite and recrystallization， and as the result the size of hematite crystal in the pellets gets bigger it interconnects into pieces and wraps this kind of solid solutions， thus making up the structure defects and strengthens the connection of pellets.

magnetite with high MgO content； high pressure roller grinding； pretreatment； oxidized pellets； compressive strength

TF046.6

A

1672-7207（2016）05-1465-08

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.05.002

2015-07-18；

2015-09-27

國家科技部火炬計劃項(xiàng)目（2011GH561685）；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51474161） （Project（2011GH561685） supported by “Torch plan” of Ministry of Science and Technology； Project（51474161） supported by the National Natural Science Foundation of China）

潘建，博士，副教授，從事燒結(jié)球團(tuán)、直接還原、二次資源利用和鋼鐵冶金環(huán)境保護(hù)等研究；E-mail： pjcsu@csu.edu.cn