鄧 睿¹，蘇 鴻²，韓基祥¹，左海濱²，任 偉¹，王靜松²

( 1. 中鋼設(shè)備有限公司 礦物加工工程部，北京 100080; 2. 北京科技大學(xué) 鋼鐵冶金新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

摘 要: 為了優(yōu)化高爐爐料結(jié)構(gòu)，增加鎂質(zhì)熔劑性球團(tuán)礦入爐配比( 球比) ，對(duì)不同堿度( R) 鎂質(zhì)熔劑性球團(tuán)冶金性能和高爐爐料結(jié)構(gòu)熔滴性能進(jìn)行研究。結(jié)果表明: 白云石的粘結(jié)作用，使得鎂質(zhì)熔劑性球團(tuán)生球性能明顯改善; 隨著 R 增大，焙燒球中 Mg^{2 +} 進(jìn)入磁鐵礦晶格中并占據(jù)了鐵離子擴(kuò)散產(chǎn)生的空位，并生成鐵酸鎂和鈣鎂橄欖石，降低了 Fe₂O₃ 再結(jié)晶固結(jié)能力，使球團(tuán)的強(qiáng)度降低，球團(tuán)還原過(guò)程中Mg^{2 +} 能均勻分布在浮氏體內(nèi)，使得還原膨脹率逐漸降低; 還原度指數(shù)在 R = 0. 56 時(shí)降低明顯，但隨著 R 增大還原度指數(shù)明顯升高，有利于還原; 單一鎂質(zhì)熔劑性球團(tuán)的軟化熔滴性都有不同程度的改善，R = 1. 2 時(shí)球團(tuán)性能最好; 高球比綜合爐料軟化熔滴性均有明顯改善，爐料結(jié)構(gòu)為 25% 燒結(jié)礦 + 75% 球團(tuán)礦時(shí)效果最好。綜合考慮，球團(tuán) R 不宜過(guò)高或過(guò)低，應(yīng)控制在 1. 0 左右。

關(guān)鍵詞: 爐料結(jié)構(gòu); 鎂質(zhì)熔劑性球團(tuán); 軟化熔滴性

我國(guó)高爐的爐料結(jié)構(gòu)以高堿度燒結(jié)礦搭配酸性球團(tuán)礦為主，其中燒結(jié)礦占 70% 以上，球團(tuán)礦占 30% 以下^{［1 － 2］}。燒結(jié)工序存在煙氣排放量大、噸礦 SO₂ 和 NO_x 排放量高的特點(diǎn)，是鐵前污染物排放的主要來(lái)源^{［3 － 4］}。而與燒結(jié)礦相比，球團(tuán)礦有品位高、強(qiáng)度好以及生產(chǎn)過(guò)程能耗低和有害氣體排放少等諸多優(yōu)點(diǎn)。隨著鋼鐵企業(yè)節(jié)能減排意識(shí)和球團(tuán)礦產(chǎn)量的不斷提高，增加入爐原料中球團(tuán)礦占比，改善現(xiàn)有的爐料結(jié)構(gòu)，已經(jīng)成為必然趨勢(shì)。

但隨著球團(tuán)礦在高爐爐料中占比的不斷增大，這對(duì)燒結(jié)礦的堿度( R) 和 MgO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及球團(tuán)礦的質(zhì)量和冶金性能提出了更高的要求。

把燒結(jié)礦中的部分 MgO 轉(zhuǎn)移到球團(tuán)中^{［5 － 10］}，MgO 通過(guò)球團(tuán)礦加入高爐，不僅可以提高燒結(jié)礦的質(zhì)量，而且能改善球團(tuán)礦的冶金性能，從而提高綜合爐料的性能^{［11 － 12］}。在高球比的爐料結(jié)構(gòu)下，對(duì)不同 R 鎂質(zhì)熔劑性球團(tuán)的生球性能、焙燒球性能及還原性、膨脹性和對(duì)應(yīng)不同爐料結(jié)構(gòu)的軟化熔滴性等冶金性能進(jìn)行研究，可為優(yōu)化煉鐵爐料結(jié)構(gòu)，降低煉鐵工序能耗提供理論支撐。

1 試驗(yàn)原料及方法

1. 1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)所用含鐵原料為秘魯磁鐵礦，其化學(xué)成分如表 1 所示，鈉基膨潤(rùn)土的化學(xué)成分及性能、白云石的化學(xué)成分如表 2、3 所示。由表 3 可知，白云石的化學(xué)成分主要為 CaO 和 SiO₂，雜質(zhì)較少。試驗(yàn)所用的燒結(jié)礦化學(xué)成分如表 4 所示。

1. 2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)過(guò)程包括球團(tuán)配料、造球、焙燒以及球團(tuán)還原性、膨脹性和軟化熔滴性能的檢測(cè)和分析。以 4 種爐料結(jié)構(gòu)為依據(jù)，設(shè)定綜合爐料R = 1. 5，計(jì)算相應(yīng)球團(tuán)礦 R，如表 5 所示。

1. 2. 1 造球試驗(yàn)

在直徑為 600 mm 的圓盤造球機(jī)上進(jìn)行秘魯磁鐵精粉造球( 造球盤轉(zhuǎn)速為 43 r /min、傾角為45°) ，將混合料在造球盤內(nèi)滾動(dòng)( 8 ± 1) min，設(shè)定生球的水分為( 9 ± 0. 25) % ，生球粒度為 10～ 12. 5 mm。生球的抗壓強(qiáng)度和落下強(qiáng)度的檢測(cè)方法如下。

( 1) 生球的抗壓強(qiáng)度檢測(cè)方法。隨機(jī)取 10個(gè)球，在0 ～ 5 kg 的彈簧秤上進(jìn)行測(cè)定，分別將每個(gè)球置于彈簧秤的頂端，用直徑為 20 mm 的有機(jī)玻璃壓頭勻速加壓，直到生球破裂，記錄此時(shí)彈簧秤上的數(shù)值。取 10 個(gè)球測(cè)定的平均值作為生球抗壓強(qiáng)度指標(biāo)( N·cm ^{－ 2} ) 。

( 2) 生球的落下強(qiáng)度檢測(cè)方法。隨機(jī)取 10 個(gè)生球，分別將每個(gè)生球自 50 cm 高度自由落下到厚度為 10 mm 的鋼板上，記錄每個(gè)生球產(chǎn)生裂紋時(shí)的落下次數(shù)。取 10 個(gè)球測(cè)定的平均值作為生球的落下強(qiáng)度指標(biāo)( 次/( 0. 5 m) ) 。

1. 2. 2 生球焙燒試驗(yàn)

在豎式三段控溫電爐內(nèi)進(jìn)行生球焙燒試驗(yàn)。電爐的加熱元件為Ø90 /80 mm × 500 mm × 60 / 40 mm 的雙螺紋硅碳管，其加熱溫度可在室溫至 1 400 ℃ 自動(dòng)調(diào)節(jié)，并可設(shè)置加熱速度和恒溫時(shí)間。焙燒時(shí)生球置于Ø30 mm × 50 mm 的高鋁坩堝內(nèi)，高鋁坩堝的底面和周邊帶有Ø5 mm均勻分布的孔，以便四周和底部均可通過(guò)高溫空氣。每次焙燒在高鋁坩堝內(nèi)裝入 20 g 左右生球，焙燒時(shí)從電爐底部通入經(jīng)預(yù)熱的壓縮空氣，控制焙燒爐的三段溫度分別為 500、950 和1 250 ℃。每種球團(tuán)礦選取 10 個(gè)進(jìn)行 15 min 干燥、15 min 預(yù)熱和 15 min 焙燒，焙燒后的成品球抗壓強(qiáng)度和冶金性能檢測(cè)方法如下。

( 1) 成品球的抗壓強(qiáng)度檢測(cè)方法。在自動(dòng)數(shù)字液壓機(jī)上進(jìn)行，液壓柱的上升速度 ≤ 10mm/min，數(shù)字液壓機(jī)檢測(cè)抗壓強(qiáng)度范圍為 0 ～ 500 × 9. 8 N。測(cè)定時(shí)隨機(jī)取12 個(gè)成品球，依次測(cè)定并記錄數(shù)值，并舍掉最大值和最小值，取 10 個(gè)球的平均值作為成品球的抗壓強(qiáng)度指標(biāo)( N /P) 。

( 2) 成品球的冶金性能檢測(cè)方法。按照《鐵礦石還原性的測(cè)定方法》( GB/T 13241—1991) 進(jìn)行還原性測(cè)定。按照《鐵礦球團(tuán)相對(duì)自由膨脹指數(shù)的測(cè)定方法》( GB/T 13240—1991) 進(jìn)行還原膨脹率測(cè)定。在軟化熔滴性能試驗(yàn)中，通過(guò)軟化開始溫度 T10 ( ℃) 、軟化終了溫度 T40 ( ℃) 、熔化開始溫度 Ts( ℃ ) 、開始滴落溫度 Td ( ℃ ) 表征球團(tuán)軟熔性能，根據(jù)透氣性指數(shù) S( kPa·℃ ) 、最大壓差值 ΔPmax ( Pa) 判斷球團(tuán)軟化熔滴過(guò)程的透氣性、透液性。

2 不同 R 鎂質(zhì)球團(tuán)的物性變化

不同 R 鎂質(zhì)熔劑性球團(tuán)生球的落下強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度如表6 所示。由表6 可知: 隨著 R 的增大，球團(tuán)落下強(qiáng)度逐漸增大，由基準(zhǔn)球的 4. 9 次/( 0. 5 m) 增大至 R = 1. 5 的8. 3 次/( 0. 5 m) ，增加明顯; 對(duì)于抗壓強(qiáng)度，R = 0. 56 時(shí)球團(tuán)抗壓強(qiáng)度略有降低，但仍可滿足基本條件，隨著 R 的增大，抗壓強(qiáng)度逐漸增大，當(dāng) R 達(dá)到 1. 5 時(shí)，抗壓強(qiáng)度可達(dá)15 N / cm²。說(shuō)明加入白云石后，生球性能明顯改善，白云石起到了粘結(jié)劑的作用，有利于球團(tuán)造球。

不同 R 鎂質(zhì)熔劑性球團(tuán)焙燒球的抗壓強(qiáng)度如圖1 所示。由圖1 可知: 基準(zhǔn)球( R = 0. 18) 的抗壓強(qiáng)度達(dá)到 2 207 N /P; 添加少量白云石后，抗壓強(qiáng)度略有升高，但加入較多白云石后，抗壓強(qiáng)度明顯降低，均在 2 000 N /P 左右。

為探明原因，對(duì)焙燒球團(tuán)進(jìn)行 XRD 檢測(cè)，結(jié)果如圖 2 所示。由圖 2 可知: 在同樣的焙燒條件下，隨著 MgO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，由于 Mg^{2 +} 與Fe^{2 +} 的半徑相近，在氧化過(guò)程中 Mg^{2 +} 進(jìn)入磁鐵礦晶格中，并占據(jù)了 Fe^{2 +} 擴(kuò)散產(chǎn)生的空位，穩(wěn)定了磁鐵礦晶格，阻礙了 Fe₃O₄ 的氧化，致使球團(tuán)內(nèi)部 Fe₂O₃ 微晶連接減弱; 此外，MgO 與 Fe₂O₃相互接觸生成了 MgO·Fe₂O₃，MgO·Fe₂O₃ 和未礦化 MgO 分散在赤鐵礦顆粒周圍，阻礙了赤鐵礦與赤鐵礦之間的接觸，不利于赤鐵礦結(jié)晶長(zhǎng)大，使赤鐵礦晶粒變得細(xì)小; 隨著 MgO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，渣相中鐵酸鎂和鈣鎂橄欖石質(zhì)量分?jǐn)?shù)也相應(yīng)提高，這些高熔點(diǎn)物質(zhì)的存在降低了焙燒過(guò)程中的液相量，影響了 Fe₂O₃ 再結(jié)晶固結(jié)能力，進(jìn)而降低了焙燒球團(tuán)的抗壓強(qiáng)度。

不同 R 鎂質(zhì)熔劑性球團(tuán)焙燒球的還原膨脹率變化如圖 3 所示。由圖 3 可知: 基準(zhǔn)球( 未加任何堿性熔劑) 的球團(tuán)膨脹率最高，達(dá)到 15. 56% ; 隨著加入的白云石質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，球團(tuán)的還原膨脹率明顯降低，當(dāng) R 為 1. 5 時(shí)，還原膨脹率僅為 10. 02%。這是由于鎂質(zhì)熔劑性球團(tuán)在焙燒過(guò)程中會(huì)形成穩(wěn)定的鐵酸鎂，在還原時(shí)生成了 FeO和 MgO 的固溶體，Mg^{2 +} 能均勻分布在浮氏體內(nèi)，使得球團(tuán)礦中的 Fe₂O₃ 還原成 Fe₃O₄ 時(shí)，晶格變化小，膨脹應(yīng)力減弱，體積膨脹降低^［13］。

不同 R 鎂質(zhì)熔劑性球團(tuán)焙燒球的還原性變化如圖 4 所示。由圖 4 可知: 基準(zhǔn)球的還原度指數(shù)可達(dá)到 60. 2%，可滿足生產(chǎn)要求; 當(dāng)加入少量白云石，R 為0. 56 時(shí)，還原性降低，還原度指數(shù)僅為 55%，不能達(dá)到高爐還原的最低要求; 但隨著加入白云石質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，還原性逐漸升高，在 R 為 1. 5 時(shí)，還原度指數(shù)達(dá)到了 80%。這是由于加入少量白云石，球團(tuán)中有少量鐵酸鎂，該物質(zhì)不易還原，導(dǎo)致球團(tuán)還原性降低; 但當(dāng)加入較多白云石后，CaO 和 Fe₂O₃ 可生成較易還原的針狀鐵酸鈣，有利于球團(tuán)的還原^［14］。此外，隨著 MgO 的增加，球團(tuán)礦孔隙逐步增加，為還原過(guò)程中還原氣體與鐵氧化物的進(jìn)一步接觸提供了通道，從而提高了球團(tuán)的還原性。

綜合不同 R 鎂質(zhì)熔劑性生球性能和焙燒球強(qiáng)度、還原膨脹性及還原性可知，球團(tuán)堿度不宜過(guò)高或過(guò)低，應(yīng)控制在 1. 0 左右。

3 高球比鎂質(zhì)球團(tuán)爐料結(jié)構(gòu)

為探明高球比( 球團(tuán)礦配比) 下爐料性質(zhì)的變化，進(jìn)行單一球團(tuán)的軟化熔滴性檢測(cè)，得到不同 R 鎂質(zhì)熔劑性球團(tuán)的軟化熔滴參數(shù)、軟化熔滴區(qū)間及透氣性指數(shù)，分別如表 7 和圖 5、6所示?？芍? 隨著 R 的增大，球團(tuán)的軟化開始溫度 T₁₀逐漸增大，軟化區(qū)間( T₄₀ － T₁₀ ) 逐漸向下移動(dòng)，軟化性得到改善; 熔融開始溫度 Ts 隨著 R 的增大而升高，從 R = 0. 18 的 1 288 ℃ 提高到 R = 1. 5 的 1 312 ℃，提高了 24 ℃ ; 但滴落溫度 T_d 有降低的趨勢(shì)，熔融區(qū)間( T_d － T_s) 變窄，最大壓差 ΔPmax明顯降低，透氣性指數(shù)急劇下降。因此，在 R = 1. 2 時(shí)，球團(tuán)的綜合指標(biāo)較好。這是由于: 在球團(tuán)礦中添加 MgO 可形成高熔點(diǎn)物相———鎂橄欖石( 2MgO·SiO₂ ) 和偏硅酸 鎂( MgO·SiO₂ ) ，鎂橄欖石和偏硅酸鎂的熔化溫度分別為 1 892 ℃和 1 557 ℃，對(duì)提高球團(tuán)礦的軟化性能具有顯著效果。

在單一球團(tuán)的基礎(chǔ)上，為明晰高球比下爐料性質(zhì)的變化，按表 5 所示爐料結(jié)構(gòu)進(jìn)行 A、B、C、D 的 4 種綜合爐料的軟化熔滴性檢測(cè)，高球比綜合爐料的軟化熔滴參數(shù)及區(qū)間如表 8和圖 7 所示?？芍? 隨著球比的增大，軟化開始溫度 T₁₀和軟化終了溫度 T₄₀ 均降低，軟化區(qū)間( T₄₀ － T₁₀ ) 有增寬的趨勢(shì); 熔融開始溫度 T_s 和滴落溫度 T_s 均大幅提高，尤其是在球比達(dá)到 75%的爐料結(jié)構(gòu)中，T_s 提高了 61 ℃，熔融區(qū)間( Td － Ts) 降低了 56 ℃，最大壓差 ΔPmax降低了 4478. 6 Pa，透氣性指數(shù) S 降低了 591. 15 kPa·℃，透氣性指數(shù)變化如圖8 所示 ; 但1 0 0 % 球團(tuán)( 即 R = 1. 5 的球團(tuán)) 的軟化熔滴性又有所惡化。這說(shuō)明球比的增大改善了爐料的軟化熔滴性，但不宜全球團(tuán)冶煉。

4 結(jié) 論

( 1) 由于白云石的粘結(jié)作用，使得鎂質(zhì)熔 劑性球團(tuán)生球性能明顯改善; 但隨著 R 的增大，焙燒球中 Mg^{2 +} 進(jìn)入磁鐵礦晶格中并占據(jù)了 Fe^{2 +} 擴(kuò)散產(chǎn)生的空位，并生成鐵酸鎂和鈣鎂橄欖石，降低了 Fe₂O₃ 再結(jié)晶固結(jié)能力，使球團(tuán)的抗壓強(qiáng)度降低。

( 2) 隨著 R 的增加，球團(tuán)還原過(guò)程中 Mg^{2 +} 能均勻分布在浮氏體內(nèi)，使得還原膨脹率逐漸降低; 還原度指數(shù)在 R = 0. 56 時(shí)明顯降低，但隨著 R 的增大，還原度指數(shù)明顯升高，這有利于還原。

( 3) 單一鎂質(zhì)熔劑性球團(tuán)的軟化熔滴性有不同程度的提高，在 R = 1. 2 時(shí)球團(tuán)性能最好; 高球比綜合爐料的軟化熔滴性均有明顯改善，爐料結(jié)構(gòu)為 25% 燒結(jié)礦 + 75% 球團(tuán)礦時(shí)效果最好。綜合考量，球團(tuán) R 不宜過(guò)高和過(guò)低，應(yīng)控制在 1. 0 左右。

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