閻麗娟 ,吳勝利

(1.寶山鋼鐵股份有限公司,上海 201900; 2.北京科技大學(xué),北京 100083)

1 概述

近年來(lái),隨著對(duì)鐵礦石需求的持續(xù)增加,世界鐵礦石的年生產(chǎn)能力也隨之有較大幅度增加,2017年為21.6億t,2017年鐵礦石的海運(yùn)貿(mào)易量為15.5億t。在世界鐵礦石市場(chǎng),澳大利亞和巴西為主的兩大出口國(guó)不斷進(jìn)行擴(kuò)產(chǎn),隨著產(chǎn)量的增加,原有礦山高品位資源逐漸減少甚至枯竭,取而代之的新礦山鐵礦石質(zhì)量有所下降。燒結(jié)配礦面臨的難點(diǎn)是傳統(tǒng)粉礦質(zhì)量劣化,硅、鋁、磷等含量升高、鐵品位降低。

巴西鐵礦資源主要位于南部米納斯吉拉斯州鐵四角礦區(qū)和北部巴拉洲卡拉加斯,2018年推出了新的粉礦產(chǎn)品:一種特殊設(shè)計(jì)的混合礦即低鋁粉礦,具有較低的Al2O3和P含量,較高的鐵品位;其Al2O3含量控制在0.8%以內(nèi),P為0.045%,鐵品位為64.5%,SiO2含量控制在5.0%左右,小于0.15 mm為50%左右;產(chǎn)自鐵四角地區(qū),由部分球團(tuán)粉參與混礦。該產(chǎn)品可以作為低鋁粉礦的一種選擇,因此,對(duì)巴西的這種低鋁粉礦進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和工業(yè)試驗(yàn)。

2 巴西低鋁粉礦基礎(chǔ)性能及研究方法

2.1 巴西低鋁粉礦的理化性能

將該巴西低鋁粉礦與目前使用的部分巴西粉礦和加拿大精粉進(jìn)行了比較,詳細(xì)情況如表1、2和圖1所示。

從主要化學(xué)成分來(lái)看,該低鋁粉礦品位較高,低于巴西卡拉加斯粉礦和加拿大卡羅爾湖精粉,高于圖巴朗粉礦;SiO2含量較高,高于巴西卡拉加斯粉礦和加拿大卡羅爾湖精粉,低于圖巴朗粉礦,其Al2O3和磷含量較低,均與圖巴朗粉礦相近,比卡拉加斯粉礦低,比加拿大卡羅爾湖精粉高。該低鋁粉礦粒度組成較細(xì),小于0.25 mm的比例為65.0%左右;比卡拉加斯粉礦和圖巴朗粉礦粒度組成細(xì),與加拿大卡羅爾湖精粉相比,中間粒級(jí)的比例略低、核顆粒的比例略高。

表1 巴西低鋁粉礦與巴西粉礦和加拿大卡羅爾湖精粉主要成分比較

表2 巴西低鋁粉礦與巴西粉礦和加拿大卡羅爾湖精粉粒度組成比較

2.2 巴西低鋁粉礦的礦物組成

圖2為幾種礦粉的X射線衍射圖譜。從圖2(a)可以看出,該巴西低鋁粉礦中赤鐵礦的衍射峰數(shù)量多且峰值高,表明該粉礦的含鐵礦物主要是赤鐵礦。就脈石礦物而言,主要為石英和高嶺石。根據(jù)以往的研究得知,卡拉加斯粉礦和圖巴朗粉礦中赤鐵礦礦物衍射峰多且峰值高,針鐵礦礦物衍射峰少且峰值低,說(shuō)明巴西的卡拉加斯粉礦和圖巴朗粉礦的含鐵礦物也主要是赤鐵礦,并含有少量的針鐵礦;就脈石礦物而言,卡拉加斯粉礦和圖巴朗粉礦中石英的衍射峰相對(duì)于三水鋁石的衍射峰,數(shù)量相對(duì)較多且峰值相對(duì)較高,說(shuō)明這兩種礦脈石主要以石英形式賦存,少量以三水鋁石形式賦存?？ɡ铀狗鄣V和圖巴朗粉礦的X射線衍射圖譜如圖2(b)、(c)所示。從圖2(d)卡羅爾湖精粉X射線衍射圖譜看,其含鐵礦物主要為赤鐵礦,同時(shí)還含有部分磁鐵礦。就脈石礦物而言,卡羅爾湖精粉中石英的衍射峰數(shù)量相對(duì)較多且峰值相對(duì)較高,說(shuō)明其脈石礦物主要是石英。

2.3 巴西低鋁粉礦的氣孔率

由于鐵礦粉的成因不同,反映在氣孔上有較大差異,從而對(duì)其在燒結(jié)過(guò)程中的行為和作用產(chǎn)生影響。試驗(yàn)取粉礦中小于0.074 mm的顆粒,采取用氣體吸附法測(cè)定粉礦高溫脫水后的氣孔率,試驗(yàn)結(jié)果如表3。由于巴西粉礦和加拿大精粉主要為赤鐵礦,其燒損均較低,氣孔率均較低。該巴西低鋁粉礦的氣孔率低于卡拉加斯粉礦和圖巴朗粉礦、略高于加拿大卡羅爾湖精粉。

2.4 巴西低鋁粉礦的燒結(jié)基礎(chǔ)特性

2.4.1 試驗(yàn)方法

微型燒結(jié)法是一種實(shí)驗(yàn)室模擬鐵礦粉燒結(jié)工藝過(guò)程的試驗(yàn)研究方法。同化性[1,3-4]是指鐵礦粉與CaO反應(yīng)生成一定液相的能力,試驗(yàn)中將鐵礦粉試樣小餅與CaO試驗(yàn)小餅在接觸面上發(fā)生反應(yīng)開(kāi)始熔化產(chǎn)生少量液相而不脫落時(shí)的溫度定為最低同化溫度,用以評(píng)價(jià)鐵礦粉的同化性能。鐵礦粉的液相流動(dòng)性[1,5]是指在CaO比例一定的前提下,通過(guò)測(cè)定不同鐵礦粉與熔劑反應(yīng)生成液相的流動(dòng)能力。液相流動(dòng)性的評(píng)價(jià)指標(biāo)為液相流動(dòng)性指數(shù),指試樣燒結(jié)流動(dòng)后和燒結(jié)前的原始垂直投影面積的增量與試樣燒結(jié)前的原始垂直投影面積的比值,具體如式(1)所示。

表3 巴西低鋁粉礦與巴西粉礦和加拿大卡羅爾湖精粉氣孔率比較

(1)

式中:L為液相流動(dòng)性指數(shù);S1為試樣原始面積;S2為試樣流動(dòng)后面積。

鐵礦粉的黏結(jié)相自身強(qiáng)度[1-2],是指在CaO比例一定的前提下,通過(guò)測(cè)定不同鐵礦粉與CaO反應(yīng)后生成黏結(jié)相的自身強(qiáng)度,來(lái)評(píng)價(jià)黏結(jié)相自身強(qiáng)度特性,黏結(jié)相自身強(qiáng)度特性的評(píng)價(jià)指標(biāo)為抗壓強(qiáng)度。通過(guò)微型燒結(jié)法對(duì)巴西低鋁粉礦的燒結(jié)基礎(chǔ)特性進(jìn)行試驗(yàn)研究。

2.4.2 巴西低鋁粉礦的同化性

如表4,巴西低鋁粉礦的最低同化溫度與圖巴朗粉礦相近,略高于巴西卡拉加斯粉礦,略低于加拿大卡羅爾湖精粉。這與鐵礦粉脫水后氣孔率的高低正相關(guān),隨著脫水后氣孔率的增加,鐵礦粉最低同化溫度呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。這是因?yàn)闅饪茁试黾?擴(kuò)大了鐵礦粉與CaO的接觸面積,改善了反應(yīng)動(dòng)力學(xué)條件,降低了同化反應(yīng)的溫度。另外,試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)含有Fe3O4的加拿大卡羅爾湖精粉的最低同化溫度最高,這可能是因?yàn)镕e3O4幾乎不與CaO發(fā)生固相反應(yīng),這就大大地減弱了兩種礦粉生成液相的能力,進(jìn)而大大地抬高了同化溫度,如圖3所示。

表4 巴西低鋁粉礦最低同化溫度

2.4.3 巴西低鋁粉礦的液相流動(dòng)性

在1 300 ℃、CaO比例一定的前提下,分別測(cè)定了該巴西低鋁粉礦和巴西粉礦、加拿大精粉礦其他三種鐵礦粉的液相流動(dòng)性指數(shù)。從表5的試驗(yàn)結(jié)果看出,低硅低鋁含量的卡拉加斯粉礦液相流動(dòng)性指數(shù)最高,顯著高于該巴西低鋁粉礦和圖巴朗粉礦。該低鋁粉礦的液相流動(dòng)性指數(shù)較高,略高于圖巴朗粉礦,這是因?yàn)槠溆兄^低的Al2O3含量和較低的SiO2含量,該低鋁粉礦的液相流動(dòng)性指數(shù)低于巴西卡拉加斯粉礦。由于卡羅爾湖精粉含有Fe3O4,液相流動(dòng)性指數(shù)最低,該低鋁粉礦的液相流動(dòng)性指數(shù)高于加拿大卡羅爾湖精粉。

表5 巴西低鋁粉礦液相流動(dòng)性指數(shù)

圖4為鐵礦粉SiO2含量對(duì)其液相流動(dòng)性的影響。從圖4中可以看出,隨著鐵礦粉SiO2含量的增加,其液相流動(dòng)性呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。這是因?yàn)镾iO2含量越高,黏附粉的偏析堿度越低,越不利于低熔點(diǎn)礦物鐵酸鈣生成,液相流動(dòng)性越低。

2.4.4 巴西低鋁粉礦的黏結(jié)相強(qiáng)度

在1 300 ℃、CaO比例一定的前提下測(cè)定了該巴西低鋁粉礦和部分巴西粉礦和加拿大精粉的黏結(jié)相自身強(qiáng)度。從表6可以看出,該低鋁粉礦介于巴西卡拉加斯粉礦和圖巴朗粉礦之間,加拿大卡羅爾湖精粉的黏結(jié)相強(qiáng)度高于巴西圖巴朗粉礦、巴西低鋁粉礦和卡拉加斯粉礦。

表6 巴西低鋁粉礦黏結(jié)相強(qiáng)度

除含有磁鐵礦的加拿大卡羅爾湖精粉外,隨著SiO2含量的升高,鐵礦粉黏結(jié)相自身強(qiáng)度呈現(xiàn)升高的趨勢(shì),見(jiàn)圖5。這可能是因?yàn)镾iO2含量上升對(duì)硅酸鈣的生成是有利的,硅酸鈣是高強(qiáng)度的礦物,這樣就提高了黏結(jié)相自身的強(qiáng)度。加拿大卡羅爾湖精粉則因?yàn)镕e3O4的氧化放熱而產(chǎn)生更高強(qiáng)度的黏結(jié)相。

鐵礦粉Al2O3含量對(duì)其黏結(jié)相自身強(qiáng)度有影響。隨著Al2O3含量的升高,黏結(jié)相自身強(qiáng)度呈現(xiàn)降低的趨勢(shì),見(jiàn)圖6。這可能是因?yàn)锳l2O3會(huì)在燒結(jié)過(guò)程中形成高鋁脆性礦物,增大了燒結(jié)礦的脆性,降低了黏結(jié)相強(qiáng)度。

隨著鐵礦粉脫水后氣孔率的增加,黏結(jié)相自身強(qiáng)度呈現(xiàn)下降的趨勢(shì),見(jiàn)圖7。這可能是由于氣孔率增加,破壞了黏結(jié)相的整體抗壓強(qiáng)度。

3 巴西低鋁粉礦燒結(jié)杯試驗(yàn)研究

為了解該巴西低鋁粉礦的燒結(jié)性能,分別以該低鋁粉礦5%、10%、15%、20%代替巴西圖巴朗粉礦進(jìn)行燒結(jié)杯試驗(yàn)。試驗(yàn)在φ300 mm的燒結(jié)杯進(jìn)行,燒結(jié)鍋燒結(jié)工藝參數(shù)如下:點(diǎn)火時(shí)間120 s,點(diǎn)火負(fù)壓8.83 kPa,燒結(jié)負(fù)壓14.71 kPa,冷卻負(fù)壓7.84 kPa,料層高度800 mm,鋪底料2.0 kg。試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表7 巴西低鋁粉礦燒結(jié)杯試驗(yàn)結(jié)果

從表7可以看出,隨著該巴西低鋁粉礦替代圖巴朗粉礦比例的增加,由于其粒度細(xì),垂直燒結(jié)速度下降,但由于裝料量增加,燒結(jié)生產(chǎn)率基本穩(wěn)定;燒結(jié)成品率及燒結(jié)礦強(qiáng)度略有提高,燃料單耗稍有下降。

4 巴西低鋁粉礦工業(yè)試驗(yàn)研究

根據(jù)以上燒結(jié)杯試驗(yàn)的結(jié)果,2017年10月,在四燒結(jié)開(kāi)展工業(yè)性試驗(yàn)。在四燒結(jié)試驗(yàn)期間用該低鋁粉礦4%的比例替代巴西圖巴朗粉礦,澳洲粉礦等結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定。從四燒結(jié)的試驗(yàn)情況看,該低鋁粉礦替代圖巴朗粉礦后,在機(jī)速保持穩(wěn)定情況下,由于粒度組成細(xì),負(fù)壓略有升高,通過(guò)提高生石灰粉使用比例、降低層厚等措施后負(fù)壓可以保持。燒結(jié)生產(chǎn)率和成品率保持穩(wěn)定,燒結(jié)礦的強(qiáng)度TI和RDI保持穩(wěn)定,燃料消耗略有升高,具體見(jiàn)表8、9。

表8 巴西低鋁粉礦工業(yè)試驗(yàn)期間燒結(jié)礦質(zhì)量

表9 巴西低鋁粉礦工業(yè)試驗(yàn)期間燒結(jié)操作參數(shù)

5 結(jié)論

(1) 從主要化學(xué)成分來(lái)看,該低鋁粉礦鐵品位較高,為64.5%左右,與巴西卡拉加斯粉礦相近;SiO2為5%左右,其Al2O3和磷均較低。該低鋁粉礦粒度組成細(xì),小于0.25 mm的比例為65%以上。其燒損較低,氣孔率較低。

(2) 巴西低鋁粉礦含鐵礦物主要為赤鐵礦,其脈石礦物主要是石英和少量的高嶺石。

(3) 燒結(jié)基礎(chǔ)特性試驗(yàn)結(jié)果表明:該低鋁粉礦的同化溫度與圖巴朗粉礦相近,略高于巴西卡拉加斯粉礦,略低于加拿大卡羅爾湖精粉;該低鋁粉礦的液相流動(dòng)性指數(shù)較高,略高于圖巴朗粉礦和加拿大卡羅爾湖精粉,低于卡拉加斯粉礦;該低鋁粉礦黏結(jié)相強(qiáng)度介于巴西卡拉加斯粉礦和圖巴朗粉礦之間。

(4) 分別以該低鋁粉礦5%、10%、15%、20%代替巴西圖巴朗粉礦的燒結(jié)杯試驗(yàn)結(jié)果表明,燒結(jié)生產(chǎn)率基本穩(wěn)定,燒結(jié)成品率及燒結(jié)礦強(qiáng)度略有提高,燃料單耗稍有下降。

(5) 四燒結(jié)工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果表明,該低鋁粉礦4%比例替代巴西圖巴朗粉礦。通過(guò)提高生石灰粉使用比例、降低層厚等措施,燒結(jié)生產(chǎn)率和成品率保持穩(wěn)定,燒結(jié)礦的強(qiáng)度TI和RDI保持穩(wěn)定,燃料消耗略有升高。