于洪軍 路 明 王興鋒 張建良 劉征建 王耀祖 徐晨陽

(1.鞍山鋼鐵集團(tuán) 大孤山球團(tuán)廠，2.北京科技大學(xué) 冶金與生態(tài)工程學(xué)院，3.北京科技大學(xué) 人工智能研究院)

隨著現(xiàn)代高爐煉鐵工藝對入爐原料性能要求的日益提高，以及清潔生產(chǎn)煉鐵技術(shù)的發(fā)展，氧化球團(tuán)已成為一種不可或缺的重要冶金原料[1- 2]。球團(tuán)礦是將鐵精粉和一定比例粘結(jié)劑混合后在圓盤造球機(jī)中制備成直徑為9～12 mm的生球，然后經(jīng)過干燥、預(yù)熱和焙燒制備成具有合理強(qiáng)度和冶金性能的成品球[3]。在球團(tuán)礦整個制備過程中，礦石原料的基礎(chǔ)物性如粒度組成、礦物組成和孔隙結(jié)構(gòu)等都將成為影響球團(tuán)礦性能的重要因素[4]。其中，細(xì)粒鐵礦物性對生球形成的影響較為顯著。通過控制和優(yōu)化各種影響因素，可以改善球團(tuán)礦的質(zhì)量[5]。關(guān)于鐵礦粉的粒度組成對球團(tuán)礦性能的影響，眾多學(xué)者已經(jīng)做了大量的研究工作，且對生產(chǎn)工藝做出不斷的改良，已取得了顯著的發(fā)展和成效[6]。文章總結(jié)了國內(nèi)外有關(guān)于鐵礦粉粒度組成對氧化球團(tuán)性能影響規(guī)律和機(jī)理的研究進(jìn)展，對合理調(diào)控鐵礦粉粒度組成給出參考依據(jù)。

1 球團(tuán)用鐵礦粉的預(yù)處理方法

在球團(tuán)礦的生產(chǎn)中通常要求原料的粒度組成中要有一定比例的-0.044 mm或-0.074 mm粒級的鐵精礦含量[7]。國外要求球團(tuán)用鐵精礦粒度組成滿足-0.044 mm粒級含量大于60%，或-0.074 mm粒級含量大于90%[8]。我國球團(tuán)工藝通常要求鐵精礦粒度組成滿足-0.074 mm粒級含量大于80%[9]。此外，鐵精礦的比表面積也成為原料預(yù)處理時關(guān)注的重要參數(shù)。研究表明，鐵精礦的比表面積在1 500～1 900 cm2/g時，其成球性能較好[10]。

1.1 球磨

球磨的原理是在離心力和摩擦力的作用下，筒體內(nèi)的磨礦介質(zhì)與原料隨著筒壁上升然后自由脫落或拋落，受到?jīng)_擊力和磨剝作用而粉碎[11]。球磨法通過球磨機(jī)的轉(zhuǎn)動使硬球?qū)υ线M(jìn)行強(qiáng)烈撞擊、研磨和攪拌，能夠細(xì)化晶粒、增強(qiáng)原料活性，提高其燒結(jié)能力。影響球磨效果的主要參數(shù)包括原料粒度、磨礦濃度、磨礦介質(zhì)形狀和大小、磨礦介質(zhì)填充率等[12]。球磨工藝的優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)操作穩(wěn)定，對生產(chǎn)控制系統(tǒng)要求不高等；缺點(diǎn)是設(shè)備占地面積大、單機(jī)處理能力小、不易維修。

1.2 潤磨

球團(tuán)生產(chǎn)對原料的水分、粒度及粒度組成有相應(yīng)的要求。當(dāng)進(jìn)廠原料粒度較粗時，需進(jìn)行干磨或濕磨。近年來，潤磨工藝在球團(tuán)廠也得到重視。潤磨工藝不同于傳統(tǒng)的干磨和濕磨工藝。由于濕磨無法獲得含水量較低的原料，且需要干燥設(shè)備，使得工藝成本增加。因此，潤磨是較為理想的控制球團(tuán)原料粒度的預(yù)處理工藝。對球團(tuán)用鐵精礦混合料潤磨工藝的研究[13]總結(jié)出，潤磨在球團(tuán)制備過程中的作用包括：提高原料的塑性，增大生球的落下強(qiáng)度；改善原料的粒度及粒度組成；提高粘結(jié)劑在原料中的分散程度，減少粘結(jié)劑的添加比例。

在磨礦的同時，潤磨機(jī)還具有一定的研磨和揉搓作用，從而提高原料的塑性。通常潤磨機(jī)的工作轉(zhuǎn)速低于球磨機(jī)，工作轉(zhuǎn)速一般為臨界轉(zhuǎn)速的0.65～0.7倍。介質(zhì)填充率對潤磨效果影響較大，當(dāng)介質(zhì)填充率低，原料填充率過大時，會減弱磨礦作用，造成介質(zhì)包裹原料及粘料現(xiàn)象。國內(nèi)外產(chǎn)量為50 t/h的潤磨機(jī)(Φ3 200～3 300 mm)，介質(zhì)填充率一般為17%～18%。排料開孔率也是影響潤磨效果的重要工藝參數(shù)。提高開孔率，排料能力增加，潤磨產(chǎn)量提高，但原料的停留時間縮短，會降低潤磨效果；降低開孔率，原料填充率隨之增加，介質(zhì)與原料之比降低，潤磨效果變差。開孔率與潤磨介質(zhì)填充率和磨礦細(xì)度、原料水分等均有關(guān)系。

1.3 高壓輥磨

高壓輥磨的工作原理是給動輥施加高壓，讓邊界受到約束的原料被兩個相向的轉(zhuǎn)動輥擠碎，從而獲得較細(xì)粒級的原料[14]，如圖1所示。用來磨礦的高壓輥磨機(jī)的工作輥面安裝了栓釘，原料嵌布在栓釘間，從而形成了抵抗磨損的保護(hù)層[15]。高壓輥磨與傳統(tǒng)磨礦工藝有本質(zhì)區(qū)別：高壓輥磨是準(zhǔn)靜壓粉碎，相對于沖擊粉碎可節(jié)約能耗30%；高壓輥磨是原料間的相互粉碎，可大大減少輥面的磨損[16]。

圖1 高壓輥磨機(jī)工作原理

將高壓輥磨用于造球原料的再磨工序，可以提高鐵精礦的細(xì)度，增加其比表面積，大大改善鐵精礦的成球性能，降低粘結(jié)劑的添加量。參考國內(nèi)外球團(tuán)廠采用高壓輥磨機(jī)的效果，高壓輥磨可以將鐵礦原料的比表面積提高約500 cm2/g，生球成品率提高5%，生球水分減少0.5%，生球落下強(qiáng)度提高3次/球，生球抗壓強(qiáng)度提高1.5～2 N/球[17]。此外，高壓輥磨可以達(dá)到“選擇性”破碎的效果，使得裂紋沿著礦石內(nèi)的晶界面先產(chǎn)生擴(kuò)展[18]。高壓輥磨工藝分為開路和閉路兩種，根據(jù)原料的原始粒度和最終粒級要求進(jìn)行選擇。高壓輥磨與潤磨相比具有單臺設(shè)備生產(chǎn)能力大、電耗低的優(yōu)勢[19-20]。

2 球團(tuán)用鐵精礦粉的基本物性

礦物的粒度是指單個礦物顆粒的大小，而粒度組成是各個粒度級別的質(zhì)量百分比。球團(tuán)用鐵礦粉原料是由大量不同粒度的礦物顆粒以及顆粒間的空隙所構(gòu)成的集合體。粒度反映的是單個顆粒的尺寸大小，實(shí)際生產(chǎn)過程中的物料是由無數(shù)不同粒度顆粒組成的顆粒群，粒度跨度范圍很大。如果將粒度范圍寬的顆粒群分成若干個粒度范圍窄的級別，這些窄級別稱為粒級。各個粒級在整個粒群中的質(zhì)量組成情況就是粒度組成[21- 22]。

礦物顆粒的比表面積隨其尺寸和形狀、礦物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和物相組成的變化而變化。隨著顆粒尺寸的減小，其比表面積增大。等效直徑相同的扁平狀或片狀顆粒比圓球狀顆粒具有更大的比表面積。即使表面形態(tài)相似的礦物，因晶格構(gòu)造的特征差異，其表面積也有較大差別[23]。如具有膨脹晶格的礦物除了外表面還具有很大的內(nèi)表面，而層間穩(wěn)定連接的礦物幾乎沒有內(nèi)表面。

對于多相分散的礦物體系，表面積值主要受制于體系中不同相的分布狀態(tài)。此外，礦物是單片顆粒之間互相連接和聚合，并以微聚體和團(tuán)聚體的形式存在。因此，各種礦物單元間的結(jié)合方式、單元體間的孔隙形態(tài)、分布特征和數(shù)量共同決定了礦物的表面積值[24]。

由熱力學(xué)表面能的概念可知，增加表面積的過程，就是增加內(nèi)能、焓、自由能或自由焓的過程，所以不會自動進(jìn)行，需要外力對體系做功。影響固體比表面能的因素很多，除了物料自身的晶體結(jié)構(gòu)和原子之間的鍵合類型之外，還有空氣中的濕度、蒸汽壓、表面吸附水、表面污染、表面吸附物等諸多因素。所以固體比表面能不如液體的表面張力那樣容易測定。通過幾種標(biāo)準(zhǔn)礦物比表面能的比較可知，越是堅固和難粉的礦物比表面能越大。固體顆粒表面將原子結(jié)合在一起的鍵合力與內(nèi)部是不相同的[25]。因此，固體物料粉碎時，系統(tǒng)晶格鍵能也將發(fā)生變化。

由鐵礦粉的基礎(chǔ)物性可知，即使比表面積能夠反映物粒度形狀、大小和結(jié)晶程度，也不是嚴(yán)格的線性關(guān)系。比表面積是將原料處于靜態(tài)分散的條件下測得的，故而不能準(zhǔn)確的表征礦物在實(shí)際造球時的分布和接觸形式[26- 27]。綜上，礦物顆粒堆積形式和接觸面積、礦物的粒度組成以及微細(xì)顆粒含量、精礦的晶格缺陷程度等因素都將對球團(tuán)礦固結(jié)行為產(chǎn)生一定影響[28- 29]。

3 鐵礦粉粒度組成對球團(tuán)礦性能影響研究現(xiàn)狀

3.1 鐵礦粉粒度組成對生球性能的影響

生球制備是球團(tuán)礦生產(chǎn)過程中重要的工序之一，生球性能將直接影響后續(xù)干燥、預(yù)熱和焙燒工序的調(diào)控，進(jìn)而最終影響成品球團(tuán)礦的質(zhì)量。而生球的性能主要包括水分、粒度組成、抗壓強(qiáng)度、落下強(qiáng)度、爆裂溫度。圖2所示為鐵精礦粒度對生球落下強(qiáng)度和爆裂溫度的影響[30- 31]。研究結(jié)果表明：隨著鐵精礦-0.074 mm 粒級含量增加，生球的落下強(qiáng)度先升高后降低，爆裂溫度降低后略有升高，且在-0.074 mm 粒級含量為75%時，生球落下強(qiáng)度達(dá)到最大，爆裂溫度達(dá)到最低。這說明并不是鐵精礦粒度越細(xì)球團(tuán)強(qiáng)度就會越好，而應(yīng)該有一個合適的粒度組成。

圖2 鐵精礦粒度對生球落下強(qiáng)度和爆裂溫度的影響

超細(xì)粒鐵精礦成球性能通常較差，優(yōu)化配礦技術(shù)配加不同比例的粗粒級鐵精礦是改善其造球性能的有效途徑之一。研究結(jié)果表明：混合后鐵精礦的成球性能明顯高于超細(xì)磁鐵精礦單礦。超細(xì)磁鐵精礦單礦生球的落下強(qiáng)度僅為3.2次/(0.5 m)、爆裂溫度為470 ℃，配加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%國產(chǎn)磁鐵精礦或10%巴西赤鐵精礦時落下強(qiáng)度超過4次/(0.5 m)、爆裂溫度高于500 ℃。這是由于超細(xì)粉磁精礦(-0.025 mm粒級約96.79%)的比表面積為2 254 cm2/g，親水性能變差，靜態(tài)成球性指數(shù)較低僅為0.24。當(dāng)配加粗粒級的赤鐵礦或磁精礦時，改善了原料的粒級組成，提高了原料的親水性，改善了成球性能[32]。此外，粒度較粗、成球性能較差的鐵精礦，通過配加一定比例的不同粒級磁鐵精礦，同樣可以達(dá)到改善生球性能的效果[33]。

3.2 鐵礦粉粒度組成對球團(tuán)礦氧化性能的影響

在氧化預(yù)熱過程中球團(tuán)礦處于運(yùn)動狀態(tài)，需要其承受不同程度的機(jī)械作用力，因此預(yù)熱強(qiáng)度用于評價球團(tuán)礦的預(yù)熱效果。球團(tuán)礦的預(yù)熱強(qiáng)度主要用抗壓強(qiáng)度和AC轉(zhuǎn)鼓指數(shù)兩個指標(biāo)來衡量。日本要求預(yù)熱球抗壓強(qiáng)度不小于150 N/球；美國側(cè)重要求AC轉(zhuǎn)鼓指數(shù)不超過5%；我國要求預(yù)熱球抗壓強(qiáng)度不小于400 N/球，AC轉(zhuǎn)鼓指數(shù)不超過5%。對配加不同粒級鐵精礦制備的預(yù)熱球進(jìn)行檢測，隨著鐵精礦-0.074 mm粒級含量的增加, 預(yù)熱球團(tuán)礦的抗壓強(qiáng)度有所提高。因?yàn)轭A(yù)熱過程中磁鐵礦快速氧化形成Fe2O3相，礦物顆粒間產(chǎn)生粘結(jié)相。此外，磁鐵精礦氧化形成Fe2O3晶粒的表面原子具有較高的遷移能力, 使得相鄰顆粒間形成了穩(wěn)定的晶鍵。因此，粒度組成越細(xì)，形成的晶鍵越多，預(yù)熱球團(tuán)礦的抗壓強(qiáng)度越高[34]。

為了提高預(yù)熱球團(tuán)的抗壓強(qiáng)度，可以通過高壓輥磨預(yù)處理改善粗粒級鐵精礦的粒級分布。粗粒級的鐵精礦經(jīng)過高壓輥磨后，粒度組成改善且呈正態(tài)分布。鐵礦顆粒間的堆積形式發(fā)生變化，顆粒間的接觸面積變大，易于晶橋形成[35]。經(jīng)過高壓輥磨后，礦物顆粒的表面變得粗糙不平，增加了棱邊和尖角等活性點(diǎn)的數(shù)量，顆粒質(zhì)子晶橋的形成和擴(kuò)散遷移能力得到改善[36]。研究結(jié)果表明，磁鐵精礦經(jīng)過高壓輥磨預(yù)處理后，微細(xì)顆粒(-0.010 mm)的占比提高。在850～1 000 ℃的氧化溫度區(qū)間，磁鐵礦球團(tuán)的氧化反應(yīng)的限制環(huán)節(jié)為氧氣在固相產(chǎn)物層中的內(nèi)擴(kuò)散行為。高壓輥磨處理提高了磁鐵礦球團(tuán)的氧化反應(yīng)表觀活化能，而氧化反應(yīng)速率和氧化程度降低，從而導(dǎo)致焙燒球團(tuán)礦外部產(chǎn)生致密層[37- 38]。

對-0.044 mm粒級含量為94%以上的超細(xì)粒度磁鐵精礦粉進(jìn)行球團(tuán)礦的預(yù)熱焙燒性能試驗(yàn)，結(jié)果表明，預(yù)熱焙燒溫度太高或高溫下預(yù)熱焙燒時間過長，不利于超細(xì)粒度球團(tuán)礦強(qiáng)度的提高[39]。這是由于預(yù)熱焙燒溫度過高以及高溫下預(yù)熱焙燒時間過長，球團(tuán)礦外層形成的致密層阻礙其繼續(xù)氧化，降低了球團(tuán)礦的抗壓強(qiáng)度[40]。礦相分析結(jié)果表明，預(yù)熱焙燒球團(tuán)礦的外部、中層和核心的氧化程度是存在差異的。球團(tuán)礦外部氧化速度最快，氧化程度較高。球團(tuán)礦中層和核心的氧化程度逐漸降低，預(yù)熱焙燒溫度高或高溫預(yù)熱焙燒時間長是球團(tuán)礦外層易形成硬殼的主要原因[41]。因此，對于超細(xì)粒度磁鐵礦粉球團(tuán)礦，應(yīng)合理調(diào)控預(yù)熱焙燒溫度和時間，以達(dá)到所需的抗壓強(qiáng)度和氧化程度[42]。

3.3 鐵礦粉粒度組成對球團(tuán)礦連晶性能的影響

球團(tuán)礦的固結(jié)方式主要是赤鐵礦的固相固結(jié)，即通過赤鐵礦的再結(jié)晶互相連接，使球團(tuán)具有一定的強(qiáng)度[40]。高溫下球團(tuán)礦中礦物顆粒間的連晶是氧化焙燒球團(tuán)礦固結(jié)的基礎(chǔ)。由于不同鐵礦粉存在自身特性方面的差異，故表現(xiàn)出各不相同的連晶特性。因此，鐵礦粉粒度組成是影響高溫焙燒過程中的連晶行為的重要因素之一。赤鐵礦預(yù)熱焙燒球團(tuán)顯微結(jié)構(gòu)分析表明，高壓輥磨處理優(yōu)化了赤鐵礦微晶鍵的形成和再結(jié)晶過程，有利于提高預(yù)熱和焙燒球團(tuán)礦的抗壓強(qiáng)度[43]。圖3是鐵精礦-0.074 mm粒級含量對成品球抗壓強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明，隨著鐵精礦-0.074 mm粒級含量的增加, 球團(tuán)礦的抗壓強(qiáng)度逐漸升高[44]。

圖3 鐵精礦的粒度對焙燒球抗壓強(qiáng)度的影響

對于-0.044 mm粒級含量在89%以上超細(xì)磁鐵精礦粉球團(tuán)礦焙燒性能試驗(yàn)結(jié)果表明，鐵精礦粉粒度越細(xì)，球團(tuán)礦在最佳焙燒制度下獲得的抗壓強(qiáng)度越高，但適宜的預(yù)熱溫度也越低，而所需預(yù)熱及焙燒時間也越長。在對生球孔隙率測試研究的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)，精礦粒度越細(xì)，生球孔隙率越小，氧化變得越困難，需要的預(yù)熱時間越長。而預(yù)熱溫度太高，表層易形成致密層，導(dǎo)致球團(tuán)礦強(qiáng)度下降。在對適宜的焙燒制度下氧化球團(tuán)礦的FeO含量測定結(jié)果表明，礦粉粒度越細(xì)，其FeO含量越高，則氧化條件越差，所需的焙燒時間越長[30]。

4 結(jié)論

(1)當(dāng)鐵精礦粒度較粗或使用富礦粉生產(chǎn)球團(tuán)時，通常需要對鐵礦粉進(jìn)行預(yù)處理。常用的磨礦預(yù)處理方式包括球磨、潤磨和高壓輥磨三種。通過磨礦預(yù)處理可使原料粒度組成滿足造球要求，從而改善原料的造球性能，降低膨潤土用量，提高球團(tuán)礦的性能。

(2)對于生球而言，鐵精礦-0.074 mm 粒級含量對生球的落下強(qiáng)度和爆裂溫度的影響存在臨界值。這說明并不是鐵精礦粒度越細(xì)球團(tuán)強(qiáng)度就會越好，鐵精礦粒度還應(yīng)該滿足一個合適的粒度組成。

(3)細(xì)粒磁鐵精礦由于粒度細(xì)、顆粒多為針狀和不規(guī)則狀，使得球團(tuán)結(jié)構(gòu)致密。生球在預(yù)熱焙燒階段形成致密氧化外層，氧氣向球團(tuán)內(nèi)部擴(kuò)散速度慢，球團(tuán)難以充分氧化，使得球團(tuán)在高溫焙燒時形成外層致密、內(nèi)核疏松的雙層結(jié)構(gòu)。