張元波，林 坤，劉 碩，蘇子鍵，陳 方，吳南勇

（1.中南大學資源加工與生物工程學院,湖南 長沙 410083；2.揚州泰富特種材料有限公司，江蘇 揚州 225002）

引 言

2020年國內(nèi)粗鋼產(chǎn)量10.53億噸，占全球總產(chǎn)量的56.5%。同時，我國鋼鐵行業(yè)污染物排放量也居世界前列[1-2]。其中，燒結工藝排放的污染物為球團工藝的3～7倍[3-5]。2019年我國中鋼協(xié)會單位爐料平均比例球團礦僅占17.01%[6]，在全面實施綠色發(fā)展的新時代背景下，提高球團礦的入爐比例是降低鋼鐵行業(yè)污染物排放的重要途徑。

我國的鐵礦資源較為豐富，但品位低，成分復雜。目前國內(nèi)80%的鐵礦資源依賴進口，澳大利亞和巴西是我國鐵礦資源的主要來源。鐵礦資源對外依存度過高及進口國過于集中對我國鋼鐵行業(yè)的安全穩(wěn)定發(fā)展帶來了極大隱患[7-8]。為滿足國內(nèi)鋼鐵生產(chǎn)需要，使用儲量豐富、價格低廉的高硅鐵精礦作為鋼鐵生產(chǎn)的鐵源具有極其重要的戰(zhàn)略意義。

現(xiàn)有工藝高硅鐵精礦主要用于制備酸性氧化球團，由于硅含量高，還原時硅、鐵氧化物反應形成橄欖石等難還原物質，導致球團冶金性能較差[9]。研究發(fā)現(xiàn)，在球團中添加MgO可以促進鐵酸鎂的生成，提高液相熔點，優(yōu)化球團冶金性能[10-12]。但未完全反應的MgO會抑制赤鐵礦晶體生長，使高硅氧化球團抗壓強度顯著降低[13-14]。有研究者提出，提高堿度能增強球團的抗壓強度。石灰石的加入促進了鐵酸鈣低熔點液相的生成，使得各晶粒之間連接緊密[15-20]。

本文主要通過調(diào)節(jié)石灰石和氧化鎂粉的添加量，研究二元堿度R2（CaO/SiO2），MgO含量和三元堿度R3（CaO+MgO/SiO2）對高硅氧化球團抗壓強度、還原度和還原膨脹性能的影響，為現(xiàn)場生產(chǎn)提供技術指導。

1 試驗原料與方法

1．1 試驗原料

試驗所用鐵精礦、膨潤土及石灰石均取自江蘇某特種材料公司，其主要化學成分如表1所示。該鐵精礦屬于磁鐵精礦類型，TFe品位為67.25%，SiO2的含量較高，達5.60%。氧化鎂粉為分析純試劑，由上海麥克林生化科技有限公司生產(chǎn)。試驗所用鐵精礦、膨潤土及氧化鎂粉粒度-200目比例大于98%，石灰石粒度-200目比例大于93%。

表1 原料主要化學成分/%

1．2 試驗方法

以高硅鐵精礦為原料，選用膨潤土作為粘結劑，配加石灰石和氧化鎂粉造球，控制膨潤土添加量為1%，生球水分8.5%～9.0%，生球粒度10～12 mm，造球時間12 min。選用管爐對球團進行預熱焙燒，控制預熱溫度900℃，預熱時間10 min，焙燒溫度1300℃，焙燒時間10 min。球團冷卻后，抗壓強度由智能球團抗壓強度試驗機測定，還原度和還原膨脹性能用30% CO和70% N2組成的還原氣體，在900℃的溫度下對成品球進行等溫還原測定。

主要對比試驗的配礦方案為：

（1）自然MgO含量（0.25%）條件下，添加石灰石，研究不同二元堿度R2（自然，0.029，0.3，0.6，0.8，1.0，1.2）的影響；

（2）自然堿度R2（0.029）條件下，添加氧化鎂粉，研究不同MgO含量（自然，0.25%，0.5%，1.0%，1.5%，2.0%，2.5%）的影響；

（3）同時添加石灰石和氧化鎂粉，研究不同三元堿度R3（0.07、0.28、0.45、0.87、1.07、1.25、1.09、1.27、1.45、1.28、1.47、1.66，對應二元堿度（自然，0.8，1.0，1.2）和MgO含量（自然，1.5%，2.5%）交互作用）的影響。

2 結果與討論

2.1 堿度、MgO含量對高硅氧化球團抗壓強度的影響

2.1.1 二元堿度對高硅氧化球團抗壓強度的影響

添加石灰石，考查不同二元堿度R2（CaO/SiO2）條件對高硅氧化球團預熱和焙燒行為的影響，試驗結果如圖1所示。從圖中數(shù)據(jù)可知，自然堿度R2（0.029）下，預熱球抗壓強度為407 N/P，焙燒球抗壓強度為3052 N/P。隨著石灰石添加量的提高，預熱球強度有所降低，而焙燒球強度明顯增加。二元堿度R2為1.2時，焙燒球抗壓強度增加至3346 N/P。這主要是由于CaO含量的提高，球團在焙燒過程生成了適量鐵酸鈣低熔點液相，液相填充球團礦顆粒之間的空隙，使得球團致密性提高，抗壓強度增大。

2.1.2 MgO含量對高硅氧化球團抗壓強度的影響

添加氧化鎂粉，考查不同MgO含量條件對高硅氧化球團預熱、焙燒行為的影響。試驗結果如圖2所示。從圖2可知，自然MgO含量（0.25%）時，預熱球抗壓強度為407 N/P，焙燒球抗壓強度為3052 N/P。隨著氧化鎂粉用量的增加，預熱球抗壓強度逐漸降低，而焙燒球強度會因氧化鎂粉用量的增加呈現(xiàn)先增加后下降的變化趨勢，當MgO含量為1.5%時，達到最大為3238 N/P。氧化鎂粉粒度細，具有較大的比表面積，少量添加有利于成球，進一步增加氧化鎂粉用量，部分Mg2+進入磁鐵礦晶格替換了Fe2+，阻礙了磁鐵礦的氧化，從而抑制Fe2O3微晶連接，球團抗壓強度降低。

2.1.3 三元堿度對高硅氧化球團抗壓強度的影響

配加石灰石和氧化鎂粉調(diào)節(jié)球團中CaO和MgO含量，考查不同三元堿度R3（CaO+MgO/SiO2）對高硅氧化球團抗壓強度的影響，試驗結果如圖3，圖4所示。從圖中可知，在相同MgO含量下，隨著氧化球團三元堿度R3的提高，預熱球強度有所下降，焙燒球強度逐漸增加。三元堿度R3為1.47（對應二元堿度R2為1.2，MgO含量為1.5%）時，焙燒球強度達到最大為3561 N/P。CaO含量的提高有利于MgO進入液相中，鎂鐵尖晶石含量逐漸減少，減弱了其對赤鐵礦晶粒連接的不利影響，并且液相均勻地分布在赤鐵礦晶粒中有利于液相固結，適當提高球團三元堿度有利于提高球團礦抗壓強度。

2.2 堿度、MgO含量對高硅氧化球團還原度的影響

2.2.1 二元堿度對高硅氧化球團還原度的影響

不同二元堿度R2（CaO/SiO2）對高硅氧化球團還原度的影響試驗結果如圖5所示。從圖中可以看出，提高二元堿度R2，成品球團還原度有較大提高，二元堿度R2從自然堿度0.029提高至1.2時，球團還原度從63.56%升至81.43%。這是由于隨著二元堿度R2的增加，成品球中產(chǎn)生了適量的液相，能夠促進Fe3+的遷移，赤鐵礦結晶較完整，并且石灰石的分解能夠使球團孔隙率提高，相較于酸性球團，還原氣體向球團內(nèi)部的擴散更容易，成品球內(nèi)外都可以得到較好的還原，因此，提高二元堿度R2能夠提高球團的還原度。

2.2.2 MgO含量對高硅氧化球團還原度的影響

不同MgO含量對高硅氧化球團還原度及孔隙率的影響試驗結果如圖6所示。從圖中可知，提高MgO含量，球團還原度也得到較大提高，球團中MgO含量從0.5%提高至2.5%時，球團還原度從63.56%升至75.12%，呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢。隨著MgO含量的增加，成品球的孔隙率逐漸增加，并且MgO可以進入渣相和浮氏體中，提高渣相和浮氏體的熔點，使其在還原過程中不易發(fā)生熔化，球團孔隙不被熔融物充填而在還原過程中保持較高孔隙率，這有利于還原氣體向球團內(nèi)部擴散，因此，提高MgO含量能夠提高球團的還原度。

2.2.3 三元堿度對高硅氧化球團還原度的影響

不同三元堿度R3對高硅氧化球團還原度的影響試驗結果如圖7所示。從圖中可知，自然三元堿度R3（0.07）時球團的還原度較低，僅有63.56%，相同MgO含量時，隨著三元堿度R3的提高，球團還原度逐漸提高。CaO及MgO共同作用時具有協(xié)同作用，共同作用時成品球團的還原度比單獨作用時的高，三元堿度為1.66（對應二元堿度R2為1.2，MgO含量為2.5%）時，球團強度達到82.25%。但當三元堿度R3達到1.27（對應二元堿度R2為1.0，MgO含量為1.5%）以后，球團還原度增長幅度不大。

CaO和MgO共同作用時成品球團的還原度比CaO或MgO單獨作用時的都要高，球團同時具有單獨提高CaO及MgO含量的優(yōu)良特性，CaO使Fe2O3晶體尺寸變小，使其更易被還原，CaO和MgO都能使球團保持較高孔隙率有利于氣體擴散，并且MgO可以進入渣相和浮氏體中，提高渣相和浮氏體的熔點，使其在還原過程中不易發(fā)生熔化，球團孔隙不被熔融物充填而在還原過程中保持較高孔隙率，這有利于還原氣體向球團內(nèi)部擴散。因此，同時提高CaO和MgO含量能夠顯著提高成品球團的還原度。

2.3 堿度、MgO含量對高硅氧化球團還原膨脹性能的影響

2.3.1 二元堿度對高硅氧化球團還原膨脹性能的影響

不同二元堿度R2（CaO/SiO2）對高硅氧化球團還原膨脹性能的影響試驗結果如圖8所示。從圖中可以看出，自然堿度R2的球團還原膨脹率最高，達到21.29%。二元堿度在0.3到1.2之間時，球團還原膨脹率呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，在二元堿度0.6時達到12.04%，之后隨著二元堿度的增加繼續(xù)降低至2.12%。這是因為當二元堿度為0.6時，球團中出現(xiàn)了流動性和可塑性較好的低熔點液相，會惡化還原膨脹性能，當二元堿度繼續(xù)升高時，球團中會出現(xiàn)高熔點液相，產(chǎn)生足夠的連接強度防止還原膨脹。

2.3.2 MgO含量對高硅氧化球團還原膨脹性能的影響

不同MgO含量對高硅氧化球團還原膨脹性能的影響試驗結果如圖9所示。由圖中可知，隨著MgO含量的增加，還原膨脹率逐漸降低，當MgO含量達到2.5%時，還原膨脹率降低至8.17%，說明提高MgO含量有利于降低還原膨脹率。添加到球團礦中的MgO絕大多數(shù)分布于鐵相中，減少了Fe2O3還原引起的晶形轉變時的體積變化，并且MgO可提高液相熔點，高熔點液相在還原過程中，不易發(fā)生熔化，能產(chǎn)生足夠的連接強度防止膨脹，提高還原膨脹性能。因此，提高MgO含量有利于降低還原膨脹率。

2.3.3 三元堿度對高硅氧化球團還原膨脹性能的影響

不同三元堿度R3對高硅氧化球團還原膨脹性能的影響試驗結果如圖10所示。從圖中可以看出，自然堿度R3時球團的還原膨脹率高，達到21.29%，相同MgO含量下，隨著三元堿度R3的提高，球團還原膨脹率逐漸降低。CaO及MgO共同作用時具有協(xié)同作用，共同作用時成品球團的還原膨脹率比單獨作用時的低，當三元堿度R3達到1.66（對應二元堿度R2為1.2，MgO含量為2.5%）時，球團還原膨脹率降低到0.72%，但當三元堿度R3達到1.07（對應二元堿度R2為0.8，MgO含量為1.5%）以后，球團還原膨脹率變化幅度不大。

CaO和MgO共同作用時，球團同時具有單獨提高CaO及MgO含量的優(yōu)良特性，MgO可以減少了Fe2O3還原引起的晶形轉變時的體積變化，并且MgO和CaO可提高液相熔點，產(chǎn)生足夠的連接強度防止膨脹。因此，同時添加CaO和MgO有利于降低還原膨脹率。

3 結 論

（1）MgO含量增加不利于高硅氧化球團的抗壓強度，加入CaO后，焙燒球強度增大。主要原因是鎂質熔劑易生成鎂橄欖石等高熔點物相，不利于結晶，而鈣質熔劑的加入可降低體系液相生成溫度，從而降低焙燒溫度。

（2）三元堿度R3為 1.47（對應二元堿度R2為1.2，MgO含量為1.5%）時，高硅氧化球團還原度提高至83.23%，CaO及MgO交互作用時球團的還原度比單獨作用時的高。

（3）提高MgO含量有利于降低還原膨脹率，提高二元堿度還原膨脹率先增加后降低，二元堿度R2為0.6時還原膨脹達到最大值。同時添加CaO和MgO還原膨脹率顯著降低，但三元堿度R3達到1.07（對應二元堿度R2為0.8，MgO含量為1.5%）以后，球團還原膨脹率變化幅度不大。