游 高 劉慶華

(中冶北方(大連)工程技術(shù)有限公司，遼寧 大連 116600)

0 引言

高爐煉鐵工藝仍是我國煉鐵行業(yè)的主導(dǎo)工藝，其燒結(jié)工序是二氧化硫和氮氧化物主要產(chǎn)地[1-2]。面對(duì)“碳達(dá)峰”和“碳中和”的雙碳要求，鋼鐵行業(yè)亟需轉(zhuǎn)變發(fā)展模式，實(shí)現(xiàn)鋼鐵行業(yè)的低碳、減排發(fā)展[3]。

采用優(yōu)質(zhì)的冶煉原料，可降低冶金過程中的能耗，減少污染物的排放，促進(jìn)現(xiàn)有煉鐵工藝的升級(jí)[4]。球團(tuán)礦作為優(yōu)質(zhì)爐料，具有品位高、粒度均勻、粉化率低的特點(diǎn)[5]，可顯著改善高爐的透氣性，其入爐比例也在不斷增加[6]。鄂州500 萬t球團(tuán)廠生產(chǎn)表明，球團(tuán)礦的加工費(fèi)僅為燒結(jié)礦加工費(fèi)的50%左右[7],球團(tuán)工序與燒結(jié)工序相比，其粉塵、二氧化硫和氮氧化物的排放量分別為燒結(jié)的1/7、1/3和1/5[8]。爐料中酸性球團(tuán)礦的增加，也會(huì)產(chǎn)生一系列的問題[9-10]，如酸性球團(tuán)礦不能滿足高爐煉鐵對(duì)鈣、鎂等成分的要求，高堿度燒結(jié)礦和酸性球團(tuán)礦軟熔帶不一致?；谝陨显?，熔劑性球團(tuán)礦成為了理想的選擇[11]。熔劑性球團(tuán)指二元堿度>0.6的球團(tuán)[12]，經(jīng)過高溫焙燒后，其成分以Fe2O3為主，并含有鐵酸鈣、硅酸鈣等[13]。對(duì)于二元堿度在0.6～1.4范圍內(nèi)球團(tuán)礦性能的系統(tǒng)研究還鮮有報(bào)道，所以開展此堿度范圍內(nèi)的熔劑性球團(tuán)礦的研究，對(duì)其生產(chǎn)和應(yīng)用具有重要意義。

1 試驗(yàn)原料特性及研究方法

1.1 原料特性

針對(duì)研究的目的，試驗(yàn)中選用了幾種代表性礦樣，鐵精礦既有磁鐵礦又有赤鐵礦，并選擇石灰石作為堿性球團(tuán)的熔劑，膨潤土作為粘結(jié)劑。

試驗(yàn)中所選擇的幾種鐵精礦、熔劑及粘結(jié)劑的主要化學(xué)成分見表1，物理性能見表2、表3、表4和表5。

表1 原料化學(xué)成分檢驗(yàn)結(jié)果 %

表2 原料粒度組成檢驗(yàn)結(jié)果 %

表3 鐵精礦比表面積檢測結(jié)果

表4 鐵精礦成球性指數(shù)檢測結(jié)果

從鐵精礦的多元素分析結(jié)果可以看出，4號(hào)鐵精礦的FeO含量很低，為赤鐵礦。1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)鐵礦FeO含量，均在25%以上，為典型的磁鐵礦。

從原料粒度組成來看，粘結(jié)劑和熔劑的細(xì)度較大，-200目含量均在95%以上，有利于黏結(jié)劑和熔劑在鐵精礦中均勻分散，所以適合球團(tuán)使用。鐵精礦粒度相對(duì)較粗，成球之前需要細(xì)磨處理。

通常球團(tuán)用鐵精礦的比表面積要求在1 500～1 900 cm2/g，從鐵精礦比表面積來看，1號(hào)、2號(hào)和4號(hào)精礦的比表面積相對(duì)較小，只有3號(hào)鐵精礦比表面積值達(dá)到了球團(tuán)用鐵精礦對(duì)比表面積的要求。

從成球性指數(shù)來看，均屬于若成球性礦種，成球性能相差不大。

1.2 研究方法

由于試驗(yàn)所用鐵精礦在物理和化學(xué)性質(zhì)方面存在一定的差異，為了盡量減小由于鐵精礦物理化學(xué)性質(zhì)差異對(duì)球團(tuán)礦性能的影響，減弱由于球團(tuán)礦成分差異對(duì)球團(tuán)礦冶金性能結(jié)果的影響，在球團(tuán)礦堿度滿足試驗(yàn)研究要求的情況下，根據(jù)鐵精礦物理化學(xué)性質(zhì)方面的特性，將鐵精礦分組搭配進(jìn)行成球試驗(yàn)。

鐵精礦具體分組方案如下：

第一組：精礦1和精礦3進(jìn)行搭配。

第二組：精礦1、精礦2和精礦3進(jìn)行搭配。

第三組：精礦1、精礦3和精礦4進(jìn)行搭配。

在成球試驗(yàn)之前，對(duì)粒度較粗的鐵精礦均進(jìn)行了細(xì)磨處理，使其-200目含量達(dá)到了85.0%以上，比表面均在1 500～1 600 cm2/g范圍內(nèi)，不僅消除了鐵精礦細(xì)度方面的差異，而且也會(huì)減少粘結(jié)劑的添加量，保證球團(tuán)礦鐵品位。

根據(jù)試驗(yàn)計(jì)劃，將鐵精礦、膨潤土和熔劑進(jìn)行配料(每次10 kg混合料)，造球前加入一定量的水，人工充分混勻,將混勻后的混合料靜置20 min后進(jìn)行造球。造球設(shè)備為圓盤造球機(jī)，圓盤直徑1 000 mm，邊高210 mm，傾角45°，轉(zhuǎn)速21.5 r/min。造球過程中再以霧狀水的方式，補(bǔ)加一定量的水，使混合料順利成球。造好的生球經(jīng)篩分后，隨機(jī)取粒度為10～12.5 mm的生球進(jìn)行生球水分、生球落下強(qiáng)度、生球抗壓強(qiáng)度檢測。

試驗(yàn)以生球落下>5.0次/0.5m為生球落下強(qiáng)度合格指標(biāo)，以生球抗壓強(qiáng)度>10.0 N/個(gè)球作為生球抗壓強(qiáng)度合格指標(biāo)。

通過配礦計(jì)算，分別生產(chǎn)出堿度為0.6、0.8、1.0、1.2和1.4 的合格生球，在105℃的烘箱中干燥后，用于管爐預(yù)熱和焙燒試驗(yàn)。焙燒設(shè)備為Φ55 mm×600 mm×2的臥式管爐，爐子由Φ55 mm預(yù)熱爐和Φ55 mm焙燒爐組成。每次將相同數(shù)量干燥后的生球裝入60 mm×30 mm×15 mm的瓷舟中，按設(shè)定的程序，將同一瓷舟按時(shí)間先后分別推入預(yù)熱段和焙燒段，并在各溫度段內(nèi)保持一定的時(shí)間，完成不同堿度球團(tuán)的預(yù)熱和焙燒試驗(yàn)。將獲得的球團(tuán)礦進(jìn)行抗壓強(qiáng)度和主要化學(xué)成分檢測，并從每組的0.6、0.8、1.0、1.2和1.4堿度的球團(tuán)礦中分別取樣，進(jìn)行冶金性能檢測。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

分別對(duì)三組球團(tuán)礦主要化學(xué)成分進(jìn)行檢測，具體檢測結(jié)果見表6、表7、表8。

表7 第二組球團(tuán)礦的主要化學(xué)成分

表8 第三組球團(tuán)礦的主要化學(xué)成分

通過配礦，使球團(tuán)礦的鐵品位控制在了60%～63%范圍內(nèi)，二氧化硅含量控制在了4.4%～6.5%范圍內(nèi)。既得到了不同礦種的球團(tuán)礦，又縮小了球團(tuán)礦成分之間的差異，從而使試驗(yàn)結(jié)果更能凸顯堿度對(duì)球團(tuán)礦性能的影響規(guī)律。

由圖1可以看出，隨著球團(tuán)礦堿度的提高，三組球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)下降的趨勢，只是下降的幅度有所差異。其中，第一組和第二組在低于1.0堿度時(shí)，球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度下降幅度較小，但是當(dāng)堿度在1.0以上時(shí)，球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度降低的幅度較大。而第三組在0.6～1.0堿度范圍內(nèi)和1.0～1.4堿度范圍內(nèi)，球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度下降幅度基本一致。1.2堿度以上，三組球團(tuán)礦的抗壓強(qiáng)度大多降至2 800 N/個(gè)球以下，且配加赤鐵礦的第三組球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度更低。所以試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著球團(tuán)礦堿度的提高，球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度會(huì)下降，且1.0堿度以上下降更明顯。由氧化球團(tuán)礦固結(jié)機(jī)理可知，球團(tuán)礦的強(qiáng)度主要靠Fe2O3的再結(jié)晶，當(dāng)球團(tuán)礦中配入較多的熔劑后，會(huì)增加球團(tuán)礦的氣孔率，從而降低球團(tuán)礦的抗壓強(qiáng)度。原生赤鐵礦的再結(jié)晶能力弱于磁鐵礦氧化生成的赤鐵礦的再結(jié)晶能力，所以添加赤鐵礦會(huì)加劇球團(tuán)礦強(qiáng)度的降低。

圖1 球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度隨堿度變化曲線

由圖2可以看出，隨著球團(tuán)礦堿度的提高，三組球團(tuán)礦的還原度總體均呈現(xiàn)先上升，后趨于穩(wěn)定，再有所下降的趨勢。堿度在0.6～1.0范圍內(nèi)時(shí)，隨堿度升高，三組球團(tuán)礦還原度均明顯改善，這是由于球團(tuán)礦中添加熔劑后不僅增加了球團(tuán)礦的氣孔率，同時(shí)CaO的加入抑制了難還原的鐵橄欖石的生成，從而提高了球團(tuán)礦的還原度。堿度在1.0～1.4范圍內(nèi)時(shí)，三組球團(tuán)礦的還原度變化不大，且均較高，其中第一組和第二組的還原度都在75%以上。還可以看出，第三組球團(tuán)礦還原度始終低于第一組和第二組的還原度，這可能與第三組球團(tuán)礦中配加了赤鐵礦有關(guān)。由于原生的赤鐵礦的還原性低于磁鐵礦氧化新生成的Fe2O3的還原性，所以添加赤鐵礦的球團(tuán)礦還原度低于其他兩組。除此之外，在鐵的氧化物中，F(xiàn)e2O3的還原性好于鐵酸鈣，當(dāng)堿度繼續(xù)增加后，球團(tuán)礦的鐵酸鈣比例增加，F(xiàn)e2O3的比例下降，從而使球團(tuán)礦的還原度隨堿度增加到一定數(shù)值后，稍微有所降低。

圖2 球團(tuán)礦還原度隨堿度變化曲線

所以將球團(tuán)礦堿度控制在1.0～1.3范圍內(nèi)時(shí)，球團(tuán)礦的還原度最佳，同時(shí)也可以看出，紅礦的配入會(huì)降低球團(tuán)礦的還原度。

由圖3可以看出，隨著球團(tuán)礦堿度的提高，三組球團(tuán)礦的還原膨脹率總體差異不大，在0.8～1.2堿度范圍有下降的趨勢。在0.8堿度時(shí)，第一組和第二組球團(tuán)礦的還原膨脹率出現(xiàn)了峰值，而第三組還原膨脹率在0.6時(shí)最大。對(duì)于熔劑型球團(tuán)來說，0.6堿度和0.8堿度球團(tuán)礦的還原膨脹率相對(duì)較大，在熔劑型球團(tuán)礦生產(chǎn)中應(yīng)加以注意。三組球團(tuán)礦的還原膨脹率在堿度1.0～1.4范圍內(nèi)均較低(≤15%)，其中一組和三組球團(tuán)礦的還原膨脹率在1.2堿度時(shí)最小。第三組的還原膨脹率總體上低于第一組和第二組的還原膨脹率，這應(yīng)該是添加紅礦后還原度降低，發(fā)生體積膨脹的部分所占比例減少，球團(tuán)礦膨脹率下降。所以熔劑性球團(tuán)礦生產(chǎn)中，應(yīng)盡量避開0.6～0.8堿度范圍，添加紅礦有助于降低還原膨脹率。

圖3 球團(tuán)礦還原膨脹率隨堿度變化曲線

由圖4、圖5可以看出，在0.6～1.4堿度范圍內(nèi)，隨著堿度的提高，第二組和第三組球團(tuán)礦低溫還原粉化指標(biāo)呈惡化的趨勢，而第一組球團(tuán)礦低溫還原粉化指標(biāo)卻變化不大。第二組和第三組球團(tuán)礦的低溫還原粉化指標(biāo)在0.6～1.0堿度范圍內(nèi)，明顯變差，在0.8～1.0堿度范圍內(nèi)最差。總體來看，三組球團(tuán)礦低溫還原粉化指標(biāo)相差不大，第一組和第二組指標(biāo)稍好于第三組，這可能是由于第三組球團(tuán)礦中添加赤鐵礦后，球團(tuán)礦內(nèi)部顆粒之間的再結(jié)晶程度低于不添加赤鐵礦的球團(tuán)礦。所以大多數(shù)情況下，熔劑性球團(tuán)礦的低溫還原粉化指標(biāo)隨球團(tuán)礦堿度的提高而變差，但變化幅度不大，均能滿足高爐生產(chǎn)要求。添加赤鐵礦會(huì)惡化球團(tuán)礦的粉化指標(biāo)。

圖4 球團(tuán)礦還原粉化率+6.3mm粒級(jí)隨堿度變化曲線

圖5 球團(tuán)礦還原粉化率+3.15mm粒級(jí)隨堿度變化曲線

由圖6、圖7、圖8可以看出，在0.6～1.0堿度范圍內(nèi)，軟化開始溫度、軟化終了溫度均呈現(xiàn)上升的趨勢，在1.0～1.4堿度范圍內(nèi)，基本趨于穩(wěn)定。軟化區(qū)間在0.6～1.4堿度范圍內(nèi)，也有所增加。所以總的來看，隨著堿度的提高，球團(tuán)礦還原后的軟化溫度升高了，但區(qū)間也變寬了。除此之外，添加赤鐵礦的球團(tuán)礦強(qiáng)度相對(duì)低，在壓力下更容易軟化。

圖6 球團(tuán)礦軟化開始溫度ΔH10%隨堿度變化曲線

圖7 球團(tuán)礦軟化終了溫度ΔH40%隨堿度變化曲線

圖8 球團(tuán)礦軟化區(qū)間隨堿度變化曲線

由圖9、圖10、圖11可以看出，三組的熔滴性能相差不大。在0.6～1.0堿度范圍內(nèi)，壓差陡升溫度大多數(shù)呈現(xiàn)上升的趨勢，在1.0堿度以上，基本不變，而滴落溫度隨堿度升變化不明顯。熔滴區(qū)間在0.6～1.4堿度范圍內(nèi)，有所下降，有利于改善料層透氣性。所以總的來看，隨著堿度的提高，球團(tuán)礦還原后的壓差陡升溫度升高了，熔滴區(qū)間也變窄了，對(duì)高爐透氣性的改善比較有利。

圖9 球團(tuán)礦壓差陡升溫度隨堿度變化曲線

圖10 球團(tuán)礦滴落溫度隨堿度變化曲線

圖11 球團(tuán)礦熔滴區(qū)間溫度隨堿度變化曲線

由圖12、圖13可以看出，三組球團(tuán)礦的變化趨勢基本一致，在0.6～1.0堿度范圍內(nèi)，最大壓差和總特征值S下降比較明顯，表明爐料的透氣性隨堿度升高而不斷改善。在1.0堿度以上，基本不變，且最大壓差和總特征值S的值均相對(duì)較小。所以總的來看，堿度在0.6～1.4范圍內(nèi)，隨著堿度的提高，三組球團(tuán)礦還原后的料層透氣性均得到了改善，特別是堿度在1.0～1.4范圍內(nèi)時(shí)，熔劑性球團(tuán)礦對(duì)改善料層透氣性比較有利。

圖12 球團(tuán)礦最大壓差隨堿度變化曲線

圖13 球團(tuán)礦總特征值S隨堿度變化曲線

3 結(jié)語

1)在0.6～1.4堿度范圍內(nèi)，隨著堿度的提高，球團(tuán)礦強(qiáng)度總體上呈現(xiàn)降低的趨勢，且1.0堿度以上，球團(tuán)礦強(qiáng)度下降更明顯。

2)球團(tuán)礦的還原度隨堿度提高而得到改善，特別是球團(tuán)礦堿度控制在1.0～1.3范圍內(nèi)時(shí)，球團(tuán)礦的還原度最佳。

3)球團(tuán)礦的還原膨脹率隨著堿度的提高而降低，在0.6～0.8堿度范圍內(nèi)還原度相對(duì)較高，在1.0～1.4堿度范圍內(nèi)，球團(tuán)礦的還原膨脹率均在15%以下，所以熔劑性球團(tuán)礦應(yīng)盡量避開0.6～0.8堿度范圍。

4)在0.6～1.4堿度范圍內(nèi)，大多數(shù)球團(tuán)礦的低溫還原粉化率有變差的趨勢，在0.8～1.0堿度范圍內(nèi)最差，但均能滿足高爐生產(chǎn)要求。

5)在0.6～1.4堿度范圍內(nèi)，球團(tuán)礦的軟熔-滴落性能隨著堿度的提高改善比較明顯，特別是1.0～1.4堿度范圍內(nèi)，球團(tuán)礦的軟熔-滴落性能最好。