复合添加剂对赤铁矿球团性能影响的机理研究.pdf

第3 1 卷第l 期矿冶 工 程 V 0 1 ．3 1N o t 2 0 11 年0 2 月M I N I N GA N DM E T A L L U R G I C A LE N G 玎、i E E R I N GF e b r u a r y2 0 1I 复合添加剂对赤铁矿球团性能影响的机理研究① 周友连，许斌，李骞，姜涛 中南大学资源加工与生物工程学院，湖南长沙4 1 0 0 8 3 摘要研究了复合添加剂对赤铁矿球团性能的影响，并对其机理进行了探索。研究表明，适量的硼砂在低温下能生成一定世的液 相，有助于球团焙烧过程中的固相反应，从而改善赤铁矿球团抗压强度，但过量的液相会阻碍晶粒的直接接触，不利于球团中F e 0 ，再 结晶，降低焙烧球强度；而且由于液相过多，还原过程粘结力减弱，恶化还原膨胀。M 9 0 低温下稳定，阻碍了赤铁矿球团中F e 0 ，的微 结晶，降低预热球抗压强度，但高温下形成高强度、高熔点的铁酸镁系提高了焙烧球抗压强度且改善了还原膨胀。优化试验表明， 0 ．2 ％硼砂和1 ．7 5 ％M g O 所形成的复合添加剂能使得赤铁矿球团既有良好的冶金性能，又能满足球团生产的抗压强度要求。 关键词烧结球团；赤铁矿；抗压强度；还原膨胀；复合添加剂 中图分类号T F 0 4 6文献标识码A文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 11 O l 0 0 6 6 0 4 M e c h a n i s mR e s e a r c hf o rI n f l u e n c eo fC o m p o u n dA d d i t i v e s o nt h eP r o p e r t i e so fH e m a t i t eP e l l e t s Z H O UY o u l i a n ，X UB i n ，L IQ i a n ，J I A N GT a o S c h o o lo fM i n e r a l sP r o c e s s i n g B i o e n g i n e e r i n g ，C e n t r a lS o u t hU n i v e r s i t y ，C h a n g s h a410 0 8 3 ，H u n a n ，C h i n a A b s t r a c t T h ei n f l u e n c eo fc o m p o u n da d d i t i v e s o nt h e p r o p e r t i e so fh e m a t i t ep e l l e t s a n di t sm e c h a n i s mh a v eb e e n s t u d i e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tac e r t a i na m o u n to fl i q u i dp h a s ec a nb ep r o d u c e da tl o wt e m p e r a t u r ew i t ham o d e r a t ed o s e o fb o r a x ，w h i c hi sg o o df o rs o l i dp h a s er e a c t i o ni nt h ep e l l e tr o a s t i n gp r o c e s sa n dc a ni m p r o v et h ec o m p r e s s i v es t r e n g t ho f h e m a t i t ep e l l e t ．B u te x c e s sl i q u i d p h a s ep r e v e n t sc r y s t a lp a r t i c l e sc o n t a c t i n ge a c ho t h e rd i r e c t l y ，b e i n gu n f a v o r a b l ef o r F e 20 3r e c r y s t a l l i z a t i o na n dl o w e r i n gp e l l e tc o m p r e s s i v es t r e n g t h ．T h ee x c e s so fl i q u i d p h a s er e s u l t si nt h ew e a k n e s so ft h e b o n d i n ga n dw o r s e n i n go fr e d u c t i o ns w e l l i n g ．M g Oi ss t a b l ea tl o wt e m p e r a t u r ea n dh i n d e r sm i c r o c r y s t a lo fF e 20 3i n h e m a t i t ep e l l e t ，S Oa st ol o w e rt h ec o m p r e s s i v es t r e n g t ho fp r e h e a t e dp e l l e t ．H o w e v e ri ti m p r o v e st h ec o m p r e s s i v e s t r e n g t ha n dr e d u c t i o ns w e l l i n go fp e l l e ts i n c ei tp r o d u c e sh i l g hs t r e n g t h ，h i g hm e l t i n gp o i n tm a g n e s i u mf e r r i t e a tah i g h t e m p e r a t u r e ．R e s u l tf r o mo p t i m i z a t i o nt e s t s h o w st h a tt h ec o m p o u n da d d i t i v e sw h i c ha r ef o r m e dw i t h0 ．2 ％b o r a x ． 1 ．7 5 ％M g Oc a nm a k et h eh e m a t i t ep e l l e t s w i t hg o o d m e t a l l u r g i c a lp r o p e r t i e s ，m e e t i n gr e q u i r e m e n to fc o m p r e s s i v e s t r e n g t hi np e l l e tp r o d u c t i o n ． K e yw o r d s s i n t e r i n ga n dp e l l e t i z i n g ；h e m a t i t e ；c o m p r e s s i o ns t r e n g t h ；r e d u c t i o ns w e l l i n g ；c o m p o u n da d d i t i v e s 2 1 世纪以来，我国经济高速发展，对钢铁的需求 量不断增大，而与此I j 时人们对生存环境越来越重视， 因此，高产、低耗、长寿且环境友好成为钢铁厂追求的 目标‘3J 。合理的高炉炉料结构是实现这些目标的途 径。而在高炉熟料中，相埘于烧结矿，球团矿在高炉冶 炼中可起到增产节焦、改善炼铁技术经济指标、降低生 铁成本、提高经济效益并且对环境友好的作用H 一7 I 。 因此，在高炉炼铁中，加大球团矿的比例是高炉炉料结 构的发展趋势。 随着生产球团矿的高品位磁铁矿资源的日益枯 竭，人们开始将月光投向铁品位高的赤铁矿。但赤铁 矿需要在较高的预热、焙烧温度和较长的预热、焙烧时 间下才能达到生产要求“ “⋯。因此降低使用赤铁精 矿制备球团的能耗，提高其单位产量将在很大程度上 解决资源短缺的问题，并带来巨大的经济效益。 不少研究者探索过含硼添加剂、含镁添加剂埘磁 铁矿球闭的影响，范广权等人卜1 3 认为含硼添加剂虽 可以降低预热、焙烧温度，提高预热、焙烧球的强度，但 对冶金性能不利；张亚平等人u 4 叫6 ‘认为含镁添加剂只 有在较高预热、焙烧温度下才能提高预热、焙烧球的强 ①收稿日期2 0 1 0 - 0 8 - 0 5 作者简介周友连 1 9 8 5 一 ，女，江西南昌人，硕士研究牛，乇要从事烧结球I 硐研究。 万方数据 第l 期周友连等复合添加剂对赤铁矿球团性能影响的机理研究 6 7 度，但可以改善磁铁矿球团的冶金性能。而在含硼、镁 复合添加剂对赤铁矿球团的影响这方面的探索研究在 国内较少。 本研究针对赤铁精矿制备球团矿的缺陷，探索了 复合添加剂对赤铁矿球团抗压强度及冶金性能的影 响，以期使得赤铁矿球团既有良好的冶金性能，又能在 磁铁矿常见的预热、焙烧时间及温度下满足球团生产 的抗压强度要求。 1 原料性能和研究方法 1 ．1 原料性能 本试验所用含铁原料为来自巴西的P F C J 赤铁精 矿，其化学成分见表1 。从表1 可知，P F C J 赤铁精矿的 铁品位高，二氧化硅含量低，其它有害杂质少，是生产 氧化球团矿的优质原料。由于未经高压辊磨预处理的 P F C J 赤铁精矿比表面积远低于球团生产对铁精矿比 表面积要求，因此，对P F C J 赤铁精矿进行了高压辊磨 预处理，处理后的P F C J 赤铁精矿粒度组成见表2 ，其 比表面积为16 2 6c m 2 ／g ，静态成球指数为0 ．6 2 。试验 所用膨润土化学成分见表1 ，物理性能见表3 。 表1P F C J 赤铁精矿和膨润土化学成分 质量分数 ／％ 名称T F e F e O S i 0 2A 1 2 0 3 C a O M g o 赤铁精矿 6 5 ．7 20 ．5 31 ．2 51 ．5 10 ．0 40 ．0 6 膨润土8 ．3 6 0 ．8 54 7 ．5 I1 6 ．1 51 ．5 93 ．3 3 名称 M n O 烧失 赤铁精矿0 ．7 9 0 ．0 0 80 ．0 0 1 20 ．0 3 6O ．0 1 12 ．2 9 膨润土0 ．1 3 1 ．2 91 ．0 50 ．0 1 10 ．2 51 4 ．3 8 表2P F C J 赤铁精矿粒度组成 质量分数 ／％ 吸水率 2h 膨胀容胶质价蒙脱石含量 一0 ．0 7 4m m ／％ ／ m L g 一1 ／％／％ 粒级含量／％ 1 8 7 ．5 6 ．5 9 1 ．O 8 8 ．61 0 0 ．O 本试验所采用的添加剂为硼砂和M g O ，均为分析 纯试剂。 1 ．2 研究方法 首先，分别研究单一添加剂硼砂、M g O 对赤铁矿 球团抗压强度的影响。将经过高压辊磨预处理的P F C J 赤铁精矿、硼砂或M g O 同膨润土混匀，造球。采用 中南大学研制的q D 2 0 0X 7 5m i l l 高压辊磨机，其转速和 压力可调。生球制备采用圆盘造球机，其直径为10 0 0 m m ，转速1 8r ／r a i n ，倾角为4 7 0 。造球试验中生球水分 为1 0 ％，造球时间为1 2m i n ，膨润土用量为1 ．8 ％。将 制备好的生球在1 0 5 ℃下烘干，在卧式管炉中进行预 热、焙烧试验，预热温度9 5 0 ℃，预热时间8r a i n ；焙烧 温度12 8 0 ℃，焙烧时间1 5m i n 。在Z Q Y C 智能抗压测 量仪上测定球团抗压强度。然后在此基础上对成品球 的还原膨胀率进行检测，探索出两种添加剂对赤铁矿 还原膨胀的影响。最后通过优化试验，寻找出硼砂、 M g O 适宜配比，两者所形成的复合添加剂能使赤铁矿 球团既有良好的冶金性能，又能在预热温度9 5 0o C ，预 热时间8r a i n ，焙烧温度12 5 0 ℃，焙烧时间1 2m i n 下 满足球团生产的抗压强度要求。 2 结果及分析 2 ．1 单一添加剂对球团抗压强度的影响 2 ．1 ．1 硼砂对球团抗压强度的影响硼砂对球团抗 压强度的影响见图1 。从图1 可以看出，随着硼砂添 加量的不断增加，预热球抗压强度不断增大，焙烧球抗 压强度先增大后减小。这是因为，加入硼砂后，在较低 温度下就开始熔融且与球团中脉石矿物形成低熔点物 质，它们熔融所产生的少量液相使球团中颗粒靠近，拉 紧，并且有助于固体扩散反应的进行，加强了赤铁矿球 团中预热阶段F e O ，的微晶连接和焙烧阶段的F e O ， 再结晶连接，使得预热球、焙烧球抗压强度增大。但是 当硼砂添加量过多时，产生过多的液相，反而会阻碍固 体颗粒直接接触，不利于赤铁矿球团中F e O ，再结晶 连接，焙烧球强度反丽降低。 乒 七 ● Z 世 馥 幽 g 鸶 嚣 鎏 硼砂添加量／％ 图l 硼砂添加量对球团抗压强度的影响 乒 牟 Z 憾 震 出 g 餐 最 { 基 2 ．1 ．2 M g O 对球团抗压强度的影响M g O 对球团抗 压强度的影响见图2 。从图2 町以看出，随着M g O 添 加餐的不断增加，预热球抗压强度不断减小，焙烧球抗 压强度不断增大。这是因为，M g O 是高熔点物质，在 较低温度下稳定存在，它的加入阻碍了赤铁矿球团中 万方数据 矿冶工程第3 l 卷 预热阶段F e O ，的微晶连接，从而降低了预热球的抗 压强度。而在12 8 0o C 下，M g O 与F e O ，生成了铁酸 镁体系，此类铁酸盐除了本身具有较高强度外，其熔融 形成的液相也有利于固相扩散反应，有助于赤铁矿球 团中颗粒的连接，均能提高焙烧球强度。 产 } Z 链 骤 出 j 基 筮 壤 颦 M 2 0 添加量／％ 图2M g O 添加量对球团抗压强度的影响 产 牟 ● Z { 哒 强 出 撼 奄 霰 器 2 ．2 添加剂对球团还原膨胀的影响 取预热温度9 5 0o C ，预热时间8m i n ，焙烧温度 12 8 0o C ，焙烧时间1 5m i n 的成品球进行还原膨胀试 验。在研究硼砂、M g O 对赤铁矿球团还原膨胀影响的 同时，兼顾预热球、焙烧球抗压强度，本试验中选取以 下3 个试验点进行了还原膨胀率的测定，试验结果见 表4 。 表4 添加剂对球团还原膨胀的影响 漱剂用量 搿紫擎篇紫擎，R ％S I 从表4 可见，无添加剂的赤铁矿球团还原膨胀率 虽然小，但其抗压强度在本试验条件下远不能满足生 产要求。与无添加剂的球团相比，添加0 ．4 ％硼砂后， 赤铁矿球团抗压强度大幅度提高，但还原膨胀率明显 增大，接近异常膨胀。而添加0 ．4 ％硼砂和1 ．0 0 ％ M g O 的赤铁矿球团，预热球抗压强度虽有所降低，但 仍高于无添加剂球团的抗压强度，能满足生产要求，而 其还原膨胀率相对仅添加0 ，4 ％硼砂的球团有所下 降。这些说明硼砂恶化赤铁矿球团的还原膨胀，而 M g O 能改善赤铁矿球团的还原膨胀。这是因为，赤铁 矿球团加入硼砂后，硼砂产生的低熔点物质使得球团 在还原早期就出现较多液相，使得还原过程中的粘结 力减弱，还原膨胀增大Ⅲ1 ；而M g O 在赤铁矿球团焙烧 过程中形成了稳定的铁酸镁，在还原时不会发生 F e O ，转变成F e ，O 。的反应，而是生成F e O 与M g O 的 固溶体，抑制了球团矿还原体积膨胀，降低了还原膨 胀率。 2 ．3 优化试验 在单一添加剂硼砂、M g O 对赤铁矿球团的抗压强 度、还原膨胀影响研究的基础上，综合考虑球团的冶金 性能及抗压强度，进一步进行了优化试验，此时预热制 度为预热温度9 5 0 ℃，预热时间8m i n ；焙烧温度 12 5 0 ℃，焙烧时间1 2m i n ；硼砂添加量为0 ．2 ％，M g O 添加量为1 ．7 5 ％。优化试验结果见表5 。 表5 优化试验 从表5 可以看出，0 ．2 ％硼砂和1 ．7 5 ％M g O 所形 成的复合添加剂能使得赤铁矿球团既有良好的冶金性 能，又能在磁铁矿常见的预热、焙烧时间及温度下满足 球团生产的抗压强度要求。 2 ．4 机理分析 分别对优化试验点0 ．2 ％硼砂、1 ．7 5 ％M g O 和无添 加剂的试验点进行了矿相显微结构研究，见图3 4 。 图3无添加剂焙烧球矿相显微结构 a 球核郎分； b 球团矿外层 图4 有添加剂焙烧球矿相显微结构 a 球核部分； b 球团矿外层 从图3 可以看出无添加剂的焙烧球显微结构以 多孔状结构为主，气孑L 不规则，大小不一。球核部分， F e O ，结晶细小、松散，F e 0 ，再结晶只有小部分开始 互连，大部分F e O ，呈单独粒状处于初晶态。球团外 万方数据 第1 期 周友连等复合添加剂对赤铁矿球团性能影响的机理研究 层F e O ，再结晶较球核部分好，部分互连，但仍有一部 分F e O ，呈初晶态。这是因为赤铁矿球团焙烧过程 中，只有在较高温度和较长时间条件下，才能观察到晶 体的明显长大，否则只是各F e O ，颗粒相互靠近，但不 产生粘结或者只形成初期的连接桥。 从图4 可以看出加入硼砂和M g O 的复合添加剂 后，焙烧球显微结构也以多孔状结构为主，气孔较规 则，孔径大小相对较均匀，气孔数量较基准点要少。球 团矿外层F e O ，再结晶优良，互连晶更多，晶粒粗大， 构成高强度的结构。球核部分F e O ，再结晶仍较好， 互连晶较多，虽然有部分F e O ，处于微结晶状态，但是 整体结构较强。这是由于加入硼砂后，其产生的低熔 点物质在低温下熔融，开始与其它化合物发生固相反 应，产生了流动性好的少量的液相，而同时加入的 M g O 与F e O ，生成了铁酸镁体系的熔融液相，这些熔 融液相使得球团中颗粒表面润湿，并靠表面张力使颗 粒靠近、拉紧，此外还能进一步促进固相扩散反应，从 而进一步促进了铁酸钙的生成与F e O ，晶粒长大互 连，提高焙烧球强度。 3 结论 1 赤铁矿球团中加入硼砂后，其中的低熔点物质 低温下产生熔融液相，有助于固相反应，使得预热球、 焙烧球抗压强度增大。但硼砂添加量过多时，产生过 多的液相，反而阻碍固体颗粒直接接触，不利于赤铁矿 球团中再结晶连接，焙烧球强度反而降低。而熔融液 相却使得还原过程粘结力减弱，恶化还原膨胀。 2 赤铁矿球团中加入M g O 后，M g O 低温下稳定， 阻碍F e ，O ，微结晶，降低预热球抗压强度，而高温下形 成的铁酸镁体系不仅可提高焙烧球抗压强度，而且该体 系还原时不会发生F e O 。转变成F e ，O 。的反应，而是生 成F e O 与M g o 的固溶体，抑制r 球团矿还原体积膨胀。 3 0 ．2 ％硼砂和1 ．7 5 ％M g O 所形成的复合添加剂 上接第6 5 贞 可达到9 0 ．7 3 ％、金属化率9 5 ．4 4 ％，且S 、P 、S i 0 2 等杂 质含量也都达到标准。福建省拥有大量挥发份、灰分、 含硫均较低的无烟煤，“一步法”生产直接还原铁工艺 中通过配煤调整还原剂性质，可大大降低优质烟煤的 用量，节约成本，同时能够因地制宜的利用福建本地煤 炭资源，提高福建省的铁矿和煤炭多种资源的综合利 用率。 参考文献 [ 1 ]范晓慧，邱冠周．我国直接还原铁生产的现状与发展前景[ J ] ． 能使得赤铁矿球团既有良好的冶金性能，又能在磁铁矿 常见的预热、焙烧时间及温度下具有较大的抗压强度。 参考文献 [ 1 ]国家发展改革委产业政策司．2 0 0 7 年钢铁行业发展趋势及应重 视问题[ J ] ，中国经贸导刊，2 0 0 7 4 9 ． [ 2 ]周劲．我国钢铁工业供需形势分析与未来发展趋势[ J ] ．中国 经贸导刊，2 0 0 6 1 3 1 9 2 0 ． [ 3 ]朱及天，洪天求．我国钢铁需求预测及铁矿资源安全供给对策 [ J ] ．金属矿山，2 0 0 6 1 0 9 1 2 ． [ 4 ]叶匡吾．努力推进我国球团矿的生产[ J ] ．烧结球团，2 0 0 7 ，3 2 5 l 一5 ． [ 5 】黄金堂，闭立钢，杨剑，等．柳钢使用自产球团矿实践[ J ] ．柳 钢科技．2 0 0 4 2 1 0 1 1 ． [ 6 ]叶匡吾．欧盟高炉炉料结构评述和我国球团生产的进展[ J ] ．烧 结球团，2 0 0 4 。2 9 4 4 6 ． [ 7 ] 刘文权．对我国球团矿生产发展的认识和思考[ J ] ．炼铁，2 0 0 6 ， 2 5 3 l O 1 3 ． [ 8 ]张久铭，王贵成，何哑丽．我国铁矿资源的秉赋特征与可持续开 发利用研究[ J ] ．中国矿业，2 0 0 7 ，1 6 7 3 6 3 9 ． [ 9 ]于谦．我国铁矿石进口量持续走高[ J ] ．港口经济。2 0 0 7 5 6 2 6 6 ． [ 1 0 ]阎为群．国内球团生产技术的发展[ J ] ．江苏冶金，2 0 0 7 ，3 5 3 2 1 2 4 ． [ 1 1 ]范广权．铁精矿加氧化硼球团试验及其冶炼效果[ J ] ．烧结球 团，1 9 9 0 4 1 2 1 9 ． [ 1 2 ]李永清．三种含硼添加剂在烧结球团生产中的应用比较[ j ] ．昆 明冶金高等专科学校学报。2 0 0 4 ，2 0 1 3 1 3 3 ． [ 1 3 ]张凯，杨兆祥．添加硼精矿对球团抗压强度和还原性的影响 [ J ] ．烧结球团。1 9 9 8 ，2 3 3 2 5 2 8 ． [ 1 4 ]张亚平，傅菊英，姜涛，等．脉石含量对球团矿性能的影响 [ J 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