高铝烧结矿中MgO的影响研究.pdf
高铝烧结矿中 MgO 的影响研究 ① 公言国1, 王 广1, 李 华2, 王静松1, 薛庆国1 (1.北京科技大学 钢铁冶金新技术国家重点实验室,北京 100083; 2.张店钢铁总厂,山东 淄博 256400) 摘 要 通过烧结杯实验,研究了提高 MgO 含量对高铝烧结矿生产技术经济指标、烧结矿强度和矿物组成以及冶金性能的影响。 结果表明高铝烧结矿中 MgO 含量由 2.55%提高到 3.21%时,烧结矿成品率降低了 4.77%,烧结利用系数降低了 0.3 t/ (m2h),转 鼓强度降低了 4.8%,气孔率增加,烧结矿低温还原粉化指数由 66.8%提高到 72.1%,还原性未发生明显变化。 关键词 高铝烧结矿; 烧结; MgO 含量; 转鼓强度; 矿物组成; 冶金性能 中图分类号 TF046文献标识码 Adoi10.3969/ j.issn.0253-6099.2015.01.021 文章编号 0253-6099(2015)01-0076-04 Study on the Influence of MgO on High⁃alumina Sinter GONG Yan⁃guo1, WANG Guang1, LI Hua2, WANG Jing⁃song1, XUE Qing⁃guo1 (1.State Key Laboratory of Advanced Metallurgy, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China; 2.Zhangdian Steel Plant, Zibo 256400, Shandong, China) Abstract The effects of increasing the content of MgO on the technical and economic index of high⁃alumina sinter production, the strength, mineral composition and metallurgical properties of the sinter were studied through sinter pot tests. Results showed that MgO content in the high⁃alumina sinter increased from 2.55% to 3.21%, resulting in a decrease of 4.77% in the yield of sinter products, 0.3 t/ (m2h) down in the sintering utilization coefficient, as well as a reduction of 4.8% in the tumbler strength. On the contrary, the porosity rate was increased and RDI was raised from 66.8% to 72.1%, however, no significant change in reducibility. Key words high⁃alumina sinter; sintering; MgO content; tumbler strength; mineral composition; metallurgical property 近年来,随着铁矿石资源不断消耗以及冶金行业 竞争日趋激烈,许多钢铁企业开始使用低价的高铝铁 矿,在降低生产成本的同时也提高了烧结矿中氧化铝 的含量。 在炼铁系统中,Al2O3是一种有害成分,一方 面它会加剧烧结矿的低温还原粉化[1],影响高炉上部 间接还原区域的透气性;另一方面它会吸收大量 O 2- , 形成复合阴离子团,降低渣中 O 2- 的活度,恶化了脱硫 热力学条件;而且它会提高炉渣粘度,恶化脱硫动力学 条件[2]。 传统高炉炼铁理论中对 MgO 的评价是积极的, 即它可以改善烧结矿的低温还原粉化性能,有效改善 炉渣理化性能,提高脱硫能力[3-6]。 因此,适当提高烧 结矿中 MgO 的含量是有利的。 但是烧结矿中 MgO 含 量的提高对烧结生产过程参数、烧结冷强度、烧结矿冶 金性能都会产生影响。 本文采用烧结杯实验研究了高 铝烧结矿中 MgO 含量对烧结生产、烧结矿质量的影响。 1 实验原料、设备及方法 实验设备为烧结杯系统,主要由烧结杯、点火器、 抽风除尘系统等几部分组成。 具体实验方法如下以 烧结现场出一混的混合料为基准,向其中逐渐配加菱 镁石粉,以调整烧结矿中 MgO 的含量,然后将调整 MgO 后的混合料装入二混进行制粒和水分调整。 所 用原料成分、配比、混合料水分及菱镁石添加量如 表 1~4 所示。 经过二混制粒后,混合料布到烧结杯中,烧结杯底部 预先布5 kg 铺底料,烧结杯尺寸为 Φ300 mm 600 mm, 料高 550 mm,点火负压 6 kPa,抽风负压 12 kPa。 经点 火、抽风、烧结、冷却、破碎、落下、筛分得到烧结矿,然后 进行转鼓强度测定,并取样进行成分和冶金性能检测。 ①收稿日期 2014-08-12 基金项目 国家科技支撑计划资助项目(2011BAC01B02) 作者简介 公言国(1990-),男,山东临沂人,硕士研究生,研究方向为钢铁冶金。 通讯作者 王静松(1968-),男,北京人,教授,博士研究生导师,研究方向为钢铁冶金。 第 35 卷第 1 期 2015 年 02 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.35 №1 February 2015 表 1 含铁原粉成分(质量分数) / % 原料TFeFeOSiO2CaOMnOMgOAl2O3P TiO2 PB 粉61.57 0.303.650.230.160.152.240.0720.099 澳粗 5656.14 0.405.630.430.070.252.590.0490.150 塞拉利昂粉 57.78 0.301.990.160.130.086.150.0420.236 南非精粉61.22 25.70 2.393.280.253.880.820.1961.451 朝鲜粗粉47.96 0.30 12.49 1.283.230.602.180.0690.150 除尘灰44.39 3.746.90 11.93 0.352.782.810.0710.194 钢渣精粉35.0014.72 29.19 1.776.212.970.5670.986 筛分矿65.09 0.353.880.270.15 <0.10 1.560.039<0.10 返粉53.78 5.186.969.190.352.303.570.0690.159 表 2 熔剂成分(质量分数) / % 名称CaOSiO2MgO烧损 蛇纹石38.8139.5013.34 白云石30.783.0218.3744.98 菱镁石1.317.9540.2638.36 生石灰803.012 表 3 原料配比(质量分数) / % PB 粉 澳粗 56 塞 粉 朝鲜 粉 南非 粉 筛分 矿 除尘 灰 钢渣 精粉 返 粉 蛇纹 石 白云 石 生石 灰 3519431073217156.1 表 4 混合料水分及菱镁石添加量 方案水分/ %菱镁石添加量(按干混合料计) / % 基准6.700 方案 17.570.44 方案 26.590.88 方案 36.601.32 方案 47.121.76 2 实验结果 2.1 烧结矿成分 各方案烧结矿成分检测结果如表 5 所示。 从表 5 可以看出,当烧结矿中 Al2O3含量为 2.5% ~2.6%时, 随着菱镁石配入量增加,烧结矿中 MgO 含量逐渐增 加,最高达 3.21%,TFe 变化不大,碱度波动不大,FeO 含量最高达 9.1%,略有波动。 表 5 烧结矿成分(质量分数) / % 方案TFeFeOCaOAl2O3SiO2MgOR 基准53.749.1011.002.526.092.551.81 方案 154.198.1011.182.636.252.691.79 方案 253.789.3011.472.536.332.911.81 方案 353.448.2011.592.576.302.991.84 方案 453.658.6011.642.546.343.211.84 2.2 烧结过程技术经济指标 烧结矿经落下后的粒度组成如表 6 所示。 烧结过 程参数如表 7 所示。 表 6 烧结矿粒度组成 方案 不同粒度(mm)下的含量/ % >4040~2525~1616~1010~5<5 基准3.9817.9716.5317.6519.1724.70 方案 14.3220.0815.2814.9819.4125.93 方案 24.4316.0415.4717.3319.7227.01 方案 310.7321.3215.6914.2415.4828.17 方案 48.2924.3315.8513.6014.7629.47 表 7 烧结过程参数 方案 烧结时间 / min 垂直烧结速度 / (mmmin -1 ) 成品率 / % 利用系数 / (tm -2 h -1 ) 基准1928.9575.301.79 方案 120.723.2174.071.63 方案 219.827.7872.991.66 方案 32323.9171.831.41 方案 42323.9170.531.38 由表 6 可知随着烧结矿中 MgO 质量分数提高,粒 度大于 5 mm 的烧结矿的质量减少,而粒度小于 5 mm 的烧结矿其质量有所增加。 由表 7 可知① 随着 MgO 含量提高,烧结时间延长,垂直烧结速度降低;② 高铝 烧结矿成品率较低,只有 75.3%。 而且随着烧结矿中 MgO 的质量分数由 2.55%提高到 3 21%,烧结矿成品率 由 75.30%下降到 70.53%,利用系数由 1.79 t/ (m2h) 下降到 1.38 t/ (m2h)。 Al2O3、MgO 都是高熔点物 质,降低了料层过热度,提高了液相粘度,影响粘结效 果[7-8]。 由此可见,提高高铝烧结矿中 MgO 的质量分数会 进一步降低烧结成品率,而且利用系数也下降。 2.3 烧结矿转鼓强度 不同方案所得烧结矿转鼓强度如图 1 所示。 结果 表明基准方案即高铝条件下烧结矿转鼓强度只有 54 5%,当烧结矿 MgO 质量分数从 2.55%提高到 3.21% 时,转鼓强度从 54.5%下降到 49.7%。 一方面,MgO 是 一种高熔点物质,随其含量增加,烧结液相的形成温度 图 1 MgO 含量对烧结矿转鼓强度的影响 77第 1 期公言国等 高铝烧结矿中 MgO 的影响研究 升高,液相量不足且液相粘度增大,流动性变差[9];另 一方面, Mg 2+ 会进入磁铁矿晶格稳定磁铁矿结构,使 得磁铁矿的量增加,磁铁矿氧化受阻,导致铁酸钙的量 减少[10]。 因此随着 MgO 含量增加,烧结矿转鼓强度 下降。 2.4 矿相及 XRD 分析 每组烧结矿随机选取几块制成光片在光镜下观 察,结果如图 2 所示。 5 组烧结矿均以铁酸钙、赤铁 矿、磁铁矿为主,伴有少量杂质相。 基准烧结矿存在大 量铁酸钙结构并伴有少量磁铁矿(图 2(a)),有少量 大块赤铁矿与玻璃相(图 2(b)),另有少量铁酸钙交 织结构(图 2(c))。 随着 MgO 质量分数增加,方案 2 烧结矿矿相结构变化不大,以铁酸钙结构为主并伴有 少量再生赤铁矿(图 2(d)),存在大量铁酸钙交织结 构( 图 2 ( e)), 另 有 少 量 大 块 赤 铁 矿 及 玻 璃 相 (图 2(f)),孔洞增加。 方案 4 烧结矿以交织溶蚀状铁 酸钙为主(图 2(g)),存在较多的孔洞,并伴有赤铁矿 与铁酸钙的共晶结构(图 2(h)),出现少量分布在孔 洞周围的再生赤铁矿(图 2(i))。 由此可以看出,MgO 含量的提高促进了交织状铁酸钙的生成,这主要是由 于垂直烧结速度降低,成矿时间延长造成的;同时 MgO 不利于烧结液相的生成与流动,随其含量增加, 粘结相粘结效果差,孔洞增加。 图 2 烧结矿矿物结构分析 F 铁酸钙;H 赤铁矿;M 磁铁矿;V 玻璃相 从每组烧结矿的矿相照片中随机选取 40 张矿片, 用 IPP 图像分析软件分析计算每张矿片中孔洞占的面 积比例,其平均值记为 P。 图 3 所示为几组烧结矿的 P 值与 MgO 含量的关系。 随着 MgO 含量提高,烧结 矿 P 值增加,表明烧结矿孔隙率增加,主要是由于液 相量不足及液相流动性较差所致,这也解释了烧结矿 冷强度较低的原因。 第 2 组烧结矿的 P 值大于第 3、4 组烧结矿,结合成分分析认为,这主要与 Al2O3的波动 有关,Al2O3含量的提高会使烧结矿孔隙率增加[9]。 图 3 MgO 含量与 P 值的关系 对各组烧结矿进行了 XRD 分析,图 4 为其中 5 组 烧结矿的 XRD 分析结果。 从图 4 可以看出,虽然烧结 矿中 MgO 质量分数有所提高,但烧结矿的主要矿物组 成没有发生明显变化,都是以复合铁酸钙、赤铁矿、磁 铁矿为主。 比较方案 4 与基准烧结矿的 XRD 曲线可 以看出,磁铁矿峰明显加强,复合铁酸钙峰有所减弱, 对应其含量有所变化,即磁铁矿增加,铁酸钙减少。 Mg 2+ 有稳定磁铁矿结构的作用,使较多磁铁矿保留下 来,未被氧化成再生赤铁矿,同时 MgO 与 Fe2O3会形 成 MgOFe2O3,减少了铁酸钙的量[10]。 因而 MgO 含 量增加,磁铁矿含量增加,铁酸钙含量减少。 图 4 烧结矿 XRD 分析 2.5 烧结矿冶金性能 表 8 列出了几组烧结矿的低温还原粉化性测定结 果。 结果显示随着 MgO 含量提高,烧结矿低温还原 粉化指数 RDI+3.15先下降,后升高;RDI+6.3也有相同趋 势。 一方面,Mg 2+ 和 Fe 2+ 离子半径相近,晶格能量系数 相近,等电价且化学键均为离子键,Mg 2+ 可取代磁铁矿 晶格中的部分 Fe 2+ 形成含镁磁铁矿或铁酸镁,有利于 稳定磁铁矿晶格使磁铁矿氧化为赤铁矿的反应受阻, 降低了烧结矿中再生赤铁矿的含量,从而改善烧结矿 87矿 冶 工 程第 35 卷 的低温还原粉化性能[9]。 另一方面,随着 MgO 含量提 高,孔隙率增加,还原加剧,还原粉化抵抗力减弱。 基 准烧结矿的孔隙率较低,因而还原粉化指数高于方案 1。 随着 MgO 含量提高,孔隙率不再起主导作用,因而 烧结矿还原粉化指数得到改善。 表 8 烧结矿还原粉化性能测定结果 方案 低温还原粉化性能/ % RDI+6.3RDI+3.15RDI-0.5 基准35.766.86.0 方案 121.862.17.6 方案 228.467.56.4 方案 335.868.46.9 方案 437.772.16.2 表 9 列出了几组烧结矿还原速率指数及还原度, 其中还原速率指数的计算公式如下 RVI = dRt dt = 33.6 t60 - t 30 (1) 式中 t30为还原度达到 30%的时间,min;t60为还原度达 到 60%的时间,min。 表 9 烧结矿还原实验结果 实验方案 还原后失重量 / g 还原度 / % 速率指数 / min -1 基准98.089.20.61 方案 199.088.80.64 方案 298.489.80.62 方案 398.589.20.64 方案 498.189.10.65 结果显示几组烧结矿的还原性相差不大,还原 3 h 后的失重均在98 g 左右,还原3 h 后的还原度均在 89%左右。 还原速率指数有所变化,其中基准烧结矿 还原速率指数为 0.61 min -1 ,方案 4 烧结矿的还原速率 指数为0.65 min -1 。 一方面,还原速率与烧结矿的孔隙 率有关,孔隙率大,会加大烧结矿与还原气体的接触面 积,加速还原过程。 因而孔隙率较小的基准烧结矿还 原速率较低,而高孔隙率的方案 4 的还原速率较快。 另一方面,还原性与烧结矿的矿物组成有关,MgO 含 量提高,使磁铁矿含量增加,削弱了烧结矿的还原性。 3 结 论 1) 基准高铝烧结矿成品率较低,只有 75.3%,提 高 MgO 含量后,成品率进一步降低,利用系数降低。 基准高铝矿转鼓强度较差,仅为 54.5%,提高 MgO 含 量后,转鼓强度进一步下降。 2) MgO 含量由 2.55%提高到 3.21%后,高铝烧结 矿的矿物结构有所变化,主要表现为孔隙率增大,磁铁 矿含量增加及铁酸钙、赤铁矿含量减少。 3) MgO 含量提高会改善高铝烧结矿的低温还原 粉化性能,但受烧结矿矿物结构的影响,烧结矿的还原 性能没有显著变化。 4) 高铝烧结矿本身强度较差,提高 MgO 含量后 会使其强度进一步降低; MgO 会使高铝烧结矿还原粉 化指数有所改善,但对还原性影响不大。 虽然提高 MgO 有利于高炉炼铁的脱硫,但从烧结角度分析,MgO 含量要适度,过高会恶化烧结生产进而影响高炉炼铁 效果。 参考文献 [1] 杨华明,邱冠周. 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