配加菱铁矿生产球团矿的基础性能研究.pdf

第3 2 卷第1 期 2 0 1 1 年0 2 月 矿冶工程 M I N I N GA N DM E T A L L U R G I C A LE N G I N E E R I N G V o I - 3 2 №I F e b r u a r y2 0 1 2 配加菱铁矿生产球团矿的基础性能研究① 贾彦忠，张丽肖，胡长松，李仕超，王祥臻 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京1 0 0 0 8 3 摘要为了探索配加和采用菱铁矿作为原料生产球团矿时其焙烧工艺特性和球团矿质蹙的变化规律，采用小饼基础性能试验研 究方法和四因素三水平正交试验设计方案进行了预热、焙烧工艺性能试验研究，结果表明随着菱铁矿配比的提高，预热后小饼强 度降低；最佳预热条件为温度10 0 0 ℃，时间1 5r a i n ，膨润土配比2 ．O ％。最佳焙烧条件为温度13 0 0 ℃，时间2 0r a i n ，膨润土配比 2 ．0 ％；随着菱铁矿配比的提高，焙烧后小饼强度降低。 关键词烧结球团；配矿；菱铁矿；预热；焙烧；抗压强度 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 1 2 0 1 0 0 7 3 0 4 R e s e a r c ho nB a s i cP r o p e r t i e sf o rP r o d u c i n gP e l l e t sb yA d d i n gS i d e r i t e J I AY a n - z h o n g ，Z H A N GL i x i a o ，H UC h a n g s o n g ，L IS h i c h a o ，W A N GX i a n g z h e n S c h o o lo fM e t a l l u r g ya n dE c o l o g i c a lE n g i n e e r i n g ，B e i j i n gU n i v e m i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，B e i j i n g1 0 0 0 8 3 ，C h i n a A b s t r a c t T oe x p l o r et h er o a s t i n gp r o c e s sa n dc h a r t i n gr u l eo fp e l l e tq u a l i t yw h i l ep r o d u c i n gp e U e t sb yu s i n gs i l d e f i t ea s m a t e r i a l s ，t h ep r e h e a t i n ga n dm a s t i n gp r o c e s sp e r f o r m a n c ew e r es t u d i e db yt h em e t h o d o l o g yo ft o r t i l l a s b a s i cp e r f o r m a n c e t e s ta n do r t h o g o n a lt e s to ff o u rf a c t o r sa n dt h r e el e v e l s ．T h er e s u l t ss h o w e dt h a ta f t e rp r e h e a t i n gt h es t r e n g t ho ft o r t i l l a s d e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s i n go ft h er a t i oo fs i d e r i t e ．T h eo p t i m u mp r e h e a t i n gc o n d i t i o n sw e r et h a tt h et e m p e r a t u r eW a S 10 0 0o C ．t h et i m eW a s1 5m i na n dt h eb e n t o n i t er a t i o nw a s2 ．O ％．T h eo p t i m u mm a s t i n gW a sa c h i e v e da tt h et e m p e r a t u r e o f13 0 0 ℃，w i t h2 0m i na n dab e n t o n i t er a t i o no f2 ．0 ％．W i t ht h ei n c r e a s eo ft h er a t i oo fs i d e r i t e ，t h es t r e n g t ho f t o r t i l l a sd e c r e a s e da f t e rr o a s t i n g ． K e yw o r d s s i n t e r e dp e l l e t s ；o r ep r o p o r t i o n i n g ；s i d e r i t e ；p r e h e a t ；r o a s t i n g ；c o m p r e s s i v es t r e n g t h 我国菱铁矿资源十分丰富，目前已探明储量 1 8 33 7 6 万吨，占铁矿石探明总储量的1 4 ％⋯。充分合 理的开发、研究和利用菱铁矿资源，不但可以缓解铁矿 石资源的供需矛盾，还可以提高我国铁矿石资源的自 给率。但是，菱铁矿为碳酸盐类矿石，属于贫矿，用菱 铁矿生产球团矿，需要对其焙烧规律进行研究。 1 实验原料 实验用原料的化学成分见表1 ，粒度组成见表2 。 经检测，所用菱铁矿、磁铁矿原料的比表面积分别为 20 3 2 和l2 1 3c m 2 ／g 。从表1 可知，两种精矿粉铁品位 较低，S i O 含量较高。菱铁矿粉中含有较高的M g o ， 不利于磁铁矿的氧化。 原料的粒度组成和比表面积是反映原料成球性能 好坏的重要指标。我国要求铁精矿比表面积大于 13 0 0c m 2 ／g ，一0 ．0 7 4m m 粒级含量大于8 0 ％。。从表 2 可知，实验用磁铁矿精矿粉粒度偏粗，但基本满足造 球的要求；菱铁矿精矿粉粒度较细，因此成球性能较好。 表l 原料的化学成分 质量分数 ／％ 原料种类T F e I “ e O S i 0 2C a OA 1 2 0 3u g o S P N a 2 0K 2 0M n O 菱铁矿6 0 ．7 92 4 ．1 45 ．鹋O ．4 32 ．笛1 ．7 10 ．1 30 ．0 2 2 0 ．4 71 ．7 5 磁铁矿5 9 ．鳄2 4 ．铂8 ．5 5O ．1 32 ．1 50 ．1 70 ．恐0 ．4 8 0 ．3 70 ．1 7 膨润土6 ．7 0 6 1 ．3 03 ．4 9 ∞．1 90 ．8 70 ．0 1 7 O ．0 6 2 0 ．9 42 ．2 l 一 表2 菱铁矿和磁铁矿的粒度组成 ①收稿日期2 0 11 - 0 9 - 2 0 作者简介贾彦忠 1 9 5 6 一 ，男，河北无极人，副教授，硕f 研究生导师，蔓要从事炼铁原料[ 艺和质量’高炉冶炼工艺和试验设备等的研究工作。 通讯作者张丽肖 1 9 8 2 一 ，女。河北元氏县人，硕士研究生。主要研究方向为贫矿资源的球团生产。 万方数据 7 4 矿冶工程 第3 2 卷 2 预热和焙烧工艺基础实验研究 3 试验结果与分析 2 ．1 试验方法 采用4 因素3 水平9 次正交试验方法进行预热试 验研究。首先将原料按试验设计表进行配料。在压力 机上，采用1 0 0k g ／c m 2 的压力，将配制好的铁矿粉压 制成①1 0m m 5m m 小饼。按照表3 中设计的预热 温度和时间进行试验。焙烧试验方法基本同预热，焙 烧试验方案见表4 。 表3 预热正交试验设计方案 2 ．2 试验设备 预热和焙烧试验均在双节电炉 见图1 中进行。 该双节电炉分为预热炉和焙烧炉，试样在预热炉预热 后可直接推人焙烧炉进行焙烧，使试验具有连续性。 图1 实验用双节电炉 以预热和焙烧后小饼的抗压强度、烧损和体积收 缩率作为考核指标。由于抗压强度受体积大小因素的 影响，引入压溃强度。压溃强度公式为 c ．s 罴 式中嬲为压溃强度，k g ／m m 2 ；形为抗压强度，k g ；D 为 试样直径，m m ；￡为试样厚度，m m 。 3 ．1 预热试验结果分析 根据表3 设计方案，得出预热试验结果，见表5 。采 用直观分析方法，得出试验结果的直观分析图，见图2 。 表5 预热试验结果 零 ＼ 骚 璎 1 4 0 1 2 0 f 、 l 帅寺 舯要 ∞瑙 4 0 器 2 0 撂 0 由图2 可以看出，随着菱铁矿配比增加，体积收缩 率呈增加趋势，烧损显著增大，抗压强度和压溃强度降 低；随着膨润土配比提高，体积收缩率呈上升趋势，烧 损降低；随着预热温度的提高，体积收缩率和烧损升 高，抗压强度和压溃强度迅速升高；随着预热时间的延 长，体积收缩率和烧损呈下降趋势，抗压强度和压溃强 度呈增加趋势。球团矿主要质量指标为抗压强度，因 此以抗压强度和压溃强度作为主要考虑指标。预热温 度为主要影响因素。根据以上分析，在菱铁矿配比为 3 0 ％，膨润土配比2 ．O ％，预热温度l0 0 0 ℃，预热时间 1 5r a i n 时，小饼抗压强度较高，达到1 7 8 ．0 0N ／个。因 此预热试验方案3 为最优方案。 2 6 O 4 8 2 6 4 3 3 2 l l 0 rE山．∞I＼世取壤幽 墨＼碡c姆善娶埝 万方数据 第1 期 贾彦忠等配加菱铁矿生产球团矿的基础性能研究 7 5 3 ．2 焙烧试验结果分析 试样在最佳预热条件下预热后，直接推人焙烧炉 进行焙烧。按照表4 设计方案进行了焙烧试验，结果 见表6 。根据表6 ，采用直观分析方法得出直观分析 图，见图3 。 表6 焙烧试验结果 琴量 ＼t 蓬 蛙照 出 图3 焙烧结果直观分析图 l ∞ 咖￡ 9 0 0 杰 舯。交 瑚雷 6 0 0 j s 5 帅 从图3 可以看出，随着菱铁矿配比由3 0 ％提高到 7 0 ％，抗压强度和压溃强度降低较快，由7 0 ％提高到 1 0 0 ％，降低变缓。随着膨润土配比的增多、焙烧温度 的升高、焙烧时间的延长，抗压强度和压溃强度明显升 高。经分析可知，焙烧段的最佳工艺参数应为膨润土 配比2 ．0 ％，焙烧温度13 0 0o C ，焙烧时间2 0m i n 。因 此，焙烧试验方案1 2 为最优方案。 3 ．3 验证实验 为生产中尽量提高菱铁矿配比，在最佳预热和焙 烧工艺条件下，分别对3 0 ％、7 0 ％和1 0 0 ％菱铁矿配比 进行了试验，结果见图4 。 产 量l 毽 幽 菱铁矿配比／％ 图4 在最佳条件下焙烧后菱铁矿趋势 p 年 弓 ＼ 魁 秘 出 撼 从图4 可知，随着菱铁矿配比的提高，抗压强度和 压溃强度均呈下降趋势，体积收缩率和烧损为上升趋 势，菱铁矿配比从3 0 ％提高到7 0 ％左右时，抗压强度 和压溃强度下降速度快，而随着菱铁矿配比的继续提 高，抗压强度和压溃强度的下降趋势变慢。总体来说， 抗压强度和压溃强度随着菱铁矿配比的增加而逐渐降 低，因此，工业生产中菱铁矿配比应根据成品球抗压强 度要求而定。 3 ．4 热力学分析 菱铁矿的主要成分为F e C O ，，在预热阶段按下式 分解‘3 】 F e C 0 3 一F e O C 0 2 1 气d ，7 n l g P c o ， F e C 0 3 一气 1 ．7 5 1 9 T 3 ．2 2 一 』 从式 2 可知，随着预热温度增加，碳酸铁的P 嘶 增大，球团矿小饼开裂几率增大，其强度下降。因此预 热l 段的温度不应过高。 据差热分析，菱铁矿在4 3 0 5 7 0 ℃分解。球团矿 小饼的预热焙烧试验是在空气环境中进行的。在氧的 作用下，铁氧化遵循逐级递增原则，最后氧化为最高价 态。因此，菱铁矿小饼在焙烧过程中可能发生以下反 应‘4 | F e C 0 3 一F e O C 0 2 7 5 2 ．8k J ／k g 3 6 F e O 0 2 2 F e 3 0 4 7 4 8 ．3 6k J ／k g 4 4 F e 3 0 4 0 2 6 F e 2 0 3 l1 2 0 ．6 9k J ／k g 5 以1g 小饼为例计算，假设完全反应，当菱铁矿与 磁铁矿之比为3 7 时，计算得出总反应最后放出热量． 9 2 4 ．9 7J ；当菱铁矿与磁铁矿之比为7 3 时，计算得出 总反应最后放出热量6 4 6 ．5 5J ；而当全部为菱铁矿时， 计算得出总反应最后放出热量4 6 2 ．0 4J 。 分析计算数据可知随着菱铁矿配比的增加，反应 最后放出的热量逐渐减少，而反应本身消耗的热量增 多。在焙烧温度和焙烧时间均不变的条件下，低价铁 氧化物被氧化成高价铁氧化物的速度降低，即反应产 物中的磁铁矿增多，赤铁矿减少。因此，随着菱铁矿配 比的提高，焙烧后小饼的抗压强度降低，印证了随着菱 铁矿配比的增加，小饼强度降低的结果。 4 岩矿相观察 为了进一步分析菱铁矿小饼焙烧后的规律，选了 两组在13 0 0 ℃下焙烧后的小饼进行岩矿相观察，分 析结果见表7 。岩矿相分析结果表明两组球团矿小饼 基本组织结构相似，赤铁矿和磁铁矿连晶都较为充分， 较多的液相存在，铁氧化物连晶和液相粘结共同起固结 作用。固体脉石边缘多发生熔化或半熔化，脉石粒度 变小。大、中、小孔并存，以中、小孔为主。孔隙率在 2 0 ％一2 5 ％之间，说明焙烧温度较为合适，见图5 a 。 万方数据 7 6矿冶工程 第3 2 卷 赤铁矿 7 0 ％一7 5 ％5 5 ％- 6 0 ％ 磁铁矿 5 ％一1 0 ％2 0 ％一5 ％ 藏相 3 ％一5 ％3 ％ 脉石 5 ％5 ％ 孔隙率2 5 ％2 0 ％一2 5 ％ 孔洞 中、大孔为主 大、‘；。；2 骂耋存 3 5 ％一4 0 ％ 5 0 ％ 1 ％一3 ％ 5 ％一7 ％ 2 0 ％一2 3 ％ 大、中、小孔并存， 中孔和赣孔为主 6 5 ％一7 0 ％3 5 ％一柏％ I O ％一1 5 ％5 0 ％ 5 ％一7 ％1 0 ％ 5 ％3 ％一5 ％ 2 0 ％一2 3 ％2 0 ％一2 3 ％ 中、大孔为主 大盘缎爹 5 ％一1 0 ％ 7 0 ％一7 5 ％ 5 ％一1 0 ％ 3 ％一5 ％ 2 0 ％一2 5 ％ 大、中、小孔并存 中孔和徽孔为主 随着菱铁矿配比的提高，球团矿小饼氧化度变差，赤铁 矿减少，磁铁矿增加。孔隙率较高，致密程度降低，小 饼抗压强度降低，见图5 b ；随着膨润土配比的增加， 液相明显增多，小饼焙烧后的固结作用增强。小粒度 脉石基本熔化形成液相，大粒度脉石外部熔化，内部处 于半熔化状态，球团矿小饼大、中、小孔并存。 圈5 最佳条件下羹铁矿小饼焙烧后显徽结构 H 赤铁矿；M 磁铁矿；P 半熔化状态脉石；L 一液相 a 3 0 ％菱铁矿； b 1 0 0 ％菱铁矿 5 结论 1 配加菱铁矿生产球团矿，预热2 段温度应达到 10 0 0 ℃，预热时间应延长至1 5r a i n ，膨润土配比视矿 粉的粒度粗细而定。 2 配加菱铁矿生产球团矿，焙烧温度较高，应在 13 0 0o C 左右，时间应在2 0m i n 左右。 3 球团矿的抗压强度和压渍强度随着菱铁矿配 比的提高而降低，工业生产中菱铁矿配比应根据成品 球抗压强度要求而定。 4 根据试验结果和热力学计算分析可知，随着菱 铁矿配比的提高，总反应放出的热量逐渐减少，反应产 物氧化不完全，磁铁矿增多，赤铁矿减少，焙烧后小饼 强度降低。 5 随着菱铁矿配比的增加，在相同的工艺条件 下，球团矿中磁铁矿显著增多，赤铁矿明显下降。因 此，工业上配加菱铁矿生产球团矿，应创造条件，提高 氧化气氛，才能够生产出较高强度的球团矿。 参考文献 [ 1 ] 张迎春，杨秀红，施倪承，等菱铁矿的综合利用研究[ J ] 金属 矿山，2 0 0 1 1 4 8 4 9 ． [ 2 ] 傅菊英，朱德庆铁矿氧化球团基本原理、工艺及设备[ M ] 长 沙中南大学出版社．2 0 0 5 [ 3 ]傅菊英，黄天正，姜凤春，等．梅山菱铁精矿球团特性的研究 [ J ] ．烧结球团，1 9 9 3 6 1 4 1 9 ． [ 4 ] 那树人．炼铁工艺计算[ M ] ．北京冶金工业出版社．1 9 9 9 ． 关于检测学术不端的公告 为弘扬良好学术风气，保护知识产权，防止抄袭、伪造、篡改、不当署名、一稿多投、一个学术成果多 篇发表等学术不端行为，本刊与中国学术期刊 光盘版 电子杂志社合作，由中国学术期刊 光盘版 电 子杂志社学术不端文献检测中心对本刊网络版刊登的文章进行系统检测，并按照“中国学术期刊网络 出版总库删除学术不端文献暂行办法”，对出现以上学术不端行为的文章作出严肃处理。 特此公告 矿冶工程杂志编辑部 2 0 1 2 年0 2 月 万方数据