双层结构内配碳球团还原膨胀率的实验研究.pdf

第3 4 卷 2 0 1 4 年0 8 月 矿冶工程 N I N GA N DM E T A I 正．U R G I C A LE N G I N E E R I N G V 0 1 ．3 4 A u g u s t2 0 1 4 双层结构内配碳球团还原膨胀率的实验研究① 王雪松，韩伏，胡启武 安徽工业大学冶金与资源学院，安徽马鞍山2 4 3 0 0 2 摘要分别以磁铁矿粉和赤铁矿粉为原料制备了双层结构的球团矿，并在球团内层配加焦粉，研究不同矿种及内层不同的配碳 量对该球团还原膨胀性能的影响。结果表明，在相同造球工艺和焙烧制度条件下，分别以磁铁矿粉和赤铁矿粉为原料所制备的内 层配碳双层球团的还原膨胀性能存在着明显差异。以磁铁矿粉为原料的双层球团随着内层配碳量的增加，球团的还原膨胀率 尺。。 先降低后又升高，配碳量1 ．0 ％ 质量分数 时最低，尺。。为7 ．9 8 ％；以赤铁矿粉为原料的双层球团随着内层配碳量的增加，还原 膨胀率呈降低趋势，配碳量为1 ．5 ％时最低，R 。。为9 ．5 2 ％。从球团矿的显微矿相结构看出以磁铁矿粉为原料的双层球团内层配碳 量超过1 ．0 ％后，球团内出现磁铁矿晶体；以赤铁矿粉为原料的双层球团内层配碳量超过1 ．5 ％后，球团内出现磁铁矿晶体，球团强度 开始下降且还原膨胀率升高。 关键词还原膨胀率；双层球团；内配碳；球团强度 中图分类号T F 0 4 6文献标识码A d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．0 2 5 3 6 0 9 9 ．2 0 1 4 ．0 8 ．0 0 5 文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 4 0 8 0 0 2 0 0 3 近几年来，我国钢厂都在大力发展球团生产。由 于国内铁精矿的供应量不足，且大多铁精矿存在铁品 位低、粒度粗、有害元素多等缺点，许多钢厂开始从国 外进口高品质的赤铁矿与国内精矿配合使用，虽然这 样可提高球团的品位和降低有害杂质含量，但出现了 球团矿还原膨胀率偏大的问题。3 1 。关于球团矿的还 原膨胀，国内外有许多学者进行了研究M 。6J ，铁晶须膨 胀理论被认为是引起球团矿还原膨胀或恶化的主要原 因。铁矿球团的还原膨胀超过一定值后，会导致高炉 生产失常、生产率下降、焦比增高。。 经验证明球团矿内配含碳原料有利于改善球团的 冶金性能。在固体燃料中，焦粉具有质量好、价格便宜 等优点，内配焦粉后球团料层焙烧均匀，可使每吨球团 矿的总能耗明显降低‘8 j 。球团焙烧时碳的还原作用 使球团的气孑L 率提高，改善了球团的还原性，有利于人 炉后的球团异常膨胀率降低。然而采用传统方式在球 团内配加焦粉，当配碳量 质量分数 超过1 ．5 ％一1 后 球团的抗压强度会下降；另一方面，球团在预热焙烧 时，外层焦粉容易挥发燃烧，不能使其充分利用。本文 提出制备一种内层为磁铁矿 赤铁矿 配加焦粉、外层 为磁铁矿 赤铁矿 双层结构球团，尝试解决上述问 题，且改善球团的一些重要性能指标。 l 实验原料及实验方法 1 ．1 实验原料 实验中所用原料是国内某钢铁厂的东北精粉 磁 铁矿粉 、卡拉加斯粉 赤铁矿粉 和膨润土，其成分及 粒度组成见表1 ，配加燃料是一种低挥发分焦粉，其性 能指标见表2 。 表1实验用原料化学成分及粒度组成 原料面酉百青篇玉矿F _ 】徽现 东北精 6 5 ．8 3 2 ．4 70 ．4 50 ．6 60 ．7 3 2 7 ．7 9 o ．0 1 2 o ．2 l O8 6 ．8 卡拉加斯粉6 6 ．7 72 ．0 6 O ．1 4 4 0 ．5 8 0 0 ．0 0 1 0 ．3 3 3 0 ．0 2 4 o ．0 0 4 8 5 ．8 膨润土 一5 5 ．2 52 ．3 5 4 ．2 2 一一一 1 0 0 ．0 表2 焦粉化学成分及粒度组成 灰分挥发份 S 固定碳水分- 0 ．0 7 4m m 粒级含量 6 ．5 4 ％8 ．5 2 ％0 ．4 1 ％8 5 ．3 7 ％1 ．3 4 ％9 1 ．3 ％ 1 ．2 实验方法 造球时每批料的料量为4k g ，水、焦粉、膨润土及 铁精矿粉按一定比例配入，造球原料混匀后在圆盘造 球机上造球，直至球团直径达到1 0 ．0 1 2 ．5m m 时取 出过筛作为球团内层；把筛选出的1 0 ．0 ～1 2 ．5m m 的 生球加人造球机中，再配加铁精矿粉继续造球，球团外 层的厚度为1 ．5 ～2 ．0m m ，球团内、外层所用铁精矿质 量比为1 1 ，制备双层球团。造完后过筛，取1 2 ．5 1 5 ．0 m m 的生球为合格球。造球设备采用圆盘造球机，主 要技术参数为直径10 0 0m m ，边高2 0 0m m ，倾角4 5 0 ， 转速为2 0r ／m i n 。 造球结束后，将合格生球放入鼓风干燥箱中干燥 至质量不变，然后将干球置于卧式管式电阻炉中进行 预热和焙烧实验。焙烧制度为预热温度9 5 0 ℃，预热 ①收稿日期2 0 1 4 0 4 2 5 作者简介王雪松 1 9 6 6 一 ，男，安徽全椒人，教授，主要研究方向为矿产资源利用。 万方数据 2 0 1 4 年0 8 月 王雪松等双层结构内配碳球团还原膨胀率的实验研究 2 1 时间为1 5m i n ；焙烧温度12 5 0 ℃，焙烧时间为1 5 m i n 。待球团冷却后，取出1 0 个球团放至F Z Y 一1 型抗 压强度检测仪上进行抗压强度测量，其平均值作为球 团的抗压强度。 球团矿膨胀率的测定是按照铁矿球团相对自由 膨胀指数的测定方法G B ／T 1 3 2 4 0 - 1 9 9 1 ，将一定量粒 度1 0 ．0 1 2 ．5m m 的球团矿，在9 0 0 ℃下等温还原，球 团矿发生体积变化，采用排水法测定还原前后球团矿 体积，体积变化的相对值用体积分数表示，球团还原膨 胀指数R 。。计算公式为 氐 半⋯％ ㈩ 式中％为还原前试样的体积，m L ；V ，为还原后试样的 体积，m L 。 球团矿的矿相显微结构采用奥林巴斯B X 5 1 M 光 学显微镜进行观测，利用显微镜自带D T 2 0 0 0 图像分 析软件测定球团的赤铁矿再结晶固结率和气孔率。 1 ．3 实验方案 实验中的铁精矿为东北精粉 磁铁矿 和卡拉加 斯粉 赤铁矿 ，分两组进行，每组配加一定量的焦粉 和膨润土，混匀造球。第一组造球原料为东北精粉，内 层配碳质量分数依次为o ％，0 ．5 ％，1 ．0 ％，1 ．5 ％，2 ．0 ％ 即配加焦粉的质量分数为O ％，0 ．5 9 ％，1 ．1 8 ％， 1 ．7 6 ％，2 ．3 5 ％ ，膨润土用量为2 ％，外层不配碳，制备 双层球团，焙烧后检测其焙烧球强度和还原膨胀率。 第二组造球原料为卡拉加斯粉，内层配碳量依次为 0 ％，0 ．5 ％，1 ．0 ％，1 ．5 ％，2 ．0 ％ 即配加焦粉的质量分数 为0 ％，0 ．5 9 ％，1 ．1 8 ％，1 ．7 6 ％，2 ．3 5 ％ ，膨润土用量为 2 ％，外层不配碳，制备双层球团，焙烧后检测其焙烧球 强度和还原膨胀率。球团内、外层所用铁精矿质量分别 为2k g ，焦粉的配比是以内层铁精矿的质量为标准的。 2 实验结果及分析 2 ．1 配碳量对双层球团强度的影响 内层配碳量对双层球团抗压强度影响的测定结果 见图1 。由图1 可知磁铁矿不同内配碳量的双层球 乒 o ● 邑 ＼ 魁 秘 出 辖 内层配碳量／％ 图1双层球团内层配碳量对球团抗压强度的影响 团，经过高温焙烧后，其抗压强度发生明显变化，随着 配碳量增加，焙烧球的抗压强度一直呈下降趋势；在配 碳的质量分数超过1 ．0 ％之后，球团强度急剧下降，配 碳的质量分数为2 ．0 ％时，仅为8 3 6N ／个；赤铁矿不同 配碳量的双层球团，焙烧后球团抗压强度先增加后又 降低，配碳的质量分数为1 ．0 ％时最高，为31 6 6N ／个。 根据文献[ 8 ] ，球团内配碳的质量分数为0 ．8 ％～ 0 ．9 ％的固体燃料，总燃耗可以降低1 1 ．9 ％～1 8 ．7 ％。所 以在赤铁矿球团内配适量的固体燃料，在满足生产需 求的焙烧球团抗压强度 不小于25 0 0N ／个 的情况下 起到节能降耗的作用。 2 ．2 配碳量对双层球团矿还原膨胀率的影响 内层配碳量对双层球团的还原膨胀率影响的测定 结果见图2 。 内层配碳量／％ 图2 双层球团内层配碳量对还原膨胀率的影响 由图2 可知双层球团内层配碳以后，球团的还原 膨胀率都相比普通球团有明显的降低。磁铁矿普通球 团的膨胀率在2 0 ％以上，配碳之后，还原膨胀率降低 到1 0 ％左右，配碳质量分数为1 ．0 ％时尺。。最低，为 7 ．9 8 ％；赤铁矿普通球团的膨胀率在3 0 ％以上，配碳之 后，还原膨胀率开始明显降低，配碳质量分数为1 ．5 ％ 时R 。。最低，为9 ．5 2 ％。 向双层球团内层添加适量焦粉对抑制球团膨胀具 有明显的效果，是由于焦粉的存在改变了球团内部的 气氛，使渣相易于生成，因为渣相的存在除了能改善球 团矿固结形式外，特别重要的是使碱金属以硅酸盐的 形式进入渣相，从而克服了碱金属进入铁氧化物晶格 而引起晶格畸变的现象发生；另外，焦粉在焙烧过程中 以二氧化碳形式排出改善了球团内部的组织结构。 2 _ 3 双层球团矿显微结构特征 内配碳双层球团的显微矿相结构见图3 ～5 。球团 的气孔率、赤铁矿再结晶固结率测定结果见表3 。从图3 ～5 和表3 可看出以磁铁矿或赤铁矿为原料制得的双 层球团矿，球团的显微结构很有规律的分为两层，外层 以F e ，O ，的结晶长大固结为主，其矿物由赤铁矿、脉石 及少许硅酸盐粘结相组成。外层孔隙多呈细孔状，分布 万方数据 矿冶工程 第3 4 卷 图3内层配碳质量分数为1 ．O ％的双层球团矿相结构 la ～、球Ⅲf J 层 bJB { 球刚内层 图4 内层配碳质量分数为1 ．5 ％的双层球团矿相结构 aJ ～。球闱f 勺J 主 b B 。球闭内层 图5内层配碳质量分数为2 ．0 ％的双层球团矿相结构 a A 。球| 州I 上4 层； b B 。球冈内层 表3内配碳双层球团的气孔率和赤铁矿再结晶固结率的 测定结果 均匀；内层显微结构为F e O ，的它形晶互相连接，在球核 出现F e ，O 。，随着配碳量增加，内核中F e ，0 。含量增加。 磁铁矿内配碳双层球团中配碳量低于1 ．0 ％时，球 团内部没有出现F e ，O 。晶体，F e O ，再结晶固结率较 高，气孔率低，因此球团抗压强度大，还原膨胀率也大； 当配碳质量分数为1 ．5 ％时，球团内有少量大的空洞， 球团外层是F e O ，结晶，但球团内层出现了部分 F e ，O 。结晶，说明由于碳的还原作用，一部分F e O ，被 还原成F e ，0 。；当配碳质量分数为2 ．0 ％时，球团内部出 现大量的空洞，球团外层已经出现了部分F e ，O 。结晶， 球团内层几乎都是F e ，O 。结晶，说明球团外层形成一 层致密的F e O ，，阻止了空气中的氧进入球团内层，进 而生成大量的F e ，O 。晶体。 赤铁矿内配碳双层球团随着配碳量的增大，球团 内F e O ，再结晶固结率先增后减，导致球团抗压强度 先增后减；配碳质量分数为1 ．0 ％时最大，此时球团抗 压强度也最大。当配碳质量分数为2 ．O ％时，球团内部 出现少量的F e ，0 。结晶，球团抗压强度降低。随着配 碳量增加，赤铁矿双层球团的气孔率逐渐增大，所以还 原膨胀率降低，但当配碳质量分数超过1 ．5 ％后出现磁 铁矿结晶，导致还原膨胀率又开始升高。 3 结论 1 磁铁矿内配碳双层球团随着配碳量增加，球团 抗压强度逐渐降低，当配碳量 质量分数 超过1 ．0 ％ 后，球团内出现磁铁矿结晶，球团抗压强度开始骤降。 赤铁矿内配碳双层球团随着配碳量增加，球团抗压强 度开始升高后又降低，配碳量 质量分数 超过1 ．5 ％ 后，球团内出现磁铁矿结晶，球团抗压强度开始下降。 2 磁铁矿双层球团内层配碳量 质量分数 为 1 ．0 ％时，还原膨胀率最低，为7 ．9 8 ％，此时球团强度亦 可以达到25 1 2N ／个；赤铁矿双层球团内层配碳量 质 量分数 为1 ．5 ％时，还原膨胀率最低，为9 ．5 2 ％，在配 碳量小于1 ．5 ％时球团抗压强度均大于25 0 0N ／个。 磁铁矿双层球团内层配碳量 质量分数 不大于1 ．O ％ 时，赤铁矿双层球团内层配碳量 质量分数 不大于 1 ．5 ％时，均可以满足生产需求的情况下，有效降低球 团的还原膨胀率。 3 在球团内层添加适量的焦粉，可以增加成品球 团的气孔率，改善其还原性，有效抑制球团的还原膨胀。 参考文献 [ I ] 许满兴．赤铁矿粉球团生产的质量与技术[ C ] ／／第十届全国炼铁 原料学术会议论文集球团抗压．北京中国金属学会，2 0 0 7 ． [ 2 ] 崔智鑫，范晓慧，姜涛，等．巴西卡拉加斯赤铁矿球团还原膨胀 性能研究[ J ] ．矿冶工程，2 0 0 4 ，2 4 3 5 3 - 5 5 ． [ 3 ]姜涛，何国强，李光辉．脉石成分对铁矿球团还原膨胀性能的影 响[ J ] ．钢铁，2 0 0 7 5 9 - 1 1 ． [ 4 ] N 鹪tMI ，O m a rAA ，H e s s i e nMM ，e ta 1 ．C a r b o nm o n o x i d er e d u e ． t ／o na n da c c o m p a n y i n gs w e l l i n go fi r o no x i d ec o m p a c t s [ J ] ．I S I JI n t e r - n a t i o n a l ，1 9 9 6 ，3 6 2 1 6 4 1 7 1 ． [ 5 ] M u s t a f aK S ．T h ei n f l u e n c eo fC a Oo nt h ep r e c i p i t a t i o nb e h a v i o u ro fi I r o ni nt h er e d u c t i o no fi r o no x i d e [ J ] ．S c a n d i n a v i a nJ o u r n a lo fM e t a l l u r g y ，2 0 0 1 ，3 0 l 一7 ． [ 6 ] 傅菊英，姜涛，朱德庆．烧结球团学[ M ] ．长沙中南工业大学 出版社，1 9 9 6 ． [ 7 ] 李艳茹，李金莲，张立国，等．添加熔剂对球团矿还原膨胀率的影 响[ J ] ．烧结球团，2 0 0 9 5 1 4 - 1 6 ． [ 8 ]李晓芹．内配碳在赤铁矿氧化球团制备中的行为研究[ D ] ．长沙 中南大学，2 0 0 9 ． [ 9 ]黄典冰，孔令坛．内配碳赤铁矿球团反应动力学及其模型[ J ] ．钢 铁。1 9 9 5 。3 0 1 1 1 5 ． 万方数据