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印尼某海砂矿氧化性球团制备试验研究 ① 李永麒1, 李 林1,2, 郭汉杰1, 王代军1,2, 孟祥龙2 (1.北京科技大学 冶金与生态工程学院,北京 100083; 2.北京首钢国际工程技术有限公司,北京 100043) 摘 要 针对印尼海砂矿,采用有机粘结剂和膨润土复合的方式进行造球。 试验表明,造球压力 10 MPa、水分 10%、矿粉粒度 0.10~ 0.15 mm、有机粘结剂 0.5%、膨润土 1%条件下,即能获得较好的生球质量,该造球方法大大降低了膨润土使用量,并降低了对造球 用矿粉粒度的要求。 焙烧试验表明,球团在预热温度 950 ℃,预热时间 30 min 的情况下,能获得较高强度的抗压强度;焙烧温度 1 220 ℃,焙烧时间 20 min 时,能得到较好的焙烧效果,升高焙烧温度或延长焙烧时间,球团均出现黏结现象。 关键词 海砂矿; 氧化球团; 抗压强度; 焙烧 中图分类号 TF562文献标识码 Adoi10.3969/ j.issn.0253-6099.2015.02.031 文章编号 0253-6099(2015)02-0124-05 Experimental Research on the Preparation of Oxidized Pellets with Indonesian Beach Placer LI Yong⁃qi1, LI Lin1,2, GUO Han⁃jie1, WANG Dai⁃jun1,2, MENG Xiang⁃long2 (1.School of Metallurgical and Ecological Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China; 2.Beijing Shougang International Engineering Technology Co Ltd, Beijing 100043, China) Abstract The preparation process of oxidized pellets with Indonesian beach placer was studied. Based on the poor properties of placer, a composite binder consisting of an organic binder and bentonite was adopted in the test. Test showed that the green pellet with good quality could be prepared at the pressure of 10 MPa, with moisture content of 10%, powder size within the range of 0.10 ~ 0.15 mm, dosage of organic binder and bentonite at 0.5% and 1% respectively, which dramatically reduced the dosage of bentonite and lower the requirement for the grain size. In the following roasting test, pre⁃heating of the pellet at 950 ℃ for 30 min resulted in a higher compressive strength, and roasting at 1 220 ℃ for 20 min brought in a good effect. However, a further rise in the roasting temperature and a prolonged roasting time led to a melt⁃adhesion of pellet. Key words beach placer; oxidized pellets; compressive strength; roasting 随着全球范围内优质铁矿石资源的不断减少以及 价格成本因素,加大对非优质矿的利用已成为当前世 界各国研究的热点。 东南亚和澳大利亚、新西兰等沿 海国家的砂矿储量丰富,铁含量较稳定,且开采相对容 易,成本较低,近年来逐渐受到关注。 但目前除新西兰 北海岸的海砂矿得到部分利用外,其它均未得到大规 模利用;国内目前进口海砂矿主要用于高炉配矿以及 护炉用含钛球的生产。 因此,对海砂矿进行较深入研 究极有必要[1]。 本文对产自印尼的海砂矿造球和焙 烧工艺进行了较详细研究,以期对该矿的有效利用提 供理论支撑。 1 试验原料及方法 1.1 试验原料 试验原料为印尼海砂矿,成分和物相组成见表 1 和图 1。 表 1、图 1 显示,印尼海砂矿主要由钛磁铁矿 Fe2.75Ti0.25O4和钛铁矿 FeTiO3组成,海砂矿组成中, TiO2和 SiO2的含量相对较高。 表 1 试验用海砂矿成分分析结果(质量分数) / % TFeFeO TiO2SiO2Al2O3 MgOCaO 54.4121.289.416.503.623.201.42 ①收稿日期 2014-10-23 作者简介 李永麒(1983-),男,山西运城人,博士研究生,主要研究方向为气基直接还原炼铁工艺。 通讯作者 李 林(1979-),男,河北涿州人,工程师,博士研究生,主要从事炼铁工艺设计与研究。 第 35 卷第 2 期 2015 年 04 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.35 №2 April 2015 图 1 海砂矿物相组成 试验用有机粘结剂产自河北,膨润土产自辽宁,膨 润土性能指标见表2。 表2 说明试验用膨润土性能较好。 表 2 试验用膨润土性能指标 水分 / % 吸蓝量 / [g(100 g) -1 ] 胶质 / [mL(15 g) -1 ] 2 h 吸水率 / % 膨胀 / (mLg -1 ) -0.074 mm 粒级含量/ % 8551303903599 1.2 试验方法 1.2.1 膨润土造球试验 试验所用海砂矿-0.074 mm 粒级含量在 90%以上,试验采用单因素方法,将不同量 的膨润土和矿粉按一定比例混合,加入适量水分,在一 定压力下造球,将制好的球放入烘箱中在 105 ℃下烘干 2 h,然后各取 10 个球做落下强度和抗压强度试验。 1.2.2 有机粘结剂造球试验 将矿粉粒度筛分成 0 18~0.25 mm、0.15~0.18 mm、0.10~0.15 mm、0.074~ 0.10 mm 和-0.074 mm 5 个等级,详细研究矿粉粒度、 有机粘结剂用量、造球压力、水分等造球工艺的影响。 制好的生球仍放入 105 ℃烘箱中干燥 2 h,然后进行相 关性能测试。 1.2.3 复合粘结剂造球试验 将膨润土和有机粘结剂 按不同比例混合,在一定压力和水分下进行造球,将生 球放入 105 ℃烘箱中干燥 2 h 后进行相关性能测试。 1.2.4 氧化球团焙烧工艺试验 将制好的生球在不 同氧化温度、氧化时间与不同焙烧温度和焙烧时间下 进行焙烧工艺研究,试验在箱式炉中进行,待试验结束 后,将氧化球取出,在空气中自然冷却,然后进行相关 性能检测。 2 试验结果与分析 2.1 膨润土造球试验 在水分 11%、膨润土用量 2%时,压力对生球强度 的影响见图 2。 从图 2 可知,造球压力达到 10 MPa 后,压力继续增加对球团的影响不大。 固定造球压力 为 10 MPa,水分含量对生球强度的影响见图 3。 从图 3 可看出,随着水分增大,生球强度呈先增后降趋势, 造球水分超过 12%,会造成球团不易从模中脱出。 在 造球压力 10 MPa、水分含量 11%的条件下,膨润土用 量对生球强度的影响见图 4。 由图 4 可知,膨润土用 量达到 6%,生球落下强度和抗压强度仅分别为 3.0 次 和 50.1 N,此数值刚达到竖炉工业生产对生球干球强 度的要求(49 N)。 图 2 压力对生球强度的影响 图 3 水分对生球强度的影响 图 4 膨润土用量对生球强度的影响 从上述试验看出,膨润土造球效果并不好,若要得 到质量较好的生球,要加大膨润土用量,但这样会降低 球团矿品位,加大脉石含量,因此单独用膨润土制备生 球不是很好的选择。 有机粘结剂制备的球团矿,具有很好的冷固结性 521第 2 期李永麒等 印尼某海砂矿氧化性球团制备试验研究 能[2-4],但有机粘结剂的使用温度不能过高,当试验温 度超过 600 ℃,有机粘结剂将会挥发,球团强度将变得 很弱。 而膨润土在较高温度下有较好的热强度。 因 此,将有机粘结剂和膨润土混合造球,充分发挥各自优 势,在冷态时用较少膨润土得到较好冷固结强度的生 球,同时高温时又有较高的热强度,以下即按该思路展 开试验。 2.2 有机粘结剂造球试验 在用混合粘结剂造球前,首先对试验所用有机粘 结剂的造球性能作一研究。 造球压力 10 MPa、有机粘 结剂用量 0.5%、造球水分 11%,矿粉粒度对生球强度 的影响见图 5。 图 5 表明该有机粘结剂对矿粉的粒度 要求范围较宽,在 0.10~0.18 mm 粒度范围内,生球质 量均能达到要求,其中,0.10~0.15 mm 的矿粉粒度造 球效果较好。 图 5 矿粉粒度对生球强度的影响 有机粘结剂用量 0.5%、水分 11%、矿粉粒度 0.15 ~0.10 mm 时,压力对生球质量的影响见图 6。 试验表 明压力对生球质量的影响并不明显,在试验压力范围 内,10 MPa 时效果相对较好。 图 6 压力对生球强度的影响 造球压力 10 MPa、粘结剂用量 0.5%、矿粉粒度 0.10~0.15 mm 时,水分对生球强度的影响见图 7。 从 图 7 可看出,水分含量在 10%时,生球有较好的质量。 图 7 水分对生球强度的影响 造球压力10 MPa、水分10%、矿粉粒度0.10~0.15 mm 时,粘结剂用量对生球质量的影响见图 8。 从图 8 可 知,随着粘结剂用量增大,球团相关强度都呈增大趋 势,粘结剂具体用量需进一步试验。 图 8 粘结剂用量对生球强度的影响 2.3 混合粘结剂造球试验 在上述膨润土和有机粘结剂造球试验基础上,选 择试验压力为 10 MPa,膨润土最大用量为 2.5%。 为 充分利用有机粘结剂冷固结强度好的特点,试验选择 粒度为 0.10~0.15 mm 范围的矿粉进行复合粘结剂造 球试验,结果见表 3~4。 表 3 复合粘结剂造球试验结果 有机粘结剂用量 / % 膨润土用量 / % 落下强度 / (次个 -1 ) 抗压强度 / (N个 -1 ) 0.51.316.9 0.81.437.7 0.3 1.01.333.6 1.51.434.5 2.01.335.2 2.51.130.4 0.55.257.2 0.810.161.4 0.5 1.08.861.1 1.57.983.8 2.04.752.9 2.54.353.5 注造球水分为 10%。 621矿 冶 工 程第 35 卷 表 4 水分对混合粘结剂造球的影响 造球水分 / % 膨润土用量 / % 落下强度 / (次个 -1 ) 抗压强度 / (N个 -1 ) 1.010.269.5 9 1.511.470.8 2.04.464.38 2.53.866.6 1.012.4108.6 10 1.514.0116.1 2.08.889.4 2.59.491.7 1.05.358.7 11 1.54.860.22 2.06.051.9 2.55.754.2 注有机粘结剂用量为 0.5%。 从表 3 看出,有机粘结剂用量为 0.5%时,含不同 量膨润土的生球强度均能满足生产要求;表 4 表明,含 不同膨润土的生球均是在水分为 10%时强度较好。 从试验看出,用混合粘结剂制球能够很好地达到 设计要求,在造球压力 10 MPa、水分 10%,有机粘结剂 用量 0.5%的条件下,膨润土用量能大幅度降低,它的 具体用量要通过焙烧试验来确定。 2.4 氧化球团焙烧工艺的研究 球团矿的焙烧一般包括干燥、预热、焙烧、均热和 冷却 5 个阶段[5]。 对于磁铁矿为原料生产球团矿,磁 铁矿的氧化程度是决定球团矿强度、性能能否达标的 重要因素。 本文从预热温度与时间、焙烧温度与时间 及膨润土用量等方面来研究球团矿的焙烧过程。 试验 中除了膨润土用量单因素试验外,其余试验所用生球 均是在造球压力 10 MPa、水分 10%、膨润土用量 1%、 有机粘结剂用量 0.5%以及矿粉粒度 0.10~0.15 mm 的 条件下制成的。 固定焙烧温度 1 220 ℃,焙烧时间 20 min,预热时 间为 20 min,预热温度对氧化球强度的影响见图 9。 从图 9 可知,球团强度随预热温度升高呈先增大后降 低的趋势。 在低预热温度下,氧化球团强度较低,这主 要是由于海砂矿在此条件下氧化速度较慢;随着预热 图 9 预热温度对氧化球强度的影响 温度增加,氧化速度加快[6-7],950 ℃ 时强度较高; 1 000 ℃时,由于氧化速度过快,球团表面很快得到氧 化并开始结晶,形成了一个较致密的球壳,阻碍球团内 部氧化进程,因而整个球形成一个双层结构,外部是氧 化铁,内部是还未氧化的磁铁矿,因而氧化球强度也不 高[8]。 因此,选择预热温度为 950 ℃。 固定焙烧温度 1 220 ℃,焙烧时间 20 min,预热温 度为 950 ℃,预热时间对氧化球强度的影响见图 10。 从图 10 可知,预热时间 30 min 后强度变化不太明显, 选择预热时间为 30 min。 图 10 预热时间对氧化球强度的影响 预热温度950 ℃、预热时间30 min、焙烧时间20 min, 焙烧温度对氧化球强度的影响见图 11。 从图 11 可 知,焙烧温度为 1 220 ℃时球团具有很高的强度,高于 此温度球团会出现黏结现象。 图 11 焙烧温度对氧化球强度的影响 预热温度 950 ℃、预热时间 30 min、焙烧温度 1 220 ℃,焙烧时间对氧化球强度的影响见图 12。 从 图 12 可知,焙烧时间为 20 min 时球团有较高的强度, 如果继续延长焙烧时间,球团将出现黏结现象。 在最佳焙烧条件下,通过改变生球中膨润土的用 量研究膨润土对氧化球团强度的影响,试验结果如图 13 所示。 从图 13 可知,随着膨润土用量增加,氧化球 的抗压强度呈增大趋势,出现这种情况的原因目前仍 721第 2 期李永麒等 印尼某海砂矿氧化性球团制备试验研究 图 12 焙烧时间对氧化球强度的影响 图 13 膨润土用量对氧化球强度的影响 不是很清楚,但有人认为,在焙烧温度下,蒙脱石中的 Si、Al 等成分能促进新液相的形成,从而促进球团体积 缩小并充分氧化,固结后强度得到大幅度提高[9]。 膨 润土用量 1%时,氧化球的强度也能达到 2 150 N 左 右,完全能满足实际生产对氧化球强度的要求。 考虑 到海砂矿脉石成分较高的情况,膨润土用量 1%是合 适的。 通过试验可知,混合粘结剂制备生球最佳条件为 膨润土用量 1%、造球压力 10 MPa、水分 10%、有机粘 结剂用量 0.5%、矿粉粒度 0.10~0.15 mm;氧化球焙烧 最佳条件为预热温度 950 ℃、预热时间 30 min、焙烧 温度 1 220 ℃、焙烧时间 20 min。 在此条件下制成的 氧化球团的性能指标见表 5。 表 5 球团的相关性能指标 FeO 含量 / % 机械强度 / N 还原粉化指数/ % +3.15 -0.5 还原度 / % 膨胀率 / % 1.932 178.192.861.9867.210.12 从表 5 可看出,球团中除 FeO 含量稍微高一些, 其它如机械强度、还原度等都能满足生产要求。 由于 印尼海砂矿中脉石含量较高,球团膨胀率也在要求范 围之内[10-11],球团的还原粉化指数大于 3.15 mm 的超 过 92%,说明成品球团在低温还原时不易粉化。 3 结 论 1) 由于海砂矿自身特点,单独采用膨润土造球, 要达到理想要求,膨润土用量会较大,这将降低球团矿 的品位,而采用有机粘结剂和膨润土混合造球的方法, 一方面能充分利用有机粘结剂冷固结强度较好的特 点,降低膨润土使用量,另一方面,混合造球的方法对 矿粉粒度的范围要求较低,因而也降低了海砂矿润磨 成本。 试验表明,在造球压力 10 MPa、水分 10%、矿粉 粒度 0.10~0.15 mm、膨润土用量 1%、有机粘结剂 0.5% 的条件下,即能获得较好的生球质量。 2) 焙烧试验表明,预热温度 950 ℃、预热时间 30 min,海砂矿能得到很好氧化;焙烧温度 1 220 ℃、焙 烧时间 20 min,球团强度较高,继续升高温度或延长焙 烧时间,球团都会出现黏结现象。 参考文献 [1] 汪云华. 内配碳固态还原钒钛磁铁矿试验研究[J]. 矿冶工程, 2013,33(4)92-93. 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