高铬型钒钛磁铁矿烧结试验.pdf

收稿日期2012 －07 －24 基金项目国家高技术研究发展计划项目 2012AA062302， 2012AA062304 ;国家自然科学基金重大资助项目 51090384 ;中央高校基本科研业务费专项资金资助项目 N110202001 ;科技部重大国际合作项目 2012DFR60210 ．作者简介张勇 1978 －，男，江西九江人，东北大学博士研究生;储满生 1973 －，男，安徽岳西人，东北大学教授，博士生导师;薛向欣 1954 －，男，辽宁沈阳人，东北大学教授，博士生导师．第34卷第3期 2013 年 3 月东北大学学报自然科学版 Journal of Northeastern University Natural Science Vo l． 34， No． 3 Mar．2 0 1 3 高铬型钒钛磁铁矿烧结试验张勇，周密，储满生，薛向欣东北大学材料与冶金学院，辽宁沈阳110819 摘要在高铬型钒钛磁铁矿基础特性研究的基础上，进行了配矿优化和烧结杯试验，并对烧结产物进行显微分析．结果表明，该矿烧结基本特性差，随着配比的提高，垂直烧结速度和产品转鼓指数下降，成品率和利用系数先升后降．另外，显微结构分析表明，高铬型钒钛烧结矿矿物组成主要有磁铁矿、赤铁矿、钙钛矿、铁酸钙、硅酸二钙和玻璃质．随着该矿配比的提高，烧结矿中铁酸钙、硅酸二钙含量降低，钙钛矿及玻璃相含量增加，液相量不足．因此，在实际生产中，该矿配比宜控制在 10 ～20之间．关键词高铬型钒钛磁铁矿; 烧结基础特性; 优化配矿; 矿相; 烧结矿中图分类号TF 521文献标志码A 文章编号1005 －3026 2013 03 －0383 －05 Sintering Experiments of High- Cr Vanadium and Titanium Magnetite ZHANG Yong，ZHOU Mi，CHU Man- sheng，XUE Xiang- xin School of Materials ＆ Metallurgy，Northeastern University，Shenyang 110819，China． Corresponding author XUE Xiang- xin，E- mailxuexx mail． neu． edu． cn AbstractConsidering lack of related technological documentation and detailed researches on ore matching optimization，sintering pot tests and mineralography analysis on the basis of basic sintering characteristics were done in this experiment． The results showed that basic sintering characteristics of high- Cr V- Ti magnetite are relatively poor，vertical sintering speed and tumbling index decreased，the yield and productivity first increased and then decreased with the increase of the addition ratio of high- Cr V- Ti magnetite in sinter feeds． Furthermore the analysis of the microstructure showed that the mineralography structure of the sinter mainly included magnetite， hematite，perovskite，calcium ferrite，dicalcium silicate and glass．With the increase of the proportioning of high- Cr V- Ti magnetite，the content of calcium ferrite and dicalcium silicate decreased，perovskite and glass increased and the liquid phase tended to be insufficient． Thus，the proportioning of high- Cr V- Ti magnetite should be controlled between 10 and 20 for the practical sintering production． Key words high- Crvanadiumandtitaniummagnetite; basicsinteringcharacteristics; optimization of matching ores;mineral phase;sinter 近年来，我国钢铁工业发展迅速，对进口铁矿的依存度加大， 2011 年已达 70 左右，进口国外铁矿资源成为我国矿产资源利用政策的核心内容［1 ］．国内某钢铁企业进口了大量钒钛磁铁矿，其 Cr2O3质量分数在 0. 5 左右，与攀枝花红格矿相当［2 ］，属于高铬型钒钛磁铁矿．而高铬型钒钛磁铁矿是特殊的钒钛矿资源，矿物组成比普通钒钛磁铁矿更为复杂，造块、高炉冶炼及有价组元综合利用的困难程度也随之加剧．当前国内外关于高铬型钒钛矿基本特性、造块和高炉冶炼的研究成果相当匮乏，亟待加强．为了促进该进口高铬型钒钛磁铁矿在造块－高炉冶炼－转炉提钒流程的增量利用，在系统研究其烧结基础特性的基础上，设计了若干组该矿增量利用的配矿方案，并进行了烧结杯试验及显微结构分析，以期为该矿实际烧结生产提供工艺参数和理论依据，同时丰富钒钛磁铁矿造块理论体系． 1试验原料及方法现场可供选取的矿样有高铬型钒钛磁铁矿粉以下简称高铬型钒钛粉、国产混合铁精矿粉国混粉、俄罗斯普通铁精矿粉俄粉、硼铁粉，其化学成分列于表 1．高铬型钒钛粉含铁 61. 42， V2O52. 54， Cr2O30. 47， TiO25. 12，属于高铬高钒低钛型钒钛磁铁矿．高铬型钒钛粉的 XRD 检测结果见图 1，其内含钛矿物的赋存形态主要为钛磁铁矿， V 主要以类质同象的形式赋存于磁铁矿中， Cr 也以类质同象的形式存在于磁铁矿中而形成铬磁铁矿．另外，还对试验用铁矿粉的颗粒学特性参数进行了测定．结果表明，与普通铁矿粉相比，高铬型钒钛粉圆形度偏高，而颗粒表面相对光滑．表 1烧结试验用铁矿粉的化学成分质量分数 Table 1Chemical compositions of iron ore powder used in this study mass fraction 矿粉TFeFeO SiO2CaOMgOAl2O3TiO2Cr2O3V2O5Ig 结晶水高铬型钒钛粉61. 4228. 632. 540. 321. 202. 955. 120. 471. 010. 441. 02 国混粉62. 9926. 565. 300. 491. 013. 36－1. 840. 26 俄粉63. 7324. 243. 241. 093. 032. 15－1. 210. 81 硼铁粉55. 1425. 035. 040. 509. 130. 631. 870. 54 图 1高铬型钒钛粉的 XRD 图 Fig. 1XRD pattern of high- Cr vanadium and titanium magnetite 根据前期研究［3 －4 ］可断定，高铬型钒钛粉的制粒性能较差，烧结难度大．采用微型烧结法［5 －7 ］对 4 种铁矿粉的烧结基础特性主要包括同化性、液相流动性、黏结相强度、连晶强度进行了测定，结果列于表 2．在现场实际使用的铁矿粉中，高铬型钒钛粉烧结基础特性指标最差，烧结困难，而国混粉的指标相对较好．从烧结基本特性度出发，基于现有原料条件进行高铬型钒钛磁铁矿烧结时，应尽可能与国产混合粉搭配使用．故在随后的研究中选择国混粉与高铬型钒钛粉进行烧结杯试验．表 2试验用铁矿粉的烧结基础特性 Table 2Basic sintering characteristics of iron ore powder used in the study 矿粉最低同化温度/℃流动性指数 R 2. 1黏结相强度 N R 2. 1 连晶强度 N t 1 280 ℃ 高铬型钒钛粉1 3351. 951 445365 国混粉1 2914. 202 010622 俄粉1 2753. 181 856683 硼铁粉1 3162. 111 378464 2烧结杯试验 2. 1试验方案及工艺参数试验的总体方案如表 3 所示，其中碱度 R 2. 1 在各组试验中保持不变，方案 1 为不配加高铬型钒钛粉，将其作为基准，与其他组试验进行比较．另外，表 3 中烧结配料中的其他项指自产返矿、竖炉灰、菱镁石粉、焦粉等，在各方案中均占总烧结料组成的 40．表 3烧结杯试验方案质量分数 Table 3Ore matching schemes of the sintering pot tests mass fraction 方案碱度高铬型钒钛粉国混粉其他 12. 106040 22. 1105040 32. 1204040 42. 1402040 52. 160040 483东北大学学报自然科学版第 34 卷 2. 2试验结果分析利用直径 150 mm、高 550 mm 的烧结杯进行烧结试验，主要参数包括料层高度 500 mm、负压 10 kPa、配焦粉量 5. 0、混合料水分 8. 2．烧结杯试验结果列于表 4．由表 4 试验结果可知，当高铬型钒钛粉配比达到 20 以上时，大于 40 mm 粒级和小于 5 mm 粒级比例随着高铬型钒钛粉配比的增多而明显增大，不利于改善粒度组成; 垂直烧结速度和转鼓强度随着高铬型钒钛粉配比的增加显著降低; 成品率在配比 40 时达到最高 66. 40，利用系数在配比 20时达到最高的 1. 468 t/ m2 h ．这主要是因为高铬型钒钛粉粒径细，成球性差，透气性不好，造成混合料液相流动性变差，高熔点物质增多，从而导致随着高铬型钒钛粉配比的增多，垂直烧结速度变慢．国混粉流动性好，易形成薄壁大孔; 而高铬钒钛粉液相流动性较差，产生的液相流动不足以浸润黏结矿粉，而且同时高铬型钒钛粉易形成性能不佳的钙钛矿［8 －9 ］．由于这两方面共同作用的结果，在高铬型钒钛粉配比达到 40 时，成品率达到最高的 66. 40，但后来逐渐降低．另外，由于高铬型钒钛粉自身黏结相强度差，连晶强度低，随着高铬型钒钛粉配入量的增加，铁酸钙等黏结相减少，而钙钛矿相增多，导致烧结矿转鼓强度下降［ 10 ］，耐磨性变差．利用系数的变化规律则是垂直烧结速度及成品率的综合作用结果．表 4烧结杯试验的主要结果 Table 4Major results of the sintering pot tests 方案垂烧速度 mm min －1 成品率转鼓强度耐磨强度利用系数 t m2 h －1 粒度组成/ ＜5 mm5 ～10 mm10 ～25 mm25 ～40 mm＞40 mm 126. 3262. 2174. 444. 391. 43119. 7716. 3538. 7519. 295. 86 225. 6465. 5269. 564. 521. 46816. 3415. 9140. 9616. 919. 89 323. 8166. 1166. 524. 941. 36816. 3315. 3737. 7714. 5116. 04 419. 2366. 4057. 705. 611. 24915. 8813. 8033. 7316. 8019. 80 518. 6659. 7457. 326. 021. 00822. 3515. 7234. 6816. 7310. 53 2. 3综合指标鉴于表 4 中衡量烧结效果的主要指标变化不一，为了更合理地定量判断配加高铬型钒钛矿对烧结生产的影响，引入烧结综合指标［11 ］．图 2 给出了高铬型钒钛矿增量使用时烧结综合指标的变化趋势．由图可知，与基准烧结相比，高铬型钒钛粉配比为 10 时，烧结综合指标有所改善; 当其配比增至 20 时，综合指标有所降低，但幅度不大; 进一步提高高铬型钒钛粉的配比，烧结综合指标显著降低．图 2高铬型钒钛粉增量利用对烧结综合指标的影响 Fig. 2Effects of the different high- Cr V- Ti magnetite ratios on the sintering comprehensive indicators 3高铬型钒钛烧结矿显微结构分析方案 1， 3 和 5 的烧结矿矿相结构见图 3 ～图 5．从图 3 可以观察到，不含高铬型钒钛粉的烧结矿矿相结构不均匀，其主要矿物为磁铁矿，黏结相为铁酸钙和硅酸二钙．结构主要为交织熔蚀结构图 3a 和部分粒状结构图 3b ．烧结矿气孔大小不一，分布不均匀，气孔率 15 ～20，裂隙裂纹发育．磁铁矿多呈他形、半自形和自形晶，粒度不均匀，为 0. 02 ～0. 32 mm，局部粗粒反应不充分图 3c ，多被硅酸二钙、铁酸钙胶结形成强度较高的交织熔蚀结构，局部被硅酸二钙胶结形成强度较低的粒状结构．主要黏结相铁酸钙，多呈他形晶、针状; 硅酸二钙则主要呈他形粒状、针状．配比 20的高铬型钒钛粉烧结矿矿相如图 4 所示．矿相结构不均匀，矿物组成复杂，主要有磁铁矿、赤铁矿、浮士体、钙钛矿、铁酸钙、硅酸二钙．交织熔蚀结构图 4a 和粒状结构分别约占矿样的 1/2，局部共晶结构图 4b ．气孔明显增多，大气孔多且形态不规则，分布不均匀，磁铁矿主要呈他形晶，粒度为 0. 02 ～ 0. 7 mm，局部反应不充分 583第 3 期张勇等高铬型钒钛磁铁矿烧结试验图 4b ．部分被铁酸钙、硅酸二钙和少量玻璃质胶结形成交织熔蚀结构，部分被硅酸二钙和少量玻璃质胶结形成粒状结构，局部呈微晶被铁酸钙、硅酸二钙和玻璃质形成共晶结构．赤铁矿主要呈他形粒状分布于矿块边缘; 浮氏体多呈浑圆粒状集中分布于磁铁矿中图 4c ．当高铬型钒钛粉配比达到 60 时，烧结矿矿相结构较均匀，如图 5 所示．主要有磁铁矿、赤铁矿、钙钛矿、铁酸钙、硅酸二钙和玻璃质，以交织熔蚀结构为主图 5a ，局部粒状结构、斑状结构，液相量明显不足图 5b ．气孔大小不一，分布不均，小气孔较多且形态规则，气孔率 10 ～ 15，裂隙裂纹发育图 5c ．磁铁矿多呈他形晶，部分半自形晶、自形晶，粒度为 0. 01 ～ 0. 15 mm，多被铁酸钙、硅酸二钙和玻璃质胶结形成交织熔蚀结构图 5a ; 局部他形晶、半自形晶被硅酸二钙胶结形成粒状结构，少量半自形晶、自形晶被玻璃质胶结形成斑状结构图 5b ．赤铁矿多呈自形、半自形晶，分布不均匀，多集中分布于矿块边缘图5c ．钙钛矿含量较多，多呈他形晶、柱状与磁铁矿共同被铁酸钙、硅酸二钙胶结形成交织熔蚀结构．铁酸钙，多呈他形晶、柱状; 硅酸二钙含量较少，主要呈他形粒状、针状，粒度较细．玻璃质含量较多且多呈不定形与铁酸钙、硅酸二钙共同胶结磁铁矿形成交织熔蚀结构，局部与树枝状、柱状铁酸钙、细小骸晶磁铁矿形成共晶结构．图 3不使用高铬型钒钛粉时的烧结矿矿相结构 Fig. 3Microstructure of the sintering product without high- Cr V- Ti magnetite addition a 交织熔蚀结构; b 粒状结构; c 不均匀区．图 4高铬型钒钛粉配比 20时烧结矿的矿相结构 Fig. 4Microstructure of the sintering product with addition high- Cr V- Ti magnetite ratio of 20 a 交织熔蚀结构; b 共晶结构; c 块矿边缘区．图 5高铬型钒钛粉配比 60时烧结产品的矿相结构 Fig. 5Microstructure of the sintering product with addition high- Cr V- Ti magnetite ratio of 60 a 交织熔蚀结构; b 斑状结构; c 块矿边缘区．综上所述，对于方案 1， 3 和 5 的烧结矿矿样，方案 1 中作为基准的国混粉烧结矿矿物组成相对简单，以磁铁矿为主，被铁酸钙交织黏结，但是局部反应不均匀，形成强度较差的粒状结构，影响了 683东北大学学报自然科学版第 34 卷其性能．然而，高铬型钒钛粉烧结矿矿物组成复杂，主要有磁铁矿、赤铁矿、钙钛矿、铁酸钙、硅酸二钙和玻璃质．当高铬型钒钛粉配比 20 时，烧结矿矿样均匀，强度较好的交织结构占 50，出现少量玻璃质; 高铬型钒钛粉配比达到 60 时，铁酸钙、硅酸二钙含量降低，钙钛矿、玻璃质含量提高，裂纹孔洞发育，液相量明显不足，严重影响了烧结矿的质量． 4结论 1高铬型钒钛矿烧结基础特性差，与国产混合粉搭配使用，可以弥补其烧结基础特性差产生的不利影响． 2随着高铬型钒钛粉配比的提高，垂直烧结速度和转鼓指数下降，成品率和利用系数先升高后下降，配比低于 20时综合指标变化不大． 3高铬型钒钛烧结矿矿物组成复杂，主要矿物有磁铁矿、赤铁矿、钙钛矿、铁酸钙、硅酸二钙和玻璃质; 随着高铬型钒钛粉配比的提高，液相量明显不足，铁酸钙、硅酸二钙含量降低，出现大量钙钛矿及玻璃体，从而导致高铬型钒钛矿烧结相关指标恶化． 4综合考虑烧结杯试验和矿相分析结果，在目前生产条件下高铬型钒钛矿在烧结料中的配比宜控制在 10 ～20之间．参考文献［1］刘动．近年我国进口铁矿石的现状与分析［J］．金属矿山， 2009 1 12 －15． Liu Dong． Application status and analysis of China＇s imports of iron ore in recent years［J］． Metal Mine， 2009 1 12 － 15．［2］杜鹤桂．高炉冶炼钒钛磁铁矿原理［M］．北京科学出版社， 1996 9 －13． Du He- gui． Principle of blast furnaces melting vanadium- titanium magnetite［M］． Beijing Science Press， 1996 9 － 13．［3］Zhao Z X， Xu M， Pan W， et al． Application of iron ore fines with ultra- low Al2O3during sintering process in Shougang ［C］/ /Proceedings of the 5th International Congress on the Science and Technology of Ironmaking． Shanghai， 2009 175 －178．［4］Francik P， Jan M． Ability for self- pelletization of iron ores and magnetite concentrates［J］． Journal of Iron and Steel Research， International， 2011， 18 6 1 －7．［5］Takaho O， Yasuski T， Takazo K A． Properties of core in quasiparticle required for large amounts usage of limonitic ores in iron ore sintering process［J］． ISIJ International， 2005， 45 4 532 －537．［6］Cao Y G， Wu S L， Han H L， et al． Mixed state and high effective utilization of pilbara blending iron ore powder［J］． Journal of Iron and Steel Research， International， 2011， 18 9 1 －5．［7］罗果萍，孙国龙，赵艳霞，等．包钢常用铁矿粉烧结基础特性［ J］．过程工程学报， 2008， 8 Sup 1 198 －201． LuoGuo- ping，SunGuo- long，ZhaoYan- xia，etal． Experimental studyonbasicsinteringcharacteristicsof Baogang iron ore powder［J］． The Chinese Journal of Process Engineering， 2008， 8 Sup 1 198 －201．［8］孙艳芹，杨松陶，吕庆，等．钒钛磁铁精矿分流制粒烧结中碱度的影响［ J］．东北大学学报自然科学版， 2011， 32 9 1269 －1273． Sun Yan- qin， Yang Song- tao， L Qing， et al． Influence of basicityon separated granulatingsinteringofvanadium titanium magnetite［J］． Journal of Northeastern University Natural Science， 2011， 32 9 1269 －1273．［ 9］吕庆，杨松陶，孙艳芹，等．钒钛磁铁精矿分流制粒烧结中配碳量的影响［ J］．钢铁， 2011， 46 11 21 －25． L Qing， Yang Song- tao， Sun Yan- qin， et al． Effect of carbon content in vanadium titanium magnetite on sintering of separated granulating［ J］． Iron and Steel， 2011， 46 11 21 －25．［ 10］ Bai Y Q， Cheng S S， Bai Y M． Analysis of vanadium- bearing titanomagnetite sintering process by dissection of sintering bed［J］． Journal of Iron and Steel Research， International， 2011， 18 6 8 －15．［ 11］张义贤．钒钛磁铁矿高铁低硅烧结的实验室研究［J］．四川冶金， 2004 5 34 －38． Zhang Yi- xian． Experimental studies on sintering with high- ferrum and low- silicon vanadium titanium magnetite［J］． Metallurgy of Sichuan， 2004 5 34 －38． 783第 3 期张勇等高铬型钒钛磁铁矿烧结试验