新型高效黏结剂铁精矿氧化球团试验

吴 霞 彭小敏 陈玉花

(1.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司；2.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司)



新型高效黏结剂铁精矿氧化球团试验

吴 霞1，2彭小敏1，2陈玉花1，2

(1.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司；2.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司)

应用已研发的QTJ黏结剂取代膨润土制备磁铁精矿氧化球团，获得了优质的氧化球团，满足了高炉对冶炼炉料的苛刻要求。研究结果表明：当QTJ用量为0.5%时，可获得生球抗压强度大于18 N/个，爆裂温度大于650 ℃的优质生球；在预热温度为1 000 ℃、预热时间为10 min、焙烧温度为1 250 ℃、焙烧时间为12 min的条件下，获得优质的预热球抗压强度大于480 N/个，焙烧球抗压强度大于2 800 N/个；与添加2%膨润土球团矿相比较，成品球抗压强度低一些，但生球爆裂温度升高；两种黏结剂球团的还原性能基本接近，因而QTJ黏结剂完全能取代膨润土，且在氧化球团生产中具有良好的应用前景。

QTJ黏结剂 氧化球团 膨润土

铁矿球团具有良好的冶金性能及改善高炉料柱透气性等优点，被认为是实现高炉炉料结构优化所必需的优质炉料。我国各大钢铁企业为保证氧化球团矿的强度，只能加大无机黏结剂膨润土的用量，用量甚至超过了5%，而膨润土经高温焙烧后90%左右都残留在球团矿中，使球团含铁品位贫化，使产品冶金性能变差，同时造成环境污染。因此，研发低残留量球团黏结剂部分或全部取代膨润土，提高球团矿铁品位，对实现高炉节能降排具有重要的意义。有研究表明，使用纯有机黏结剂代替膨润土，获得的生球热强度较差，并且在球团焙烧过程中，因其过早的燃烧分解挥发，导致球团的黏性固结作用消除，引起预热和焙烧球强度降低，无法满足球团生产的要求。同时，由于生产工艺设备等原因，在我国应用纯有机黏结剂生产球团矿仍然存在一些问题亟待解决。基于此，以磁铁精矿粉为原料，用试验室已开发的QTJ黏结剂代替膨润土来制备氧化球团，并研究工艺参数对QTJ球团质量的影响，为该黏结剂未来的工业化应用提供技术指导。

1 原料及试验研究方法

1.1 原料性质

1.1.1 含铁原料

试验原料是某钢铁公司磁铁矿选铁连选试验铁精矿粉，该铁精矿粉的主要化学成分见表1，粒度组成见表2。

表1 铁精矿化学多元素分析结果 %

由表1可知，该铁精矿粉TFe含量高，为65.74%，FeO含量为27.77%，CaO、MgO、SiO2含量低，有害元素P、S含量低，铁精矿粉属于典型的优质磁铁精矿粉，可用于生产高品位球团矿；该铁矿粉具有一定的烧损值，但不高。

表2 铁精矿粒度筛水析结果

由表2可知，该铁精矿中+0.100 mm粒级含量高达24.52%，而-0.076 mm粒级含量只有62.48%，-0.045 mm粒级含量只有39.89%，该铁精矿粉粒度比较粗，细粒级含量相对较少，间接表明该铁精矿粉比表面积小，这对其成球性能及生球强度都有很大的影响，为保证后期生球质量，必须进行润磨磨矿预处理，增加其细粒级含量，提高比表面积，改善成球性能。

结合生产实践，试验研究对铁精矿粉进行润磨预处理，润磨时间5 min，润磨水分6%，润磨后铁精矿粉的粒度组成见表3。

表3 润磨后铁精矿粒度筛水析结果

由表3可知，润磨后铁精矿-0.076 mm粒级含量高达80.35%，比润磨前提高17.87个百分点，特别是-0.045 mm粒级含量在49%以上，细粒物料的增加使得造球过程中铁矿物颗粒接触点增加，铁精矿颗粒接触更紧密，降低了球团的孔隙率，从而使得球团焙烧过程中固相反应更加完全。

1.1.2 黏结剂

试验用黏结剂为试验室研发的黏结剂QTJ和普通的膨润土，其化学成分分析结果见表4。

表4 黏结剂化学成分分析结果 %

由表4可知，由于QTJ中含有的有机成分在高温下分解挥发，其烧失较大，达到了46.53%，而膨润土的烧失只有16.15%，远远低于QTJ，因此，QTJ黏结剂高温焙烧后其残留量与膨润土相比明显降低，这对提高成品球团矿的铁品位帮助很大。

黏结剂QTJ常温下呈白色粉末，水溶性很好，水溶液呈溶胶状。其主要成分是丙烯类单体与淀粉接枝共聚物，是一种经过改性的含羧基、酰胺基淀粉的有机高分子化合物，常温下分子侧链中存在羧基、酰胺基等活性基团，且其链架结构呈空间网状，具有良好的分散性、水溶性和胶接性，能与矿物表面颗粒的离子、极性分子形成离子键、共价键或氢键等化合键力，其分子结构式见图1。

1.2 试验研究方法

试验内容包括：配料、混合料混匀、润磨、造球、预热、焙烧等工序。其试验步骤为：首先将铁精矿粉、黏结剂和水按比例进行人工混匀，然后用润磨机对混合料进行预处理，润磨混合料水分6%，润磨时间5 min；生球的制备采用φ1 000 mm的圆盘造球机，倾角可调为45°～48°，造球机转速为22 r/min，造球时间为15 min，生球水分控制适宜即可。造球完成后选取直径10～16 mm的生球分别测爆裂温度、落下强度、抗压强度，其余生球进行烘干备用。

图1 QTJ有机黏结剂的分子结构式

取直径为10～16 mm干球进行预热和焙烧，预热和焙烧试验在试验室管式焙烧炉中进行，每次取10个球装入刚玉瓷舟中，按设定的温度和时间进行预热焙烧。预热和焙烧试验完成后，将球置入空气中冷却，然后在智能球团抗压机上分别测定球团的强度，取平均值作为球团抗压强度。

2 试验结果与分析

2.1 QTJ黏结剂造球试验研究

通过添加不同量的有机黏结剂QTJ，来考察黏结剂用量对生球质量指标的影响，试验结果见表5。

表5 QTJ用量对生球质量的影响

由表5可知，生球的落下和抗压强度均随着QTJ黏结剂用量的增加而提高；在QTJ黏结剂添加量为0.1%时，落下强度大于3次·(0.5 m/个)，生球抗压强度已经大于14 N/个，随后再增加黏结剂用量，生球落下强度和抗压强度均提高，但提高的幅度不大。生球爆裂温度随黏结剂用量的增大而增加，在黏结剂添加量为0.05%时，生球的爆裂温度为416 ℃；当添加量为0.5%时，生球爆裂温度已达到650 ℃；再增加黏结剂用量，爆裂温度不再变化。此时，生球抗压强度达到18.03 N/个，落下强度达到6.1次·(0.5 m/个)。因此，试验选择黏结剂QTJ添加量为0.5%较适宜。

2.2 QTJ黏结剂球团预热试验

QTJ是一种以有机物为主的复合黏结剂，了解其球团的预热性能可为其在球团工业生产中的应用提供有力的技术依据。以QTJ添加量为0.5%的干球为研究对象，分别研究预热温度和预热时间对预热球团矿强度的影响，试验结果见图2、图3。

图2 预热温度对预热球团矿强度的影响结果

由图2可见，预热球抗压强度随预热温度升高而升高，特别是当预热温度由1 000 ℃升至1 050 ℃时，预热球强度由485 N/个升高到730 N/个，升高幅度大于50%，考虑到焙烧成本及焙烧设备耐高温性能，试验选择预热温度1 000 ℃为宜。

图3 预热时间对预热球团矿强度的影响结果

由图3可见，随着预热时间的延长，预热球强度增加；当预热8 min时，预热球强度只有379.4 N/个，当预热时间增加到10 min时，预热球强度升高到485 N/个，满足工业生产要求；而后再延长预热时间，预热球强度大幅度增加，综合考虑，选择预热时间为10 min为宜。

当磁铁矿中配加含有有机成分的黏结剂时，由于该种类黏结剂中含有很多活性能团的有机高分子，在较低的温度下预热焙烧时，它发生热分解缓慢，其产物主要是含有碳、氧化物为主的气体，从球团内向外扩散，一定程度上阻碍了氧进入球团内部，内部温度较低，磁铁矿颗粒氧化缓慢，甚至出现双核现象，从而使得球团矿强度下降。而当预热温度达到或超过一定值时，这种黏结剂的氧化分解会在短时间内完成，球团由内到外会在短时间内形成大量的气孔，很大程度上降低了氧气进入球团内部的阻力，有助于球团内部磁铁矿颗粒的进一步氧化，形成更多的Fe2O3微晶粒并聚集长大，球团内部各颗粒连接成一个致密的整体，使球团矿强度大幅度提高。

对比表明，预热时间对改善预热球强度的效果更为明显。磁铁矿球团的氧化是从球团表面逐渐向内进行的，一定温度下，当氧化反应形成一定数量的Fe2O3微晶后，这些微晶颗粒需要一定时间去长大、聚集链接，这就更进一步加固了预热球团强度。

研究结果表明，在预热温度为1 000 ℃，预热时间为10 min的条件下，QTJ黏结剂用量不超过0.5%时，可以获得较高强度的预热球。

2.3 QTJ黏结剂球团焙烧试验

对添加0.5%QTJ的干球团在预热温度为1 000 ℃条件下预热10 min，对预热球分别进行焙烧温度、焙烧时间试验，考察焙烧温度、焙烧时间对焙烧球团矿抗压强度的影响，试验结果见图4、图5。

图4 焙烧温度对焙烧球团矿抗压强度的影响结果

图5 焙烧时间对焙烧球团矿抗压强度的影响结果

由图4、图5可见，焙烧球的抗压强度随焙烧温度升高而升高，焙烧球团抗压强度在焙烧温度为1 250 ℃时达到最大，焙烧温度继续升高，球团抗压强度有下降趋势；焙烧球抗压强度随焙烧时间的增加先增加后下降；当焙烧时间从8 min延长至12 min时，焙烧球抗压强度有较大增幅，继续延长焙烧时间，焙烧球抗压强度出现下降趋势。

对于QTJ黏结剂球团氧化焙烧，由于焙烧温度、焙烧时间达到一定值时，其抗压出现较高值，而再继续升高温度，可能预热球团在较高温度下氧化焙烧时其表面会发生氧化固结，形成一个紧密的固结层，阻碍球团内部继续氧化，从而造成球团抗压强度下降的趋势。

综合比较，对配加0.5%QTJ黏结剂的预热球，适宜的焙烧温度为1 250 ℃，焙烧时间为12 min。

2.4 QTJ与膨润土2种黏结剂球团性能比较

上述研究表明，在优化条件下采用QTJ作为球团试验黏结剂，可获得较高强度的氧化球团。研究对2种黏结剂的氧化球团性能进行综合比较研究，试验结果见表6，2种球团在相同的预热焙烧制度下获得，2种黏结剂成品球团矿还原性能结果见表7。

表6 黏结剂QTJ与膨润土球团性能比较

由表6可知,比较QTJ黏结剂添加量为0.5%与膨润土添加量为2.0%的生球球团质量指标，两者落下强度和抗压强度基本接近，而QTJ黏结剂生球热态强度爆裂温度比膨润土高出15个百分点左右。尽管膨润土氧化焙烧球团抗压强度稍高，但QTJ黏结剂球团预热球和焙烧球抗压强度分别达到485 N/个和2832 N/个，完全满足球团工业生产的要求。

从产品全铁品位来看，使用0.5% QTJ黏结剂的成品球团矿比使用2%膨润土球成品团矿的铁品位提高了约1.12个百分点。因此，采用QTJ黏结剂完全代替膨润土制备氧化球团时，可有效提高球团矿的铁品位。

表7 2种黏结剂成品球团矿还原性能比较 %

由表7可知，2种黏结剂成品球团矿的还原性能基本接近，均可作为优质的高炉冶炼原料。

3 结 论

(1)QTJ黏结剂添加量为0.05%～0.8%时，随着用量的增加，所得生球冷态强度和热态强度均不断提高，尤其是在改善生球热态强度方面，QTJ黏结剂具有显著的效果。

(2)用QTJ黏结剂制备铁精矿氧化球团，当其添加量为0.5%时，适宜的预热焙烧制度为：预热温度1 000 ℃，预热时间10 min，焙烧温度1 250 ℃，焙烧时间12 min。在该试验条件下，获得了强度为485 N/个的预热球，抗压强度大于2 800 N/个的成品球，与添加2%的膨润土球团矿比较，添加0.5%的QTJ黏结剂成品球团矿铁品位有所提高，但两者成品球还原性能基本接近。

(3)用QTJ黏结剂可完全替代无机黏结剂膨润土，制备出质量优质的磁铁矿氧化球团，成品球抗压强度、还原性能均能满足目前工业生产要求，因此其在磁铁矿氧化球团制备中具有良好的前景。

New High Efficient Adhesive Iron Concentrate Oxidized Pellets Experiment

Wu Xia1,2Peng Xiaomin1,2Chen Yuhua1,2

(1.Sinosteel Maanshan Institute of Mining Research Co., Ltd.;2.National Engineering Research Center of Huawei High Efficient Recycling Utilization of Metal Mineral Resources Co., Ltd.)

Magnetite concentrate oxidized pellets was prepared by application developed QTJ adhesive instead of bentonite, high quality oxidized pellet was obtained, meet the strict requirements for blast furnace smelting furnace charge. The results show that when QTJ dosage was 0.5%, high quality ball with compressive strength of more than 18 N/P of pellet, explosion temperature higher than 650 ℃ can be obtained; The preheating temperature of 1 000 ℃, the preheating time is 10 min, roasting temperature 1 250 ℃ for 12 min conditions, compressive strength of quality preheating ball is higher than 480 N/P, roasting ball compressive strength is greater than 2, 800 N/P. Compared with adding 2% bentonite pellet, finished product ball compressive strength lower, but explosion temperature increased; Two kinds of binder pellets reduction performance is basically approximate, thus QTJ adhesive can completely replace bentonite in oxide pellet production and has a good application prospect.

QTJ adhesive， Oxidized pellets， Bentonite

2016-07-11)

吴 霞(1975—)，女，高级工程师，243000 安徽省马鞍山市经济技术开发区西塘路666号。