鞍钢利用镁基粘结剂生产镁质球团工业试验

孙彬，夏铁玉，杨熙鹏，李建军，高宏庄，李林春，曾宇，李晓春

（鞍钢股份有限公司炼铁总厂,辽宁 鞍山 114021）

高炉冶炼通常使用烧结矿、球团矿及少量天然块矿［1］。高炉冶炼需要炉渣中含有一定量的MgO，以保证炉渣必要的流动性，同时提高炉渣的脱硫能力［2］。国内高炉炉料中的MgO主要在烧结矿中配入。在烧结矿中加入镁，通常会出现烧结矿强度下降，粒度组成变差，软熔及滴落温度升高等情况，致使高碱度烧结矿与普通酸性球团矿炉料结构的高炉，软熔区间加大，影响高炉透气性。为消除MgO在烧结中配加带来的不利影响，国内进行了大量在球团中配加MgO的研究和试验，一些研究同时配加CaO，生产含镁熔剂性球团。结果表明，含镁熔剂性球团矿的机械强度与各项冶金性能指标均明显优于同种原料制备的酸性球团矿［3］。为此，鞍钢股份有限公司炼铁总厂（以下简称“炼铁总厂”）进行了镁基粘结剂替代膨润土生产镁质球团的工业试验研究，本文对此做一介绍。

1 工业试验条件

1.1 试验设备

炼铁总厂321.6 m2带式球团焙烧机生产工艺于1989年1月投产，年设计产能200万t，主要装备有：①精矿槽及上料系统，包括1台Ф3 600 mm×24 000 mm圆筒干燥混合机；② 配料系统，包括精矿、除尘灰、膨润土电子配料称；③ 混料系统，包括2台Ф1 980 mm×5 030 mm强力混合机 （一工一备）；④制粒系统，包括8台Ф6 000 mm圆盘造球机；⑤ 焙烧系统，包括1台321.6 m2带式球团焙烧机和5台风机（主抽、回热、鼓干、冷却、炉罩风机）；⑥ 成品输出及底料分出系统。试验期间，将原膨润土6个配料圆盘中4个倒空，储存镁基粘结剂，代替膨润土进行试验生产。

1.2 试验原料

试验所用原料主要包括铁精矿、厂内除尘灰、镁基粘结剂。试验过程球团所用的铁料品种、配比基本保持不变。试验用铁精矿化学成分如表1所示。

表1 试验用铁精矿化学成分（质量分数）Table 1 Chemical Compositions（Mass Fraction）in Iron Concentrate for Test %

2 工业试验结果及分析

2.1 造球试验

依据实验室试验结果确定试验方案，镁基粘结剂配比为3.2%，球团矿MgO含量为（1.8±0.2）%。镁基粘结剂化学成分及灼减如表2所示。

表2 镁基粘结剂化学成分及灼减（质量分数）Table 2 Chemical Compositions and Loss on Ignition（Mass Fraction） in Magnesium-based Binder %

镁基粘结剂球团工业试验共进行37天，分为三个阶段。

（1）第一阶段为配方Ⅰ工业试验，共计用时11天。使用该配方粘结剂造球，生球长大速度慢、粒度小（见图1），提高球盘加水量，生球大小不均匀，质量严重恶化，球团造球对水分过于敏感，生产不稳定。为此调整粘结剂配方，试验期间先后调整了两次，分别为配方Ⅱ、Ⅲ。

图1 配方Ⅰ粘结剂造球盘中生球情况Fig.1 Conditions of Green Pellets in Pelletizing Disc with Formula I Binder

（2）第二阶段为配方Ⅱ试验，共计用时13天。配方Ⅱ调整了粘结剂的粘结性能，解决了水分敏感问题，生产逐步稳定，但球团矿含镁量在1.4%左右，未达到目标值。

（3）第三阶段为配方Ⅲ试验，共计用时13天。配方Ⅲ粘结剂基本达到了预期试验目标，造球生产基本稳定，生球产率及质量达到了目标要求，球团矿含镁量达到了1.7%的水平。

镁基粘结剂球团工业试验基准期生产配加1.5%膨润土的普通酸性球团矿，基准期指标为试验前一个月的生产数据；试验期生产配加3.2%镁基粘结剂的镁质球团矿，试验期指标为配方Ⅲ生产稳定期的试验数据。球团矿生球指标如表3所示。

表3 球团矿生球指标Table3 Indexes of Green Pellets for Producing Finished Pellets

造球试验表明：①利用镁基粘结剂造球是可行的，可以生产出满足需要的生球。②造球过程中需要少量提高生球水分。镁基粘结剂对造球水具有较强的敏感性，适宜造球水分区间比较窄。③配加镁基粘结剂，球机盘边挂料有所减轻。其主要原因是镁基粘结剂具有较大的湿容性，持水能力强，生球表面重力水较少，减轻了生球颗粒间及与盘边的粘附。

2.2 生球爆裂性能试验

生球爆裂是由于生球蒸发干燥过程中，随着温度的升高，生球内部饱和蒸汽压大于生球表面所能承受的最大压力所致，其对成品球团矿质量有重大影响。球团生产中必须防止生球干燥爆裂。有机粘结剂及轻烧菱镁石具有较好的水化活性，能与水紧密结合，可以降低生球内部水分蒸发速率，阻滞生球内部饱和蒸汽压迅速升高，降低生球内部最大饱和蒸汽压。因镁基粘结剂中存在有机粘结剂及轻烧菱镁石，可减轻或避免生球在干燥过程中发生爆裂。

带式焙烧机工业试验生球干燥制度如下：鼓干段温度200℃，抽干段温度300℃，预热段温度600℃。由于工业试验中生球升温干燥全部在密闭的炉窑内完成，无法获取干燥后的生球，因此，通过对成品球团表面裂纹检查来确定生球是否出现干燥爆裂问题。试验中对成品球表面裂纹进行了多次检查，球体颗粒完整无裂，说明镁基粘结剂生球干燥爆裂性能满足工业生产的需要。

2.3 焙烧制度试验

依据含镁球团的焙烧固结机理，结合实验室焙烧试验温度，工业试验时调整了球团焙烧制度：焙烧温度由普通酸性球团的（1 270±50）℃范围调整为≥1 280℃，焙烧时间不低于8 min。主要焙烧参数及产量指标如表4所示。

表4 主要焙烧参数及产量指标Table 4 Main Roasting Parameters and Output Index

由表4可以看出，球团台时产量达到233 t水平，与基准期持平。含镁球团与普通酸性球团相比,适宜焙烧温度区间有所升高且明显变窄，同时球团抗压强度有所下降。试验中含镁球团平均抗压强度为2 544 N/个，较基准期酸性球团抗压强度下降626 N/个。

生产中发现，当焙烧温度高于1 300℃时，机尾卸料呈现整块卸落，成品颗粒间出现轻度粘结（见图2）；当焙烧温度低于1 280℃时，球团矿抗压强度陡降；当焙烧温度低于1 260℃时，抗压强度可能会低于2 400 N/个的内控标准要求。且当焙烧温度控制在1 280～1 290℃区间内时，抗压强度达到了2 734 N/个，但较基准期的酸性球团仍低了436 N/个。分析其原因，主要是添加镁基添加剂后，抑制了Fe304向Fe203的转变，Fe203再结晶晶粒间夹杂着一定量的Fe304，晶粒连接减弱、晶粒发育不佳、分布不均，导致强度下降［4］。因此，鞍钢原料条件下含镁球团适宜焙烧温度在（1 290±10）℃范围，最低焙烧温度不应低于1 260℃。

图2 机尾卸矿轻度粘结情况Fig.2 Slight Bonding Circumstances on Unloading Ore at Tail of Pelletizer

2.4 冷却制度试验

试验未对球团冷却制度进行调整，完全按照普通酸性球团冷却要求进行，具体参数见表5。由表5可以看出，普通酸性球团的冷却制度完全适用于镁质球团。

表5 球团冷却制度参数Table 5 Pellet Cooling System Parameters

3 镁基粘结剂球团矿质量分析

3.1 化学成分

基准期与试验期的成品球团矿化学成分及碱度如表6所示。由表6可以看出，配加镁基粘结剂后，球团矿TFe含量较基准期降低了1%；MgO含量升高了1.34%；其它成分变化不大。

表6 成品球团矿化学成分（质量分数）及碱度Table 6 Chemical Compositions（Mass Fraction）and Alkalinity in Finished Pellets

3.2 机械强度

对基准期与试验期成品球团矿机械强度进行测试，具体指标如表7所示。由表7可以看出，配加镁基粘结剂后，球团矿的转鼓、抗磨、筛分指数均无明显变化。

表7 球团矿机械强度指标Table 7 Indexes for Mechanical Strength of Pellets%

3.3 冶金性能

对基准期酸性球团矿与试验期镁质球团矿低温还原粉化性能和熔滴性能进行检验，具体指标分别见表8和表9。通过对比两种球团矿的低温还原粉化指数和冶金性能、熔滴性能指标可以看出，含镁球团矿的低温还原粉化指标明显改善，膨胀指数下降，软化区间变窄，透气性指数变小，含镁球团的冶金性能检测结果明显优于普通酸性球团。使用含镁球团矿冶炼能够使高炉料层透气性变好。

表8 球团矿低温还原粉化性能指标Table 8 Indexes for Low Temperature Reduction Pulverization Properties of Pellets %

表9 球团矿熔滴性能指标Table 9 Indexes for Droplet Properties of Pellets

图3 、图4分别为FeO-MgO二元相图和Fe2O3-MgO相图。结合图3、图4分析认为MgO球团矿冶金性能改善的主要原因有：

图3 FeO-MgO二元相图Fig.3 FeO-MgO Binary Phase Diagram

图4 F2O3-MgO相图Fig.4 F2O3-MgO Phase Diagram

（1）球团矿内存在MgO时，焙烧过程中生成MF（（Fex·Mg1-x）O·Fe203）相，在还原时抑制六面体晶格的Fe2O3转变成立方晶格的Fe3O4。还原膨胀率降低，低温还原粉化指标得到改善［4］。

（2）由于MgO的存在，球团矿固结过程中，Fe2+和Mg2+可相互取代，形成连续的类质同象，形成铁酸镁，因其熔化温度比较高，使球团矿开始熔化温度升高，融熔区间变窄。高炉冶炼时软熔带的位置较低，高炉透气性变好，有利于间接还原。

4 镁质球团高炉冶炼试验

在进行镁基粘结剂球团工业试验的同时，炼铁总厂10号高炉同步进行了镁质球团高炉冶炼试验。高炉冶炼基准期指标为试验前高炉使用普通酸性球团生产的半个月生产数据，试验期指标为高炉使用镁质球团冶炼的一个月生产数据。高炉用烧结矿、球团矿化学成分及碱度如表10所示。

表10 高炉用烧结矿、球团矿化学成分（质量分数）及碱度Table 10 Chemical Compositions（Mass Fraction）and Alkalinity in Sinter and Pellets Used in Blast Furnace

由表10可以看出，烧结矿MgO平均在1.64%水平，与基准期（1.62%）基本一致，TFe含量较基准期高了0.15%；由于MgO的配入，球团矿TFe含量降低0.83%。

试验期间高炉主要操作指标如表11所示，主要生产指标如表12所示。因球团矿中配入MgO，高炉按三元碱度调整。炉料三元碱度按1.70控制（实际1.68），终渣三元碱度按1.35控制 （实际1.34）。试验期间终渣MgO含量由7.1%提高到7.9%。风压、炉顶温度、铁水含硅量等未进行调整。由表11可以看出，使用镁质球团后，高炉风压基本保持不变情况下，风量增加了74 m3/min，说明炉料透气性有了改善。由表12可以看出，使用镁质球团后，高炉产量提升，利用系数提高了 0.03 t/（m3·d），综合焦比下降了4 kg/t。

表11 高炉主要操作指标Table 11 Main Operation Indexes for Blast Furnace

表12 高炉主要生产指标Table 12 Main Production Indexes for Blast Furnace

5 结论

（1）鞍钢股份有限公司炼铁总厂带式球团焙烧机使用镁基粘结剂生产镁质球团是可行的。试验期间，配加镁基粘结剂，生球抗压强度达到12.0 N/个、落下强度达5.0次/个、粒度合格率75%，与使用膨润土生产的普通酸性球相比，没有明显变化；成品球团转鼓、抗磨、筛分指数与酸性球团相比变化不大；球团抗压强度为2 544 N/个，较酸性球团降低了626 N/个，但高于≥2 400 N/个的内控标准要求，完全满足高炉冶炼需要。

（2）利用镁基粘结剂生产镁质球团需要较高的焙烧温度。镁质球团焙烧温度平均为1 284℃，较酸性球团提高了40℃。镁质球团试验期间的适宜焙烧温度范围为（1 290±10）℃，适宜区间明显变窄。

（3）配加镁基粘结剂后，球团矿的冶金性能指标明显改善。试验期间，含镁球团的低温还原粉化率及还原膨胀率指标改善；球团的软化开始和软化终了温度升高，软化区间缩小；熔化温度升高，滴落温度升高，透气性指数变小，高炉料层透气性改善。

（4）高炉使用镁质球团冶炼，生铁产量提高，焦比下降，生铁含硫量下降，高炉冶炼状况整体向好。试验期间，高炉生铁产量日平均提升107 t，综合焦比下降4 kg/t，生铁含硫量降低0.002%，炉渣流动性较好，排放顺畅，高炉冶炼稳定顺行。