碱度对熔剂性球团矿性能的影响规律

游 高 刘庆华

(中冶北方(大连)工程技术有限公司，辽宁 大连 116600)

0 引言

高炉炼铁工艺仍是我国炼铁行业的主导工艺，其烧结工序是二氧化硫和氮氧化物主要产地[1-2]。面对“碳达峰”和“碳中和”的双碳要求，钢铁行业亟需转变发展模式，实现钢铁行业的低碳、减排发展[3]。

采用优质的冶炼原料，可降低冶金过程中的能耗，减少污染物的排放，促进现有炼铁工艺的升级[4]。球团矿作为优质炉料，具有品位高、粒度均匀、粉化率低的特点[5]，可显著改善高炉的透气性，其入炉比例也在不断增加[6]。鄂州500 万t球团厂生产表明，球团矿的加工费仅为烧结矿加工费的50%左右[7],球团工序与烧结工序相比，其粉尘、二氧化硫和氮氧化物的排放量分别为烧结的1/7、1/3和1/5[8]。炉料中酸性球团矿的增加，也会产生一系列的问题[9-10]，如酸性球团矿不能满足高炉炼铁对钙、镁等成分的要求，高碱度烧结矿和酸性球团矿软熔带不一致。基于以上原因，熔剂性球团矿成为了理想的选择[11]。熔剂性球团指二元碱度>0.6的球团[12]，经过高温焙烧后，其成分以Fe2O3为主，并含有铁酸钙、硅酸钙等[13]。对于二元碱度在0.6～1.4范围内球团矿性能的系统研究还鲜有报道，所以开展此碱度范围内的熔剂性球团矿的研究，对其生产和应用具有重要意义。

1 试验原料特性及研究方法

1.1 原料特性

针对研究的目的，试验中选用了几种代表性矿样，铁精矿既有磁铁矿又有赤铁矿，并选择石灰石作为碱性球团的熔剂，膨润土作为粘结剂。

试验中所选择的几种铁精矿、熔剂及粘结剂的主要化学成分见表1，物理性能见表2、表3、表4和表5。

表1 原料化学成分检验结果 %

表2 原料粒度组成检验结果 %

表3 铁精矿比表面积检测结果

表4 铁精矿成球性指数检测结果

从铁精矿的多元素分析结果可以看出，4号铁精矿的FeO含量很低，为赤铁矿。1号、2号、3号铁矿FeO含量，均在25%以上，为典型的磁铁矿。

从原料粒度组成来看，粘结剂和熔剂的细度较大，-200目含量均在95%以上，有利于黏结剂和熔剂在铁精矿中均匀分散，所以适合球团使用。铁精矿粒度相对较粗，成球之前需要细磨处理。

通常球团用铁精矿的比表面积要求在1 500～1 900 cm2/g，从铁精矿比表面积来看，1号、2号和4号精矿的比表面积相对较小，只有3号铁精矿比表面积值达到了球团用铁精矿对比表面积的要求。

从成球性指数来看，均属于若成球性矿种，成球性能相差不大。

1.2 研究方法

由于试验所用铁精矿在物理和化学性质方面存在一定的差异，为了尽量减小由于铁精矿物理化学性质差异对球团矿性能的影响，减弱由于球团矿成分差异对球团矿冶金性能结果的影响，在球团矿碱度满足试验研究要求的情况下，根据铁精矿物理化学性质方面的特性，将铁精矿分组搭配进行成球试验。

铁精矿具体分组方案如下：

第一组：精矿1和精矿3进行搭配。

第二组：精矿1、精矿2和精矿3进行搭配。

第三组：精矿1、精矿3和精矿4进行搭配。

在成球试验之前，对粒度较粗的铁精矿均进行了细磨处理，使其-200目含量达到了85.0%以上，比表面均在1 500～1 600 cm2/g范围内，不仅消除了铁精矿细度方面的差异，而且也会减少粘结剂的添加量，保证球团矿铁品位。

根据试验计划，将铁精矿、膨润土和熔剂进行配料(每次10 kg混合料)，造球前加入一定量的水，人工充分混匀,将混匀后的混合料静置20 min后进行造球。造球设备为圆盘造球机，圆盘直径1 000 mm，边高210 mm，倾角45°，转速21.5 r/min。造球过程中再以雾状水的方式，补加一定量的水，使混合料顺利成球。造好的生球经筛分后，随机取粒度为10～12.5 mm的生球进行生球水分、生球落下强度、生球抗压强度检测。

试验以生球落下>5.0次/0.5m为生球落下强度合格指标，以生球抗压强度>10.0 N/个球作为生球抗压强度合格指标。

通过配矿计算，分别生产出碱度为0.6、0.8、1.0、1.2和1.4 的合格生球，在105℃的烘箱中干燥后，用于管炉预热和焙烧试验。焙烧设备为Φ55 mm×600 mm×2的卧式管炉，炉子由Φ55 mm预热炉和Φ55 mm焙烧炉组成。每次将相同数量干燥后的生球装入60 mm×30 mm×15 mm的瓷舟中，按设定的程序，将同一瓷舟按时间先后分别推入预热段和焙烧段，并在各温度段内保持一定的时间，完成不同碱度球团的预热和焙烧试验。将获得的球团矿进行抗压强度和主要化学成分检测，并从每组的0.6、0.8、1.0、1.2和1.4碱度的球团矿中分别取样，进行冶金性能检测。

2 试验结果与分析

分别对三组球团矿主要化学成分进行检测，具体检测结果见表6、表7、表8。

表7 第二组球团矿的主要化学成分

表8 第三组球团矿的主要化学成分

通过配矿，使球团矿的铁品位控制在了60%～63%范围内，二氧化硅含量控制在了4.4%～6.5%范围内。既得到了不同矿种的球团矿，又缩小了球团矿成分之间的差异，从而使试验结果更能凸显碱度对球团矿性能的影响规律。

由图1可以看出，随着球团矿碱度的提高，三组球团矿抗压强度均呈现下降的趋势，只是下降的幅度有所差异。其中，第一组和第二组在低于1.0碱度时，球团矿抗压强度下降幅度较小，但是当碱度在1.0以上时，球团矿抗压强度降低的幅度较大。而第三组在0.6～1.0碱度范围内和1.0～1.4碱度范围内，球团矿抗压强度下降幅度基本一致。1.2碱度以上，三组球团矿的抗压强度大多降至2 800 N/个球以下，且配加赤铁矿的第三组球团矿抗压强度更低。所以试验结果表明，随着球团矿碱度的提高，球团矿抗压强度会下降，且1.0碱度以上下降更明显。由氧化球团矿固结机理可知，球团矿的强度主要靠Fe2O3的再结晶，当球团矿中配入较多的熔剂后，会增加球团矿的气孔率，从而降低球团矿的抗压强度。原生赤铁矿的再结晶能力弱于磁铁矿氧化生成的赤铁矿的再结晶能力，所以添加赤铁矿会加剧球团矿强度的降低。

图1 球团矿抗压强度随碱度变化曲线

由图2可以看出，随着球团矿碱度的提高，三组球团矿的还原度总体均呈现先上升，后趋于稳定，再有所下降的趋势。碱度在0.6～1.0范围内时，随碱度升高，三组球团矿还原度均明显改善，这是由于球团矿中添加熔剂后不仅增加了球团矿的气孔率，同时CaO的加入抑制了难还原的铁橄榄石的生成，从而提高了球团矿的还原度。碱度在1.0～1.4范围内时，三组球团矿的还原度变化不大，且均较高，其中第一组和第二组的还原度都在75%以上。还可以看出，第三组球团矿还原度始终低于第一组和第二组的还原度，这可能与第三组球团矿中配加了赤铁矿有关。由于原生的赤铁矿的还原性低于磁铁矿氧化新生成的Fe2O3的还原性，所以添加赤铁矿的球团矿还原度低于其他两组。除此之外，在铁的氧化物中，Fe2O3的还原性好于铁酸钙，当碱度继续增加后，球团矿的铁酸钙比例增加，Fe2O3的比例下降，从而使球团矿的还原度随碱度增加到一定数值后，稍微有所降低。

图2 球团矿还原度随碱度变化曲线

所以将球团矿碱度控制在1.0～1.3范围内时，球团矿的还原度最佳，同时也可以看出，红矿的配入会降低球团矿的还原度。

由图3可以看出，随着球团矿碱度的提高，三组球团矿的还原膨胀率总体差异不大，在0.8～1.2碱度范围有下降的趋势。在0.8碱度时，第一组和第二组球团矿的还原膨胀率出现了峰值，而第三组还原膨胀率在0.6时最大。对于熔剂型球团来说，0.6碱度和0.8碱度球团矿的还原膨胀率相对较大，在熔剂型球团矿生产中应加以注意。三组球团矿的还原膨胀率在碱度1.0～1.4范围内均较低(≤15%)，其中一组和三组球团矿的还原膨胀率在1.2碱度时最小。第三组的还原膨胀率总体上低于第一组和第二组的还原膨胀率，这应该是添加红矿后还原度降低，发生体积膨胀的部分所占比例减少，球团矿膨胀率下降。所以熔剂性球团矿生产中，应尽量避开0.6～0.8碱度范围，添加红矿有助于降低还原膨胀率。

图3 球团矿还原膨胀率随碱度变化曲线

由图4、图5可以看出，在0.6～1.4碱度范围内，随着碱度的提高，第二组和第三组球团矿低温还原粉化指标呈恶化的趋势，而第一组球团矿低温还原粉化指标却变化不大。第二组和第三组球团矿的低温还原粉化指标在0.6～1.0碱度范围内，明显变差，在0.8～1.0碱度范围内最差。总体来看，三组球团矿低温还原粉化指标相差不大，第一组和第二组指标稍好于第三组，这可能是由于第三组球团矿中添加赤铁矿后，球团矿内部颗粒之间的再结晶程度低于不添加赤铁矿的球团矿。所以大多数情况下，熔剂性球团矿的低温还原粉化指标随球团矿碱度的提高而变差，但变化幅度不大，均能满足高炉生产要求。添加赤铁矿会恶化球团矿的粉化指标。

图4 球团矿还原粉化率+6.3mm粒级随碱度变化曲线

图5 球团矿还原粉化率+3.15mm粒级随碱度变化曲线

由图6、图7、图8可以看出，在0.6～1.0碱度范围内，软化开始温度、软化终了温度均呈现上升的趋势，在1.0～1.4碱度范围内，基本趋于稳定。软化区间在0.6～1.4碱度范围内，也有所增加。所以总的来看，随着碱度的提高，球团矿还原后的软化温度升高了，但区间也变宽了。除此之外，添加赤铁矿的球团矿强度相对低，在压力下更容易软化。

图6 球团矿软化开始温度ΔH10%随碱度变化曲线

图7 球团矿软化终了温度ΔH40%随碱度变化曲线

图8 球团矿软化区间随碱度变化曲线

由图9、图10、图11可以看出，三组的熔滴性能相差不大。在0.6～1.0碱度范围内，压差陡升温度大多数呈现上升的趋势，在1.0碱度以上，基本不变，而滴落温度随碱度升变化不明显。熔滴区间在0.6～1.4碱度范围内，有所下降，有利于改善料层透气性。所以总的来看，随着碱度的提高，球团矿还原后的压差陡升温度升高了，熔滴区间也变窄了，对高炉透气性的改善比较有利。

图9 球团矿压差陡升温度随碱度变化曲线

图10 球团矿滴落温度随碱度变化曲线

图11 球团矿熔滴区间温度随碱度变化曲线

由图12、图13可以看出，三组球团矿的变化趋势基本一致，在0.6～1.0碱度范围内，最大压差和总特征值S下降比较明显，表明炉料的透气性随碱度升高而不断改善。在1.0碱度以上，基本不变，且最大压差和总特征值S的值均相对较小。所以总的来看，碱度在0.6～1.4范围内，随着碱度的提高，三组球团矿还原后的料层透气性均得到了改善，特别是碱度在1.0～1.4范围内时，熔剂性球团矿对改善料层透气性比较有利。

图12 球团矿最大压差随碱度变化曲线

图13 球团矿总特征值S随碱度变化曲线

3 结语

1)在0.6～1.4碱度范围内，随着碱度的提高，球团矿强度总体上呈现降低的趋势，且1.0碱度以上，球团矿强度下降更明显。

2)球团矿的还原度随碱度提高而得到改善，特别是球团矿碱度控制在1.0～1.3范围内时，球团矿的还原度最佳。

3)球团矿的还原膨胀率随着碱度的提高而降低，在0.6～0.8碱度范围内还原度相对较高，在1.0～1.4碱度范围内，球团矿的还原膨胀率均在15%以下，所以熔剂性球团矿应尽量避开0.6～0.8碱度范围。

4)在0.6～1.4碱度范围内，大多数球团矿的低温还原粉化率有变差的趋势，在0.8～1.0碱度范围内最差，但均能满足高炉生产要求。

5)在0.6～1.4碱度范围内，球团矿的软熔-滴落性能随着碱度的提高改善比较明显，特别是1.0～1.4碱度范围内，球团矿的软熔-滴落性能最好。