钒钛磁铁矿制备熔剂性球团工艺优化

于浩,师学峰,杨广庆,韩涛,司新国,何川

( 1. 华北理工大学 冶金与能源学院,河北 唐山 063210;2. 河钢集团唐钢公司,河北 唐山063000;3. 中国钢研科技集团有限公司钢研工程设计有限公司,北京100081)

目前,工艺上处理钒钛磁铁矿主要采用高炉-转炉工艺,其工艺产能大、技术相对成熟,起到了主导作用[1,2]。但对于钒钛磁铁矿球团矿来说,通常要先制备出合格的生球、经过干燥、预热和焙烧处理,才能满足炉料入炉要求。在"精料方针"的炉料入炉要求下,球团矿作为炉料的比重逐步提高[3,4],尤其是镁质熔剂性球团矿,在优化炉料中起到了至关重要的作用[5,6]。

多年来,我国的高炉炉料结构为高碱度烧结矿配加酸性球团[7,8]。高碱度烧结矿提供高炉炼铁所需的钙、镁等碱性成分过高,对高炉炼铁产生不利影响。虽然提高酸性球团矿入炉比重适应目前的高炉生产现状,但为了降低烧结矿中钙、镁元素等比例,需要将一定量的钙、镁等元素转移至球团矿中,从而达到良好的高炉生产环境。近年来,各钢厂积极探索强度和品味均高、粒度均匀、还原性好的入炉原料,以达到生产上降耗提质,排放上减少烟气污染的目的[9]。

球团矿作为入炉的炉料之一,其具有机械强度好,粒度均匀等优点,但我国生产的球团矿存在全铁品位低、均匀性差等问题[10-12]。对此,针对熔剂性球团的优良特点,国内学者对熔剂性球团进行了大量的研究,王晓磊等[13]对高硅镁质熔剂性球团焙烧实验发现,在焙烧温度为1 250 ℃,w(SiO2)=5.0%、碱度1.0及w(MgO)=1.8%时,球团矿抗压强度达到最佳;罗林根等[14]对中关铁矿制备熔剂性球团生球性能试验研究发现,SiO2含量、MgO含量及碱度对生球性能影响不大,生球性能主要受造球时间、水分及黏结剂用量的影响,且在造球时间为12 min,水分8%～9%,黏结剂用量为2%时,生球性能满足质量要求;刘卫星等[15]通过研究SiO2含量、MgO含量及碱度对生球性能的影响发现,随着SiO2含量的增加,生球性能变差,随着MgO含量及碱度的增加,生球抗压强度升高,落下强度降低,爆裂温度先升高后降低。张林林等[16]通过研究碱度对熔剂性球团生球性能的影响发现,随着碱度的提高,生球抗压强度和爆裂温度升高,落下强度变化不大,干燥速率变化不明显,随着碱度自基准自然碱度(R=0.14)提高到0.6,爆裂温度提高了50 ℃;杨杰康[17]通过探究钒钛球团生球水分因素对生球性能的影响,生球水分控制在5%～7%变化,梯度为0.5%。实验结果显示:随着生球水分含量的增加,生球落下强度趋于上升,抗压强度趋于下降,但均满足要求。爆裂温度趋于降低,爆裂个数增加。实验结果表明,随着含水量的增加,可以提高生球的落下强度,但抗压强度会降低,爆裂性能差。因此确定了合理的含水量需要控制在7%以内,以达到良好的生球性能。

鉴于此,该研究以钒钛磁铁矿为原料,研究熔剂性球团的生球制备工艺,探究生球冷态性能,以此确定合理的造球工艺制度。

1 实验原料

以钒钛磁铁矿粉和熔剂为原料,其化学成分如表1所示。钒钛磁铁矿粉中全铁含量为61.70%,TiO2含量为7.23%,属于低钛钒钛磁铁矿粉,CaO、MgO含量较低,SiO2含量也仅为1.6%,因此可以作为钒钛磁铁矿粉制备熔剂性球团的研究材料。

表1 原料化学成分及烧损率/%

表2为钒钛磁铁矿粉粒度组成,在0.15～0.044 mm的钒钛磁铁矿粉粒度组成中,各粒级占比分别为5.81%、12.02%、21.67%和60.50%,其中<0.074 mm的粒级占比为82.17%。

表2 钒钛磁铁矿粉粒度组成

2 实验方案及设备

2.1 生球制备

生球制备前将物料反复混匀,使造球过程中生球粒度均匀,之后在圆盘造球机上造球。首先在b处加水区喷入雾状水,之后在c处加料区均匀加入混匀后的原料,使粉末状原料在毛细水的作用下聚结长大成核直至成球,最后在d处成球区得到想要的合格的成球。造球时需要控制好造球水分、造球时间以及膨润土用量,以达到最佳生球性能的效果。实验结束后对生球进行筛分,取粒度为10～12.5 mm的合格生球进行性能检测。圆盘造球机直径为500 mm,倾角为45°,转速为21 r/min,示意图如图1所示。

图1 圆盘造球机示意图

2.2 生球性能检测

(1)落下强度测定

取30个直径为10～12.5 mm的合格生球,从0.5 m高处自由落下,重复此操作到球团破裂为止,记录下每个生球未破裂的次数,取其平均值作为生球的落下强度。生球落下强度测试仪示意图如图2所示。

图2 生球落下强度测试仪

(2)抗压强度测定

取30个直径为10～12.5 mm的生球,在生球抗压强度测试仪上依次测定每个生球的抗压强度值,取其平均值作为生球的抗压强度,生球抗压强度测试仪示意图如图3所示。

图3 生球抗压强度测试仪

(3)爆裂温度测定

取20个生球放入吊篮中,之后在立式管式炉底部通入风速为1.8 m/s的空气,加热管式炉至要测取的风温,将吊篮放入立式管式炉中,持续吹热风5 min。实验结束后将吊篮取出,观测爆裂个数,当爆裂个数为生球总数的10%(2个)时,此时的风温为球团的爆裂温度。立式管式炉设备如图4所示。

图4 立式管式炉设备图

3 生球制备工艺优化

3.1 造球时间对生球性能的影响

为了探究造球时间对生球性能的影响,将物料按w(SiO2)=3.0%、w(MgO)=2.0%、R=1.0进行配比,改变造球时间10～18 min,以2 min为梯度。实验结果如图5所示。

图5 造球时间对生球性能的影响

由图5(a)可知,造球时间为10～18 min生球抗压强度良好,强度均为10 N/个以上,均能满足质量要求。随着造球时间增加,造球时间为14 min时落下强度为5.1次/个,之后变化不是很大,也可满足生球质量要求;由图5(b)可知,随着造球时间的增加,球团爆裂温度降低了95 ℃。

分析认为,在毛细水的作用下,颗粒聚结成球,在水分一定的情况下,随着造球时间的增加,在机械力的作用下,球团表层水分会随着球团的滚动摩擦而散失掉,内部水分会沿着缝隙往表面进行偏移,使得孔隙变小,球团内部结构排列紧密,颗粒聚结程度更加紧实,球团粒度均匀,提高了生球强度。由图6可知,随着造球时间的增加,内部孔隙变小,结构排列更为紧密,干燥时,内部水分蒸发速率变慢,导致球团爆裂温度降低,当造球时间为14 min时,球团爆裂温度可以达到600 ℃以上,爆裂温度较高,在干燥预热时球团不易爆裂,性能较好。综上所述,选择造球时间为14 min进行后续的实验研究。

图6 不同造球时间球团紧密程度示意图

3.2 造球水分对生球性能的影响

为了探究造球水分对生球性能的影响,将物料按w(SiO2)=3.0%、w(MgO)=2.0%、R=1.0进行配比,固定造球时间为14 min,调整造球水分7%～10%,梯度为1%。实验结果如图7所示。

图7 造球水分对生球性能的影响

由图7(a)可知,随着造球水分的增加,生球抗压强度先升高后降低,在造球水分为8%时,抗压强度和落下强度均能够达到要求,分别为10.2 N/个和4.2 次/个。由图7(b)可知,造球水分由7%增加至10%,球团爆裂温度降低了63 ℃。图8所示为不同造球水分毛细水变化示意图。

图8 不同造球水分毛细水变化示意图

由图8分析认为,在圆盘造球机滚动的过程中,水分加入量过少,导致粉末之间毛细力较弱,颗粒之间黏结力较弱,从而导致强度的降低,随着水分加入量增加,粉末之间具有毛细力,水分的参加会产生毛细水,使颗粒聚结成核长大,物料滚动成母球后,随着水分含量的增加会使母球过度湿润,在表面张力的作用下内部颗粒空隙间的毛细水会向母球表面迁移,在毛细力的作用下粘结湿度低的矿粉,或者与其他母球发生粘结,在机械力的作用下发生变形,不仅会使球团粒度变大,也会影响生球的抗压强度。

若水分过多,颗粒之间的毛细力在水分的作用下形成最大毛细水,继续加入水分会导致颗粒之间不再受毛细力的束缚,可能出现重力水,沿着颗粒缝隙偏移到边界,破坏了球团均匀受力的条件,会降低生球抗压强度。随着水分的增加,落下强度呈现上升趋势,是由于较多的水分会使生球产生可塑性,在落下时会发生形变而不会在较低次数下产生破裂,提高了生球的落下强度。

随着水分增加,生球内部毛细水总量增多,在球团干燥时,由于球团内部水分迁移速度变慢,导致球团内部产生的瞬时蒸气压大,生球团极易爆裂,故球团爆裂温度呈现降低的趋势。综合分析认为,造球水分应控制为8%较为合适。

3.3 膨润土用量对生球性能的影响

为了探究膨润土用量对生球性能的影响,将MgO百分含量调整为1.8%,碱度调整为1.2,膨润土用量为0.6%～1.4%,以0.2%为梯度,固定造球时间为14 min,造球水分含量为8%。实验结果如图9所示。

图9 膨润土用量对生球性能的影响

由图9(a)可知,随着膨润土用量的增加,提高了生球的抗压强度和落下强度,在膨润土用量为1%时,抗压强度为10.4 N/个,落下强度为4.8次/个,达到了生球质量要求;由图9(b)可知,随着膨润土用量的增加,爆裂温度升高了89 ℃。

分析认为:膨润土具有吸水膨胀的特性,使铁精粉成球时孔隙率减小,成球时吸水速度降低;同时膨润土具有粘结性,随着膨润土用量的增加,粘结性增强,在成核阶段提高了成核数,也降低了球团的长大速度,球团粒度均匀。其内部的分子结合水会减缓水分的流失,表面水分流失后,在毛细管的作用下内部水分会扩散到外层膨润土内,减缓了生球表面的干燥速率,降低了生球内部瞬时蒸气压,内外层不会产生较大压差,在较高温度下不会产生爆裂,因此适当提高膨润土用量有利于爆裂温度的提高。综上所述,钒钛磁铁矿制备熔剂性球团的适宜膨润土含量为1%。

4 结论

(1)随着造球时间的增加,球团内部孔隙逐渐减小,结构排列逐渐紧密,生球抗压强度和落下强度均得到提高,在干燥时,表面水分蒸发较快,球团内部过于紧密,蒸发速率较慢,使得内外产生较大压差,爆裂温度逐渐降低。在造球时间为14 min时,满足生球质量要求。

(2)研究造球水分对生球性能的过程中,毛细水发挥的作用较大。水分过少,导致粉末之间毛细力较弱,颗粒之间黏结力较弱,从而导致强度的降低;随着水分含量的增加,较多的水分会使生球产生可塑性,落下时发生形变,不会较低次数下破裂,提高了生球的落下强度。水分过多,颗粒之间的毛细力在水分的作用下形成最大毛细水,继续加入水分会导致颗粒之间不再受毛细力的束缚,可能出现重力水,会降低生球抗压强度。在造球水分为8%时,生球性能最佳。

(3)随着膨润土用量的增加,其较强的粘结性增加了球团内部致密性,提高了生球的抗压强度和落下强度,同时减缓了水分的流失,干燥时,生球内部瞬时蒸气压不会过大,从而提高了爆裂温度。且当膨润土用量为1.0%时,生球满足质量要求。