硼镁铁精矿粉球团工艺参数探索

张勇前 宋见峰 张涛涛 陆品发

(江苏省沙钢集团有限公司炼铁厂，江苏 张家港 215625)

0 引言

在炼铁工艺中，MgO的主要作用主要是调节高炉渣中的MgO/Al2O3，随着高炉常态操作中的Al2O3含量高于15%，甚至达到17%～18%，高炉渣稳定系数降低[1-3]。调节炉渣角度的最常用的办法即调节高炉渣中的MgO含量。MgO的加入方式主要有两种：1)来自烧结矿中的白云石、蛇纹石等；2)球团矿中加入镁。MgO在烧结工序中加入的好处在于，烧结矿转鼓强度，粒级和成品率都有提升；坏处在于，烧结也相温度随MgO增加而升高，白云石热解和高温矿化都需要大量的热量，焦粉增加，从而导致烧结部分区域过熔，粘结相增加，烧结过程透气性变差，垂直烧结速率降低，烧结利用系数降低，烧结矿的还原性变差。因此，在尽可能在不降低烧结质量的情况下，将MgO配加到球团矿中。

硼镁铁精矿是一种硼镁铁共生的复合矿，其中含有Fe2O3，Fe3O4，MgO及B2O3，具有很高的利用价值[4,5]。以硼镁铁精粉拟用于链箅机-回转窑的球团生产为背景，通过实验室造球参数、预热参数、焙烧参数的摸索，为球团生产提供必要的参数。

1 原料条件及基础特性

1.1 硼镁铁精粉

球团生产的首要环节是原料准备，对其有三个重要的要求：一定的粒度组成、适宜的水分和均匀的化学性质。化学成分是球团焙烧的基础，试验选择单一硼镁铁矿进行球团制备工艺的摸索，其成分如表1所示。

表1 硼镁铁精粉质量百分含量(质量分数) %

硼镁铁矿主要以磁铁矿为主，品位较低，TFe只有54.82%；自身高镁，不需要再额外加含MgO熔剂；B2O3含量5.38%，硼含量高；SiO2较低，含量为3.88%；硫含量在0.962%，非常高。此铁矿属于高镁高硼高硫低铁低硅铁矿。同时该铁矿含铁量波动<±0.3%，SiO2波动<0.2%。

矿粉的粒度组成在球团生产中有严格的要求，给料粒度成为球团生产的保证。粒度需要适中，若是粒度过粗，生球落下强度、抗压强度、爆裂温度等性能及球团转鼓指数都受到严重的影响；而粒度细，有利于造球，但是生球较为密实，球团干燥工序脱水困难，对爆裂指数影响较大。矿粉的比表面积是粒级的另一种表示形式，更好的反映了原料的成球性能。比表面积增大，生球的抗压强度、落下强度和焙烧球团抗压强度都增大。但有一个临界值，超过此临界值，比表面积增大对生球抗压强度不利。

表2 硼镁铁精粉粒级组成(质量分数) %

硼镁铁精粉的粒度组成如表2所示，其<0.074 mm达到92.12%，大于90%，比表面积2 140 cm2/g，其值有些大，会对造球有些影响。

硼镁铁精粉主要矿物成分有磁铁矿、硼铁矿、硼镁石、镁橄榄石，没有赤铁矿，见图1。

图1 硼镁铁精粉主要矿物成分

1.2 膨润土

在造球的过程中，需要加入膨润土改善铁精粉的成球性能，提高生球强度，最重要的提高爆裂温度。膨润土分钙基和钠基两种，对其相关成分和物理化学性能进行测试，测试结果如表3、表4，图2所示。

表3 膨润土化学成分(质量分数) %

表4 膨润土物理化学性质

图2 膨润土物相组成

2 球团焙烧工艺摸索试验

2.1 造球性能

含铁物料为100%硼镁铁矿，生球制备采用圆盘造球机，直径800 mm，转速18 r/min，倾角45°，将制备好的球团进行含水量，抗压强度，落下强度，爆裂温度试验，且在105 ℃下进行生球烘干，为球团预热-焙烧试验进行准备。球团焙烧试验采用箱式气氛炉摸索焙烧参数，再采用焙烧杯焙烧验证的办法。

首先对膨润土适用量的试验研究，实验采用纳基复合膨润土，选择的用量分别为0.8%，1.0%，1.5%，其造球性能结果如表5所示。

表5 硼镁铁精粉配加不同膨润土含量下的造球性能指数

由于硼镁铁精矿粒度较细，比表面积大，所以其造球性能良好。在膨润土配加0.8%～1.5%范围内，生球抗压强度大于10 N/P、落下强度大于5次/0.5 m、爆裂温度大于500℃，可以满足球团矿生产规范进入链箅机-回转窑的要求。因此，考虑生产工艺特点，膨润土配加量选择为0.8%～1.0%。

2.2 预热参数确定

预热过程的主要作用是排出干燥过程未排净的少量水分、碳酸盐分解、脱硫及进行某些低温固相反应。本次预热研究根据球团的特点，选择900 ℃、950 ℃两个温度，时间选择10 min、20 min、30 min。试验结果如表6所示。

表6 不同条件下预热强度下的球团抗压强度

从预热结果和分析讨论来看，该种硼镁铁精矿粉具有良好的预热效果，950 ℃预热20 min以上，抗压强度可以达到500～700 N/P以上。从预热参数上看，提高预热温度和延长预热时间对于该种铁精矿球团的预热性能有好处。

建议在链箅机的设计中，适当延长预热段，促进初步再结晶，有利于减轻回转窑的压力。预热制度为一段700 ℃预热10 min，预热二段提高到950 ℃温度，预热20 min。这样可以使得预热后的球团满足回转窑生产的要求。

2.3 焙烧

球团焙烧主要作用为铁氧化物结晶和再结晶、晶粒长大、固相反应以及产生低熔点化合物或共晶的熔化形成部分液相，使球团矿体积收缩及组织致密化。本次焙烧试验参数选择1 100～1 280 ℃，时间10～30 min。在每次焙烧试验结束后，都会进行均热，使球团内部晶粒长大，尽可能发育完整，矿物组成均匀化，消除部分内应力。均热参数为1 100 ℃，20 min。预热-焙烧制度及成品球抗压强度如表7所示。

表7 硼镁铁精矿球团矿焙烧实验结果

球团焙烧温度是影响球团矿固结的关键因素，有效的高温热量对于球团矿的固相再结晶具有明显的作用。全硼镁铁精矿粉球团焙烧温度对球团矿抗压强度的影响为：焙烧温度的提高有利于球团矿抗压强度的改善。950 ℃预热30 min条件下，当焙烧温度从1 100 ℃提高到1 250 ℃，焙烧10 min时，球团矿抗压强度从1 230 N/P提高到了3 915 N/P；950 ℃预热30 min条件下，当焙烧温度从1 100 ℃提高到1 250 ℃，焙烧20 min时，球团矿抗压强度从1 290 N/P提高到了4 561 N/P；950 ℃预热30 min条件下，当焙烧温度从1 100 ℃提高到1 250 ℃，焙烧30 min时，球团矿抗压强度从1 310 N/P提高到了4 928 N/P；950 ℃预热30 min条件下，当焙烧温度提高到1 280 ℃，焙烧20～30 min时，球团矿抗压强度从4 928 N/P降低至3 718 N/P。从焙烧试验来看，该种铁精矿粉固相再结晶能力较强，焙烧温度区间较宽，在焙烧温度达到1 150～1 280 ℃时，一定的焙烧时间条件下球团矿抗压强度固相再结晶较好，抗压强度达到2 500 N/P以上的要求。过高的焙烧温度1 280 ℃、超过一定的焙烧时间，将出现少量液相，强度下降。由此，方案7、8较为合适，具体参数为950 ℃，预热30 min，焙烧温度1 200 ℃，焙烧20～30 min。

3 结果分析

全硼镁精矿粉焙烧球团物相分析XRD如图3所示，由于矿物繁多，许多衍射线相互叠加，加之一些矿物含量很低，给分析带来了一定难度。随着温度升高，反应时间延长，从物相分析可以看出，逐渐发生Fe7O10(OH)2，MgBO2(OH)分解反应生产Fe3O4，Fe3O4峰逐渐增强。

图3 全硼镁铁精矿粉焙烧后XRD图

全硼镁精粉焙烧球团成分中FeO含量较高，预热950 ℃，30 min，焙烧1 200 ℃，20 min球团中FeO含量1.50%。可能是因为球团焙烧过程中，焙烧气氛O2含量过低，但是后来经试验，当O2达到18%以上，FeO含量还是1.5%左右。从此可见，球团FeO含量高，与焙烧气氛关系不明显。从固结机理分析，硼镁铁精粉中含硼矿物大部分皆以低熔点复杂化合物或固溶体存在，矿粉中含硼5.38%，含量高，分散度也高，若在某一微区达到富集，在1 200 ℃时形成液相核心。另外硼离子熔入晶格中，降低焙烧活化能。B2O3半径很小(B3+，0.10A)，很容易熔入其他晶体的晶格中，根据结晶学相关理论，一种物质熔入另一种物质的晶格，会使其发生畸变，能力升高，使晶格活化，反应的活化能降低。

磁铁矿具有较多的空位缺陷，Fe3O4比Fe2O3更易于与其它氧化物或尖晶石类氧化物形成固溶体。MgO·B2O3、CaO、B2O3等属于尖晶石类，可与Fe3O4形成固溶体，图3中的硼酸镁就是典型的固熔体。固溶体增加，加之Fe3O4氧化，使由球团表面到内部存在一个氧的梯度，内部氧分压低，有利于FeO存在。

4 结语

本研究主要是对全硼镁精粉球团提供焙烧工艺参数，为球团生产提供系统的理论依据。通过研究得到如下结论：

1)硼镁铁精矿属于高镁高硼高硫磁铁矿，比表面积2 140 cm2/g，造球性能佳，膨润土添加量应在1%以下，增加膨润土用量，会使生球更加密实，干燥段脱水困难，爆裂性能变差。

2)实验室预热焙烧最佳参数为：950 ℃，预热30 min，焙烧温度1 200 ℃，焙烧20～30 min，均热1 100 ℃，20 min。在链箅机的生产设计中，适当延长预热段，促进初步再结晶，有利于减轻回转窑的压力。

3)焙烧产物中FeO含量较高，并非因为焙烧气氛O2不够所致，主要原因为硼镁铁精矿低熔点复杂化合物较多，易形成液相，硼离子熔入晶格中，降低焙烧活化能。MgO·B2O3、CaO、B2O3等尖晶石类，与Fe3O4形成固溶体，固溶体增加，加之Fe3O4氧化，使由球团表面到内部存在一个氧的梯度，内部氧分压低，有利于FeO存在。多种因素造成含硼球团中FeO含量较高。