碱度对熔剂性球团抗压强度及冶金性能的影响

曲旭东 李坚毅 折 媛

(1. 新疆昕昊达矿业有限责任公司，2. 西安建筑科技大学冶金工程学院)

近年来，为落实钢铁工业绿色发展计划，国家对钢铁企业在节能、降耗和减排等方面提出了更高的要求，钢铁企业超低排放改造工程需要在2025年底前基本完成[1-2]。在钢铁生产节能减排的背景下，球团矿入炉比例逐年增加，这更需要球团矿的质量和冶金性能有更大程度的改善[3-4]。目前，矿价进入低价新常态，在现阶段国家《关于推进实施钢铁行业超低排放的意见》政策要求下，可以预见未来球团矿生产会迎来新的发展[5]。

高碱度烧结矿配加酸性球团矿是当前高炉炼铁采用的主要炉料结构模式[1]。但目前采用的普通酸性球团矿存在还原膨胀率高、软化温度低等冶金性能较差的问题，限制了球团矿在炉料结构中的配比，对高炉的顺行产生了不利的影响[6-7]。研究表明，提高球团矿的碱度可以有效改善球团矿的还原膨胀率、软熔性能，从而提高球团矿的入炉比[8-10]。因此，发展熔剂性球团对实现高炉炼铁节能及清洁生产具有十分重要的意义。

目前，国内外针对熔剂性球团冶金性能的影响已做了大量的研究，但以石灰石调节碱度来系统研究熔剂性球团性能的文献并不多。因此，文章以石灰石调节碱度，开展熔剂性球团预热焙烧实验研究，考察碱度对球团预热焙烧球抗压强度及冶金性能的影响，探究适宜的预热焙烧工艺参数，为昕昊达公司未来碱性球团生产提供一定指导，以适应于酒钢高炉炉料的调整。

1 实验

1.1 实验原料

实验原料为新疆昕昊达矿业有限责任公司使用的铁矿粉、石灰石和膨润土。原料化学成分如表1所示，由化学分析可知：三种磁铁精矿粉的品位不一，品位最高的铁矿粉A达到67.37%，是较优质的球团原料。原料化学成分及粒径分布分别如表2和表3所示，矿粉A粒度最细，比表面积最大。实验用膨润土物理性能如表4所示，其胶质价为99 mL/ (15 g)，2 h的吸水率为256%，膨胀指数为40 mL/ (2 g)。

表1 实验原料化学分析 %

表2 矿粉粒度分布

表3 石灰石粒径分布 %

表4 膨润土物理性能指标

铁矿粉颗粒形貌如图1所示。矿粉A颗粒大小不均匀，矿粉粒度相差较大，颗粒表面致密光滑，有显著棱角，大颗粒表面附着有少量小颗粒；矿粉B颗粒表面较为光滑，黏附小颗粒较少，一定程度上减弱了矿粉的吸附固结效果；矿粉C颗粒大小差别较大，表面粗糙，有明显层状结构，易黏附粉末状矿粉，这与其比表面积较小的检测结果相对应。

图1 铁矿粉颗粒形貌

1.2 实验方法

将矿粉A、矿粉B和矿粉C按一定比例混合均匀，配入1.8%的膨润土，并配加不同比例的石灰石用于圆盘造球，得到试验球团样品，原料配比见表5。

表5 配加熔剂碱性球团造球原料配比

实验每次称取5 kg混合物料在圆盘造球机上进行造球。圆盘造球机的直径为1 000 mm，边高250 mm，倾角为45°，固定转速为16 r/min。固定造球水分为8%，造球时间为12 min。造球终止后取直径为10～12.5 mm的生球进行落下强度和抗压强度的测试。在105 ℃的电热鼓风干燥箱内干燥合格生球(落下强度>3.5次/(0.5 m)、抗压强度>10 N/个)3 h。干燥后的球团在高温卧式管状电阻炉内进行预热和焙烧实验，测定预热、焙烧后球团的抗压强度。抗压强度以15个球团样品在球团抗压机下测定的平均值为准。待焙烧后的球团冷却至室温后，进行冶金性能测定和矿相分析。

球团矿还原膨胀指数测定采用国家标准GB/T 13240-1991，铁矿石还原度测定实验依据国家标准GB/T 13241-91，使用的是西安建筑科技大学冶金工程实验室的焦炭、矿石综合性能

测定仪。矿相分析由每种球团矿中随机取4个球，经过磨制和抛光，制成光片试样，利用上海长方光学仪器厂生产的XPV-400E透反射偏光显微镜进行矿相观察。

2 实验结果及分析

2.1 碱度对预热球团抗压强度的影响

在不同预热时间和不同预热温度条件下，碱度对预热球团抗压强度的影响分别如图2和图3所示。随着碱度的增大，球团抗压强度略有增大后减小，总体变化较小。主要是因为：石灰石在球团预热过程中的分解需要吸收一定的热量，热量不足会导致强度下降；石灰石在分解过程中会产生CO2气体，形成空隙，导致球团的致密程度下降，影响球团的抗压强度。

由图2可知，当碱度相同时，随着预热温度提高，球团抗压强度均明显增大。这是因为预热温度提高，可以加速固相扩散反应[11]，使得赤铁矿的晶粒增多且变大，连晶更加紧密，铁矿颗粒互相连接，预热球团抗压强度增大。预热球抗压强度越大越符合工艺要求，但温度高于900 ℃时，磁铁矿会形成液相，降低球团氧化速度，因此合适的预热温度为900 ℃。

图2 不同预热温度下碱度对预热球抗压强度的影响

由图3可知，当碱度相同时，随着预热时间延长，球团抗压强度逐渐增大。这主要是因为球团内部磁铁矿氧化形成连接桥需要一定的时间，时间延长可促进赤铁矿的晶粒分布更加均匀，且新生的赤铁矿不断发生固相扩散反应，增大了预热球的抗压强度。根据大型高炉生产工艺要求，预热球抗压强度需达到400 N，而球团预热是焙烧之前的过渡阶段，过长的时间会降低工艺热效率，因此合适的预热时间为18 min。

图3 不同预热时间下碱度对预热球抗压强度的影响

综上所述，在预热温度900 ℃、预热时间18 min条件下，预热球团抗压强度最大可达到437.1 N/个。

2.2 碱度对焙烧球团抗压强度的影响

在不同焙烧时间和不同焙烧温度条件下，碱度对焙烧球团抗压强度的影响分别如图4和图5所示。随着碱度增大，焙烧球抗压强度先增大后减小。石灰石增多，球团矿中CaO和Fe2O3发生反应，生成CaO·Fe2O3黏结相，有利于表面张力提高和固相质点向接触点或接触面上扩散，质点间的接触面积变大，球团矿的气孔率降低，球团矿结构更加致密。同时碱度增大使得赤铁矿再结晶更加充分，晶粒增大，球团抗压强度升高。但随着碱度进一步增大，石灰石在高温下分解会吸收一定的热量，热量不足会导致强度下降[12]。铁酸钙的含量过多时，过多的液相生成会阻碍Fe3+的迁移，Fe2O3的再结晶受到限制，生成大量的硅酸盐，促使球团内部孔隙增大形成气孔，导致球团的致密度下降，抗压强度减小。

由图4可知，当碱度相同时，随着焙烧温度提高，焙烧球团抗压强度明显增大。这是由于焙烧温度升高，利于球团氧化，赤铁矿晶粒分布更加均匀，连晶变紧密，同时，球团矿中CaO-Fe2O3生成量增多，质点间接触面积增大，球团矿结构更加致密。焙烧温度的提高有利于磁铁矿氧化程度的增大，但过高的焙烧温度会使球团矿粘连、降低焙烧球团强度，而1 220 ℃完全满足焙烧所需温度，因此适宜的焙烧温度应在1 220 ℃左右。

图4 不同焙烧温度下碱度对焙烧球抗压强度的影响

由图5可知，当碱度相同时，随着焙烧时间延长，焙烧球团抗压强度明显增大。焙烧时间延长，促进了磁铁矿的氧化，赤铁矿的晶粒连接趋于紧密，再结晶键也逐渐增强，球团的固结得到强化，降低了石灰石分解对抗压强度的影响。焙烧时间超过20 min后，焙烧球抗压强度增大幅度逐渐减小。为提高整个工艺的热效率，适宜的焙烧时间为20 min。

图5 不同焙烧时间下碱度对焙烧球抗压强度的影响

综上所述，在焙烧温度1 220 ℃、焙烧时间20 min条件下，焙烧球团抗压强度最大达到2 813.8 N/个。

2.3 碱度对球团矿还原膨胀指数及还原度的影响

随着球团矿碱度增大，焙烧球还原膨胀指数逐渐降低，且均小于15%，最低为13.2%。随着碱度增大，球团还原度略微升高，其值均大于70%，最高为74.52%。不同碱度下球团矿还原膨胀指数及还原度如表6所示。

表6 还原膨胀指数和还原度实验结果

碱度小于0.6时，球团生成含有不同比例的SiO2、CaO、Fe2O3玻璃质渣相，这种渣相在还原过程中会生成低熔点橄榄石晶体，而低熔点橄榄石晶体对球团还原过程的膨胀无抑制作用，故此时还原膨胀指数较大。

碱度增大至0.6以上，球团在焙烧过程中除了会生成含有SiO2、CaO、Fe2O3的玻璃质渣相，还会有铁酸钙生成。球团在焙烧过程中，CaO的存在利于赤铁矿结晶长大。在铁酸钙还原过程中，钙浮氏体表面生成金属铁层[13]，抑制了球团进一步膨胀，故此时还原膨胀指数降低。由于添加的石灰石在球团预热焙烧过程中不断分解，球团孔隙率随着石灰石熔剂添加量增加而增大，球团孔隙率上升，有利于还原气体扩散，同时球团中出现较多易还原的铁酸钙，因此球团还原度随着碱度增大而升高。

2.4 碱度对球团矿软熔性能的影响

球团矿的软熔特性实验结果如表7所示。随着碱度的增加，球团矿软化开始温度和软化终了温度略微上升。这是因为石灰石的添加可以形成易还原的铁酸钙，促进球团矿还原，产生较多熔点高的金属铁[14]。熔融性能的变化规律与软化性能相似，随着碱度增加，球团还原过程中产生更多熔点相对较高的金属铁，球团矿熔融开始温度和滴落温度略微上升。

表7 球团矿软熔特性实验结果

软化温度区间及熔融温度区间逐渐减小，软化温度区间由85 ℃减至69 ℃，熔融温度区间由189 ℃减至169 ℃。说明配加石灰石后，软熔带位置下移且厚度变薄，可以改善高炉冶炼时的透气性，利于高炉顺行。根据软熔性能指标数据对比，综合考虑，试验四组球团矿的最大压差值都较小，符合高炉入炉原料要求。

2.5 碱度对球团矿矿相结构的影响

四组碱度的焙烧球团矿矿相分析结果如图6所示。

图6 球团矿显微结构照片

从图6可以看出，球团内部主要由磁铁矿、赤铁矿、铁酸钙和硅酸盐渣相组成。由图6(a)可知，碱度为0.29时，球团矿的矿相结构不佳，孔洞较大，此时球团强度降低，最终会影响到高炉冶炼的正常进行。由图6(b)可知，随着碱度增加，球团矿中赤铁矿含量逐渐增多且结晶程度逐渐变强，晶键结晶良好，赤铁矿晶粒出现轮廓，结构力变强，孔洞明显减少，球团矿强度增大。由图6(c)可知，磁铁矿氧化生成的赤铁矿增多，赤铁矿结晶程度良好，晶粒轮廓明显，晶键充分长大几乎连成一片，结构力变强。球团矿中CaO和Fe2O3发生反应，使球团矿结构更加致密，降低了球团矿的气孔率，同时随着碱度的升高，赤铁矿再结晶更加充分，晶粒呈增大的趋势，使球团抗压强度升高。说明在碱度为0.8时，焙烧球团的强度明显改善。由图6(d)可知，碱度为1.0时，球团矿中赤铁矿含量大，结构相对致密。石灰石配比的增加产生了更多的CO2，使得气孔增多，故还原后球团强度相对碱度为0.8时要低一些。

3 结论

(1)随着碱度由0.29增大至1.0，预热球的抗压强度变化较小，焙烧球抗压强度先增大后减小；焙烧球还原膨胀特性指数逐渐下降，最低为13.2%；球团还原度略微升高，最大为74.52%。

(2)随着碱度的增加，球团矿软化开始温度和软化终了温度略微上升，软化区间逐渐减小，熔融开始温度和滴落温度略微上升，熔滴区间逐渐减小，且最大压差值较小；球团矿中赤铁矿及铁酸钙含量逐渐增多，碱度为0.8时，球团矿中赤铁矿及铁酸钙含量最多，结构最致密。

(3)预热过程适宜的工艺参数为：碱度0.8、预热温度900 ℃、预热时间18 min，此条件下预热球团抗压强度最大达到437.1 N/个；焙烧过程适宜的工艺参数为：碱度0.8、焙烧温度1 220 ℃、焙烧时间20 min，此条件下焙烧球团抗压强度最大达到2 813.8 N/个。