改善球团性能的碱与镁碱度和MgO含量对镜铁矿球团强度及还原行为的影响.docx

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改善球团性能的碱与镁碱度和MgO含量对镜铁矿球团强度及还原行为的影响

　　朱德庆潘建

　　氧化球团矿具有良好的机械强度和冶金性能，已成为高炉炼铁不可或缺的优质炉料。

然而，国内磁铁精矿供应不足，使得许多国内钢铁厂开始使用进口赤铁矿生产氧化球团。

与磁铁矿球团相比，赤铁矿球团焙烧温度高且区间窄（1300℃~1350℃），球团抗压强度低，另外，酸性赤铁矿球团冶金性能也较差。

其中镜铁矿属于一种重要的赤铁矿，球团焙烧性能及冶金性能比普通赤铁矿球团更差。

　　研究者对如何使用赤铁矿生产高强度氧化球团进行了大量研究。

研究表明，赤铁矿配加磁铁矿制备氧化球团，可以有效降低预热焙烧温度，提高预热焙烧球团抗压强度；配加熔剂生产熔剂性赤铁矿球团也是一条解决途径。

国内球团厂一般用赤铁矿配加磁铁矿生产高强度球团，但随着赤铁矿配比的提高，配加磁铁矿所起到的效果被大大削弱。

添加CaO熔剂生产熔剂性球团在较低温度下即可获得较高机械强度且还原性较好，但高温软熔性能较差，还原膨胀严重。

而早期研究表明，球团中添加MgO可以降低还原膨胀率，改善高温软熔性能。

目前，较为系统的研究碱度及MgO含量对镜铁矿球团强度及冶金性能的影响，尤其是碱度与MgO共同作用对球团冶金性能的影响方面的研究还鲜有报道，因此，本文研究碱度和MgO含量对镜铁矿球团强度及冶金性能的影响规律，对改善球团焙烧及强化高炉炼铁具有较为重要的理论价值。

　　原料性能及研究方法

　　本试验所用原料有巴西镜铁矿、膨润土、石灰石和菱镁矿。

由于巴西镜铁矿、石灰石和菱镁矿粒度较粗，在实验室分别用球磨机磨到球团生产所需粒度及比表面积。

镜铁矿铁品位高，脉石矿物及其他有害杂质少，为优质球团原料。

石灰石和菱镁矿SiO2含量低，其他有害杂质含量很少，为优质钙镁熔剂。

试验所用黏结剂为优质钠基膨润土，各项指标如下：

蒙脱石含量为92.76%，膨胀容为20mL/g，2h吸水率为342%，-0.074mm含量达到100%。

　　试验研究包括配料、混匀、生球制备、生球干燥、干球预热焙烧及焙烧球团性能检测等过程，成品球团矿SiO2含量通过添加细磨石英砂控制在3.0%～3.1%，通过配加石灰石及菱镁矿调节成品球团矿碱度和MgO含量，考察碱度和MgO含量变化对焙烧球团抗压强度、还原度、还原膨胀、低温还原粉化和高温软熔特性的影响。

　　试验结果及影响分析

　　碱度和MgO含量对抗压强度和孔隙率的影响。

球团的抗压强度是反映球团在转运储存过程及其在还原炉中所能承受压力大小的重要指标，大型高炉要求球团的抗压强度在2500牛/个以上。

自然MgO含量下，球团抗压强度先随碱度的提高而增加，碱度增至0.2时，球团抗压强度就从自然碱度的2400牛/个增至3500牛/个；当碱度达到0.4以后，球团抗压强度不再增加。

这是由于碱度提高CaO与Fe2O3和SiO2的铁酸钙和硅酸钙等黏结相，适当液相有利于赤铁矿再结晶，但过多液相不利于球团抗压强度的提高。

自然碱度下，球团的抗压强度随MgO含量的增加而降低，这是因为菱镁矿在球团预热焙烧时分解，增加了球团孔隙率。

碱度和MgO共同作用时，相同MgO含量下，碱度对焙烧球团抗压强度的影响规律与自然MgO含量下碱度对球团抗压强度的影响规律基本一致，即球团的抗压强度先随碱度的提高而增加，碱度达到一定值后球团抗压强度不再有明显增加；相同碱度下，球团抗压强度随MgO含量的增加而降低，这是由于MgO含量增加，球团孔隙率随之增加，同时MgO进入渣相提高了脉石矿物的熔点，对液相的生成有一定阻碍作用。

试验结果表明，当碱度在0.2以上时，不同碱度和MgO含量的镜铁矿球团抗压强度均可达到2500牛/个以上。

　　随着熔剂用量的增加，熔剂在预热焙烧时分解所留下的孔隙也随之增多，配加熔剂不仅对球团矿化学成分以及矿物组成产生影响，同时也对球团结构及孔隙率产生影响，从而对球团抗压强度及冶金性能产生一定影响。

　　碱度和MgO含量对还原度的影响。

还原度（RI）是评估铁矿在高炉还原区温度气氛条件下，氧从铁矿石脱除的趋势及难易程度的重要指标。

影响铁矿还原度的因素有粒度、孔隙率、矿物组成及结构、脉石矿物成分等。

自然碱度、自然MgO含量的酸性球团还原度较低，只有62.22%，随着MgO含量的提高，还原度提高，当MgO含量为3.0%时，球团还原度可以达到68%；在自然MgO含量下，提高碱度，镜铁矿球团还原度有较大提高，碱度提高至1.2时，球团还原度升至72.82%。

这是由于石灰石的加入增加了球团的孔隙率，同时，CaO与Fe2O3反应生成易于还原的铁酸钙。

碱度和MgO共同作用时，相同碱度下，镜铁矿球团还原度随MgO含量的增加而提高；相同MgO含量下，还原度随碱度的提高而升高。

当碱度达到1.2、MgO含量增加到3.0%时，球团还原度高达76.94%。

这是因为菱镁矿在球团预热焙烧时同样使球团孔隙率增加，而且MgO可以提高渣相及浮氏体熔点，使其在还原过程中不易发生熔化，使球团孔隙不被熔融物充填而保持较高孔隙率，这有利于气体扩散。

　　碱度和MgO含量对还原膨胀的影响。

自然MgO含量下，镜铁矿球团还原膨胀率先增大后减小，碱度在0.4～0.6达到最大值，其最大值高达32%。

这是由于配加到球团中的CaO除少部分与Fe2O3反应生产铁酸钙，绝大部分进入渣相，未还原时，渣相以CaO-SiO2二元体系为主。

而碱度在0.4～0.6时，即SiO2在渣相中的含量在62.5%～70%，正是偏硅酸钙（CaOSiO2）与SiO2的二元共晶点组成所在区间，其低温共熔点为1436℃，但是在还原条件下，此渣相由于FeO的加入则成为CaO-SiO2-FeO三元渣系，在此渣系中CaO和SiO2比例保持不变，渣相熔点随着FeO含量增多急剧下降，在纯三元渣系中最低可降到1093℃，而低熔点渣相恰恰会恶化球团还原膨胀。

自然碱度下，球团还原膨胀率随MgO含量的增加略有降低，但不明显。

这是由于自然碱度和自然MgO的球团渣相中SiO2含量在90%时熔点高达1700℃，而MgO的加入，渣相以MgO-SiO2二元体系为主，但其低温共熔点温度也有1543℃。

在碱度和MgO共同作用时，相同MgO含量下，碱度对球团还原膨胀率的影响规律基本与自然MgO含量一致。

而MgO加入时，由于MgO溶入浮氏体中从而提高浮氏体熔点，同时，MgO在渣相中同样提高渣相熔点。

因此，在相同碱度下，增加MgO含量可以降低还原膨胀。

　　氧化球团中赤铁矿还原向磁铁矿及浮氏体转变时会产生体积膨胀，这种膨胀主要是赤铁矿还原成磁铁矿时晶体结构的变化导致。

球团还原膨胀率大小与脉石成分及渣相承受赤铁矿颗粒还原时产生应力的能力有关。

高熔点渣相在还原过程中，不易发生熔化，保持较高强度可以有效限制球团的还原膨胀率，而低熔点渣相会恶化球团还原膨胀。

　　球团还原膨胀率在20%以下属于正常膨胀范围，镜铁矿球团碱度需控制在小于0.2或大于等于1.0的范围内。

然而，通常工业生产中球团还原膨胀率要求控制在15%以下。

对含3.0%~3.1%SiO2的自然碱度镜铁矿球团，其还原膨胀率低于15%，且还原度仅为62.2%，通过提高碱度的方式改善其还原度时，需要将碱度提高至1.0和MgO含量提高到3.0%，或将碱度提高至1.2和MgO含量≥1.0%时，才能使其还原膨胀率低于15%。

　　碱度和MgO含量对低温还原粉化的影响。

低温还原粉化（RDI）反映球团在高炉或直接还原竖炉上部400℃～600℃温度区间还原时产生粉末的趋势。

低温还原粉化产生的主要原因是赤铁矿还原成磁铁矿时晶体结构转换所产生的体积膨胀及晶格畸变。

球团预热焙烧时形成的黏结方式主要有3种：

铁氧化物再结晶、硅酸盐黏结和铁酸盐黏结。

其中，赤铁矿再结晶黏结最为普遍也是强度最高的，但是赤铁矿在还原条件下却是极不稳定的，而硅酸盐黏结相在赤铁矿还原成磁铁矿时却可以保持不变。

因此，可以通过添加熔剂的方式增加这种分布均匀且在低温还原条件下保持稳定的黏结相，以降低镜铁矿球团低温还原粉化。

　　自然碱度和自然MgO含量的球团由于其主要为赤铁矿固相扩散固结，硅酸盐黏结相较少，因此，在低温还原时产生较多粉末，其RDI-3.15mm值高达12.75%。

自然MgO含量下，碱度提高至0.2，球团低温还原粉化率RDI-3.15mm值迅速降低至0.52%；碱度继续提高，RDI-3.15mm值基本维持在0.5%左右。

这是由于CaO的加入，使得球团在预热焙烧时可以形成较多的低温还原时稳定存在的硅酸盐液相，从而达到降低球团低温还原粉化的目的。

自然碱度下，增加MgO含量，球团低温还原粉化率RDI-3.15mm值均降至3.0%以下。

当碱度和MgO共同作用时，球团低温还原粉化RDI-3.15mm值均较低，RDI-3.15mm随碱度的提高而降低，随MgO含量的提高略有升高，这是由于MgO有阻碍液相硅酸盐形成的作用。

　　碱度和MgO含量对软熔特性的影响。

球团的熔融特性可以反映球团在高炉下部软化熔融区的形成及其在软熔区的性能，炉料软熔特性对高炉操作有较大影响。

球团软化温度低，软熔区间宽，高炉下部软熔区透气性就会变差，这不利于还原气体与炉料对流，严重影响还原过程的进行。

自然碱度、自然MgO含量的酸性球团在1009℃即开始软化，滴落温度为1272℃。

自然MgO含量下，碱度提高至1.2，球团软化温度提高至1034℃，软化区间及软化区间都变窄一些，滴落温度也提高至1299℃。

碱度1.2时，提高MgO含量可以提高软化开始温度和滴落温度，MgO含量1.0%时，球团软化温度升至1072℃，滴落温度达到1319℃，MgO含量继续增加，球团软化温度不再增加，滴落温度有所提高。

球团软熔特性主要受还原时产生的浮氏体及渣相等低熔点液相影响。

酸性球团所表现出的较差的高温软熔特性，主要原因在于还原过程中富含FeO的橄榄石渣相熔点较低，而加入MgO可以提高渣相熔点，还原过程中MgO与浮氏体形成高熔点的固溶体也会起到改善球团高温软熔特性的作用。

　（此文刊登于《中国冶金报》2015年12月24日6版）

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