吳文斌

( 新興鑄管新疆有限公司)

0 前言

與普通球團(tuán)礦相比，含鎂球團(tuán)具有粒度均勻、強(qiáng)度高、能夠有效改善高爐料柱透氣性等明顯優(yōu)勢(shì)，因而在現(xiàn)代冶金工業(yè)中，將其作為實(shí)現(xiàn)高爐高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、低耗的一種優(yōu)質(zhì)爐料得到了迅速普及和應(yīng)用［1］。由于球團(tuán)礦性能對(duì)于高爐冶煉指標(biāo)和冶煉過(guò)程具有重要影響，強(qiáng)度作為球團(tuán)礦性能評(píng)價(jià)的關(guān)鍵指標(biāo)也越來(lái)越受到企業(yè)的關(guān)注。相對(duì)球團(tuán)礦技術(shù)較為成熟的北美國(guó)家來(lái)說(shuō)，我國(guó)球團(tuán)礦技術(shù)發(fā)展尚還有較大差距，究其原因主要是成品球團(tuán)礦的熱態(tài)性能不穩(wěn)定，對(duì)高爐煉鐵產(chǎn)生一定負(fù)面影響，基于此，對(duì)于球團(tuán)礦熱態(tài)參數(shù)的研究也越來(lái)越重要。

1 試驗(yàn)

1．1 試驗(yàn)原料

本試驗(yàn)選取了新興鑄管新疆公司2012年9月、2012年12月、2013年3月份生產(chǎn)的三批次球團(tuán)礦作為樣品，編碼依次為1#、2#、3#，球團(tuán)礦檢驗(yàn)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 球團(tuán)礦檢驗(yàn)指標(biāo)

1．2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)的主要設(shè)備為X 射線衍射分析儀、掃描電子顯微鏡、能譜儀，采用了TPT － 3 型鐵礦石配礦特性試驗(yàn)裝置，其中涵蓋了紅外線快速高溫試驗(yàn)爐、溫度程序控制顯示儀、冷卻水控制器和相關(guān)的控制系統(tǒng)［2］。

1．3 實(shí)驗(yàn)方法

按球團(tuán)礦在高爐內(nèi)不同高度的溫度、氣氛和停留時(shí)間等條件，在實(shí)驗(yàn)室動(dòng)態(tài)模擬球團(tuán)礦在高爐內(nèi)的升溫還原變化過(guò)程。用水銀浸入法對(duì)球團(tuán)礦體積進(jìn)行測(cè)定，用游標(biāo)卡尺對(duì)球團(tuán)礦平均直徑進(jìn)行測(cè)定。

1)900 ℃恒溫還原實(shí)驗(yàn)，采用國(guó)標(biāo)GB/T13240－91 進(jìn)行測(cè)定。

2) 不同溫度條件下的恒溫還原膨脹試驗(yàn)。將事先準(zhǔn)備好的反應(yīng)管一次升溫到800 ℃、900 ℃、1000 ℃、1100 ℃，恒溫30 min，再通還原氣體恒溫1 h，之后將反應(yīng)管提出爐外，然后通入氮?dú)饫鋮s至100 ℃以下。

3) 熱模擬高爐內(nèi)不同高度條件的還原膨脹試驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)?zāi)M球團(tuán)礦在高爐內(nèi)的升溫速度以及氣氛條件，試樣在氮?dú)? 流量15 L/min) 保護(hù)條件下進(jìn)行升溫，當(dāng)溫度達(dá)到100 ℃時(shí)，通還原氣體CO( 流量15 L/min) ，待溫度達(dá)到預(yù)定溫度后，立刻改通氮?dú)饫鋮s至100 ℃以下［3］。爐料升溫速度結(jié)合高爐冶煉周期、高爐內(nèi)型數(shù)據(jù)以及不同高度的溫度場(chǎng)分布等情況進(jìn)行精確的計(jì)算確定。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2．1 還原膨脹

1)900 ℃恒溫還原膨脹試驗(yàn)分析。三批球團(tuán)礦900 ℃恒溫還原后的具體檢測(cè)情況見(jiàn)表2。

表2 球團(tuán)礦900 ℃恒溫還原后指標(biāo)

由表2 可以看出，1#球團(tuán)礦的還原膨脹屬于正常范圍，2#球團(tuán)相對(duì)較高，還原膨脹率平均達(dá)到了16．6%。3#球團(tuán)和1#球團(tuán)相近，還原膨脹率較低，其還原后球團(tuán)抗壓強(qiáng)度最高。三批球團(tuán)樣品中，1#、3#樣品900 ℃恒溫還原后指標(biāo)較好。

通常球團(tuán)礦膨脹的主要原因是Fe2O3還原成Fe3O4后發(fā)生晶格轉(zhuǎn)變?cè)斐傻?。?－ Fe2O3→γ －Fe2O3→Fe3O4的轉(zhuǎn)變過(guò)程中，其體積增加7．8% 左右，同時(shí)伴隨物理熱膨脹3% ，包括內(nèi)外部膨脹區(qū)域形成的膨脹差異導(dǎo)致的新的膨脹，綜合起來(lái)不高于20%。3#球團(tuán)從原來(lái)的浮氏體逐漸向金屬鐵還原時(shí)，這一環(huán)節(jié)主要是鐵離子擴(kuò)散起作用，金屬鐵主要以一種較為致密的層狀形態(tài)析出，即使還原度最高，也未造成體積增大，反而呈現(xiàn)出收縮的狀態(tài)，其還原后抗壓強(qiáng)度最高。

假如這一還原過(guò)程受到化學(xué)反應(yīng)的影響，金屬鐵將通過(guò)一種纖維狀、針狀鐵晶須形態(tài)進(jìn)行析出和長(zhǎng)大，從而造成球團(tuán)礦異常膨脹，一旦其膨脹率高于20%，將對(duì)高爐順行造成不利影響。通過(guò)對(duì)還原后的球團(tuán)礦進(jìn)行觀察，其表面大裂紋較少，僅有少數(shù)球存在，大部分球表面有0．2 mm 左右的微裂紋，分析認(rèn)為球團(tuán)礦處于900 ℃恒溫還原時(shí)，膨脹是因晶格的轉(zhuǎn)變所致，這一過(guò)程受鐵離子擴(kuò)散的控制。

2) 不同溫度條件下恒溫還原膨脹試驗(yàn)［4］。實(shí)驗(yàn)在不同溫度條件下對(duì)2#球團(tuán)進(jìn)行恒溫還原1 h，當(dāng)溫度處于800 ℃～1100 ℃這一范圍時(shí)，隨著溫度的逐漸提高，其體積膨脹開(kāi)始的是增大的，之后逐漸降低，在900 ℃時(shí)達(dá)到峰值11．11% ，同時(shí)觀察表面發(fā)現(xiàn)明顯的裂紋和變形。隨著溫度繼續(xù)升高到1000 ℃以上時(shí)，發(fā)現(xiàn)球團(tuán)礦的還原膨脹率開(kāi)始呈現(xiàn)出緩慢降低的趨勢(shì)。究其原因，主要是隨著溫度的不斷升高，所生成的金屬鐵核量也開(kāi)始逐漸升高，與此同時(shí)擴(kuò)散能力也越來(lái)越強(qiáng)，導(dǎo)致各個(gè)方向上金屬鐵核成長(zhǎng)為較為致密的金屬鐵層。

3) 模擬高爐不同高度條件下球團(tuán)礦的還原膨脹。仍選取2#球團(tuán)進(jìn)行高爐內(nèi)的升溫速度以及氣氛條件的模擬實(shí)驗(yàn)，其升溫還原試驗(yàn)結(jié)果如圖1 和圖2 所示。

圖1 球團(tuán)礦體膨脹率和還原度的關(guān)系

圖2 球團(tuán)礦和還原度、還原速率以及溫度的關(guān)系

由圖1、圖2 可以看出，球團(tuán)礦如果在非等溫條件下進(jìn)行還原，它的膨脹率與處于等溫條件下相比，呈現(xiàn)出顯著減小的趨勢(shì)。

由圖中還可以看出，不同溫度下球團(tuán)礦的膨脹率與還原度、溫度呈現(xiàn)出一種凸形曲線關(guān)系，與最大膨脹率相對(duì)應(yīng)的溫度在550 ℃～650 ℃區(qū)間，大約600 ℃，還原度的值在20% ～40%之間，大約30%，此時(shí)的還原速率最大，而與最大膨脹率相對(duì)應(yīng)的抗壓強(qiáng)度卻最低。

當(dāng)溫度低于600 ℃時(shí)，球團(tuán)礦就會(huì)隨著溫度的逐步升高，在膨脹率上呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，當(dāng)溫度超過(guò)600 ℃時(shí)，隨著溫度的逐步升高，其膨脹率將呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)。這一階段的還原過(guò)程通常呈α－Fe2O3→γ － Fe2O3→Fe3O4→Fe 轉(zhuǎn)變這一趨勢(shì)。當(dāng)溫度超過(guò)900 ℃時(shí)，球團(tuán)礦體積呈現(xiàn)逐漸收縮態(tài)勢(shì)，隨著溫度的逐漸升高，收縮率也隨之不斷升高，到1100 ℃時(shí)，球團(tuán)礦的抗壓強(qiáng)度將達(dá)到700 N/球。這一還原過(guò)程α－Fe2O3→γ －Fe2O3→Fe3O4→FexO→Fe 轉(zhuǎn)變。隨著溫度的逐漸升高，球團(tuán)礦還原度將呈現(xiàn)出繼續(xù)升高的趨勢(shì)，同時(shí)FexO 還原成金屬鐵的量也會(huì)逐漸增多，體積隨之減少，膨脹率越來(lái)越低，而強(qiáng)度就會(huì)越來(lái)越高。

所以說(shuō)，鐵球團(tuán)礦膨脹的最主要原因是從六方晶格的赤鐵礦開(kāi)始向立方晶格的磁鐵礦發(fā)生相變。從實(shí)踐看，酸性氧化球團(tuán)因晶形轉(zhuǎn)變而帶來(lái)的膨脹是不可避免的。

當(dāng)球團(tuán)礦在非等溫條件下，其還原膨脹率之所以逐漸減小是因?yàn)槌跏嫉倪€原溫度較低，形成Fe2+時(shí)溫度也比較低，由于Fe2+處在浮氏體內(nèi)擴(kuò)散非常緩慢，從而造成氣固相界面還原之后Fe2+出現(xiàn)大幅度增加，直到濃度過(guò)飽和而催生出新相，進(jìn)一步形成大量的金屬Fe 核，可有效消除少數(shù)點(diǎn)生成的鐵晶須進(jìn)行。與此同時(shí)，由于還原時(shí)間較長(zhǎng)，為磁鐵礦、浮氏體的均勻發(fā)展創(chuàng)造了有利條件。研究表明，當(dāng)升溫速度越慢時(shí)，其初始的溫度就會(huì)越低，相應(yīng)的還原膨脹率也會(huì)較低［5］。

2．2 熔滴性能

在實(shí)驗(yàn)室中制備了不同堿度的燒結(jié)礦，將其分別與球團(tuán)礦按一定比例配合成綜合爐料，設(shè)定綜合爐料的堿度為1．10，其方案見(jiàn)表3。不同比例的2#球團(tuán)礦與燒結(jié)礦綜合爐料熔滴性能見(jiàn)表4。

表3 綜合爐料的熔滴實(shí)驗(yàn)方案

表4 不同比例球團(tuán)礦爐料熔滴性能

由表3、表4 可以看出，在綜合爐料堿度一定的條件下，球團(tuán)礦配比在5% ～30%范圍內(nèi)，隨球團(tuán)配比增加，綜合爐料的熔滴性能呈現(xiàn)出變差的趨勢(shì)。

為了改善綜合爐料的熔滴性能，對(duì)普通球團(tuán)與含鎂球團(tuán)、含鈣球團(tuán)進(jìn)行了試驗(yàn)比較。實(shí)驗(yàn)中選取了含鎂、含鈣球團(tuán)礦與球團(tuán)礦在熔滴性能上進(jìn)行了分析比較，具體情況見(jiàn)表5。

表5 球團(tuán)礦熔滴性能

由表5 可以看出，普通球團(tuán)礦熔滴性能較差，會(huì)出現(xiàn)明顯的變形溫度，變形在10% ～50% 之間溫度都較低。當(dāng)添加一定量的鎂或者部分鈣后，其熔滴性獲有一定的改善。軟化變形溫度以及開(kāi)始滴落溫度都在不同程度上提高。另外，實(shí)驗(yàn)還表明添加鎂的球團(tuán)軟化區(qū)間增寬，如果添加鈣，軟化區(qū)間也會(huì)增寬。

3 改善球團(tuán)礦性能對(duì)策

3．1 做好溫度控制，改善球團(tuán)礦膨脹率

球團(tuán)礦在800 ℃～1100 ℃的范圍內(nèi)進(jìn)行等溫還原時(shí)，隨著溫度的不斷上升，其體積膨脹率在初始的時(shí)候增大，之后又呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，其中在900 ℃時(shí)膨脹率達(dá)到最大。通過(guò)模擬球團(tuán)礦在高爐內(nèi)的升溫速度以及相應(yīng)還原氣氛條件下的反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)球團(tuán)礦膨脹率比在等溫條件下會(huì)出現(xiàn)較為明顯的減小。

3．2 添加氧化鎂或者氧化鈣熔劑，改善球團(tuán)礦熔滴性

球團(tuán)礦在剛開(kāi)始出現(xiàn)軟化時(shí)溫度較低，收縮率4%時(shí)對(duì)應(yīng)溫度大約在970 ℃～1035 ℃的范圍內(nèi)，此時(shí)熔滴性能較差。有效的改善辦法是向球團(tuán)中添加部分氧化鎂，添加氧化鈣熔劑也是一種有效的方法，都能夠不同程度的改善球團(tuán)礦熔滴性。

3．3 生產(chǎn)以含鎂為主的球團(tuán)礦，降低還原膨脹率

在生產(chǎn)球團(tuán)礦時(shí)，可以考慮以含鎂球團(tuán)礦為主。該種球團(tuán)礦能夠有效降低還原膨脹率，同時(shí)也可以提高軟化溫度，從而為進(jìn)一步提高球團(tuán)礦在高爐中的使用比例創(chuàng)造有利條件。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，爐料的結(jié)構(gòu)優(yōu)劣對(duì)于高爐煉鐵多項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)都具有重要影響，對(duì)于大型鋼鐵企業(yè)來(lái)說(shuō)，需要借助自產(chǎn)的球團(tuán)礦，通過(guò)優(yōu)化爐料結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)自身競(jìng)爭(zhēng)水平的提高，因而球團(tuán)礦質(zhì)量就成為企業(yè)贏得競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵之一。在實(shí)際生產(chǎn)中，企業(yè)需要從控制膨脹率、提高軟化溫度等各個(gè)方面著手，不斷改善球團(tuán)礦熱態(tài)冶金性能，更好的滿足高爐生產(chǎn)的需要。

［1］方覺(jué)，龔瑞娟，趙立樹(shù)，孟輝．球團(tuán)礦氧化焙燒及還原過(guò)程中的強(qiáng)度變化［J］．鋼鐵，2007，42(2) :11 －13．

［2］李彩虹，方覺(jué)，時(shí)國(guó)松．宣鋼豎爐球團(tuán)礦強(qiáng)度變化規(guī)律［J］．河北理工大學(xué)學(xué)報(bào)( 自然科學(xué)版) ．2010(3) :29 －32．

［3］ZHANG Han －quan． Optim ization on Tech nical Fact ors of Pel let s Shaf t Roast ing in Daye［J］Researchon Iron and St eel，2002(4) :1 －4．

［4］趙威，王翠輕． 邯邢磁鐵礦精粉用作球團(tuán)礦原料的試驗(yàn)研究［J］．燒結(jié)球團(tuán)，2008，33(6) :11 －13．

［5］張玉柱，曹朝真，劉鵬君，李振國(guó)，尹海生．球團(tuán)用膨潤(rùn)土高溫焙燒活化改性試驗(yàn)［J］． 河北理工學(xué)院學(xué)報(bào)．2006，28( 2) : 11 －13，22．