劉慶華

(中冶北方工程技術(shù)有限公司，遼寧 大連 116000)

0 引言

印度尼西亞近海灘的海砂釩鈦磁鐵礦資源儲量豐富，價(jià)格低廉，來源也較穩(wěn)定，但是由于Fe品位較低且鈦含量較高，粒度較粗，結(jié)構(gòu)致密，以及硬度、熔點(diǎn)較高等原因，未能大規(guī)模的應(yīng)用于鋼鐵生產(chǎn)。有研究表明[1]與普通磁鐵礦球團(tuán)相比，釩鈦磁鐵礦球團(tuán)的預(yù)熱球和焙燒球的FeO含量更高，不容易氧化。在相同的預(yù)熱和焙燒條件下，釩鈦磁鐵礦焙燒球結(jié)晶程度更差，球團(tuán)礦的強(qiáng)度也就更低。目前的研究還未能揭示釩鈦磁鐵礦的高溫氧化行為和球團(tuán)固結(jié)的機(jī)理。為了使這些特殊的鐵精礦在球團(tuán)工業(yè)中得到更廣泛的應(yīng)用，很有必要對釩鈦磁鐵精礦的球團(tuán)進(jìn)行研究，使鐵精礦資源得到更有效的利用。本研究通過采用高壓輥磨工藝對釩鈦磁鐵精礦進(jìn)行處理，使預(yù)熱溫度和焙燒溫度大幅降低，球團(tuán)礦質(zhì)量得到改善。

1 原料的特點(diǎn)

此研究中所用的釩鈦磁鐵精礦是一種粒度相對較細(xì)但是比表面積較小的精礦，具體物理性質(zhì)及主要化學(xué)成分如表1。

表1 原料粒度組成檢驗(yàn)結(jié)果

由粒度組成檢測結(jié)果可以看出，鐵精礦的粒度較細(xì)，基本滿足球團(tuán)對精礦細(xì)度的要求。但是鐵精礦的比表面積相對較小，不在球團(tuán)用鐵精礦適宜比表面積范圍之內(nèi)，對成球有不利影響。從成球性指數(shù)檢測結(jié)果可以看出，此種鐵精礦屬于弱成球性的礦種，而且是弱成球性的下緣，所以成球性比較差，一般需要配入較多的粘結(jié)劑才可獲得指標(biāo)合格的生球，以滿足生產(chǎn)要求。

表2 原料主要化學(xué)成分檢驗(yàn)結(jié)果 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)) /%

通過對鐵精礦多元素分析可以看出，此種鐵精礦的鐵品位在65.0%以上，硅含量相對較低，適合球團(tuán)生產(chǎn)使用，并具有一定的FeO含量，有利于提高鐵精礦的可燒性能。但Al2O3含量相對較高，對球團(tuán)礦冶金性能有不利影響，會惡化球團(tuán)礦在還原過程中的粉化指標(biāo)。

鐵精礦的顆粒的形狀和表面的形態(tài)對成球性能影響比較大，對于粒度相對較細(xì)但是比表面積又比較小的球團(tuán)用鐵精礦，主要是對鐵精礦顆粒形貌進(jìn)行檢測。檢測采用的方法是電鏡掃描法。鐵精礦礦相見圖1。

圖1 電鏡掃描顆粒形貌

由鐵精礦放大后的照片可以看出，鐵精礦顆粒的形狀主要以粒狀為主，棒條狀的較少，其中較大顆粒棱角不太突出，表面相對平整光滑，不太適合較小顆粒的粘附，顆粒之間的摩擦力較小，顆粒之間的相互作用力差，不利于成球。小顆粒相對較多，這與鐵精礦粒度組成相一致，鐵精礦的粒度較細(xì)有利于提高精礦顆粒間的接觸面積，提高生球的強(qiáng)度，但是小顆粒形狀也以塊狀為主，造成鐵精礦總體比表面積相對較低。所以只從鐵精礦的顆粒形貌檢測結(jié)果來看，鐵精礦的顆粒形狀不利于生球強(qiáng)度的提高。

試驗(yàn)中所用的粘結(jié)劑是一種冶金用一級品膨潤土，質(zhì)量相對較好，其主要化學(xué)成分和理化特性見表3及表4。

表3 膨潤土料主要化學(xué)成分及細(xì)度檢驗(yàn)結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) /%

表4 膨潤土理化性質(zhì)檢驗(yàn)結(jié)果

2 研究方法

根據(jù)試驗(yàn)計(jì)劃，取一部分釩鈦磁鐵精礦礦樣采用高壓輥磨處理，使鐵精礦比表面積由1 150 cm2/g增加到1 550 cm2/g，然后用于成球試驗(yàn)，另取一部分不經(jīng)過高壓輥磨處理的釩鈦磁鐵精礦礦樣直接用于成球試驗(yàn)。將高壓輥磨處理后的鐵精礦和未經(jīng)高壓輥磨處理的鐵精礦分別與粘結(jié)劑進(jìn)行配料(每次造球用10 kg混合料)，進(jìn)行成球試驗(yàn)。試驗(yàn)中向精礦中加入一定量的水，人工充分混勻。將混勻后的混合料靜置20 min后進(jìn)行造球。造球設(shè)備為圓盤造球機(jī)，圓盤直徑1 000 mm，邊高210 mm，傾角45°，轉(zhuǎn)速21.5 r/min。造好的生球經(jīng)篩分后，隨機(jī)取粒度為10～12.5 mm的生球進(jìn)行生球水分、生球落下強(qiáng)度、生球抗壓強(qiáng)度檢測。試驗(yàn)以生球落下>5.0 次/(0.5 m)為生球落下強(qiáng)度合格指標(biāo)，以生球抗壓強(qiáng)度>10.0 N/P作為生球抗壓強(qiáng)度合格指標(biāo)。

將合格的生球烘干后在臥式管爐中進(jìn)行預(yù)熱和焙燒試驗(yàn)，并對預(yù)熱制度和焙燒制度進(jìn)行調(diào)整得到不同條件的預(yù)熱球和焙燒球，對預(yù)熱球和焙燒球進(jìn)行化學(xué)成分和強(qiáng)度檢測。

為了探索生球在厚料層的預(yù)熱特性和回轉(zhuǎn)窯中的焙燒特點(diǎn)，分別進(jìn)行厚料層預(yù)熱和鏈箅機(jī)—回轉(zhuǎn)窯焙燒模擬試驗(yàn)，并對試驗(yàn)產(chǎn)品進(jìn)行檢測。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 鐵精礦成球試驗(yàn)

試驗(yàn)中對高壓輥磨處理過的鐵精礦和未經(jīng)高壓輥磨處理過的鐵精礦分別進(jìn)行成球試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 成球試驗(yàn)結(jié)果

通過成球試驗(yàn)可以看出，未經(jīng)過高壓輥磨處理的鐵精礦球團(tuán)的膨潤土用量1.9%，混合料水分7.31%，生球水分為10.30%，生球落下強(qiáng)度為5.1 次/(0.5 m)，生球抗壓強(qiáng)度為12.8 N/P，爆裂溫度500 ℃。

經(jīng)過高壓輥磨后的鐵精礦球團(tuán)膨潤土用量為1.6%，混合料水分為6.44%，生球水分為9.41%。生球落下5.5 次/(0.5 m)，生球抗壓12.5 N/P，爆裂溫度450 ℃。

可以看出釩鈦磁鐵礦經(jīng)過高壓輥磨處理后膨潤土用量下降了0.3%，混合料水分和生球水分也有所下降，爆裂溫度下降了50℃。

3.2 預(yù)熱試驗(yàn)

對未經(jīng)高壓輥磨處理的釩鈦磁鐵精礦和經(jīng)過高壓輥磨處理過的釩鈦磁鐵礦精礦分別成球，將得到的合格生球進(jìn)行烘干，在實(shí)驗(yàn)室管爐中分別進(jìn)行預(yù)熱和焙燒試驗(yàn)。

未經(jīng)高壓輥磨處理的釩鈦磁鐵精礦生球預(yù)熱試驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 未經(jīng)高壓輥磨處理的釩鈦磁鐵精礦球團(tuán)管爐預(yù)熱試驗(yàn)結(jié)果

由管爐預(yù)熱試驗(yàn)結(jié)果可以看出，未經(jīng)高壓輥磨處理過的釩鈦磁鐵精礦球團(tuán)的預(yù)熱溫度要求相對較高。900 ℃、950 ℃和1 000 ℃溫度下預(yù)熱，預(yù)熱球的強(qiáng)度均低于500 N/P，而且在1 000 ℃溫度下延長預(yù)熱時間，預(yù)熱球抗壓強(qiáng)度幾乎沒有改善。只有預(yù)熱溫度在1 050 ℃，預(yù)熱球抗壓強(qiáng)度才顯著提高，當(dāng)預(yù)熱時間≥12 min時，預(yù)熱球抗壓強(qiáng)度大于500 N/P。由管爐預(yù)熱試驗(yàn)結(jié)果可見，適宜的預(yù)熱溫度為1 050 ℃，預(yù)熱時間12 min。球團(tuán)比較好氧化，F(xiàn)eO含量很容易降至3.0%以下。

將高壓輥磨處理過的鐵精礦的生球烘干后進(jìn)行管爐預(yù)熱試驗(yàn)。預(yù)熱試驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 經(jīng)高壓輥磨處理的釩鈦磁鐵精礦球團(tuán)管爐預(yù)熱試驗(yàn)結(jié)果

由管爐預(yù)熱試驗(yàn)可以看出，精礦比表面積增加到1 550 cm2/g后，相同的預(yù)熱溫度下，預(yù)熱球的強(qiáng)度得到了明顯的改善。預(yù)熱溫度大幅降低，在預(yù)熱溫度為900 ℃，預(yù)熱時間6 min以上，預(yù)熱抗壓強(qiáng)度就可以達(dá)到500 N/P以上，此時FeO含量為6.15%。

3.3 焙燒試驗(yàn)

對未經(jīng)過高壓輥磨處理的釩鈦磁鐵礦球團(tuán)進(jìn)行管爐預(yù)熱和焙燒的連續(xù)試驗(yàn)。目前一般要求球團(tuán)礦壓強(qiáng)度在≥2 500 N/P，F(xiàn)eO<1.0%。未經(jīng)高壓輥磨處理過的釩鈦磁鐵礦干球管爐焙燒試驗(yàn)結(jié)果見表8。

表8 未經(jīng)高壓輥磨處理過的釩鈦磁鐵礦干球管爐焙燒試驗(yàn)結(jié)果

由表8可見，此種鐵精礦球團(tuán)的焙燒溫度相對較高。在焙燒溫度低于1 300℃時，球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度低于2 000 N/P，即使延長時間，球團(tuán)礦強(qiáng)度提高不明顯。在1 300 ℃時，球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度顯著提高，焙燒時間延長至15 min以后，抗壓強(qiáng)度達(dá)到了2 544 N/P。

對高壓輥磨處理過的釩鈦磁鐵礦干球進(jìn)行焙燒試驗(yàn)，球團(tuán)管爐預(yù)熱、焙燒連續(xù)試驗(yàn)結(jié)果見表9。

表9 高壓輥磨處理過的釩鈦磁鐵礦干球管爐焙燒試驗(yàn)結(jié)果

由管爐預(yù)熱焙燒連續(xù)試驗(yàn)可以看出，高壓輥磨處理過的釩鈦磁鐵精礦干球預(yù)熱溫度為900 ℃，預(yù)熱時間為6 min，并在1 250 ℃下焙燒10 min，球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度就可以達(dá)到2 500 N/P以上。所以釩鈦磁鐵精礦經(jīng)過高壓輥磨處理后，其球團(tuán)礦焙燒溫度得到了降低。

3.4 結(jié)果分析

由高壓輥磨前后釩鈦磁鐵精礦的成球試驗(yàn)和管爐預(yù)熱、焙燒試驗(yàn)結(jié)果可以看出，鐵精礦經(jīng)過高壓輥磨后成球性能和焙燒性能得到了改善。為了解高壓輥磨處理后釩鈦磁鐵精礦成球性能改善原因以及球團(tuán)礦強(qiáng)度提高的原因，對高壓輥磨前和高壓輥磨后的釩鈦磁鐵精礦顆粒形貌進(jìn)行研究，以揭示高壓輥磨對鐵精礦影響的機(jī)理。試驗(yàn)中采用掃描電鏡對鐵精礦顆粒形貌進(jìn)行研究。

高壓輥磨至比表面積為1 550 cm2/g的鐵精礦顆粒形貌見圖2。

圖2 高壓輥磨至比表面積為1 550 cm2/g的鐵精礦

通過對高壓輥磨前(圖1)和高壓輥磨后(圖2)鐵精礦顆粒形貌的觀察可以看出，經(jīng)過高壓輥磨處理后，所得物料與輥磨之前相比，顆粒粒度減小，細(xì)微顆粒量增加，并且很多顆粒表面明顯存在裂隙，表面粗糙不平，出現(xiàn)大量棱角和尖角及新生表面，并隨著輥磨后比表面積的增加而增加。這與比表面積和細(xì)度檢測結(jié)果相吻合。通過對高壓輥磨前后釩鈦磁鐵精礦顆粒形貌的對比，可以看出高壓輥磨后釩鈦磁鐵精礦成球性能改善的原因主要是精礦細(xì)度的增加和顆粒表面粗糙程度的增加。

為了解高壓輥磨后釩鈦磁鐵精礦的預(yù)熱球和焙燒球強(qiáng)度改善的原因，對高壓輥磨前后釩鈦磁鐵精礦的預(yù)熱球和焙燒球的顯微結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行研究，預(yù)熱球和焙燒球的內(nèi)部形態(tài)見圖3、圖4。

(a)未經(jīng)高壓輥磨 (b)高壓輥磨后

由圖3(a)可見，球團(tuán)中顆粒在反光鏡下均為白色，只有在大的顆粒內(nèi)部出現(xiàn)了棕灰色斑點(diǎn)，表明球團(tuán)內(nèi)部顆粒主要是Fe2O3，F(xiàn)e3O4殘存量很少，說明球團(tuán)加熱的氧化氣氛比較好。但是也可以看出球團(tuán)內(nèi)部單獨(dú)顆粒比較多，僅有很少的小顆粒發(fā)生了連接，而且連接處很細(xì)。大顆粒輪廓清晰，未與周圍小顆粒發(fā)生連接。所以球團(tuán)內(nèi)部顆粒之間的互聯(lián)作用比較差，結(jié)構(gòu)相對松散，顆粒的再結(jié)晶發(fā)育還未真正開始。以此種結(jié)構(gòu)為主的球團(tuán)，強(qiáng)度不會高。

由圖3(b)可以看出，大部分的Fe3O4被氧化成了Fe2O3，晶粒處于發(fā)育階段，大部分顆粒發(fā)生了鏈接，特別是小的精礦顆粒之間連接成了條狀的更大顆粒。大顆粒也與周圍的小顆粒發(fā)生了連接，但是數(shù)量并不多。顆粒仍以小顆粒數(shù)量居多，顆粒之間仍保持原來的距離，表明球團(tuán)內(nèi)顆粒未發(fā)生軟化。顆粒之間發(fā)生的連接有助于球團(tuán)強(qiáng)度的提高。

(a)未經(jīng)高壓輥磨 (b)高壓輥磨后

由圖4(a)可以看出，已經(jīng)很少有單獨(dú)的小顆粒，顆粒之間彼此連接。而且大顆粒之間的輪框也不太清晰，已經(jīng)與其周圍的顆粒發(fā)生了連接。小顆粒數(shù)量明顯減少，大顆粒數(shù)量增加。但總的來看，顆粒之間的連接比較細(xì)小，連接強(qiáng)度不高，而且大型顆粒占了少數(shù)，顆粒之間并沒有互連成片，形成更大的顆粒，顆粒之間的距離沒有發(fā)生太大的變化，表明大多數(shù)顆粒未發(fā)生軟化，所以加熱溫度有待提高。以這種連接方式為主的球團(tuán)礦強(qiáng)度不會很高。

由圖4(b)可以看出，大型顆粒相對較多，小顆粒很少。而且小顆粒很少單獨(dú)存在，大多連接成了條狀。顆粒之間的輪廓已經(jīng)不太清晰，顆粒之間距離變小，連接比較緊密，大多是連接成片形成了更大的顆粒，表明球團(tuán)內(nèi)部一部分顆粒發(fā)生了一定程度的軟化。球團(tuán)內(nèi)部氣孔相對較多，均呈現(xiàn)不規(guī)則形狀，表明并沒有形成過多的液相，所以加熱溫度并未過高。總的來看，F(xiàn)e2O3顆粒的再結(jié)晶發(fā)育較好，晶粒比較粗大，以這種連接形式為主的球團(tuán)礦強(qiáng)度會比較高。

4 結(jié)語

未經(jīng)高壓輥磨預(yù)處理的釩鈦磁鐵礦鐵精礦球團(tuán)預(yù)熱溫度高，焙燒溫度高，焙燒時間長。釩鈦磁鐵精礦經(jīng)過高壓輥磨后，性能得到了改善，預(yù)熱和焙燒溫度有了大幅降低，而且球團(tuán)礦質(zhì)量得到了改善。球團(tuán)礦平均抗壓強(qiáng)度在>2 900 N/個球，轉(zhuǎn)鼓指數(shù)>95.0%，抗磨指數(shù)<4.0%，且FeO含量<1.0%。所以，對于粒度相對較細(xì)但比表面積比較小的釩鈦磁鐵礦采用高壓輥磨處理來生產(chǎn)氧化性球團(tuán)可行的。