秦洋洋，王 濤，劉正勇，張明遠(yuǎn)

(重慶科技學(xué)院冶金與材料工程學(xué)院，重慶 401331)

釩鈦磁鐵礦是一種含釩、鈦、鐵和其它有價(jià)元素如鈧、鉻、鈷、銅、鎳等多種元素共生的復(fù)合礦，因而具有很高的利用價(jià)值[1,2]。在我國(guó)攀枝花-西昌地區(qū)蘊(yùn)藏著相當(dāng)豐富的釩鈦磁鐵礦，具有便于開(kāi)采，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)[3-5]。根據(jù)現(xiàn)有研究成果可知，釩鈦燒結(jié)礦在冶煉過(guò)程中大量存在TiO2,易導(dǎo)致燒結(jié)礦結(jié)晶相中鈣鈦礦的出現(xiàn)，使燒結(jié)礦強(qiáng)度指標(biāo)降低[6-10]，并且其噸鐵渣量與普通燒結(jié)礦相比較大，高爐焦比較高，冶金性能低于普通燒結(jié)礦[11]。在實(shí)際生產(chǎn)中，多采用與富礦相配比的方式，提高釩鈦燒結(jié)礦的冶金性能，滿足高爐生產(chǎn)的需要[12-13]。

近來(lái)，國(guó)際鐵礦石價(jià)格大幅度攀升，我國(guó)對(duì)于進(jìn)口鐵礦石較為依賴，許多鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)受到限制。威鋼燒結(jié)生產(chǎn)中釩鈦精粉配比為10%左右，而攀鋼和承鋼基本能達(dá)到30%以上[14-15]。結(jié)合威鋼實(shí)際生產(chǎn)情況，為提高燒結(jié)礦質(zhì)量、降低燒結(jié)生產(chǎn)成本，以及充分發(fā)揮國(guó)內(nèi)釩鈦磁鐵礦資源優(yōu)勢(shì)，在保證冶金性能符合高爐入爐標(biāo)準(zhǔn)的前提下更大程度的使用釩鈦磁鐵礦。

本文以燒結(jié)礦的燒結(jié)基礎(chǔ)特性為依據(jù)，通過(guò)優(yōu)化釩鈦精粉配比的燒結(jié)杯實(shí)驗(yàn)，研究在釩鈦精粉不同配比下燒結(jié)礦的轉(zhuǎn)鼓指數(shù)、抗磨指數(shù)、低溫還原粉化指數(shù)、還原性、軟熔性能。以求探明釩鈦精粉對(duì)燒結(jié)礦性能的影響規(guī)律，找到釩鈦精粉的最優(yōu)配礦比例，為威鋼燒結(jié)生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)原料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

本實(shí)驗(yàn)采用威鋼燒結(jié)生產(chǎn)所需的含鐵原料：釩鈦精粉、大湖巴粗、平川精礦、阿壩精礦、金布巴粉、菲爾倫巴粗、中硅巴粗、鈕曼粉。主要原料化學(xué)成分如表1所示。

表1 含鐵原料的化學(xué)成分(%)

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備主要燒結(jié)杯裝置、煤氣發(fā)生爐、還原管、還原爐、電子天平、轉(zhuǎn)鼓機(jī)、方孔篩(6.3 mm、3.15 mm和0.5 mm)、自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、烘干機(jī)、熔滴爐、氣壓表、氣體流量計(jì)以及相關(guān)輔助設(shè)備。燒結(jié)杯裝置如圖1所示。

圖1 燒結(jié)礦生產(chǎn)工藝圖

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

本實(shí)驗(yàn)主要研究不同釩鈦精粉配比條件下燒結(jié)礦的性能，釩鈦精粉的配量分別為10%、20%、30%和40%，各配比方案依次編號(hào)為A1、A2、A3、A4。配料計(jì)算主要考慮了幾個(gè)約束條件：(1)堿度約束在2.0；(2)活性石灰用量為8.3%；(3)燃料比為4.25%；(4)混勻礦粉配比為87.45%。混勻礦粉配料配比如表2所示。

表2 混勻礦粉配料配比(%)

根據(jù)計(jì)算結(jié)果稱取各組實(shí)驗(yàn)所需原料進(jìn)行混料，然后進(jìn)行布料，首先在燒結(jié)杯中加入定量的底料并鋪平，然后再將混合料加入到燒結(jié)杯中并鋪平。進(jìn)行點(diǎn)火燒結(jié)，調(diào)整點(diǎn)火抽風(fēng)負(fù)壓為8000 Pa，點(diǎn)火時(shí)間為2 min，點(diǎn)火溫度控制為1100-1200 ℃，點(diǎn)火完成移開(kāi)點(diǎn)火器，調(diào)整燒結(jié)負(fù)壓到16500 Pa。待燒結(jié)結(jié)束后，進(jìn)行冷卻，檢測(cè)燒結(jié)礦的成品率、轉(zhuǎn)鼓指數(shù)和抗磨指數(shù)。

依照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)燒結(jié)礦的低溫還原粉化指數(shù)、還原性、熔滴性能進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)其礦相結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 釩鈦精粉配比對(duì)燒結(jié)礦性能的影響

在釩鈦精粉為10%、20%、30%、40%的配比條件下，進(jìn)行燒結(jié)杯實(shí)驗(yàn)。不同方案燒結(jié)礦的成品率如圖2所示，轉(zhuǎn)鼓指數(shù)和抗磨指數(shù)如圖3所示。

圖2 不同方案燒結(jié)礦的成品率

圖3 不同方案燒結(jié)礦的轉(zhuǎn)鼓指數(shù)和抗磨指數(shù)

由圖2可知A1方案的成品率最高，為76.01%。A2與A3方案成品率分別為73.44%和71.75%。A4方案成品率為67.46%，在四個(gè)方案中最低。隨著釩鈦精粉配比的增加，燒結(jié)礦的成品率呈下降趨勢(shì)。

由圖3可知A1方案的轉(zhuǎn)鼓指數(shù)和抗磨指數(shù)最高。A2與A3方案相比較，抗磨指數(shù)相差不大。A4方案轉(zhuǎn)鼓指數(shù)、抗磨指數(shù)最差。隨著釩鈦精粉配比的增加，燒結(jié)礦的轉(zhuǎn)鼓指數(shù)、抗磨指數(shù)均呈下降趨勢(shì)。

在釩鈦精粉配比較低的方案中，赤鐵礦通過(guò)高溫?zé)Y(jié)，直接與CaO作用生成較多具有良好強(qiáng)度的鐵酸鈣，使燒結(jié)礦具有較好的強(qiáng)度。隨著釩鈦精粉配比的增加，燒結(jié)過(guò)程中TiO2含量增多，促使生成幾乎沒(méi)有粘結(jié)作用且硬而脆的鈣鈦礦，并抑制了具有較好粘結(jié)性能的鐵酸鈣生成。因此，隨著釩鈦精粉配比的增加，燒結(jié)礦的成品率、轉(zhuǎn)鼓指數(shù)和抗磨指數(shù)均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

2.2 釩鈦精粉配比對(duì)低溫還原粉化指數(shù)的影響

在釩鈦精粉為10%、20%、30%、40%的配比條件下，研究分析釩鈦精粉對(duì)燒結(jié)礦低溫還原粉化指數(shù)的影響，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 燒結(jié)礦低溫還原粉化率

由圖4可知，當(dāng)釩鈦精粉配比從10%升高為40%時(shí)，RDI+3.15從53.21%下降到37.28%，釩鈦精粉配比對(duì)RDI+3.15的影響較大。A2和A3方案對(duì)比可知釩鈦精粉配比在20%和30%時(shí)，其RDI+3.15小幅度降低，而釩鈦精粉配比增加到40%時(shí)，下降明顯。隨著釩鈦精粉配比的增加，燒結(jié)礦的低溫還原粉化率呈下降的趨勢(shì)。其原因主要有：(1)根據(jù)還原動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析，隨著釩鈦精粉配比的增加，燒結(jié)礦中的鈦赤鐵礦含量也在增多，在還原過(guò)程中，赤鐵礦轉(zhuǎn)變?yōu)榇盆F礦，晶型轉(zhuǎn)變引起的膨脹粉化。(2)根據(jù)熱力學(xué)進(jìn)行分析，在燒結(jié)過(guò)程中CaO與Fe2O3、TiO2反應(yīng)生成鐵酸鈣和鈣鈦礦，隨著釩鈦精粉配比的增加，TiO2含量也在增多，燒結(jié)時(shí)生成更多的鈣鈦礦，抑制了具有良好強(qiáng)度的鐵酸鈣生成，抗粉化能力降低。(3)釩鈦燒結(jié)礦中SiO2含量較少，因此生成能起粘結(jié)作用的硅酸鹽液相較少，釩鈦精粉配比的增加導(dǎo)致燒結(jié)礦的粉化率降低。(4)釩鈦燒結(jié)礦中礦物組成較為復(fù)雜以及各種礦物熱膨脹性的不同而引起的內(nèi)應(yīng)力，隨著釩鈦精粉配比的增加，在低溫還原時(shí)，導(dǎo)致較多裂紋出現(xiàn)，在更高溫度條件下，促使形成較大裂紋加劇碎化程度。

2.3 釩鈦精粉配比對(duì)還原性的影響

A1方案釩鈦精粉配比較低，出于對(duì)經(jīng)濟(jì)因素的考慮，在實(shí)際生產(chǎn)中更傾向于配比更高的方案。在釩鈦精粉為20%、30%、40%的配比條件下，研究分析釩鈦精粉對(duì)燒結(jié)礦還原性的影響，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 燒結(jié)礦還原性

由表3可知，三種方案下燒結(jié)礦的還原度均在80%以上。其原因是：隨著釩鈦精粉配比增加，燒結(jié)礦RDI+3.15變差，容易產(chǎn)生裂紋，使反應(yīng)的表面積增大，還原動(dòng)力學(xué)條件較好，因此燒結(jié)礦還原度較高。

2.4 釩鈦精粉配比對(duì)熔滴性能的影響

A4方案低溫還原粉化嚴(yán)重，不利于高爐的透氣性，影響高爐順行。在釩鈦精粉為20%、30%的配比條件下，使用熔滴爐的位移傳感器，當(dāng)料層厚度下降4%和40%時(shí)，觀察對(duì)應(yīng)的料中溫度為開(kāi)始軟化溫度(T4%)和軟化終了溫度為(T40%)，計(jì)算軟化區(qū)間ΔTm為兩者的差。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 燒結(jié)礦熔滴性能

由表4可知A3方案燒結(jié)礦的開(kāi)始軟化溫度和軟化終了溫度均高于A2方案，滴落溫度低于A2，軟化區(qū)間小于A2。其原因是：隨著釩鈦精粉配比的增加，燒結(jié)礦的TiO2含量增多，會(huì)促使生成一些高熔點(diǎn)礦物，動(dòng)力學(xué)條件也發(fā)生了變化，高熔點(diǎn)物質(zhì)鈣鈦礦增加，渣相熔點(diǎn)升高，因此燒結(jié)礦的軟熔溫度升高，軟化區(qū)間變窄。

2.5 燒結(jié)礦礦相結(jié)構(gòu)分析

對(duì)A2、A3方案燒結(jié)礦進(jìn)行礦相分析，礦相結(jié)構(gòu)如圖5所示。

A2試樣20×下微觀結(jié)構(gòu) A3試樣20×下微觀結(jié)構(gòu)

由圖5可知，在A3方案燒結(jié)礦氣孔多于A2方案，鐵酸鈣含量少于A2方案，鈣鈦礦和磁鐵礦含量高于A2方案。其原因是：釩鈦燒結(jié)礦礦物組成主要是磁鐵礦，粘結(jié)相以鐵酸鈣和硅酸二鈣為主。隨著釩鈦精粉配比增加到30%，TiO2含量增加，在燒結(jié)過(guò)程中生成更多的鈣鈦礦，抑制了作為主要粘結(jié)相的鐵酸鈣生成。同時(shí)釩鈦礦中含有鈦赤鐵礦，隨著釩鈦精粉配比的增加，在還原過(guò)程中，更多的赤鐵礦轉(zhuǎn)變?yōu)榇盆F礦。

3 結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)釩鈦精粉不同配比的燒結(jié)礦性能研究，當(dāng)釩鈦精粉配比為30%，燒結(jié)礦的成品率為71.75%，抗磨指數(shù)為5.97%，轉(zhuǎn)鼓指數(shù)為66.67%，結(jié)合經(jīng)濟(jì)因素，加入更多的釩鈦精粉來(lái)降低成本，選擇A3方案是當(dāng)前條件下配料的最優(yōu)配比方案。

(2)通過(guò)對(duì)釩鈦精粉不同配比的燒結(jié)礦冶金性能研究，當(dāng)釩鈦精粉配比為30%時(shí)，燒結(jié)礦的RDI+3.15為41.92%，RI為81.62%，軟熔區(qū)間為128 ℃，與球團(tuán)礦和塊礦等入爐原料搭配，即可作為高爐入爐原料。

(3)通過(guò)對(duì)A2和A3方案燒結(jié)礦礦相分析研究，A2方案相對(duì)于A3方案氣孔較少，鐵酸鈣含量較多，但差別不大。結(jié)合威鋼生產(chǎn)情況，可選擇A3方案作為燒結(jié)生產(chǎn)的配礦指導(dǎo)。