胡 鵬,蔣 勝,譚陽杰,周 密,向紹紅
(1.攀鋼集團(tuán)研究院有限公司,四川 攀枝花 617000;2.攀鋼集團(tuán)西昌鋼釩有限公司,四川 西昌 615000;3.東北大學(xué)冶金學(xué)院,遼寧 沈陽 110819;4.攀枝花鋼城集團(tuán)有限公司,四川 攀枝花 617000)
隨著高爐煉鐵技術(shù)的進(jìn)步,精料工作越來越受到重視,研究表明,酸性球團(tuán)礦與高堿度燒結(jié)礦搭配,可以構(gòu)成合理的高爐爐料結(jié)構(gòu),對(duì)高爐增產(chǎn)節(jié)焦、降低生產(chǎn)成本的效果顯著[1-2]。球團(tuán)礦因強(qiáng)度高、粒度均勻、含鐵品位高、還原性好等優(yōu)點(diǎn),在高爐煉鐵入爐爐料中所占比例呈不斷上升趨勢(shì)。通過文獻(xiàn)調(diào)研來看,世界先進(jìn)的高爐煉鐵爐料結(jié)構(gòu)球團(tuán)礦比例一般為30%~50%,西歐部分高爐球團(tuán)礦配比甚至已經(jīng)達(dá)到100%[3]。
攀鋼地處攀西地區(qū),釩鈦磁鐵礦資源豐富,但由于鐵鈦緊密共生的特點(diǎn),導(dǎo)致在燒結(jié)過程中生成較多的鈣鈦礦物相,使釩鈦燒結(jié)礦液相生成量不足、粘結(jié)相結(jié)構(gòu)不合理,因此脆性大、強(qiáng)度差[4-5],且隨著選礦技術(shù)進(jìn)步,釩鈦磁鐵礦粒度越來越細(xì),TFe 含量越來越高,SiO2含量越來越低,導(dǎo)致其更加適宜于走球團(tuán)工藝生產(chǎn)路線,故攀鋼高爐球團(tuán)礦配比逐步從20%左右提高至35%,隨著球團(tuán)礦在爐料中比重增加,其質(zhì)量的好壞,特別是抗壓強(qiáng)度的高低對(duì)高爐的影響越來越大。對(duì)攀鋼2020 年前幾個(gè)月的全釩鈦球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了檢測(cè),其平均抗壓強(qiáng)度僅在1 600 N/個(gè)左右,遠(yuǎn)低于國標(biāo)要求的2 000 N/個(gè)以上,而且波動(dòng)較大,導(dǎo)致高爐操作調(diào)整頻繁,對(duì)高爐爐況影響較大,為了保證高爐穩(wěn)定順行,特開展了提高全釩鈦球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度技術(shù)研究與應(yīng)用。
試驗(yàn)用釩鈦磁鐵礦取自攀枝花鋼城集團(tuán)白馬球團(tuán)廠配料倉。釩鈦磁鐵礦的主要化學(xué)成分及燒損量見表1,其粒度組成見表2。從表1 可以看出:該鐵精礦的TFe 含量較低,為55.22%,F(xiàn)eO 和TiO2含量較高,分別為29.46%和9.99%,屬于典型的高鈦型釩鈦磁鐵礦。表2 數(shù)據(jù)表明:釩鈦磁鐵礦精礦小于0.074 mm 粒級(jí)所占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為64.71%,相對(duì)于球團(tuán)生產(chǎn)對(duì)含鐵原料的要求而言,該鐵精礦粒度較粗。
表1 釩鈦磁鐵礦樣品的主要化學(xué)成分及燒損Table 1 Main chemical composition and Ig of sample V-Ti magnetite %
表2 釩鈦磁鐵礦樣品的粒度組成Table 2 Size distribution of sample V-Ti magnetite %
試驗(yàn)用粘結(jié)劑為膨潤(rùn)土,同樣取自攀枝花鋼城集團(tuán)球團(tuán)廠,其化學(xué)組成和物料性能見表3 和表4。
表3 膨潤(rùn)土的主要化學(xué)成分Table 3 Main chemical composition of bentonite %
表4 膨潤(rùn)土的物理性能Table 4 Physical properties of bentonite
全部含鐵原料均經(jīng)過干燥箱進(jìn)行烘干處理,烘干溫度105 ℃,烘干時(shí)間以其水分低于適宜混合料水分為準(zhǔn),一般要求水分控制在5%左右[6]。造球混合料采用人工配料和混勻,每次按稱取5 kg 釩鈦磁鐵礦,配加按比例計(jì)算好膨潤(rùn)土(膨潤(rùn)土外配2%),由于配料中僅使用了高鈦型釩鈦磁鐵精礦一種,故生產(chǎn)的球團(tuán)為全釩鈦球團(tuán)礦;其中潤(rùn)磨采用d500 mm×500 mm 無極調(diào)速潤(rùn)磨機(jī)對(duì)混合料進(jìn)行處理,開展?jié)櫮?duì)釩鈦球團(tuán)礦性能影響試驗(yàn);生球的制備采用圓盤造球機(jī),造球機(jī)直徑為1 000 mm,邊高250 mm,圓盤轉(zhuǎn)速23 r/min,傾角46°。固定造球時(shí)間為10 min,生球水分控制為適宜水分;造球完成后,選取直徑為10~12.5 mm 的生球分別測(cè)定其落下強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度,其余生球放入105 ℃烘箱進(jìn)行干燥,直至水分脫除完全;取直徑為10~12.5 mm的干球進(jìn)行預(yù)熱和焙燒,預(yù)熱和焙燒試驗(yàn)是在豎式管狀電爐中進(jìn)行,開展預(yù)熱及焙燒制度對(duì)釩鈦球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度影響試驗(yàn)研究;預(yù)熱和焙燒試驗(yàn)完成后,將球團(tuán)置于空氣中冷卻至室溫,然后通過球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度儀測(cè)定球團(tuán)的強(qiáng)度。
潤(rùn)磨是提高生球強(qiáng)度、降低膨潤(rùn)土用量、改善成品球團(tuán)礦質(zhì)量的有效措施。國內(nèi)外許多球團(tuán)廠都設(shè)有潤(rùn)磨工藝,特別是粒度較粗、造球性能差的鐵精礦都需要經(jīng)過潤(rùn)磨工序去提高造球性能。潤(rùn)磨效果通常主要與潤(rùn)磨時(shí)間、混合料水分、潤(rùn)磨機(jī)轉(zhuǎn)速、料球比及填充率等因素有關(guān)。由于試驗(yàn)室潤(rùn)磨機(jī)屬于間歇排料,與工業(yè)生產(chǎn)潤(rùn)磨機(jī)有一定差異,因此主要研究了潤(rùn)磨時(shí)間對(duì)粒度組成、生球質(zhì)量的影響。
潤(rùn)磨時(shí)間對(duì)混合料粒度組成的影響見表5,混合料潤(rùn)磨前后顆粒形貌見圖1,對(duì)生球質(zhì)量的影響規(guī)律見圖2。從表5 和圖2 中可以看出:①隨著潤(rùn)磨時(shí)間的延長(zhǎng),混合料粒度得到明顯改善,細(xì)粒級(jí)含量明顯增多,當(dāng)潤(rùn)磨時(shí)間從0 min 提高至3 min 后,小于0.074 mm 粒級(jí)由64.71%提高至70.92%,提高了6.21 個(gè)百分點(diǎn);②潤(rùn)磨后混合料單體顆粒粒度明顯細(xì)化,顆粒表面變粗糙,粘性增強(qiáng),顆粒間互相粘附成團(tuán),已無明顯縫隙,大顆粒表明附著小顆粒數(shù)量明顯增多,原來相對(duì)明顯孤立的單體顆粒變成粗細(xì)搭配的堆料;③隨著潤(rùn)磨時(shí)間的增加,生球強(qiáng)度明顯改善,主要原因在于通過潤(rùn)磨的揉搓、擠壓作用,增加了礦物晶格缺陷,提高了礦物表面活性,增強(qiáng)了礦粒與粘結(jié)劑之間的作用力,從而提高了生球強(qiáng)度;④當(dāng)潤(rùn)磨時(shí)間從3 min 后繼續(xù)延長(zhǎng)時(shí),雖然小于0.074 mm 粒級(jí)含量提高幅度不大,但生球強(qiáng)度,特別是落下強(qiáng)度明顯提高,主要也在于隨著潤(rùn)磨時(shí)間延長(zhǎng),物料塑性改善更加明顯所致。
圖2 潤(rùn)磨時(shí)間對(duì)生球落下強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的影響Fig.2 Effect of wet grinding time on wet knock and strength of green pellet
表5 潤(rùn)磨時(shí)間對(duì)混合料粒度組成的影響Table 5 Effect of wet grinding time on size distribution of mixture
圖1 潤(rùn)磨前后混合料顆粒形貌Fig.1 Particle morphology of mixture before and after wet grinding
預(yù)熱溫度和預(yù)熱時(shí)間對(duì)球團(tuán)氧化率和抗壓強(qiáng)度影響的試驗(yàn)結(jié)果見圖3、4。試驗(yàn)過程中,焙燒溫度為1 280 ℃,焙燒時(shí)間為25 min。從圖中可以看出:①在其它試驗(yàn)條件保持相同的情況下,預(yù)熱溫度在800~1 000 ℃范圍內(nèi)變化時(shí),隨著預(yù)熱溫度的提高,球團(tuán)的氧化率不斷增加,當(dāng)預(yù)熱溫度大于900 ℃,預(yù)熱時(shí)間超過10 min 時(shí),球團(tuán)氧化率的增加幅度顯著降低,并趨于穩(wěn)定值,而預(yù)熱溫度小于900 ℃時(shí),球團(tuán)氧化率的增加幅度顯著降低并趨于穩(wěn)定值所需的時(shí)間大于15 min,當(dāng)預(yù)熱時(shí)間為10 min,預(yù)熱溫度為800、850、900、950 ℃和1 000 ℃時(shí),球團(tuán)的氧化率分別為58.12%、69.18%、77.22%、81.56%和85.27%;②隨著預(yù)熱溫度的提高和預(yù)熱時(shí)間的延長(zhǎng),焙燒球團(tuán)抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)提高趨勢(shì),從變化趨勢(shì)來看,當(dāng)預(yù)熱時(shí)間為9 min,預(yù)熱溫度從800 ℃提高至900 ℃時(shí),焙燒球抗壓強(qiáng)度提高了1 170 N/個(gè),主要原因在于隨著預(yù)熱溫度升高,F(xiàn)e2O3晶粒進(jìn)一步增多,晶粒變大,連晶也趨于緊密,而且新生的Fe2O3晶粒具有較強(qiáng)的遷移能力,促使了微晶長(zhǎng)大,生成Fe2O3晶橋,使鐵礦顆粒相互連接,球團(tuán)強(qiáng)度明顯提高[7],繼續(xù)提高焙燒溫度抗壓強(qiáng)度提高幅度不大,當(dāng)預(yù)熱溫度為900 ℃時(shí),預(yù)熱時(shí)間由5 min 延長(zhǎng)到7 min,焙燒球抗壓溫度提高了560 N/個(gè),繼續(xù)延長(zhǎng)預(yù)熱時(shí)間對(duì)焙燒球抗壓強(qiáng)度影響不大;③因此,釩鈦球團(tuán)礦焙燒適宜的預(yù)熱溫度為900 ℃,預(yù)熱時(shí)間為7 min。
圖3 預(yù)熱溫度和預(yù)熱時(shí)間對(duì)球團(tuán)氧化率的影響規(guī)律Fig.3 Effect of preheating temperature and time on pellet oxidation rate
圖4 預(yù)熱溫度和預(yù)熱時(shí)間對(duì)球團(tuán)抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律Fig.4 Effect of preheating temperature and time on pellet strength
焙燒溫度和焙燒時(shí)間對(duì)球團(tuán)抗壓強(qiáng)度和FeO含量影響的試驗(yàn)結(jié)果見圖5、6。試驗(yàn)過程中,預(yù)熱溫度為900 ℃,預(yù)熱時(shí)間為7 min。從圖5、6 中可以看出:①球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度與焙燒溫度和時(shí)間呈正相關(guān),F(xiàn)eO 含量與焙燒溫度和時(shí)間呈負(fù)相關(guān),其中焙燒溫度對(duì)抗壓強(qiáng)度和FeO 含量影響效果更加顯著,主要原因在于球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度是由Fe3O4氧化而來的再生赤鐵礦晶粒的發(fā)展、連接起主要作用,提高焙燒溫度促進(jìn)了球團(tuán)內(nèi)各種物理化學(xué)反應(yīng),加速了Fe3O4向再生赤鐵礦的氧化轉(zhuǎn)化[8];②隨著焙燒溫度的升高,球團(tuán)礦的抗壓強(qiáng)度明顯升高,當(dāng)焙燒溫度為1 150 ℃時(shí),抗壓強(qiáng)度僅為1 725 N/個(gè),未滿足高爐技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和用戶要求,當(dāng)焙燒溫度大于1 180 ℃時(shí),球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度達(dá)到了2 000 N/個(gè)以上;③隨著焙燒時(shí)間的延長(zhǎng),球團(tuán)礦的抗壓強(qiáng)度逐漸升高,球團(tuán)礦的焙燒固結(jié)屬于固相固結(jié),是通過表面層原子的擴(kuò)散在晶粒接觸處形成連接橋,使顆?;ハ嗾辰Y(jié)而固結(jié),隨著焙燒時(shí)間的延長(zhǎng),F(xiàn)e2O3晶粒的連接趨于緊密,再結(jié)晶逐漸增加,從而提高了球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度[9];④球團(tuán)礦中FeO 含量指標(biāo)隨著焙燒溫度升高和時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸降低,其原因在于隨著焙燒溫度升高和時(shí)間延長(zhǎng),球團(tuán)的氧化速率逐漸升高,球團(tuán)礦內(nèi)部的鈦磁鐵礦不斷的氧化成鈦赤鐵礦,從而降低了球團(tuán)礦FeO 含量;⑤綜合以往實(shí)驗(yàn)室研究的經(jīng)驗(yàn)來看,由于現(xiàn)場(chǎng)物料穩(wěn)定性、混勻效果等因素?zé)o法做到與實(shí)驗(yàn)室相同的水平,導(dǎo)致相同焙燒制度條件下球團(tuán)礦的抗壓強(qiáng)度較實(shí)驗(yàn)室研究結(jié)果低200 N/個(gè)以上,故釩鈦球團(tuán)礦適宜的焙燒溫度應(yīng)大于1 200 ℃,焙燒時(shí)間為25 min。
圖5 焙燒溫度對(duì)球團(tuán)抗壓強(qiáng)度和FeO 含量的影響規(guī)律Fig.5 Effect of roasting temperature on strength and FeO content of pellet
圖6 焙燒時(shí)間對(duì)球團(tuán)抗壓強(qiáng)度和FeO 含量的影響規(guī)律Fig.6 Effect of roasting time on strength and FeO content of pellet
對(duì)焙燒完成后直徑15 mm 左右的球團(tuán)進(jìn)行了微觀結(jié)構(gòu)分析,發(fā)現(xiàn)焙燒后的全釩鈦球團(tuán)礦有明顯的分層現(xiàn)象,從里到外可分為兩個(gè)層帶,見圖7,即外部帶(呈亮白色)、內(nèi)部帶(呈紅褐色),并且隨著焙燒溫度的升高,內(nèi)部帶的直徑逐漸減小,見表6,球團(tuán)內(nèi)核的直徑越小,證明氧化固結(jié)反應(yīng)越充分,球團(tuán)的強(qiáng)度越高。對(duì)內(nèi)外兩個(gè)層帶進(jìn)行了礦相結(jié)構(gòu)分析,結(jié)果見圖8。從圖8 可以看出:①全釩鈦球團(tuán)礦的微觀結(jié)構(gòu)表明赤鐵礦依靠固相固結(jié)相互粘結(jié)在一起,形成了較為致密的基體;②但球團(tuán)礦內(nèi)部帶物相分布不均,存在較大的夾雜,孔洞與裂縫的存在較為明顯,雖有利于還原,也導(dǎo)致了強(qiáng)度下降的問題,同時(shí)也可以看出赤鐵礦晶粒在內(nèi)部帶發(fā)育不夠徹底,即存在發(fā)育較好的清晰晶粒結(jié)構(gòu)(紅框所示),也存在發(fā)育不良的大塊狀赤鐵礦(藍(lán)框所示),同時(shí)少量鈦鐵礦(L)也與大塊赤鐵礦相結(jié)合在一起;③球團(tuán)礦外部帶的微觀形貌則明顯與內(nèi)部帶不同,其形貌更致密,孔洞更少,晶體發(fā)育也更完全,大塊的赤鐵礦較內(nèi)部帶明顯減少,同時(shí)出現(xiàn)了更多清晰的晶粒結(jié)構(gòu),大片硅酸鹽相也呈現(xiàn)了減少的趨勢(shì)。
圖7 全釩鈦球團(tuán)宏觀形貌Fig.7 Macro-morphology of full V-Ti pellet
表6 不同焙燒溫度的內(nèi)部帶直徑Table 6 Inner band diameter of pellet after roasting at different temperatures
圖8 全釩鈦球團(tuán)內(nèi)部帶和外部帶的微觀形貌Fig.8 Micro-morphology of the inner and outer band
3.1.1 增加潤(rùn)磨設(shè)備,強(qiáng)化造球
在造球之前、強(qiáng)混之后增加一臺(tái)潤(rùn)磨設(shè)備,對(duì)造球混合料進(jìn)行潤(rùn)磨處理,并控制潤(rùn)磨時(shí)間≥4 min,對(duì)工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用潤(rùn)磨設(shè)備前后的混合料粒度進(jìn)行了篩分檢測(cè),結(jié)果表明,造球混合料經(jīng)過潤(rùn)磨后,小于0.074 mm 粒度部分達(dá)到71.69%,較磨前的66.64%提高了5.05 個(gè)百分點(diǎn),隨著造球混合料粒度細(xì)化,球團(tuán)致密性改善,更利于Fe2O3晶須之間的連接和再結(jié)晶,從而能夠提高球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度。
3.1.2 優(yōu)化熱工制度
合理的熱工制度是保證球團(tuán)礦質(zhì)量的重要因素[10],由于全釩鈦球團(tuán)礦中高熔點(diǎn)物相較多,其預(yù)熱和焙燒溫度均較一般球團(tuán)礦要高,但近幾年由于回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈問題、成本壓力和產(chǎn)量要求,鋼城集團(tuán)球團(tuán)礦通過開展低溫焙燒技術(shù)攻關(guān),將焙燒溫度從1 300 ℃降低至了1 150 ℃,雖然結(jié)圈現(xiàn)象和工序能耗明顯改善,但球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度僅為1 600 N/個(gè),無法達(dá)到高爐入爐要求。因此,結(jié)合上述實(shí)驗(yàn)室研究,對(duì)熱工制度進(jìn)行了合理的優(yōu)化,優(yōu)化后的參數(shù)見表7。從表7 可以看出:工業(yè)上降低了鏈篦機(jī)機(jī)速和回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)速,提高了預(yù)熱段和焙燒段各段溫度,進(jìn)一步提高全釩鈦球團(tuán)礦氧化固結(jié)溫度和時(shí)間,從而能夠提高球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度。
表7 鏈篦機(jī)-回轉(zhuǎn)窯熱工制度優(yōu)化情況Table 7 Optimization of grate kiln thermal system
3.1.3 深化氧化固結(jié)效果
高鈦型釩鈦磁鐵礦在焙燒過程中,磁鐵礦將被氧化成赤鐵礦,氧化過程為放熱反應(yīng),球團(tuán)在氧化過程中伴隨結(jié)構(gòu)的變化,氧化反應(yīng)的過程也是球團(tuán)礦強(qiáng)度增加的過程。因此,磁鐵礦在焙燒過程中能夠被充分氧化對(duì)于提高球團(tuán)礦強(qiáng)度有明顯的好處,但在生產(chǎn)過程中對(duì)鏈篦機(jī)頭部、窯頭和環(huán)冷機(jī)尾部的球團(tuán)樣品進(jìn)行了FeO 分析,發(fā)現(xiàn)其FeO 含量明顯偏高,分別為16.62%、15.74%和6.25%,為此對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行了調(diào)整,加大了助燃風(fēng)機(jī)閥門開度,提高了焙燒氣氛中氧含量,調(diào)整過后對(duì)三個(gè)部分的球團(tuán)樣品再次進(jìn)行了FeO 分析,結(jié)果分別為15.50%、13.91%和4.40%,較調(diào)整前明顯降低,從而有利于提高球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度。
通過上述工業(yè)應(yīng)用,全釩鈦球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度得到了顯著改善,對(duì)應(yīng)用前后的球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了檢測(cè)分析,結(jié)果見圖9。從圖中可以看出,應(yīng)用后球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度明顯升高,達(dá)到1 989 N/個(gè),較應(yīng)用前提高了314 N/個(gè),基本滿足了高爐入爐要求,且全釩鈦球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度波動(dòng)明顯減少,更利于保持高爐的穩(wěn)定生產(chǎn)。
圖9 工業(yè)應(yīng)用前后抗壓強(qiáng)度變化情況Fig.9 Changes of compressive strength of pellet before and after technology optimization
1)實(shí)驗(yàn)室研究表明,工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)用高鈦型釩鈦磁鐵精礦小于0.074 mm 粒級(jí)僅占64.71%,膨潤(rùn)土小于0.074 mm 粒級(jí)為97.79%,均較粗,需要對(duì)其混合料進(jìn)行潤(rùn)磨處理,適宜的潤(rùn)磨時(shí)間為3 min 以上;通過焙燒試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),全釩鈦球團(tuán)礦適宜的預(yù)熱溫度為900 ℃、預(yù)熱時(shí)間為7 min,焙燒溫度大于1 200 ℃,焙燒時(shí)間25 min。
2)全釩鈦球團(tuán)礦主要由鈦鐵礦、磁鐵礦、硅酸鹽等物相構(gòu)成,且存在明顯的內(nèi)外分層現(xiàn)象,內(nèi)部帶由于氧化固結(jié)不夠充分,導(dǎo)致物相分布不均,孔洞和裂縫明顯,從而降低了球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度,故應(yīng)盡量減小內(nèi)部帶直徑。
3)工業(yè)應(yīng)用表明,通過增加潤(rùn)磨設(shè)備后,造球混合料小于0.074 mm 粒級(jí)由66.64%提高至71.69%,降低鏈篦機(jī)機(jī)速和回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)速,預(yù)熱2 段溫度從850 ℃左右提高至900 ℃左右,焙燒溫度從1 150 ℃左右提高至1 220 ℃左右,全釩鈦球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度從1 675 N/個(gè)提高到了1989 N/個(gè)。