球團礦回轉窯內結圈物的特性研究

聶建華,張子洋,喬 婉,孫吉瑤,陳俊峰,周 潛,梁永和

(武漢科技大學耐火材料與高溫陶瓷國家重點實驗室培育基地,湖北武漢,430081)

球團礦回轉窯內結圈物的特性研究

聶建華,張子洋,喬 婉,孫吉瑤,陳俊峰,周 潛,梁永和

(武漢科技大學耐火材料與高溫陶瓷國家重點實驗室培育基地,湖北武漢,430081)

采用XRD、SEM和EDS等測試方法研究球團礦回轉窯內結圈物的基本特性和顯微結構及其對結圈形成的影響。結果表明,結圈物主要以赤鐵礦為主,含有部分磁鐵礦,其主要成分是鐵的氧化物,其他少量成分以A l2O3、SiO2為主,還有極少量的CaO、K2O、Na2O等堿金屬氧化物,它們主要以玻璃相的形式分布在晶界和氣孔中。回轉窯結圈的生長主要依靠鐵氧化物的固相燒結反應,雜質形成的液相對固相燒結反應起到一定的促進作用。

球團礦回轉窯;結圈;耐火材料;顯微結構

回轉窯球團工藝具有適應性強、生產能力大、工藝靈活等優(yōu)點,實現球團工業(yè)生產的連續(xù)化、大型化,已成為我國球團礦生產的主要工藝[1]。但球團礦回轉窯都存在著結圈的問題,結圈所帶來的負面效應不僅使工藝制度失常、失控,而且回轉窯因結圈嚴重而導致耐火材料損壞所引起的檢修頻繁出現,已經成為抑制回轉窯順行的首要因素[2-3]。由于結圈原因和過程十分復雜,目前對結圈物的特性和形成機理的研究還不夠充分[4]。為此,本文采用XRD、SEM和EDS等測試方法,研究了球團礦回轉窯內結圈物的特性、顯微結構和形成機理,以期為工業(yè)生產預防結圈提供一定的理論依據。

1 試樣和檢測

試驗所用試樣來自武漢鋼鐵(集團)公司礦業(yè)公司鄂州球團廠回轉窯,待回轉窯停窯冷卻后,對窯內不同部位的結圈物進行取樣分析。由于窯頭和窯尾結圈不嚴重,各取一個試樣作為研究對象;窯中結圈十分嚴重,故結圈物上部和下部各取一個試樣作為研究對象。

按照國家行業(yè)標準對各個試樣進行化學成分分析;采用X’Pert M PD Pro型X射線衍射儀對各個試樣進行物相分析;采用NANO SEM 400 NOVA FEI型場發(fā)射掃描電子顯微鏡對各個試樣的顯微結構形貌進行表征,采用PHOEN-EDX能譜分析儀對試樣特征點進行能譜分析。

2 結果與討論

2.1 回轉窯內結圈的宏觀現象

待球團礦回轉窯大修停窯后,對完全冷卻后的回轉窯內進行宏觀觀察。窯頭處結圈物呈瓦片狀均勻地鋪在窯壁上,每片與耐火磚的大小差不多。這里的結圈物結構比較疏松,表面顯暗紅色,厚度約為40 mm,主要是粉末燒結成的小塊黏結在一起,基本上沒有球團黏結的現象。從距下料口7 m左右的位置開始出現熔融狀結圈物,形狀逐漸不規(guī)則,有大片黏結的現象,結圈厚度增厚,表面光滑、發(fā)亮,并有少量球團黏結。進入高溫燒成帶,熔融狀結圈物十分明顯,結圈物內黏結的球團增多。距下料口10～18 m的區(qū)域結圈最為嚴重,出現1 m多高的大塊結圈物。該處結圈物呈金屬光澤,表層結構致密,嚴重燒結,內部有大量球團黏結在一起,球團之間被大量燒結的粉末填充,部分球團與粉狀物熔結在一起,區(qū)分不開。過了高溫帶,結圈程度又逐漸降低,熔融狀物質減少。窯尾結圈物結構較窯頭處的更加疏松,顏色暗紅,沒有球團黏結的現象。由此可見,回轉窯內粉末過多、燒成溫度過高是造成窯內結圈的主要原因。

2.2 結圈物的化學、礦物組成

窯頭、窯中上部和下部、窯尾處結圈物的化學成分分析如表1所示。由表1可看出,結圈物的主要成分是鐵的氧化物,其他化合物的總量在10%左右。其中,SiO2、A l2O3的含量相對較高,這是因為除了球團原料中含有少量的 SiO2、A l2O3外,主要是由于作為燃料的煤在完全燃燒后煤灰的主要成分也是SiO2、A l2O3。同時,完全燃燒后的煤灰中含有少量CaO、K2O、Na2O等堿金屬氧化物也會產生聚集,為低熔點化合物的形成提供了條件。

表1 結圈試樣的化學成分(wB/%)Table 1 Chem ical compositions of the ring samples

圖1 結圈試樣的XRD圖譜Fig.1 XRD patterns of the ring sam ples

對上述4組結圈試樣進行X射線衍射分析,分析結果如圖1所示。由圖1可看出,窯頭結圈物和窯中結圈物(下部)以赤鐵礦為主,窯中結圈物(上部)含有部分磁鐵礦和赤鐵礦,窯尾結圈物以磁鐵礦為主。XRD分析結果表明,鐵精礦在窯頭低溫區(qū)主要以Fe2O3形式存在;在窯中高溫下Fe2O3發(fā)生分解形成 Fe2O3和 Fe3O4的混合物;在窯尾處由于 Fe2O3分解反應完全,最終形成Fe3O4,所以回轉窯中結圈物的主要物相是Fe的各種氧化物。由此可知,殘留在回轉窯中的鐵精礦是結圈物的主要組成部分,無論鐵精礦中的Fe元素以哪種價態(tài)存在都會形成結圈。

采用高溫物性測試儀(量程為1 450℃)對不同區(qū)域的結圈物進行熔點測試,在1 450℃均未出現軟熔跡象,即其始熔溫度為1 450℃以上。窯中高溫帶燒成溫度一般在1 350℃左右,即使局部溫度過高,也不足以形成大量液相,因此,結圈的生長主要是由固相反應而燒結造成的。

2.3 結圈物的顯微結構

圖2為回轉窯中部高溫帶結圈物試樣低倍放大的顯微結構照片。由圖2可看出,結圈物結構很不均勻,有些區(qū)域含有大量的氣孔和裂紋,并且呈無規(guī)則分布,有些區(qū)域結晶比較完整,燒結致密。從整體結構來看,結圈物的礦相組成十分簡單,以燒結的氧化鐵為主。

圖2 低倍觀察結圈試樣的顯微結構照片Fig.2 The low-power field photos of them icrostructure of the ring sample

對不同微區(qū)進行放大觀察,圖3為結圈試樣的高倍觀察顯微結構照片。由圖3可看出,氧化鐵晶粒(圖3中點A和C)緊密連接,晶形粗大,呈塊狀,部分晶粒出現了異常生長,粒度一般在100 μm以上。在部分氧化鐵晶粒晶界和氣孔中可看到少量的玻璃相(圖3中點B和D)。對圖3中的A、B、C、D四點進行電子探針能譜分析,其結果如圖4所示。由圖4(a)、圖4(b)可看出,不同區(qū)域的氧化鐵結晶相中,均只固溶了少量的A l元素,沒有其他元素存在。由圖4(c)、圖4(d)可看出,富集在晶界和氣孔中的玻璃相是由Si、A l、Ca、K等雜質元素構成的,這些雜質元素主要是由煤灰和作為鐵精礦球團黏結劑的膨潤土帶入的,另外鐵精礦中的雜質在高溫下會隨著氧化鐵晶粒的發(fā)育而向晶界偏析[5]。這些雜質元素在窯中高溫區(qū)下可以形成高黏度液相,少量液相的存在一方面促進了鐵精礦球團的燒結,另一方面高黏度液相具有較大的黏結性能,導致固體球團物料之間形成一定程度的黏結[6],從而促進了結圈的生長。然而,在電鏡下沒有觀察到鐵的氧化物與這些雜質元素形成結晶相,僅發(fā)現玻璃相中溶解了少量Fe。這表明,盡管雜質形成的低熔液相起到了加速結圈生長的作用,但鐵氧化物的固相燒結才是結圈生長的主要機制。

圖3 高倍觀察結圈試樣的顯微結構照片Fig.3 The high-power f ield photos of them icrostructure of the ring sample

圖4 圖3中A～D四點的能譜圖Fig.4 EDS patterns of points A～D in Fig.3

對不同區(qū)域的結圈物進行綜合分析后發(fā)現,球團礦回轉窯結圈的生長主要依靠鐵氧化物的固相燒結。由于窯中部煅燒高溫帶溫度相對較高,鐵精礦球團和燃煤燒盡后煤灰中雜質元素可以形成較多的液相量,一方面促進了鐵精礦球團的固相燒結,另一方面加速了燒結球團之間形成劇烈的黏結,從而導致窯中形成最為嚴重的結圈。

3 結論

(1)回轉窯內燃煤燒盡后的煤灰過多、燒成溫度過高是造成窯內結圈的主要原因。

(2)結圈物主要物相以赤鐵礦為主,含有部分磁鐵礦。結圈物的顯微結構不均勻,氧化鐵晶粒長大形成大晶粒;雜質成分則以玻璃相的形式分布在氧化鐵晶粒晶界和氣孔中。

(3)球團礦回轉窯結圈的生長主要依靠鐵氧化物的固相燒結反應,雜質形成的液相對結圈的形成起到了促進作用。

[1] 劉文權.對我國球團礦生產發(fā)展的認識和思考[J].煉鐵,2006,25(3):10-13.

[2] 張漢泉.鏈篦機-回轉窯氧化球團結圈結塊原因及預防[J].金屬礦山,2005(7):59-61.

[3] 李軍,張化明.邯鄲氧化球團回轉窯結圈原因分析與預防[J].燒結球團,2007,32(3):55-58.

[4] 張子洋,梁永和,余為,等.球團礦回轉窯耐火材料的蝕損及其對結圈的影響[J].硅酸鹽通報, 2009,28(增刊):100-103.

[5] 高振昕,平增福,張戰(zhàn)營,等.耐火材料顯微結構[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2002:66-67.

[6] 袁禮順.煤氣供熱氧化球團回轉窯結圈機理及預防措施的研究[D].長沙:中南大學,2006.

Characteristics of the pellet rotary kiln ring

N ie Jianhua,Zhang Ziyang,Qiao W an,Sun Jiyao,Chen Junfeng,Zhou Qian,L iang Yonghe
(The State Key Labo ratory Breeding Base of Refracto ries and Ceramics, Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430081,China)

The basic characteristics and microstructure of the pellet rotary kiln ring and its effects on ring forming were investigated by XRD,SEM and EDS.The results show:themain mineral phase of the ring is hematite;the impurities in the ring are very limited and they congregates in grain boundaries and pores as glass phase,w hich ismainly composed of A l2O3and SiO2and fewer alkalimetal oxides such as CaO,K2O,and Na2O.The ring’s grow th mainly depends on ferrum oxide’s solid phase sintering reaction p rocess.The liquid phase formed from impuritiesp romotes the solid phase sintering reaction p rocess to a certain extent.

pellet rotary kiln;ring forming;refractory;microstructure

TQ175

A

1674-3644(2010)05-0527-05

作者介紹:聶建華,男,1974年出生,1997年畢業(yè)于武漢科技大學無機非金屬材料專業(yè),獲工學學士學位,2004年畢業(yè)于華中科技大學微電子學與固體電子學專業(yè),獲工學博士學位。武漢科技大學副教授、碩士研究生導師。近年來發(fā)表論文20余篇,其中SCI檢索5篇,EI檢索8篇,ISTP檢索4篇。近年來作為項目負責人完成武漢市科技局青年科技晨光計劃項目,參與了國家自然科學基金、湖北省科技廳縱向課題研究,主持和參與企業(yè)橫向合作課題多項。2010年榮獲武漢科技大學“十佳青年教師”。主要研究方向為無機新材料合成與制備、冶煉新技術用耐火材料、高技術陶瓷與耐火材料、非氧化物結合復合耐火材料和高性能磁性鐵氧體材料等。

[責任編輯 徐前進]

2010-06-21

武漢市青年科技晨光計劃資助項目(20065004116-37).

聶建華(1974-),男,武漢科技大學副教授,博士.E-mail:niejhlp@163.com