添加硼泥對(duì)球團(tuán)強(qiáng)度影響

高強(qiáng)健，魏 國(guó)，姜 鑫，杜 鋼，沈峰滿

(東北大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，沈陽(yáng) 110819)

添加硼泥對(duì)球團(tuán)強(qiáng)度影響

高強(qiáng)健，魏 國(guó)，姜 鑫，杜 鋼，沈峰滿

(東北大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，沈陽(yáng) 110819)

以遼東地區(qū)工業(yè)廢棄物 (硼泥)作為添加劑生產(chǎn)球團(tuán)礦，初步探討了硼泥對(duì)氧化球團(tuán)抗壓強(qiáng)度的影響及其應(yīng)用的可行性.結(jié)果顯示:隨著球團(tuán)礦中硼泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0增加至2.5%時(shí)，球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度逐漸上升，增幅最大可達(dá)658 N/球，故該硼泥可作為球團(tuán)添加劑用以提升球團(tuán)礦強(qiáng)度.鏡下觀察可知，硼泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加使得球團(tuán)中Fe3O4氧化再結(jié)晶過(guò)程增強(qiáng)，晶粒緊密連接且均勻分布，這有利于氧化球團(tuán)的固結(jié)及強(qiáng)度的提升.同時(shí)，隨著硼泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0增加至2.5%時(shí)，球團(tuán)礦孔隙度由18.61%減小至13.05%，這是提升球團(tuán)礦強(qiáng)度的另一因素.

球團(tuán)礦;添加劑;硼泥;強(qiáng)度

在現(xiàn)代高爐煉鐵中，酸性球團(tuán)礦因其粒度均勻，造塊成本低，還原性好等優(yōu)勢(shì)而被廣泛應(yīng)用［1～3］.但是，相比于高堿度燒結(jié)礦，酸性球團(tuán)礦亦有軟化熔滴性能差、中溫還原膨脹等缺陷［4～5］，因此，球團(tuán)生產(chǎn)過(guò)程中常適量加入添加劑來(lái)改善球團(tuán)礦質(zhì)量［6］.硼泥是制取硼砂的殘余物，主要礦物包括鎂橄欖石、蛇紋石、消石灰等.其中，MgO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，且含少量的B2O3，對(duì)高爐煉鐵有用的礦物，如CaO、MgO、Fe2O3等質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和可達(dá)60%以上［7］，而在遼寧東部地區(qū)，工業(yè)廢棄物硼泥存放量較大，且多為露天存放，污染環(huán)境和土地，如若能將其冶金資源化加以利用，對(duì)改善環(huán)境及資源的可持續(xù)發(fā)展將有重要意義.研究擬應(yīng)用遼東地區(qū)硼泥作為造球添加劑，探討其應(yīng)用的可行性;結(jié)合球團(tuán)礦孔隙度的變化和球團(tuán)礦Fe3O4氧化再結(jié)晶情況，對(duì)硼泥配比對(duì)球團(tuán)礦冷態(tài)抗壓強(qiáng)度的影響進(jìn)行初步研究，探明加入硼泥添加劑后，球團(tuán)礦強(qiáng)度變化的原因.

1 試驗(yàn)部分

1.1 球團(tuán)制備

試驗(yàn)原料主要包括:某企業(yè)的磁鐵精礦，膨潤(rùn)土和遼東地區(qū)硼泥，原料主要成分如表1所示.利用MASTERSIZER－2000型激光粒度分析儀對(duì)原料的粒度進(jìn)行分析.其中，該磁鐵精礦、磨細(xì)后硼泥、膨潤(rùn)土－74 μm粒級(jí)水平均大于80%.結(jié)果表明:原料粒度滿足鐵礦球團(tuán)生產(chǎn)要求.

表1 原料化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical compositions of raw materials(mass fraction) %

研究中，添加劑——硼泥的質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增加，分別為0，1.5%，2.0%，2.5%;同時(shí)，鐵精礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸減小;保持膨潤(rùn)土質(zhì)量分?jǐn)?shù)恒定為2.0%.考察硼泥配比對(duì)球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度的影響.

造球在直徑為Φ1 000 mm圓盤(pán)造球機(jī)上進(jìn)行.造球盤(pán)傾角:45(°);轉(zhuǎn)速:20 r/min;造球料水分:8.0±0.5%;造球時(shí)間:30 min;生球粒度:10～12 mm.生球置于105℃烘箱內(nèi)干燥3 h后，再在馬弗爐內(nèi)焙燒，當(dāng)爐溫升至900℃后，將經(jīng)干燥后的生球放入爐內(nèi)，同時(shí)吹入流量為1.2 L/min的空氣，40 min后升溫至1 250℃，恒溫焙燒20 min，隨爐冷卻至室溫.

1.2 物性測(cè)試

(1)抗壓強(qiáng)度

成品球團(tuán)抗壓強(qiáng)度測(cè)試由壓力試驗(yàn)機(jī)(LJ5000)系統(tǒng)完成.參考GB/T14201－1993標(biāo)準(zhǔn)，每組試驗(yàn)測(cè)定14個(gè)成品球的抗壓強(qiáng)度，然后去除兩個(gè)最大值和兩個(gè)最小值，取其余10個(gè)成品球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度值的平均值，記為成品球團(tuán)的抗壓強(qiáng)度.

(2)孔隙度和顯微結(jié)構(gòu)

成品球團(tuán)礦的孔隙度分析由AUTOPORE－9500型壓汞儀完成;球團(tuán)礦的顯微結(jié)構(gòu)及Fe3O4氧化再結(jié)晶情況是由金相反射顯微鏡完成的.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 抗壓強(qiáng)度結(jié)果

不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的硼泥添加劑對(duì)球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度影響的試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示.由圖1可見(jiàn):隨著硼泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0增加至2.5%時(shí)，球團(tuán)礦的抗壓強(qiáng)度逐漸增大，其中增幅最大可達(dá)658 N/球.

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

基于以上結(jié)果，對(duì)添加硼泥后球團(tuán)礦孔隙度及球團(tuán)礦的Fe3O4氧化再結(jié)晶程度進(jìn)行分析，探明抗壓強(qiáng)度變化的原因.

(1)球團(tuán)礦的孔隙度變化

圖1 硼泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)球團(tuán)抗壓強(qiáng)度的影響Fig.1 Effect of boron sludge mass fraction on compressive strength for the pellets

球團(tuán)礦孔隙度的大小對(duì)球團(tuán)礦強(qiáng)度、還原性等冶金性能均有影響.研究應(yīng)用壓汞儀對(duì)加入硼泥后球團(tuán)礦孔隙度的變化情況進(jìn)行分析.選取硼泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0、1.5%、2.5%的三組氧化球團(tuán)礦進(jìn)行分析，結(jié)果如圖2所示.由圖2可見(jiàn)，隨著硼泥配比由0%增加到2.5%時(shí)，球團(tuán)礦孔隙度逐漸減小，由18.61%減小至13.05%.由格林菲斯提出的微裂紋理論，臨界斷應(yīng)力(σ)與彈性模量(E)的關(guān)系式如式(1)所示［8～9］:

圖2 硼泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)球團(tuán)礦孔隙度的影響Fig.2 Effect of mass fraction of boron sludge on the porosity of the pellet

式中:σ為臨界斷應(yīng)力，MPa;E為彈性模量，GPa; Y為相關(guān)因子(與試樣尺寸和裂紋形狀相關(guān));C為裂紋的半長(zhǎng)，m;γ為物質(zhì)表面能，J/m2.

彈性模量E是固體在彈性變形階段，正應(yīng)力和對(duì)應(yīng)的正應(yīng)變的比值，多以其表征材料抗形變的能力，是材料的一種宏觀性能.而彈性模量(E)與孔隙度(ε)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系公式［10］如式(2)所示:

其中:E0為無(wú)孔隙時(shí)，材料的彈性模量，GPa;K1、K2為常數(shù)(其值取決于孔隙的取向和形狀等).

式(2)表明:當(dāng)孔隙度較小時(shí)，式中K2ε2項(xiàng)可以忽略不計(jì)，即彈性模量(E)與孔隙度(ε)近似成線性關(guān)系.結(jié)合式(1)(2)可知，當(dāng)孔隙度減小時(shí)，球團(tuán)礦臨界斷應(yīng)力σ不斷上升，即球團(tuán)礦強(qiáng)度逐漸增大;另外，孔隙一般多存于晶界處，特別是晶粒交界處，導(dǎo)致應(yīng)力集中，而在外力作用下較易形成裂紋，使式(1)中裂紋的半長(zhǎng)(C)增大，從而使球團(tuán)礦臨界斷應(yīng)力(σ)減小，球團(tuán)強(qiáng)度降低.綜上可知:隨著硼泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，球團(tuán)礦孔隙度逐漸減小，球團(tuán)礦強(qiáng)度增大.

(2)Fe3O4的氧化再結(jié)晶

現(xiàn)代球團(tuán)礦固結(jié)方式主要為Fe3O4氧化成Fe2O3后再結(jié)晶［11］，該種固結(jié)方式的球團(tuán)礦強(qiáng)度相對(duì)較好，是現(xiàn)代氧化球團(tuán)的主要固結(jié)方式.

將硼泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0、1.5%、2.5%三組球團(tuán)礦試樣拋光制片，在顯微鏡下觀察，各組球團(tuán)礦顯微結(jié)構(gòu)如圖3(a)、(b)、(c)所示，其中A相(淺白色)為Fe2O3，B相(棕灰色)為Fe3O4.

圖3 不同硼泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)球團(tuán)礦的顯微結(jié)構(gòu)Fig.3 Microstructures of the pellets with different mass fraction of boron sludge(a)—0;(b)—1.5%;(c)—2.5%

由圖3(a)可見(jiàn):球團(tuán)礦中不加入硼泥時(shí)，球團(tuán)礦中Fe2O3再結(jié)晶晶粒(A相)互連較松散，且分布不均勻，夾雜著Fe3O4(B相);圖3(b)、(c)表明:硼泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加后，球團(tuán)礦中Fe2O3再結(jié)晶晶粒連接明顯加強(qiáng)，且互成整體，該連晶形式結(jié)構(gòu)力強(qiáng)，這是導(dǎo)致球團(tuán)強(qiáng)度提升的又一原因.

3 結(jié)論

(1)以遼東地區(qū)工業(yè)廢棄物——硼泥作為球團(tuán)用添加劑時(shí)，隨該硼泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0增加到2.5%時(shí)，球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度逐漸增大，最大增幅達(dá)658 N/球.故該硼泥可作為球團(tuán)礦添加劑用以提高成品球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度

(2)該硼泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加使得成品球團(tuán)礦孔隙度逐漸減小;當(dāng)球團(tuán)礦中含硼泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0增至 2.5% 時(shí)，孔隙度由 18.61% 減小至13.05%;孔隙度減小導(dǎo)致球團(tuán)礦強(qiáng)度上升.

(3)隨著該硼泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，球團(tuán)礦中Fe3O4氧化再結(jié)晶作用增強(qiáng)，晶粒連晶完全，且均勻分布，這有利于氧化球團(tuán)礦的固結(jié)和和強(qiáng)度的提高.

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Effect of boron sludge on strength of pellet

Gao Qiangjian，Wei Guo，Jiang Xin，Du Gang，Shen Fengman

(School of Materials and Metallurgy，Northeastern University，Shenyang 110819，China)

The industrial waste(boron sludge)in Eastern Liaoning province was applied as an additive to produce pellet.The effects of boron sludge on compressive strength of the pellet and application feasibility of boron sludge were investigated preliminarily.It was found that:with addition of boron sludge from 0 to 2.5%in pellet，the compressive strength of the pellet increases gradually，the maximum amount is up to 658 N/pellet，therefore，the boron sludge can be used as an additive to produce pellets for enhancing strength.It can be seen from metallographic microscope that the boron sludge is beneficial to oxidize and recrystallize for Fe3O4.It makes the crystallite connect compactly and gives a well－distribution，so that it causes the enhancement of strength of the pellets.At the same time，with addition of the boron sludge from 0 to 2.5%the porosity of the pellets decreases from 18.61%to 13.05%.This is an another reason to increase the strength.

pellet;additive;boron sludge;strength

TF 521

A

1671-6620(2013)01-0001-03

2012-12-27.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 (51074040)、(51074206).

高強(qiáng)健 (1987—)，男，東北大學(xué)博士研究生，E－mail:gaoqiangjian@163.com;沈峰滿 (1958—)，男，東北大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師.