高鎂球團焙燒特性及其固結強化機理

范曉慧，謝路奔，甘敏，陳許玲，袁禮順

(中南大學 資源加工與生物工程學院，湖南 長沙，410083)

高爐冶煉對爐渣化學成分有一定的要求[1-3]，當爐渣堿度為1.0～1.2，Al2O3質量分數為13%～15%，MgO質量分數為10%～12%時，爐渣的性能最佳，高爐能達到較好的冶煉效果[4-7]。礦石中MgO質量分數不足以提供爐渣所需的MgO，因此通常要往高爐爐料中添加含鎂熔劑。直接向高爐內添加含鎂熔劑是不經濟、不科學的，因為主要的含鎂熔劑白云石、菱鎂石加入高爐后，碳酸鹽分解吸熱，使高爐焦比明顯上升[8-10]。因此，MgO需要加入到燒結礦和球團礦這2種熟料中再進入高爐。生產低硅燒結礦時，一般控制 MgO質量分數在2.0%以下，這不能滿足高爐對MgO的需求。部分 MgO需要添加到球團礦中。研究表明：含鎂球團有很好的冶金性能[11-13]，但含鎂球團具有難焙燒和強度差的特點，給工業生產帶來困難[14-15]，因此，對含鎂球團的深入研究很有必要。

1 原料物化性能與研究方法

1.1 原料物化性能

原料物化性能見表1。試驗采用2種有代表性的鐵精礦，磁鐵精礦和赤鐵精礦。2種鐵精礦鐵品位都比較高，除SiO2外其他雜質含量較少；蛇紋石除MgO含量高外，SiO2質量分數也達到了35.18%；MgO粉為分析純試劑，MgO質量分數為98%；菱鎂石主要礦物為MgCO3，MgO質量分數為45.82%；石灰石主要礦物為CaCO3，CaO質量分數為52.02%。磁鐵精礦粒度低于0.074 mm的質量分數達到79%；赤鐵精礦粒度低于0.074 mm的質量分數在80%以上；其他鈣、鎂添加劑粒度都較細，粒度低于0.074 mm的質量分數在80%以上。

球團粘結劑采用膨潤土。膨潤土物理性能較好，各指標如下：膠質價為100 mL/(15 g)，膨脹容為49.2 mL/g，2 h吸水率為510.3%，蒙脫石質量分數為90.1%。

另外，采用硼砂作為含硼添加劑，分子式為Na2B4O7·10H2O。硼砂熔點低，熔點為741 ℃。

1.2 試驗方法

1.2.1 球團制備、焙燒的試驗方法

造球試驗是在圓盤造球機中進行的，其主要技術參數為：圓盤直徑Ф=1 000 mm，轉速22 r/min，邊高h=150 mm，傾角α=47°。預熱焙燒試驗是在臥式管爐中進行的，它由2個管爐對接而成；鐵鉻鋁絲電阻爐作預熱用，硅炭管電阻爐作焙燒用。將制備好的球團干燥2 h后進行預熱、焙燒試驗，其條件為：在950 ℃下預熱10 min，在1 250 ℃下焙燒10 min。

1.2.2 離子擴散的研究方法

將鐵礦石或鐵礦石與石灰石的混合物和MgO試劑分別在125 MPa的壓力下壓塊成型，并在1 300 ℃的溫度下焙燒10 h，煅燒后將團塊進行退火處理，然后將團塊切片，并將橫斷面研磨、拋光成鏡面。將2個團塊的鏡面緊密接觸制備成擴散耦，如圖 1(a)所示。

將擴散耦在1 300 ℃下焙燒1 h，冷卻后用樹脂固化，然后沿擴散方向進行切片，研磨斷面并拋光。通過顯微鏡觀察圖1(b)中產物層研究離子的擴散。

表1 原料的物化性能(質量分數)Table 1 Chemical composition of materials %

圖1 擴散耦示意圖Fig.1 Diffusion-coupling

2 試驗結果與分析

2.1 含鎂球團焙燒的特性

在膨潤土質量分數為2.0%的情況下，通過添加單一的含鎂添加劑來改變球團MgO質量分數。MgO對磁鐵礦球團預熱球和焙燒球強度的影響如圖2所示。由圖2可知：隨著MgO質量分數的增加，3種含鎂添加劑都使得磁鐵礦球團預熱球和焙燒球強度降低。

圖2 MgO質量分數對磁鐵精礦球團預熱球和焙燒球強度的影響Fig.2 Influence of MgO on preheated and roasted magnetite pellets

MgO質量分數對赤鐵礦球團預熱球和焙燒球強度影響如圖3所示。從圖3可見：隨著MgO質量分數的增加，3種含鎂添加劑同樣使得赤鐵精礦球團預熱球和焙燒球強度降低。

2.2 MgO影響球團強度的原因

針對不加含鎂添加劑的低鎂球團和添加含鎂添加劑的高鎂球團，研究了2種球團的顯微結構，結果如圖4所示。由圖4可見：低鎂球團中，球團礦物組成比較單一，主要為赤鐵礦，且赤鐵礦結晶較好；而在高鎂球團中生成了MgO·Fe2O3，并有未礦化的MgO，阻礙了赤鐵礦與赤鐵礦間的接觸，不利于結晶長大，赤鐵礦晶粒細小。

圖3 MgO質量分數對赤鐵精礦球團預熱球和焙燒球強度的影響Fig.3 Influence of MgO content on preheated and roasted hematite pellets

2.3 強化含鎂球團焙燒固結的措施

研究了添加含鈣和含硼添加劑對高鎂球團強度的影響，結果如圖5和圖6所示。從圖5和圖6可見：對于MgO質量分數為3.2%的磁鐵礦球團，隨著堿度的提高，球團的預熱球和焙燒球強度都是先升高后降低，在R=0.4～0.5時球團焙燒強度達到最大值；隨著硼質量分數的增加，球團預熱球和焙燒球的強度都升高；當硼砂質量分數達到0.2%后，再繼續增加其質量分數對球團預熱強度的提高不再明顯，當硼質量分數由0.2%提高到0.6%，球團預熱球強度由540 N/個提高到560 N/個。

圖4 MgO質量分數對球團顯微結構的影響Fig.4 Influence of MgO content on microstructure of pellets

圖5 堿度與球團預熱球和焙燒球強度的關系Fig.5 Influence of basicity on preheated and roasted pellets

對于MgO質量分數為2.0%的赤鐵礦球團，隨著堿度的提高，球團的預熱球強度和焙燒球強度也是先升高后降低，球團焙燒強度同樣在堿度R=0.4～0.5時達到最大值。提高堿度對赤鐵礦球團焙燒強度的提高效果明顯；當赤鐵礦球團堿度由0.1提高到0.4時，球團強度提高了將近1.5 kN/個。隨著硼質量分數的增加，球團預熱球、焙燒球強度也都升高，當硼質量分數由0提高到0.6%時，球團焙燒強度提高了700 N/個。

圖6 硼質量分數對球團預熱球和焙燒球強度的影響Fig.6 Influence of boron content on preheated and roasted pellets

2.4 含鎂球團焙燒固結強化的機理

為了分析含鈣和含硼添加劑對球團礦強度的影響，分別針對磁鐵精礦和赤鐵精礦研究含鈣和含硼添加劑對球團顯微結構和離子擴散的影響。

含鈣添加劑對球團顯微結構的影響如圖7所示。與圖4(b)和(d) 2種高鎂球團顯微結構相比，加入石灰石后，球團礦中出現低熔點的礦物即鐵酸鈣，未礦化的 MgO消失，球團赤鐵礦晶粒明顯有長大且晶粒都交織在一起，此時球團強度最好。

含硼添加劑對球團顯微結構如圖8所示。硼砂與鐵酸鈣一樣，熔點低，在焙燒過程中以液相形式存在。球團中加入硼砂后，球團赤鐵礦晶粒發育良好，赤鐵礦晶粒大且相互連成一片，MgO完全礦化，球團中沒有出現未礦化的MgO。

圖7 堿度對球團顯微結構的影響Fig.7 Influence of basicity on microstructure of pellets

圖8 硼質量分數0.6%時的球團顯微結構Fig.8 Microstructure of pellets with 0.6% of boron

圖9 堿度對離子擴散的影響Fig.9 Influence of basicity on ionic diffusion

以石灰石為代表，將石灰石與鐵精礦混勻后，與MgO粉制成擴散耦，研究了添加劑對離子擴散的影響，結果見圖9。由圖9可知：添加了石灰石的擴散耦產物層鐵酸鎂要比不添加時的厚。石灰石的加入促進了Mg2+的擴散，Mg2+遷移能力變強，能夠擴散到更遠的距離，有利于含鎂物質的礦化。這對球團強度的提高是有利的。

由圖7～9可知：含鈣和含硼添加劑通過加快Mg2+擴散和促進赤鐵礦晶粒聚集長大以提高高鎂球團強度。含鈣和含硼添加劑的加入，使得球團在焙燒過程中生成低熔點物質并以液相形式存在，在有液相存在時，Mg2+和Fe3+有更強的遷移能力，能夠擴散到更遠的距離，有利于含鎂熔劑的礦化和赤鐵礦晶粒的長大。這對球團強度的提高有促進作用。

3 結論

(1) 分別以蛇紋石、MgO試劑、菱鎂石3種物質作為含鎂添加劑，無論是赤鐵礦球團還是磁鐵礦球團，其預熱球和焙燒球強度都隨著 MgO質量分數的增加而降低。

(2) 隨堿度的升高，含鎂球團預熱球和焙燒球強度先升高后降低，堿度在 0.4～0.5時球團強度最大。隨著硼質量分數的升高，2種高鎂球團預熱球和焙燒球強度都升高。

(3) 含鈣和含硼添加劑都可以使球團在焙燒過程產生一定的液相。在有液相存在的情況下，Mg2+和Fe3+有更強的遷移能力，能夠擴散到更遠的距離，有利于含鎂熔劑的礦化和赤鐵礦晶粒的長大。對球團強度的提高有促進作用。

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