基于鐵礦粉液相流動(dòng)性的塞拉利昂高鋁鐵礦配礦研究

公言國(guó)，王 廣，王靜松，薛慶國(guó)，趙雨霄，郁新蕓

(北京科技大學(xué)鋼鐵冶金新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100083)

液相是鐵礦粉燒結(jié)造塊的基礎(chǔ)，鐵礦粉液相流動(dòng)性反映了燒結(jié)過(guò)程中液相固結(jié)周圍未熔物料“有效黏結(jié)相”的多少，它對(duì)燒結(jié)礦黏結(jié)相產(chǎn)生重要的影響，因此研究鐵礦粉的液相流動(dòng)性對(duì)燒結(jié)配礦及優(yōu)化起著重要作用[1]。隨著我國(guó)煉鐵能力的大幅提高，在世界鐵礦資源日益緊張的今天，如何充分利用廉價(jià)的鐵礦資源，降低成本，是鋼鐵企業(yè)所面臨的新課題。

位于西非塞拉利昂的唐克里里鐵礦儲(chǔ)量達(dá)120億t以上，是非常具有前景的鐵礦資源。目前該項(xiàng)目一期建設(shè)已經(jīng)完成，已開(kāi)始向外輸出鐵礦粉。塞拉利昂一期鐵礦TFe品位不高，卻Al2O3含量較高，且其價(jià)格相對(duì)低廉。為了降低成本，我國(guó)鋼鐵企業(yè)開(kāi)始在燒結(jié)生產(chǎn)中配加該種礦粉，以致燒結(jié)礦中的Al2O3含量大幅提高。Al2O3含量是燒結(jié)過(guò)程中重要的參數(shù)之一，對(duì)燒結(jié)礦產(chǎn)量、質(zhì)量均產(chǎn)生重要影響[2]。為此，本研究通過(guò)添加CaO、SiO2、Al2O3純?cè)噭┱{(diào)節(jié)鐵礦粉中三種組分含量，分析其對(duì)鐵礦粉液相流動(dòng)性的影響，并向燒結(jié)常用鐵礦粉中配入塞拉利昂高鋁鐵礦粉，考察其對(duì)混合礦粉液相流動(dòng)性和燒結(jié)礦質(zhì)量的影響，以期為我國(guó)鋼鐵企業(yè)有效利用塞拉利昂高鋁鐵礦粉提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料

本實(shí)驗(yàn)所用原料為燒結(jié)生產(chǎn)常用的主要鐵礦粉，其化學(xué)組成如表1所示，其中，地方鐵礦精粉(M1)與南非鐵礦粉(M2)為磁鐵礦；塞拉利昂高鋁鐵礦粉(L1)、PB鐵礦粉(L2)、澳粗56 (L3)和朝鮮礦粉(L4)均為褐鐵礦。由表1可看出，除了朝鮮礦粉品位含量較低以外，其他鐵礦粉品位含量均不低于56%。兩種磁鐵礦粉的MgO含量較高，而Al2O3含量較低；其他褐鐵礦粉的MgO含量較低，但Al2O3含量較高，特別是塞拉利昂高鋁鐵礦粉，其Al2O3含量達(dá)到8%，SiO2含量達(dá)到2.2%，而朝鮮礦粉的SiO2含量高達(dá)16%。

表1 鐵礦粉的化學(xué)組成

1.2 混合礦配料方案

混合礦粉配料方案如表2所示，其中CaO為外加配比。混合礦粉中w(CaO)為15%，通過(guò)調(diào)節(jié)朝鮮礦粉穩(wěn)定w(SiO2)在5.5%左右。

表2 配料方案(wB/%)

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

鐵礦粉液相流動(dòng)性分析實(shí)驗(yàn)具體步驟如下：①將實(shí)驗(yàn)所用礦粉研磨至0.18 mm以下，并在烘箱中烘烤24 h；②稱取一定量的CaO與鐵礦粉并混合均勻制成實(shí)驗(yàn)試樣；③取不同礦物的試樣各1 g在相同的壓力和時(shí)間下壓制成直徑為10 mm、厚度約為5 mm的小餅；④將小餅置入鋁合鐵片上放入馬弗爐中焙燒(爐口預(yù)熱1 min，爐內(nèi)1300 ℃×5 min)；⑤取出試樣測(cè)定礦粉流動(dòng)后的鋪展面積，計(jì)算流動(dòng)性指數(shù)，其計(jì)算式[1]為

(1)

式中：L為鐵礦粉流動(dòng)性指數(shù)；S1為試樣流動(dòng)前的面積，m2；S2為試樣流動(dòng)后的鋪展面積，m2。

鐵礦粉液相流動(dòng)性SiO2含量的敏感性指數(shù)計(jì)算式為

(2)

式中：S為鐵礦粉液相流動(dòng)性對(duì)SiO2含量敏感性指數(shù)；L0、L1分別為初始流動(dòng)性指數(shù)、改變硅含量后流動(dòng)性指數(shù)；m為SiO2含量變化的百分?jǐn)?shù)，%。

燒結(jié)杯實(shí)驗(yàn)時(shí)，微調(diào)朝鮮礦粉用量，穩(wěn)定SiO2含量在5.5%左右，再調(diào)節(jié)白云石與菱鎂石用量，穩(wěn)定MgO含量在2.6%左右，并將堿度固定在1.85，燃料比為混合礦粉的4.5%。另外，返粉配入料為鐵礦粉量的30%。

模擬燒結(jié)試驗(yàn)中燒結(jié)杯的主要參數(shù)：直徑為300 mm，杯體高為600 mm。鋪底料為5 kg，料高為550 mm，點(diǎn)火溫度為(1000±50)℃，點(diǎn)火負(fù)壓為6 kPa，抽風(fēng)負(fù)壓為12 kPa。

2 結(jié)果與分析

2.1 單一礦粉自身流動(dòng)性分析

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，由于燒結(jié)礦堿度不同，并且生石灰的分布也有偏析，所以在燒結(jié)料層不同位置的w(CaO)是不同的，一般在10%～20%之間[3-4]。圖1為不同CaO配比下的鐵礦粉自身流動(dòng)性指數(shù)。由圖1可看出，當(dāng)w(CaO)由10%增至20%時(shí)，鐵礦粉的流動(dòng)性指數(shù)明顯提高。鐵礦粉在焙燒過(guò)程中會(huì)與CaO形成大量低熔點(diǎn)的化合物，隨著CaO配比提高，低熔點(diǎn)物質(zhì)的生成量增加，鐵礦粉生成液相的過(guò)熱度增大，液相黏度降低[1]。因此，隨著CaO配比的提高，鐵礦粉的流動(dòng)性也提高，其中塞拉利昂高鋁鐵礦粉受到的影響尤為明顯，其流動(dòng)性指數(shù)提高20倍以上。塞拉利昂高鋁鐵礦粉的SiO2含量較低，以至結(jié)合的CaO較少，若提高CaO配比，則會(huì)生成大量的低熔點(diǎn)鐵酸鈣，因而其液相流動(dòng)性指數(shù)的提高尤為明顯。

圖1 不同CaO配比下鐵礦粉的流動(dòng)性指數(shù)

Fig.1LiquidphasefluidityofironorewithdifferentCaOcontents

圖2為幾種鐵礦粉燒結(jié)試樣的XRD圖譜。由圖2可看出，朝鮮礦粉和塞拉利昂高鋁鐵礦粉在焙燒過(guò)程中均含有鐵酸鈣和磁鐵礦。不同于塞拉利昂高鋁鐵礦粉的是，朝鮮礦粉在焙燒過(guò)程中出現(xiàn)較多的赤鐵礦，這是因?yàn)楫?dāng)w(CaO)為15%時(shí)，朝鮮礦粉的二元堿度略高于鐵酸鈣生成的下限[5]，鐵酸鈣開(kāi)始生成，但是生成量較少，大量的SiO2結(jié)合CaO生成較多的硅酸鈣類物質(zhì)，從而導(dǎo)致較多的赤鐵礦殘余，而且硅酸鈣類礦物的熔點(diǎn)遠(yuǎn)高于鐵酸鈣類物質(zhì)(硅酸鈣熔點(diǎn)高于2000 ℃，鐵酸鈣熔點(diǎn)約為1200 ℃)，因此朝鮮礦粉的流動(dòng)性指數(shù)要低很多，接近于0。同褐鐵礦相比，磁鐵礦在焙燒過(guò)程中產(chǎn)生大量的亞鐵和橄欖石系礦物，橄欖石系礦物本身熔點(diǎn)較低(鈣鐵橄欖石熔點(diǎn)約為1200 ℃)[5]，亞鐵的存在進(jìn)一步降低了其熔點(diǎn)，使磁鐵礦的液相流動(dòng)性高于褐鐵礦L2～L4的液相流動(dòng)性。

圖2 幾種燒結(jié)試樣的XRD圖譜

2.2 SiO2、Al2O3含量對(duì)鐵礦粉流動(dòng)性的影響

2.2.1 SiO2含量對(duì)鐵礦粉流動(dòng)性的影響

圖3為幾種不同SiO2添加量下鐵礦粉的流動(dòng)性指數(shù)。由圖3可看出，隨著SiO2添加量的提高，鐵礦粉的流動(dòng)性指數(shù)不斷降低，其中塞拉利昂高鋁鐵礦粉的流動(dòng)性降低幅度尤為明顯。這是由于一定量的SiO2會(huì)促進(jìn)鐵酸鈣的生成，但當(dāng)SiO2含量較高時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較多的2CaO·SiO2來(lái)抑制鐵酸鈣的生成[6]。因此，隨著SiO2含量的提高，硅酸鈣系礦物的量增加，液相的過(guò)熱度降低，黏度增大，從而導(dǎo)致鐵礦粉流動(dòng)性降低。由圖3還可看出，不同鐵礦粉的液相流動(dòng)性隨著SiO2添加量的變化，其升降幅度是不同的。

圖3 不同SiO2添加量下鐵礦粉的流動(dòng)性指數(shù)

Fig.3LiquidphasefluidityofironoreswithdifferentSiO2additionamounts

圖4為幾種鐵礦粉液相流動(dòng)性對(duì)SiO2含量的敏感性。由圖4可看出，不同鐵礦粉液相流動(dòng)性對(duì)SiO2含量的敏感性是不同的，其中塞拉利昂高鋁鐵礦粉的敏感性指數(shù)最強(qiáng)，朝鮮礦粉的敏感性指數(shù)最弱；塞拉利昂高鋁鐵礦粉的敏感性指數(shù)隨著SiO2含量的提高而有所下降，而其他的鐵礦粉趨勢(shì)正好相反，這主要是因?yàn)槿焊咪X鐵礦粉受初始SiO2含量較低(2.2%)的影響。此外，磁鐵礦的敏感性要弱于褐鐵礦L1～L3。

2.2.2 Al2O3含量對(duì)鐵礦粉流動(dòng)性的影響

圖5為不同Al2O3添加量下鐵礦粉的流動(dòng)性指數(shù)。由圖5可看出，隨著Al2O3含量的提高，鐵礦粉的液相流動(dòng)性不斷下降，這是由于Al2O3是高熔點(diǎn)物質(zhì)，且對(duì)硅酸鹽網(wǎng)絡(luò)的形成有促進(jìn)作用[7]，其含量的提高，會(huì)使液相的熔點(diǎn)明顯上升，液相的過(guò)熱度降低，液相黏度增大，不利于鐵礦粉液相的流動(dòng)。由圖5還可看出，不同鐵礦粉液相流動(dòng)性隨著Al2O3添加量的變化，其升降幅度也是不同的。

圖4 鐵礦粉液相流動(dòng)性對(duì)SiO2含量的敏感性

Fig.4SensibilityoftheliquidphasefluidityofironorestoSiO2content

圖5 不同Al2O3添加量下鐵礦粉的流動(dòng)性指數(shù)

Fig.5LiquidphasefluidityofironoreswithdifferentAl2O3additionamounts

圖6為鐵礦粉液相流動(dòng)性對(duì)Al2O3含量的敏感性。由圖6可看出，不同鐵礦粉的液相流動(dòng)性對(duì)Al2O3含量的敏感性是不同的，其中塞拉利昂高鋁鐵礦粉的敏感性指數(shù)最弱，這主要是由于其初始Al2O3含量較高(8%)，Al2O3含量的提高對(duì)其液相流動(dòng)性的影響較小；隨著Al2O3含量的提高，鐵礦粉液相流動(dòng)性對(duì)Al2O3含量的敏感性指數(shù)均減弱。

圖6 鐵礦粉液相流動(dòng)性對(duì)Al2O3含量的敏感性Fig.6 Sensibility of the liquid phase fluidity of iron ores to Al2O3 content

通過(guò)上述分析表明，塞拉利昂高鋁鐵礦粉對(duì)SiO2含量的敏感性指數(shù)要高于對(duì)Al2O3含量的敏感性指數(shù)，SiO2含量對(duì)塞拉利昂高鋁鐵礦粉液相流動(dòng)性的影響較Al2O3含量更為明顯，而其他鐵礦粉則正好相反。

2.3 混合礦粉液相流動(dòng)性分析

圖7為混合礦粉的液相流動(dòng)性指數(shù)。由圖7可看出，隨著塞拉利昂高鋁鐵礦粉配比的增加，混合礦粉的液相流動(dòng)性指數(shù)不斷降低。混合礦粉中SiO2含量穩(wěn)定在5.5%左右，遠(yuǎn)高于塞拉利昂高鋁鐵礦粉中的SiO2含量。塞拉利昂高鋁鐵礦粉的液相流動(dòng)性對(duì)SiO2含量的敏感性非常強(qiáng)，并隨著SiO2含量的提高而下降，導(dǎo)致塞拉利昂高鋁鐵礦粉在焙燒過(guò)程中液相流動(dòng)性急劇下降，嚴(yán)重影響了其混合礦粉的液相流動(dòng)性。混合礦粉中的Al2O3含量隨著塞拉利昂高鋁鐵礦粉配比的提高不斷增加，混合礦粉的熔點(diǎn)升高、黏度增大，因而混合礦粉的液相流動(dòng)性隨著塞拉利昂高鋁鐵礦粉配比的增加而明顯降低。

圖7 混合礦粉的液相流動(dòng)性指數(shù)

2.4 混合礦粉的燒結(jié)性能

表3為混合礦粉燒結(jié)礦試樣的粒度組成。由表3可看出，隨著塞拉利昂高鋁鐵礦粉配比的增加，大粒級(jí)的燒結(jié)礦比率減少，小粒級(jí)燒結(jié)礦的比率增加，返礦的比率增大。

表4為混合礦粉燒結(jié)樣性能指標(biāo)。由表4可看出，隨著塞拉利昂高鋁礦粉配比的提高，燒結(jié)礦的轉(zhuǎn)鼓指數(shù)與成品率降低。這是由于隨著塞拉利昂高鋁礦粉配比的提高，混合礦粉的液相流動(dòng)性能變差(見(jiàn)圖7)，從而導(dǎo)致燒結(jié)過(guò)程中液相黏結(jié)周圍物料的能力下降[8]，大量的粉礦不能被有效地黏結(jié)，導(dǎo)致大粒度燒結(jié)礦的減少，小粒度燒結(jié)礦及返礦量增加，成品率下降；而且黏結(jié)效果變差之后，黏結(jié)相的強(qiáng)度變差，燒結(jié)礦樣轉(zhuǎn)鼓指數(shù)隨之下降。

表3 燒結(jié)礦樣粒度組成(wB/%)

表4 混合礦粉的燒結(jié)性能

3 結(jié)論

(1)隨著CaO配比的增加，鐵礦粉的液相流動(dòng)性變好，其中塞拉利昂高鋁鐵礦粉變化的幅度最大。

(2) 鐵礦粉液相流動(dòng)性受SiO2、Al2O3含量的影響，鐵礦粉的液相流動(dòng)性對(duì)SiO2、Al2O3含量的敏感性是不同的。SiO2含量對(duì)塞拉利昂高鋁鐵礦粉液相流動(dòng)性的影響較Al2O3含量更為明顯。

(3) 隨著塞拉利昂高鋁鐵礦粉配比的增加，混合礦粉的液相流動(dòng)性指數(shù)降低。

(4) 隨著塞拉利昂高鋁鐵礦粉配比的增加，混合礦粉燒結(jié)樣的轉(zhuǎn)鼓指數(shù)及成品率下降。

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