球團礦的熱態性能試驗及改進措施

吳文斌

( 新興鑄管新疆有限公司)

0 前言

與普通球團礦相比，含鎂球團具有粒度均勻、強度高、能夠有效改善高爐料柱透氣性等明顯優勢，因而在現代冶金工業中，將其作為實現高爐高產、優質、低耗的一種優質爐料得到了迅速普及和應用［1］。由于球團礦性能對于高爐冶煉指標和冶煉過程具有重要影響，強度作為球團礦性能評價的關鍵指標也越來越受到企業的關注。相對球團礦技術較為成熟的北美國家來說，我國球團礦技術發展尚還有較大差距，究其原因主要是成品球團礦的熱態性能不穩定，對高爐煉鐵產生一定負面影響，基于此，對于球團礦熱態參數的研究也越來越重要。

1 試驗

1．1 試驗原料

本試驗選取了新興鑄管新疆公司2012年9月、2012年12月、2013年3月份生產的三批次球團礦作為樣品，編碼依次為1#、2#、3#，球團礦檢驗指標見表1。

表1 球團礦檢驗指標

1．2 實驗設備

實驗的主要設備為X 射線衍射分析儀、掃描電子顯微鏡、能譜儀，采用了TPT － 3 型鐵礦石配礦特性試驗裝置，其中涵蓋了紅外線快速高溫試驗爐、溫度程序控制顯示儀、冷卻水控制器和相關的控制系統［2］。

1．3 實驗方法

按球團礦在高爐內不同高度的溫度、氣氛和停留時間等條件，在實驗室動態模擬球團礦在高爐內的升溫還原變化過程。用水銀浸入法對球團礦體積進行測定，用游標卡尺對球團礦平均直徑進行測定。

1)900 ℃恒溫還原實驗，采用國標GB/T13240－91 進行測定。

2) 不同溫度條件下的恒溫還原膨脹試驗。將事先準備好的反應管一次升溫到800 ℃、900 ℃、1000 ℃、1100 ℃，恒溫30 min，再通還原氣體恒溫1 h，之后將反應管提出爐外，然后通入氮氣冷卻至100 ℃以下。

3) 熱模擬高爐內不同高度條件的還原膨脹試驗。該實驗模擬球團礦在高爐內的升溫速度以及氣氛條件，試樣在氮氣( 流量15 L/min) 保護條件下進行升溫，當溫度達到100 ℃時，通還原氣體CO( 流量15 L/min) ，待溫度達到預定溫度后，立刻改通氮氣冷卻至100 ℃以下［3］。爐料升溫速度結合高爐冶煉周期、高爐內型數據以及不同高度的溫度場分布等情況進行精確的計算確定。

2 實驗結果及分析

2．1 還原膨脹

1)900 ℃恒溫還原膨脹試驗分析。三批球團礦900 ℃恒溫還原后的具體檢測情況見表2。

表2 球團礦900 ℃恒溫還原后指標

由表2 可以看出，1#球團礦的還原膨脹屬于正常范圍，2#球團相對較高，還原膨脹率平均達到了16．6%。3#球團和1#球團相近，還原膨脹率較低，其還原后球團抗壓強度最高。三批球團樣品中，1#、3#樣品900 ℃恒溫還原后指標較好。

通常球團礦膨脹的主要原因是Fe2O3還原成Fe3O4后發生晶格轉變造成的。α － Fe2O3→γ －Fe2O3→Fe3O4的轉變過程中，其體積增加7．8% 左右，同時伴隨物理熱膨脹3% ，包括內外部膨脹區域形成的膨脹差異導致的新的膨脹，綜合起來不高于20%。3#球團從原來的浮氏體逐漸向金屬鐵還原時，這一環節主要是鐵離子擴散起作用，金屬鐵主要以一種較為致密的層狀形態析出，即使還原度最高，也未造成體積增大，反而呈現出收縮的狀態，其還原后抗壓強度最高。

假如這一還原過程受到化學反應的影響，金屬鐵將通過一種纖維狀、針狀鐵晶須形態進行析出和長大，從而造成球團礦異常膨脹，一旦其膨脹率高于20%，將對高爐順行造成不利影響。通過對還原后的球團礦進行觀察，其表面大裂紋較少，僅有少數球存在，大部分球表面有0．2 mm 左右的微裂紋，分析認為球團礦處于900 ℃恒溫還原時，膨脹是因晶格的轉變所致，這一過程受鐵離子擴散的控制。

2) 不同溫度條件下恒溫還原膨脹試驗［4］。實驗在不同溫度條件下對2#球團進行恒溫還原1 h，當溫度處于800 ℃～1100 ℃這一范圍時，隨著溫度的逐漸提高，其體積膨脹開始的是增大的，之后逐漸降低，在900 ℃時達到峰值11．11% ，同時觀察表面發現明顯的裂紋和變形。隨著溫度繼續升高到1000 ℃以上時，發現球團礦的還原膨脹率開始呈現出緩慢降低的趨勢。究其原因，主要是隨著溫度的不斷升高，所生成的金屬鐵核量也開始逐漸升高，與此同時擴散能力也越來越強，導致各個方向上金屬鐵核成長為較為致密的金屬鐵層。

3) 模擬高爐不同高度條件下球團礦的還原膨脹。仍選取2#球團進行高爐內的升溫速度以及氣氛條件的模擬實驗，其升溫還原試驗結果如圖1 和圖2 所示。

圖1 球團礦體膨脹率和還原度的關系

圖2 球團礦和還原度、還原速率以及溫度的關系

由圖1、圖2 可以看出，球團礦如果在非等溫條件下進行還原，它的膨脹率與處于等溫條件下相比，呈現出顯著減小的趨勢。

由圖中還可以看出，不同溫度下球團礦的膨脹率與還原度、溫度呈現出一種凸形曲線關系，與最大膨脹率相對應的溫度在550 ℃～650 ℃區間，大約600 ℃，還原度的值在20% ～40%之間，大約30%，此時的還原速率最大，而與最大膨脹率相對應的抗壓強度卻最低。

當溫度低于600 ℃時，球團礦就會隨著溫度的逐步升高，在膨脹率上呈現出增大的趨勢，當溫度超過600 ℃時，隨著溫度的逐步升高，其膨脹率將呈現出逐漸降低的趨勢。這一階段的還原過程通常呈α－Fe2O3→γ － Fe2O3→Fe3O4→Fe 轉變這一趨勢。當溫度超過900 ℃時，球團礦體積呈現逐漸收縮態勢，隨著溫度的逐漸升高，收縮率也隨之不斷升高，到1100 ℃時，球團礦的抗壓強度將達到700 N/球。這一還原過程α－Fe2O3→γ －Fe2O3→Fe3O4→FexO→Fe 轉變。隨著溫度的逐漸升高，球團礦還原度將呈現出繼續升高的趨勢，同時FexO 還原成金屬鐵的量也會逐漸增多，體積隨之減少，膨脹率越來越低，而強度就會越來越高。

所以說，鐵球團礦膨脹的最主要原因是從六方晶格的赤鐵礦開始向立方晶格的磁鐵礦發生相變。從實踐看，酸性氧化球團因晶形轉變而帶來的膨脹是不可避免的。

當球團礦在非等溫條件下，其還原膨脹率之所以逐漸減小是因為初始的還原溫度較低，形成Fe2+時溫度也比較低，由于Fe2+處在浮氏體內擴散非常緩慢，從而造成氣固相界面還原之后Fe2+出現大幅度增加，直到濃度過飽和而催生出新相，進一步形成大量的金屬Fe 核，可有效消除少數點生成的鐵晶須進行。與此同時，由于還原時間較長，為磁鐵礦、浮氏體的均勻發展創造了有利條件。研究表明，當升溫速度越慢時，其初始的溫度就會越低，相應的還原膨脹率也會較低［5］。

2．2 熔滴性能

在實驗室中制備了不同堿度的燒結礦，將其分別與球團礦按一定比例配合成綜合爐料，設定綜合爐料的堿度為1．10，其方案見表3。不同比例的2#球團礦與燒結礦綜合爐料熔滴性能見表4。

表3 綜合爐料的熔滴實驗方案

表4 不同比例球團礦爐料熔滴性能

由表3、表4 可以看出，在綜合爐料堿度一定的條件下，球團礦配比在5% ～30%范圍內，隨球團配比增加，綜合爐料的熔滴性能呈現出變差的趨勢。

為了改善綜合爐料的熔滴性能，對普通球團與含鎂球團、含鈣球團進行了試驗比較。實驗中選取了含鎂、含鈣球團礦與球團礦在熔滴性能上進行了分析比較，具體情況見表5。

表5 球團礦熔滴性能

由表5 可以看出，普通球團礦熔滴性能較差，會出現明顯的變形溫度，變形在10% ～50% 之間溫度都較低。當添加一定量的鎂或者部分鈣后，其熔滴性獲有一定的改善。軟化變形溫度以及開始滴落溫度都在不同程度上提高。另外，實驗還表明添加鎂的球團軟化區間增寬，如果添加鈣，軟化區間也會增寬。

3 改善球團礦性能對策

3．1 做好溫度控制，改善球團礦膨脹率

球團礦在800 ℃～1100 ℃的范圍內進行等溫還原時，隨著溫度的不斷上升，其體積膨脹率在初始的時候增大，之后又呈現出下降的趨勢，其中在900 ℃時膨脹率達到最大。通過模擬球團礦在高爐內的升溫速度以及相應還原氣氛條件下的反應，發現球團礦膨脹率比在等溫條件下會出現較為明顯的減小。

3．2 添加氧化鎂或者氧化鈣熔劑，改善球團礦熔滴性

球團礦在剛開始出現軟化時溫度較低，收縮率4%時對應溫度大約在970 ℃～1035 ℃的范圍內，此時熔滴性能較差。有效的改善辦法是向球團中添加部分氧化鎂，添加氧化鈣熔劑也是一種有效的方法，都能夠不同程度的改善球團礦熔滴性。

3．3 生產以含鎂為主的球團礦，降低還原膨脹率

在生產球團礦時，可以考慮以含鎂球團礦為主。該種球團礦能夠有效降低還原膨脹率，同時也可以提高軟化溫度，從而為進一步提高球團礦在高爐中的使用比例創造有利條件。

4 結束語

綜上所述，爐料的結構優劣對于高爐煉鐵多項技術經濟指標都具有重要影響，對于大型鋼鐵企業來說，需要借助自產的球團礦，通過優化爐料結構來實現自身競爭水平的提高，因而球團礦質量就成為企業贏得競爭的關鍵之一。在實際生產中，企業需要從控制膨脹率、提高軟化溫度等各個方面著手，不斷改善球團礦熱態冶金性能，更好的滿足高爐生產的需要。

［1］方覺，龔瑞娟，趙立樹，孟輝．球團礦氧化焙燒及還原過程中的強度變化［J］．鋼鐵，2007，42(2) :11 －13．

［2］李彩虹，方覺，時國松．宣鋼豎爐球團礦強度變化規律［J］．河北理工大學學報( 自然科學版) ．2010(3) :29 －32．

［3］ZHANG Han －quan． Optim ization on Tech nical Fact ors of Pel let s Shaf t Roast ing in Daye［J］Researchon Iron and St eel，2002(4) :1 －4．

［4］趙威，王翠輕． 邯邢磁鐵礦精粉用作球團礦原料的試驗研究［J］．燒結球團，2008，33(6) :11 －13．

［5］張玉柱，曹朝真，劉鵬君，李振國，尹海生．球團用膨潤土高溫焙燒活化改性試驗［J］． 河北理工學院學報．2006，28( 2) : 11 －13，22．