MgO來源對磁鐵精礦球團預熱行為的影響

潘建，于鴻賓，朱德慶，春鐵軍

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MgO來源對磁鐵精礦球團預熱行為的影響

潘建，于鴻賓，朱德慶，春鐵軍

(中南大學資源加工與生物工程學院，湖南長沙，410083)

分別對普通磁鐵礦球團、高鎂磁鐵礦和普通磁鐵礦配加MgO粉的球團預熱行為進行研究，考察鎂的來源對球團預熱性能的影響。研究結果表明：在850~1 000 ℃的預熱溫度下，磁鐵礦預熱球的抗壓強度隨著MgO質量分數的升高而降低。在相同預熱條件下，普通磁鐵礦預熱球的抗壓強度最高；以類質同象形式存在或外加的MgO均會降低磁鐵礦預熱球的抗壓強度，外加MgO粉的磁鐵礦預熱球強度最低；高鎂磁鐵礦球團氧化困難，預熱球團中存在明顯的雙層結構；外加的MgO粉在磁鐵礦球團預熱階段僅有少量礦化，未礦化的MgO粉殘留在新生Fe2O3顆粒之間，影響新生晶粒之間的微晶連接及晶粒生長，致使其預熱球強度最低。

MgO；磁鐵礦；預熱球團；抗壓強度

鐵礦球團礦作為一種優質的高爐爐料，因具有鐵品位高、冷態強度(抗壓強度和抗磨強度)大、還原指數高和能耗低等優點[1?2]而獲得廣泛應用，世界球團產量飛速增長，但是酸性球團礦的軟熔性能和還原膨脹性能較差[3]；添加含鎂熔劑生產球團具有較高的還原度、良好的軟熔特性和較低的膨脹指數[4?10]，因而能夠降低高爐焦比、提高產量，但鎂質球團礦存在焙燒性能差和抗壓強度低等不足[11?14]。研究發現[13]：以蛇紋石、MgO粉和菱鎂石等作為含鎂添加劑，預熱球和焙燒球團的抗壓強度都會降低，且球團強度隨著MgO質量分數的增加急劇下降；當球團中MgO質量分數大于2.4%時，預熱球強度甚至不足200 N/個，焙燒球團強度也低于1 500 N/個，遠低于工業生產對預熱球團抗壓強度大于500 N/個，焙燒球團抗壓強度大于 2 500 N/個的要求。工業生產含鎂球團礦基本通過添加含鎂熔劑和使用高鎂鐵精礦2種方式實現，由于高鎂鐵精礦中的Fe2+和Mg2+半徑相近，可互相取代形成連續的完全類質同象[15]。研究認為MgO能夠穩定磁鐵礦晶格，阻礙球團氧化[1]，而新生赤鐵礦對提高磁鐵礦預熱球團強度具有重要作用[16]。鏈篦機?回轉窯作為一種生產氧化球團的重要工藝，具有設備簡單、焙燒均勻和生產能力大等優點[1]，但該工藝易出現嚴重的結圈問題。而鏈篦機生產的預熱球團強度低是回轉窯內粉末量多及導致結圈的重要原因[17]，因此，研究預熱球性能對指導生產具有十分重要的意義。本文作者對普通磁鐵礦球團(MgO質量分數很低)，高鎂磁鐵礦和普通磁鐵礦配加MgO粉的球團進行預熱行為研究，探討MgO來源對磁鐵礦球團預熱行為的影響，揭示其作用機理。

1 原料性能與研究方法

1.1 原料性能

試驗使用3種高品位磁鐵精礦，化學成分與物理性能分別如表1和表2所示。由表1可見：試驗所用3種磁鐵礦鐵質量分數較高，均大于67%，同時SiO2質量分數也都較低，是3種優質的球團原料；1號和2號高鎂磁鐵礦MgO質量分數分別為1.88%和2.48%，均遠高于普通磁鐵礦(MgO質量分數僅為0.34%)。圖1和圖2所示分別為1號與2號高鎂磁鐵礦掃描電鏡和能譜圖。由圖1和圖2可知：磁鐵礦晶格中均存在一定量的MgO。其中1號高鎂磁鐵礦晶格中MgO質量分數為1.47%，2號高鎂磁鐵礦晶格中MgO質量分數為2.18%，這進一步證明Mg2+取代了磁鐵礦中的Fe2+以類質同象的形式存在于磁鐵礦晶格中。一般認為比表面積是評價原料成球性的可靠指標，造球物料適宜的比表面積為1500~1900 cm2/g。由表2可知：1號和2號磁鐵礦粒度較大，比表面積較小，造球前需通過高壓輥磨預處理，提高其比表面積，改善其成球性和焙燒性能。

表1 磁鐵精礦化學成分(質量分數)

表2 磁鐵精礦物理性能

(a) 掃描電鏡圖；(b) 能譜圖

(a) 掃描電鏡圖；(b) 能譜圖

試驗所用膨潤土的化學成分與物理性能分別如表3和表4所示。由表3和表4可知：該鈉基膨潤土蒙脫石質量分數高，吸水率較大且粒度較小，屬于優質的球團黏結劑。除此之外，試驗所用含鎂添加劑為MgO分析純試劑，MgO質量分數為98%，粒徑小于0.074 mm的顆粒質量分數大于95%。

表3 膨潤土化學成分(質量分數)

表4 膨潤土物化性能

1.2 研究方法

本次試驗所使用的3種磁鐵精礦，經高壓輥磨預處理至比表面積為1 500 cm2/g左右用于造球。高壓輥磨預處理采用200 mm×75 mm(直徑×長)型高壓輥磨機，在開路條件下，輥磨壓力為3.5×104N，轉速為40 r/min，物料水分質量分數為7.0%。造球試驗在直徑為1 m的圓盤造球機中進行，轉速為28 r/min，邊高為=150 mm，傾角=47°。造球時間為12 min，緊密2 min。取直徑為12.5 mm左右的生球在105 ℃的溫度下干燥4 h，干球進行預熱性能測定。干球預熱焙燒試驗在60 mm×800 mm(直徑×長)的臥式電熱管爐中進行。球團抗壓強度采用中南大學實驗室的ZQYC?智能型球團抗壓測量儀檢測。成品球團礦顯微結構采用Leica DMRXE光學顯微鏡和掃描電鏡鑒定和分析。

2 試驗結果及分析

2.1 MgO來源對球團預熱工藝制度的影響

預熱溫度對預熱球團抗壓強度的影響如圖3所示，預熱時間為10 min。由圖3可知：隨著預熱溫度的升高，不同類型球團的預熱球抗壓強度均逐漸升高。這是由于溫度的升高有助于新生Fe2O3顆粒的內擴散，并與毗鄰的氧化晶體顆粒之間形成連接橋,有利于提高球團強度[1]。在預熱溫度為950 ℃，預熱時間為10 min條件下，MgO來源不同對預熱球的抗壓強度的影響有顯著差異，表現為普通磁鐵礦預熱球的抗壓強度最大，球團強度可達534 N/個；其次，1號高鎂磁鐵礦和2號高鎂磁鐵礦預熱球團擴壓強度分別為 501 N/個和488 N/個；而在常規磁鐵礦中加入MgO粉的預熱球抗壓強度最低，當磁鐵礦球團內配加2.48% MgO(質量分數)粉時，預熱球強度僅為184 N/個，即使當預熱溫度升至1 000 ℃，預熱球團強度也只有331 N/個。對于MgO來源相同的球團而言，預熱球抗壓強度隨著MgO質量分數的增加而降低。當外加MgO質量分數從1.88%升高到2.48%時，預熱球團抗壓強度從223 N/個降低到184 N/個。而高鎂磁鐵礦預熱球團抗壓強度也從501 N/個降低到488 N/個。

1—普通磁鐵礦球團；2—1號高鎂磁鐵礦預熱球團(質量分數為1.88%)；3—2號高鎂磁鐵礦預熱球團(質量分數為2.48%)；4—普通磁鐵礦配加至質量分數為1.88% MgO的預熱球團；5—普通磁鐵礦配加至質量分數為2.48% MgO的預熱球團。

預熱時間對預熱球團抗壓強度的影響如圖4所示，預熱溫度為950℃。由圖4可知：隨著預熱時間的增加，MgO質量分數較低的普通磁鐵礦和高鎂磁鐵礦預熱球團抗壓強度均大幅度提升。當預熱時間從 7 min延長至15 min時，普通磁鐵礦預熱球團抗壓強度從482 N/個提高到735 N/個；1號高鎂磁鐵礦和2號高鎂磁鐵礦球團預熱球也分別從394 N/個和 309 N/個提高到699 N/個和646 N/個。這是由于預熱時間的增加不僅有助于磁鐵礦氧化，同時能夠增強Fe2O3微晶鍵的連接，從而使預熱球的抗壓強度增加。而普通磁鐵礦配加MgO粉的預熱球團強度增加的幅度有限，配加1.88% MgO粉和配加2.48% MgO粉的球團即使在預熱時間為15 min條件下，預熱球抗壓強度也分別僅為306 N/個和256 N/個，遠低于工業生產對預熱球團抗壓強度大于500 N/個的要求。

1—普通磁鐵礦礦球團；2—1號高鎂磁鐵礦預熱球團(質量分數為1.88%)；3—2號高鎂磁鐵礦預熱球團(質量分數為2.48%)；4—普通磁鐵礦配加至質量分數為1.88% MgO的預熱球團；5—普通磁鐵礦配加至質量分數為2.48% MgO的預熱球團。

5種預熱球團FeO質量分數如圖5所示。由圖5可知：普通磁鐵礦預熱球中FeO質量分數僅為0.66%，外加1.88%和2.48%MgO粉的預熱球團FeO質量分數分別為2.73%和2.99%，而氧化鎂質量分數分別為1.88%和2.48%的高鎂磁鐵礦預熱球團FeO質量分數卻高達4.27%和7.94%。這表明無論是外加的MgO還是磁鐵礦中原有的MgO均影響球團氧化，但對氧化影響的程度不一樣。這是由于MgO粉在球團中礦化需要較高的溫度[18]，而預熱階段溫度較低，MgO粉礦化較少，從而導致其對球團氧化影響較小。即在MgO質量分數相同的情況下，高鎂磁鐵礦氧化更困難，而且MgO質量分數越高，預熱球團中FeO質量分數越高。對預熱球團中FeO質量分數與抗壓強度對比可知，雖然配加MgO粉的預熱球團FeO質量分數比高鎂磁鐵礦球團的小，但是其預熱球團強度較低，這表明氧化并不完全是導致其預熱球團抗壓強度低的主要原因。

圖5 預熱球團中FeO質量分數

2.2 MgO來源對預熱球宏觀和微觀結構的影響

MgO來源不同的預熱球團剖面圖見圖6，其預熱溫度為950℃，預熱時間為10 min。由圖6可見：普通磁鐵礦和外加MgO粉預熱球團內部氧化均勻，而1號和2號高鎂磁鐵礦預熱球團則具有雙層結構，球團中未氧化的球核隨MgO質量分數的增加而變大。這進一步表明高鎂磁鐵礦中的MgO對球團氧化影響更大。

(a) 普通磁鐵礦礦球團；(b) 1號高鎂磁鐵礦預熱球(質量分數為1.88%)；(c) 2號高鎂磁鐵礦預熱球(質量分數為2.48%)；(d) 普通磁鐵礦配加至質量分數為1.88% MgO的預熱球團；(e) 普通磁鐵礦配加至質量分數為2.48% MgO的預熱球團

MgO來源對預熱球團微觀結構的影響如圖7和圖8所示，其預熱溫度為950℃，預熱時間為10 min。從圖7和圖8可以看出：普通高品位磁鐵礦球團內部氧化完全，多數Fe3O4被氧化成Fe2O3，新生的赤鐵礦顆粒之間由微晶鍵連接。對MgO質量分數不同的1號和2號高鎂磁鐵礦，在同樣預熱制度下，球團內部氧化不完全，球團中心部位仍殘存較多的Fe3O4，這是由于高鎂磁鐵礦晶格中Mg2+質量分數較高，在氧化過程中阻礙Fe3O4的氧化[1]，致使預熱球內部Fe2O3微晶連接減弱，從而致使預熱球強度比普通磁鐵礦的強度低。普通磁鐵礦配加MgO粉的預熱球團同樣存在少量氧化不完全的現象，這是由于Mg2+與Fe2+的半徑相近，在氧化過程中 Mg2+進入磁鐵礦晶格中并占據了鐵離子擴散產生的空位，穩定了磁鐵礦晶格，阻礙Fe3O4的氧化[1]。從普通磁鐵礦配加質量分數為2.48% MgO粉的預熱球團SEM圖中可以清晰地看到未礦化的MgO顆粒和少量礦化生成的含鎂固溶體，這說明雖然普通磁鐵礦配入MgO粉的預熱球氧化程度較高，但由于未礦化的MgO顆粒殘留在新生的Fe2O3顆粒之間，遏制晶體互聯及晶粒生長，從而導致其預熱球強度較低。

(a) 普通磁鐵礦礦球團；(b) 1號高鎂磁鐵礦預熱球(質量分數為1.88%)；(c) 2號高鎂磁鐵礦預熱球(質量分數為2.48%)；(d) 普通磁鐵礦配加至質量分數為1.88% MgO的預熱球團；(e) 普通磁鐵礦配加至質量分數為2.48% MgO的預熱球團H—赤鐵礦；M—磁鐵礦；MgO—氧化鎂粉顆粒

(a) 低倍圖；(b) 高倍圖

3 結論

1) MgO來源對磁鐵精礦預熱球團抗壓強度影響顯著。在預熱溫度為950 ℃，預熱時間為10 min的條件下，MgO質量分數為1.88%的高鎂磁鐵礦預熱球團抗壓強度為501 N/個，而普通磁鐵礦配入1.88% MgO的預熱球團強度為223 N/個；MgO質量分數為2.48%的高鎂磁鐵礦預熱球團抗壓強度為488 N/個，普通磁鐵礦配入質量分數為2.48% MgO的預熱球團強度僅為184 N/個。

2) MgO來源對磁鐵精礦預熱球團氧化影響顯著。其中高鎂磁鐵礦中的MgO嚴重影響球團氧化。在預熱溫度為950 ℃，預熱時間為10 min的條件下，MgO質量分數為2.48%的高鎂磁鐵礦預熱球團中FeO質量分數高達7.94%，遠高于MgO質量分數相同但以配加MgO粉形式存在預熱球團的FeO質量分數(2.99%)，同時球團內部出現明顯雙層結構。

3) MgO來源對磁鐵精礦預熱球團內部結構影響不同。普通磁鐵礦預熱球團內部氧化均勻，新生的赤鐵礦顆粒之間由微晶鍵連接。高鎂磁鐵礦預熱球團內部氧化不完全，球團中心部位仍殘存較多的Fe3O4。普通磁鐵精礦配加MgO粉的預熱球團中殘留大量未礦化的MgO顆粒，礦化部分的MgO與磁鐵礦生成含鎂固溶體，未礦化的MgO顆粒殘留在新生赤鐵礦顆粒之間，影響新生晶粒之間的微晶連接及晶粒生長，致使球團內部存在應力缺陷，從而導致預熱球強度較低。

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(編輯 劉錦偉)

Influence of MgO sources on behavior of preheated pellets of magnetite concentrate

PAN Jian, YU Hongbin, ZHU Deqing, CHUN Tiejun

(School of Minerals Processing and Bioengineering, Central South University, Changsha 410083, China)

Three different kinds of pellets(general magnetite pellets, magnetite with high MgO content pellets and magnetite pellets added MgO powder) were studied to investigate the influence of MgO sources on the behavior of preheated pellets. The results show that the compressive strength of preheated pellets reduces with the increase of the mass fraction of MgO at different preheated temperatures varing from 850 ℃ to 1 000 ℃. The common preheated magnetite pellets have the maximal compressive strength under the same preheating condition. The MgO existing in isomorphism or adscitious MgO powder can both decrease the compressive strength of preheated pellet, and the strength of pellets added with adscitious MgO powder is minimum. The oxidation of pellets made from magnetite with high MgO mass fraction is difficult, and preheated pellets present the double layer structure. Only a small amount of adscititious MgO powder mineralizes during the preheating stage. The unmineralized MgO powder remains in the hematite grains, which will affect the connections of new hematite grains and the growth of grains, and leads to the low compressive strength of preheated pellets finally.

MgO; magnetite; preheated pellets; compressive strength

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.06.001

TF4

A

1672?7207(2016)06?1823?07

2015?06?03；

2015?07?28

國家科技部火炬計劃項目(2011GH561685)；國家自然科學基金資助項目(51474161)(Project(2011GH561685) supported by the Torch Plan of the Ministry of Science and Technology;Project(51474161) supported by the National Natural Science Foundation of China)

潘建，博士，副教授，從事燒結球團、直接還原、二次資源利用和鋼鐵冶金環境保護等研究；E-mail：pjcsu@csu.edu.cn