PMC配加廟溝粉球團氧化焙燒行為研究

田鐵磊，蔡爽，劉蓮繼

(1.華北理工大學冶金與能源學院，河北 唐山 063009；2.唐山鋼鐵集團有限責任公司，河北 唐山 063009)

為了減輕環保及燒結限產壓力，高爐爐料結構由高比例燒結礦逐步轉變為高比例球團礦[1-3]，然而球團礦在高爐中的使用比例大量增加，勢必應擴大球團產能，所以對球團原料結構進行科學、經濟、合理的優化配置成為必然趨勢。PMC含鐵品位高，SiO2含量低于1%，是一種性能優、性價比高的礦種，并已成為球團礦生產的重要原料之一，但由于PMC鐵精粉粒度較粗，且含有大量的堿金屬、磷、銅等有害元素[4]，無法單獨直接用于球團生產。因此，對于粒度粗、有害元素含量高的鐵精粉急需一種合理的利用途徑。

廟溝粉鐵品位高、粒度細、成球性優良，但成本較高，且隨著廟溝礦石大量開采，其礦石更加難磨難選[5]，廟溝粉的產量逐漸降低，所以為了彌補廟溝粉不足和保證球團正常生產要求，把PMC粉和廟溝精粉混合用于生產球團，不僅可以改善粒度組成，提高其成球性能，而且能夠降本增效和解決廟溝鐵精粉緊缺問題。為此，本文在前期研究的基礎上，對以一定比例混合的這兩種鐵精粉進行了預熱和焙燒實驗，確定了其合理的預熱、焙燒制度，為鋼鐵企業高效利用PMC精粉提供了一種思路。

1 原料特性及實驗方法

1.1 原料成分

實驗原料化學成分及物理性質分別見表1、2。

表1 原料化學成分及粒度檢測結果/%Table 1 Test results of chemical composition and particle size of raw materials

1.2 原料特性

由表2可知，鐵精粉中廟溝粉較PMC粉的比表面積大，說明廟溝粉的粒度較細，且在球團焙燒過程更容易氧化和提高抗壓強度；廟溝粉的孔容較PMC粉大，但平均孔徑小，說明PMC大孔較多，而廟溝小孔較多，且孔分布較密集，即PMC粉配比高后，將會造成生球強度降低。

表2 原料比表面積及孔結構Table 2 Specific surface area and pore structure of raw materials

從表3可知，廟溝鐵精粉的成球性較好，PMC粉稍差；但對于成球性而言，成球性過好將會造成母球量增多，導致母球長大速度變慢，尤其是中球長大速度變緩，從而影響生球的合格數量。因此兩種粉混合造球能夠改善母球的長大速度，利于母球的長大。

表3 鐵精粉成球性指數測定結果Table 3 Determination results of pelletization index of Tiejing powder

表4 鐵精粉物相分析/%Table 4 Phase analysis of iron essence powder

由4可知，廟溝、PMC兩種鐵精粉均以磁鐵礦為主，分別為63.84%、63.15%，而其他的含鐵物相含量較低。

1.3 實驗方法及方案

在前期研究的基礎上獲得了PMC和廟溝的配比為2:3時，生球和球團礦的質量較優[4]。為此在該比例下進一步進行造球實驗用于研究生球的預熱和焙燒制度。

采用Φ500 mm×150 mm圓盤造球機進行造球，并對生球進行預熱及焙燒。預熱溫度設定為800℃、850℃、900℃、950℃、1000℃、1050℃，而對應的焙燒溫度為1280℃，然后選取60個10 mm-12.5 mm之間的球團進行抗壓強度的檢測，確定適宜的預熱溫度范圍，接著固定預熱溫度和焙燒溫度，測定預熱時間5 min、10 min、15 min對球團強度的影響；在適宜的預熱溫度和預熱時間下，設定焙燒溫度為1240℃、1260℃、1280℃、1300℃、1320℃，并測定球團礦的抗壓強度，在確定適宜的焙燒溫度后，分析焙燒時間10 min、15 min及20 min對球團強度的影響，從而獲得生球的適宜的預熱溫度、時間及焙燒溫度、時間。選取不同預熱溫度和焙燒溫度的球團礦進行微觀形貌檢測。實驗方案見表5、6。

表5 預熱溫度實驗方案Table 5 Preheating temperature test scheme

表6 焙燒溫度實驗方案Table 6 Roasting temperature test scheme

2 結果及討論

2.1 預熱條件對球團礦抗壓強度的影響

由圖1可知，隨著預熱溫度的提高，球團的抗壓強度先提高后降低，并在950℃時到達了較佳值為3283 N。主要是因為預熱溫度提高后，生球的氧化反應改善，加快了生球了氧化速率，從而提高了球團的抗壓強度；當預熱化溫度為1000℃時，生球中SiO2和磁鐵礦開始反應生成硅酸鹽礦相[6]，且在焙燒段直接變成液相，大量的液相降低了球團抗壓強度；因此，球團的預熱溫度應選擇950℃。

圖1 預熱溫度對球團抗壓強度的影響Fig. 1 Effect of preheating temperature on the compressive strength of pellets

由圖2可知，在相同的預熱溫度條件下，隨著預熱時間的增加，球團的抗壓強度逐漸提高，且在預熱時間10～15 min范圍內，抗壓強度變化較緩。主要是因為預熱時間越長，生球氧化程度越徹底，赤鐵礦晶體連接越緊密，從而使球團抗壓強度越高；但預熱時間進一步延長，球團抗壓強度變化較緩，主要是因為赤鐵礦晶體的逐漸加厚，造成氧氣向球核中擴散速率降低，導致球團的氧化度升幅逐漸減緩，所以繼續延長預熱時間，球團抗壓強度變化也不大，反而增加球團能耗及降低球團產量。因此，球團的預熱時間應選擇10 min。

圖2 預熱時間對球團抗壓強度的影響Fig. 2 Effect of preheating time on the compressive strength of pellets

由圖3可知，在850℃時，球團中的赤鐵礦已經連接，但大部分晶體連接多以細小的赤鐵礦晶鍵連接為主，局部顯微結構疏松；在950℃時，球團中赤鐵礦晶體已充分發育，且赤鐵礦晶體之間互連緊密成一片，顯微結構比較致密；在1050℃時，球團的顯微結構孔洞較多、較大，主要是因為生成的液相冷卻收縮造成的，且生成的玻璃質進一步使球團強度降低。所以該球團適宜的預熱溫度為950℃，時間為10 min。

圖3 預熱溫度對球團顯微結構的影響Fig. 3 Effect of preheating temperature on microstructure of pellets

2.2 焙燒條件對球團礦抗壓強度的影響

由圖4可知，隨焙燒溫度的提高，球團礦抗壓強度先增加后降低，并在焙燒溫度為1280℃時，球團礦抗壓強度達到了較佳值為3283 N。主要是因為焙燒溫度越高，球團中的赤鐵礦晶體發育越完全，顯微結構越致密，且大部分赤鐵礦已經互連，所以球團抗壓強度升高；但焙燒溫度超過1300℃時，赤鐵礦開始分解成磁鐵礦，影響球團中赤鐵礦晶鍵的連接；同時由于廟溝中SiO2含量高，引起Fe3O4與SiO2反應生成了低熔點液相，進一步惡化了球團強度。因此，球團的焙燒溫度不能超過1300℃。

圖4 焙燒溫度對球團抗壓強度的影響Fig. 4 Effect of calcination temperature on the compressive strength of pellet

由圖5可知，焙燒時間對球團抗壓強度的影響較顯著，在焙燒時間為10～15 min時，球團的抗壓強度變化較陡，增長較快；而在15 ～20 min時，抗壓強度變化較緩。主要是因為球團中赤鐵礦的結晶和再結晶需要一定的時間，時間越長，晶體氧化越充分、連接越完全，球團抗壓強度越高；當再結晶達到一定程度，球團形成一個致密的整體以后，球團礦強度提高的幅度將會逐漸減小。因此，球團的焙燒時間應不低于15 min。

圖5 焙燒時間對球團抗壓強度的影響Fig. 5 Effect of roasting time on the compressive strength of pellets

由圖6可知，在1240℃時，球團的礦相結構疏松且均勻，赤鐵礦間晶相連接少；在1280℃時，球團礦相結構致密且均勻，磁鐵礦氧化再結晶充分，且赤鐵礦晶體之間互連緊密成整體；在1320℃時，球團中Fe2O3開始由互連晶向粒狀晶發展，赤鐵礦晶體間的連接斷開，說明F赤鐵礦開始分解磁鐵礦，并與SiO2生成硅酸鹽礦相，造成球團強度降低。所以該球團適宜的焙燒溫度為1280℃，時間為15min。

圖6 焙燒溫度對球團顯微形貌的影響Fig. 6 Effect of calcination temperature on the micromorphology of pellets

3 結論

（1）PMC粉和廟溝粉的比表面積分別為0.684 m2/g、1.240 m2/g，兩者搭配造球有利于改善粒度組成；PMC粉孔容小，平均孔徑大，說明PMC粉大孔較多，即PMC粉配比高后，將會造成生球強度降低；PMC粉和廟溝粉的成球性指數分別為0.67、0.97，兩者搭配造球能夠改善母球的長大速度，利于母球的長大；PMC粉和廟溝粉的鐵物相主要以磁鐵礦為主，分別為63.15%、63.84%。

（2）在預熱溫度950℃、預熱時間10 mim、焙燒溫度1280℃及焙燒時間15 mim條件下球團礦抗壓強度達到了3283 N，能夠滿足球團生產要求，且該球團礦相結構致密、均勻，赤鐵礦晶體已充分發育并互連緊密成整體。