添加硼泥對球團強度影響

高強健，魏 國，姜 鑫，杜 鋼，沈峰滿

(東北大學 材料與冶金學院，沈陽 110819)

添加硼泥對球團強度影響

高強健，魏 國，姜 鑫，杜 鋼，沈峰滿

(東北大學 材料與冶金學院，沈陽 110819)

以遼東地區工業廢棄物 (硼泥)作為添加劑生產球團礦，初步探討了硼泥對氧化球團抗壓強度的影響及其應用的可行性.結果顯示:隨著球團礦中硼泥質量分數由0增加至2.5%時，球團礦抗壓強度逐漸上升，增幅最大可達658 N/球，故該硼泥可作為球團添加劑用以提升球團礦強度.鏡下觀察可知，硼泥質量分數的增加使得球團中Fe3O4氧化再結晶過程增強，晶粒緊密連接且均勻分布，這有利于氧化球團的固結及強度的提升.同時，隨著硼泥質量分數由0增加至2.5%時，球團礦孔隙度由18.61%減小至13.05%，這是提升球團礦強度的另一因素.

球團礦;添加劑;硼泥;強度

在現代高爐煉鐵中，酸性球團礦因其粒度均勻，造塊成本低，還原性好等優勢而被廣泛應用［1～3］.但是，相比于高堿度燒結礦，酸性球團礦亦有軟化熔滴性能差、中溫還原膨脹等缺陷［4～5］，因此，球團生產過程中常適量加入添加劑來改善球團礦質量［6］.硼泥是制取硼砂的殘余物，主要礦物包括鎂橄欖石、蛇紋石、消石灰等.其中，MgO的質量分數較高，且含少量的B2O3，對高爐煉鐵有用的礦物，如CaO、MgO、Fe2O3等質量分數之和可達60%以上［7］，而在遼寧東部地區，工業廢棄物硼泥存放量較大，且多為露天存放，污染環境和土地，如若能將其冶金資源化加以利用，對改善環境及資源的可持續發展將有重要意義.研究擬應用遼東地區硼泥作為造球添加劑，探討其應用的可行性;結合球團礦孔隙度的變化和球團礦Fe3O4氧化再結晶情況，對硼泥配比對球團礦冷態抗壓強度的影響進行初步研究，探明加入硼泥添加劑后，球團礦強度變化的原因.

1 試驗部分

1.1 球團制備

試驗原料主要包括:某企業的磁鐵精礦，膨潤土和遼東地區硼泥，原料主要成分如表1所示.利用MASTERSIZER－2000型激光粒度分析儀對原料的粒度進行分析.其中，該磁鐵精礦、磨細后硼泥、膨潤土－74 μm粒級水平均大于80%.結果表明:原料粒度滿足鐵礦球團生產要求.

表1 原料化學成分(質量分數)Table 1 Chemical compositions of raw materials(mass fraction) %

研究中，添加劑——硼泥的質量分數逐漸增加，分別為0，1.5%，2.0%，2.5%;同時，鐵精礦質量分數逐漸減小;保持膨潤土質量分數恒定為2.0%.考察硼泥配比對球團礦抗壓強度的影響.

造球在直徑為Φ1 000 mm圓盤造球機上進行.造球盤傾角:45(°);轉速:20 r/min;造球料水分:8.0±0.5%;造球時間:30 min;生球粒度:10～12 mm.生球置于105℃烘箱內干燥3 h后，再在馬弗爐內焙燒，當爐溫升至900℃后，將經干燥后的生球放入爐內，同時吹入流量為1.2 L/min的空氣，40 min后升溫至1 250℃，恒溫焙燒20 min，隨爐冷卻至室溫.

1.2 物性測試

(1)抗壓強度

成品球團抗壓強度測試由壓力試驗機(LJ5000)系統完成.參考GB/T14201－1993標準，每組試驗測定14個成品球的抗壓強度，然后去除兩個最大值和兩個最小值，取其余10個成品球團礦抗壓強度值的平均值，記為成品球團的抗壓強度.

(2)孔隙度和顯微結構

成品球團礦的孔隙度分析由AUTOPORE－9500型壓汞儀完成;球團礦的顯微結構及Fe3O4氧化再結晶情況是由金相反射顯微鏡完成的.

2 試驗結果與分析

2.1 抗壓強度結果

不同質量分數的硼泥添加劑對球團礦抗壓強度影響的試驗結果如圖1所示.由圖1可見:隨著硼泥質量分數由0增加至2.5%時，球團礦的抗壓強度逐漸增大，其中增幅最大可達658 N/球.

2.2 試驗結果分析

基于以上結果，對添加硼泥后球團礦孔隙度及球團礦的Fe3O4氧化再結晶程度進行分析，探明抗壓強度變化的原因.

(1)球團礦的孔隙度變化

圖1 硼泥質量分數對球團抗壓強度的影響Fig.1 Effect of boron sludge mass fraction on compressive strength for the pellets

球團礦孔隙度的大小對球團礦強度、還原性等冶金性能均有影響.研究應用壓汞儀對加入硼泥后球團礦孔隙度的變化情況進行分析.選取硼泥質量分數分別為0、1.5%、2.5%的三組氧化球團礦進行分析，結果如圖2所示.由圖2可見，隨著硼泥配比由0%增加到2.5%時，球團礦孔隙度逐漸減小，由18.61%減小至13.05%.由格林菲斯提出的微裂紋理論，臨界斷應力(σ)與彈性模量(E)的關系式如式(1)所示［8～9］:

圖2 硼泥質量分數對球團礦孔隙度的影響Fig.2 Effect of mass fraction of boron sludge on the porosity of the pellet

式中:σ為臨界斷應力，MPa;E為彈性模量，GPa; Y為相關因子(與試樣尺寸和裂紋形狀相關);C為裂紋的半長，m;γ為物質表面能，J/m2.

彈性模量E是固體在彈性變形階段，正應力和對應的正應變的比值，多以其表征材料抗形變的能力，是材料的一種宏觀性能.而彈性模量(E)與孔隙度(ε)的經驗關系公式［10］如式(2)所示:

其中:E0為無孔隙時，材料的彈性模量，GPa;K1、K2為常數(其值取決于孔隙的取向和形狀等).

式(2)表明:當孔隙度較小時，式中K2ε2項可以忽略不計，即彈性模量(E)與孔隙度(ε)近似成線性關系.結合式(1)(2)可知，當孔隙度減小時，球團礦臨界斷應力σ不斷上升，即球團礦強度逐漸增大;另外，孔隙一般多存于晶界處，特別是晶粒交界處，導致應力集中，而在外力作用下較易形成裂紋，使式(1)中裂紋的半長(C)增大，從而使球團礦臨界斷應力(σ)減小，球團強度降低.綜上可知:隨著硼泥質量分數的增大，球團礦孔隙度逐漸減小，球團礦強度增大.

(2)Fe3O4的氧化再結晶

現代球團礦固結方式主要為Fe3O4氧化成Fe2O3后再結晶［11］，該種固結方式的球團礦強度相對較好，是現代氧化球團的主要固結方式.

將硼泥質量分數分別為0、1.5%、2.5%三組球團礦試樣拋光制片，在顯微鏡下觀察，各組球團礦顯微結構如圖3(a)、(b)、(c)所示，其中A相(淺白色)為Fe2O3，B相(棕灰色)為Fe3O4.

圖3 不同硼泥質量分數球團礦的顯微結構Fig.3 Microstructures of the pellets with different mass fraction of boron sludge(a)—0;(b)—1.5%;(c)—2.5%

由圖3(a)可見:球團礦中不加入硼泥時，球團礦中Fe2O3再結晶晶粒(A相)互連較松散，且分布不均勻，夾雜著Fe3O4(B相);圖3(b)、(c)表明:硼泥質量分數增加后，球團礦中Fe2O3再結晶晶粒連接明顯加強，且互成整體，該連晶形式結構力強，這是導致球團強度提升的又一原因.

3 結論

(1)以遼東地區工業廢棄物——硼泥作為球團用添加劑時，隨該硼泥質量分數由0增加到2.5%時，球團礦抗壓強度逐漸增大，最大增幅達658 N/球.故該硼泥可作為球團礦添加劑用以提高成品球團礦抗壓強度

(2)該硼泥質量分數的增加使得成品球團礦孔隙度逐漸減小;當球團礦中含硼泥質量分數由0增至 2.5% 時，孔隙度由 18.61% 減小至13.05%;孔隙度減小導致球團礦強度上升.

(3)隨著該硼泥質量分數的增加，球團礦中Fe3O4氧化再結晶作用增強，晶粒連晶完全，且均勻分布，這有利于氧化球團礦的固結和和強度的提高.

［1］范曉慧，王祎，甘敏，等.提高有機粘結劑氧化球團礦強度的措施［J］.鋼鐵研究學報，2008，20(5):5－8.

(Fan Xiao－hui，Wang Wei，Gan Min，et al.Strength enhancement of oxide pellet with prganic blinder［J］Iron and Steel Research，2008，20(5):5－8.)

［2］周傳典.高爐煉鐵生產技術手冊［M］.北京:冶金工業出版社，2002:50－60.

(Zhou C D.Technical manuals of blast furnace ironmaking production［M］.Beijing:Metallurgical IndustryPress，2002:50－60.)

［3］姜鑫，吳剛生，李光森，等.改善含MgO鐵礦石軟熔性能的研究［J］.東北大學學報(自然科學版)，2007，28(3):365－368. (Jiang Xin，Wu Gang－sheng，Li Guang－sen，et al.Study on improving the softening－melting properties of MgO－bearing iron ores［J］.Journal of Northeastern University (Natural Science)，2007，28(3):365－368.)

［4］李圣輝，陳鐵軍，張一敏，等.含鎂添加劑用于鐵礦球團的試驗研究［J］.燒結球團，2011，36(1):33－37.

(Li Sheng－hui，Chen Tie－jun，Zhang Yi－min，et al.Experimental study on application of Mg－bearing additives in iron ore pellet［J］.sintering and pelletizing，2011，36 (1):33－37.)

［5］方覺，龔瑞娟，趙立樹，等.球團礦氧化焙燒及還原過程中的強度變化［J］.鋼鐵，2007，42(2):11－15.

(Fang Jun，Gong Rui－juan，Zhao li－shu，et al.Change of high temperature strength of pellets during of roasting and reduction［J］.Iron and Steel，2007，42(2):11－15.)

［6］Shen F M，Jiang X，WU G S，et al.Proper MgO addition in blast furnace operation［J］.ISIJ International，2006，46 (1):65－70.

［7］張玉柱.硼鎂在鐵礦粉造塊中行為和作用規律［D］.秦皇島:燕山大學，2002.

(ZhangYu－zhu.Behaviorand role ofboron and magnesium in agglomeration offine iron ore［D］.Qinhuangdao:Yanshan University，2002.)

［8］Khaki J，Kashiwa Y，Ishii K.High temperature behavior of self fluxed pelletsduring heating up reduction［J］.Ironmaking and Steelmaking，1994，21(1):56－63.

［9］Suresh S.Fatigue of Materials［M］.New York:Cambridge University Press，1998:70－75.

［10］Bao Yi－wang，Jin Zong－zhe，Size.Effects and a meanstrength criterion for ceramics［J］.Fatingue Fract Engng Mater Struct，1998，16(8):55－61.

［11］陳耀明，李建.氧化球團中Fe2O3的結晶規律［J］.中南大學學報(自然科學版)，2007，38(1):70－73.

(Chen Yao－ming，Li Jian.Crystal rule of Fe2O3in oxidized pellet［J］.Journal of central South University (Science and Technology)，2007，38(1):70－73.)

Effect of boron sludge on strength of pellet

Gao Qiangjian，Wei Guo，Jiang Xin，Du Gang，Shen Fengman

(School of Materials and Metallurgy，Northeastern University，Shenyang 110819，China)

The industrial waste(boron sludge)in Eastern Liaoning province was applied as an additive to produce pellet.The effects of boron sludge on compressive strength of the pellet and application feasibility of boron sludge were investigated preliminarily.It was found that:with addition of boron sludge from 0 to 2.5%in pellet，the compressive strength of the pellet increases gradually，the maximum amount is up to 658 N/pellet，therefore，the boron sludge can be used as an additive to produce pellets for enhancing strength.It can be seen from metallographic microscope that the boron sludge is beneficial to oxidize and recrystallize for Fe3O4.It makes the crystallite connect compactly and gives a well－distribution，so that it causes the enhancement of strength of the pellets.At the same time，with addition of the boron sludge from 0 to 2.5%the porosity of the pellets decreases from 18.61%to 13.05%.This is an another reason to increase the strength.

pellet;additive;boron sludge;strength

TF 521

A

1671-6620(2013)01-0001-03

2012-12-27.

國家自然科學基金資助項目 (51074040)、(51074206).

高強健 (1987—)，男，東北大學博士研究生，E－mail:gaoqiangjian@163.com;沈峰滿 (1958—)，男，東北大學教授，博士生導師.