新型高效黏結(jié)劑鐵精礦氧化球團(tuán)試驗(yàn)

吳 霞 彭小敏 陳玉花

(1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司；2.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司)

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新型高效黏結(jié)劑鐵精礦氧化球團(tuán)試驗(yàn)

吳 霞1，2彭小敏1，2陳玉花1，2

(1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司；2.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司)

應(yīng)用已研發(fā)的QTJ黏結(jié)劑取代膨潤土制備磁鐵精礦氧化球團(tuán)，獲得了優(yōu)質(zhì)的氧化球團(tuán)，滿足了高爐對冶煉爐料的苛刻要求。研究結(jié)果表明：當(dāng)QTJ用量為0.5%時(shí)，可獲得生球抗壓強(qiáng)度大于18 N/個(gè)，爆裂溫度大于650 ℃的優(yōu)質(zhì)生球；在預(yù)熱溫度為1 000 ℃、預(yù)熱時(shí)間為10 min、焙燒溫度為1 250 ℃、焙燒時(shí)間為12 min的條件下，獲得優(yōu)質(zhì)的預(yù)熱球抗壓強(qiáng)度大于480 N/個(gè)，焙燒球抗壓強(qiáng)度大于2 800 N/個(gè)；與添加2%膨潤土球團(tuán)礦相比較，成品球抗壓強(qiáng)度低一些，但生球爆裂溫度升高；兩種黏結(jié)劑球團(tuán)的還原性能基本接近，因而QTJ黏結(jié)劑完全能取代膨潤土，且在氧化球團(tuán)生產(chǎn)中具有良好的應(yīng)用前景。

QTJ黏結(jié)劑 氧化球團(tuán) 膨潤土

鐵礦球團(tuán)具有良好的冶金性能及改善高爐料柱透氣性等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)高爐爐料結(jié)構(gòu)優(yōu)化所必需的優(yōu)質(zhì)爐料。我國各大鋼鐵企業(yè)為保證氧化球團(tuán)礦的強(qiáng)度，只能加大無機(jī)黏結(jié)劑膨潤土的用量，用量甚至超過了5%，而膨潤土經(jīng)高溫焙燒后90%左右都?xì)埩粼谇驁F(tuán)礦中，使球團(tuán)含鐵品位貧化，使產(chǎn)品冶金性能變差，同時(shí)造成環(huán)境污染。因此，研發(fā)低殘留量球團(tuán)黏結(jié)劑部分或全部取代膨潤土，提高球團(tuán)礦鐵品位，對實(shí)現(xiàn)高爐節(jié)能降排具有重要的意義。有研究表明，使用純有機(jī)黏結(jié)劑代替膨潤土，獲得的生球熱強(qiáng)度較差，并且在球團(tuán)焙燒過程中，因其過早的燃燒分解揮發(fā)，導(dǎo)致球團(tuán)的黏性固結(jié)作用消除，引起預(yù)熱和焙燒球強(qiáng)度降低，無法滿足球團(tuán)生產(chǎn)的要求。同時(shí)，由于生產(chǎn)工藝設(shè)備等原因，在我國應(yīng)用純有機(jī)黏結(jié)劑生產(chǎn)球團(tuán)礦仍然存在一些問題亟待解決。基于此，以磁鐵精礦粉為原料，用試驗(yàn)室已開發(fā)的QTJ黏結(jié)劑代替膨潤土來制備氧化球團(tuán)，并研究工藝參數(shù)對QTJ球團(tuán)質(zhì)量的影響，為該黏結(jié)劑未來的工業(yè)化應(yīng)用提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 原料及試驗(yàn)研究方法

1.1 原料性質(zhì)

1.1.1 含鐵原料

試驗(yàn)原料是某鋼鐵公司磁鐵礦選鐵連選試驗(yàn)鐵精礦粉，該鐵精礦粉的主要化學(xué)成分見表1，粒度組成見表2。

表1 鐵精礦化學(xué)多元素分析結(jié)果 %

由表1可知，該鐵精礦粉TFe含量高，為65.74%，F(xiàn)eO含量為27.77%，CaO、MgO、SiO2含量低，有害元素P、S含量低，鐵精礦粉屬于典型的優(yōu)質(zhì)磁鐵精礦粉，可用于生產(chǎn)高品位球團(tuán)礦；該鐵礦粉具有一定的燒損值，但不高。

表2 鐵精礦粒度篩水析結(jié)果

由表2可知，該鐵精礦中+0.100 mm粒級含量高達(dá)24.52%，而-0.076 mm粒級含量只有62.48%，-0.045 mm粒級含量只有39.89%，該鐵精礦粉粒度比較粗，細(xì)粒級含量相對較少，間接表明該鐵精礦粉比表面積小，這對其成球性能及生球強(qiáng)度都有很大的影響，為保證后期生球質(zhì)量，必須進(jìn)行潤磨磨礦預(yù)處理，增加其細(xì)粒級含量，提高比表面積，改善成球性能。

結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐，試驗(yàn)研究對鐵精礦粉進(jìn)行潤磨預(yù)處理，潤磨時(shí)間5 min，潤磨水分6%，潤磨后鐵精礦粉的粒度組成見表3。

表3 潤磨后鐵精礦粒度篩水析結(jié)果

由表3可知，潤磨后鐵精礦-0.076 mm粒級含量高達(dá)80.35%，比潤磨前提高17.87個(gè)百分點(diǎn)，特別是-0.045 mm粒級含量在49%以上，細(xì)粒物料的增加使得造球過程中鐵礦物顆粒接觸點(diǎn)增加，鐵精礦顆粒接觸更緊密，降低了球團(tuán)的孔隙率，從而使得球團(tuán)焙燒過程中固相反應(yīng)更加完全。

1.1.2 黏結(jié)劑

試驗(yàn)用黏結(jié)劑為試驗(yàn)室研發(fā)的黏結(jié)劑QTJ和普通的膨潤土，其化學(xué)成分分析結(jié)果見表4。

表4 黏結(jié)劑化學(xué)成分分析結(jié)果 %

由表4可知，由于QTJ中含有的有機(jī)成分在高溫下分解揮發(fā)，其燒失較大，達(dá)到了46.53%，而膨潤土的燒失只有16.15%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于QTJ，因此，QTJ黏結(jié)劑高溫焙燒后其殘留量與膨潤土相比明顯降低，這對提高成品球團(tuán)礦的鐵品位幫助很大。

黏結(jié)劑QTJ常溫下呈白色粉末，水溶性很好，水溶液呈溶膠狀。其主要成分是丙烯類單體與淀粉接枝共聚物，是一種經(jīng)過改性的含羧基、酰胺基淀粉的有機(jī)高分子化合物，常溫下分子側(cè)鏈中存在羧基、酰胺基等活性基團(tuán)，且其鏈架結(jié)構(gòu)呈空間網(wǎng)狀，具有良好的分散性、水溶性和膠接性，能與礦物表面顆粒的離子、極性分子形成離子鍵、共價(jià)鍵或氫鍵等化合鍵力，其分子結(jié)構(gòu)式見圖1。

1.2 試驗(yàn)研究方法

試驗(yàn)內(nèi)容包括：配料、混合料混勻、潤磨、造球、預(yù)熱、焙燒等工序。其試驗(yàn)步驟為：首先將鐵精礦粉、黏結(jié)劑和水按比例進(jìn)行人工混勻，然后用潤磨機(jī)對混合料進(jìn)行預(yù)處理，潤磨混合料水分6%，潤磨時(shí)間5 min；生球的制備采用φ1 000 mm的圓盤造球機(jī)，傾角可調(diào)為45°～48°，造球機(jī)轉(zhuǎn)速為22 r/min，造球時(shí)間為15 min，生球水分控制適宜即可。造球完成后選取直徑10～16 mm的生球分別測爆裂溫度、落下強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度，其余生球進(jìn)行烘干備用。

圖1 QTJ有機(jī)黏結(jié)劑的分子結(jié)構(gòu)式

取直徑為10～16 mm干球進(jìn)行預(yù)熱和焙燒，預(yù)熱和焙燒試驗(yàn)在試驗(yàn)室管式焙燒爐中進(jìn)行，每次取10個(gè)球裝入剛玉瓷舟中，按設(shè)定的溫度和時(shí)間進(jìn)行預(yù)熱焙燒。預(yù)熱和焙燒試驗(yàn)完成后，將球置入空氣中冷卻，然后在智能球團(tuán)抗壓機(jī)上分別測定球團(tuán)的強(qiáng)度，取平均值作為球團(tuán)抗壓強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 QTJ黏結(jié)劑造球試驗(yàn)研究

通過添加不同量的有機(jī)黏結(jié)劑QTJ，來考察黏結(jié)劑用量對生球質(zhì)量指標(biāo)的影響，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 QTJ用量對生球質(zhì)量的影響

由表5可知，生球的落下和抗壓強(qiáng)度均隨著QTJ黏結(jié)劑用量的增加而提高；在QTJ黏結(jié)劑添加量為0.1%時(shí)，落下強(qiáng)度大于3次·(0.5 m/個(gè))，生球抗壓強(qiáng)度已經(jīng)大于14 N/個(gè)，隨后再增加黏結(jié)劑用量，生球落下強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度均提高，但提高的幅度不大。生球爆裂溫度隨黏結(jié)劑用量的增大而增加，在黏結(jié)劑添加量為0.05%時(shí)，生球的爆裂溫度為416 ℃；當(dāng)添加量為0.5%時(shí)，生球爆裂溫度已達(dá)到650 ℃；再增加黏結(jié)劑用量，爆裂溫度不再變化。此時(shí)，生球抗壓強(qiáng)度達(dá)到18.03 N/個(gè)，落下強(qiáng)度達(dá)到6.1次·(0.5 m/個(gè))。因此，試驗(yàn)選擇黏結(jié)劑QTJ添加量為0.5%較適宜。

2.2 QTJ黏結(jié)劑球團(tuán)預(yù)熱試驗(yàn)

QTJ是一種以有機(jī)物為主的復(fù)合黏結(jié)劑，了解其球團(tuán)的預(yù)熱性能可為其在球團(tuán)工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用提供有力的技術(shù)依據(jù)。以QTJ添加量為0.5%的干球?yàn)檠芯繉ο螅謩e研究預(yù)熱溫度和預(yù)熱時(shí)間對預(yù)熱球團(tuán)礦強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)結(jié)果見圖2、圖3。

圖2 預(yù)熱溫度對預(yù)熱球團(tuán)礦強(qiáng)度的影響結(jié)果

由圖2可見，預(yù)熱球抗壓強(qiáng)度隨預(yù)熱溫度升高而升高，特別是當(dāng)預(yù)熱溫度由1 000 ℃升至1 050 ℃時(shí)，預(yù)熱球強(qiáng)度由485 N/個(gè)升高到730 N/個(gè)，升高幅度大于50%，考慮到焙燒成本及焙燒設(shè)備耐高溫性能，試驗(yàn)選擇預(yù)熱溫度1 000 ℃為宜。

圖3 預(yù)熱時(shí)間對預(yù)熱球團(tuán)礦強(qiáng)度的影響結(jié)果

由圖3可見，隨著預(yù)熱時(shí)間的延長，預(yù)熱球強(qiáng)度增加；當(dāng)預(yù)熱8 min時(shí)，預(yù)熱球強(qiáng)度只有379.4 N/個(gè)，當(dāng)預(yù)熱時(shí)間增加到10 min時(shí)，預(yù)熱球強(qiáng)度升高到485 N/個(gè)，滿足工業(yè)生產(chǎn)要求；而后再延長預(yù)熱時(shí)間，預(yù)熱球強(qiáng)度大幅度增加，綜合考慮，選擇預(yù)熱時(shí)間為10 min為宜。

當(dāng)磁鐵礦中配加含有有機(jī)成分的黏結(jié)劑時(shí)，由于該種類黏結(jié)劑中含有很多活性能團(tuán)的有機(jī)高分子，在較低的溫度下預(yù)熱焙燒時(shí)，它發(fā)生熱分解緩慢，其產(chǎn)物主要是含有碳、氧化物為主的氣體，從球團(tuán)內(nèi)向外擴(kuò)散，一定程度上阻礙了氧進(jìn)入球團(tuán)內(nèi)部，內(nèi)部溫度較低，磁鐵礦顆粒氧化緩慢，甚至出現(xiàn)雙核現(xiàn)象，從而使得球團(tuán)礦強(qiáng)度下降。而當(dāng)預(yù)熱溫度達(dá)到或超過一定值時(shí)，這種黏結(jié)劑的氧化分解會在短時(shí)間內(nèi)完成，球團(tuán)由內(nèi)到外會在短時(shí)間內(nèi)形成大量的氣孔，很大程度上降低了氧氣進(jìn)入球團(tuán)內(nèi)部的阻力，有助于球團(tuán)內(nèi)部磁鐵礦顆粒的進(jìn)一步氧化，形成更多的Fe2O3微晶粒并聚集長大，球團(tuán)內(nèi)部各顆粒連接成一個(gè)致密的整體，使球團(tuán)礦強(qiáng)度大幅度提高。

對比表明，預(yù)熱時(shí)間對改善預(yù)熱球強(qiáng)度的效果更為明顯。磁鐵礦球團(tuán)的氧化是從球團(tuán)表面逐漸向內(nèi)進(jìn)行的，一定溫度下，當(dāng)氧化反應(yīng)形成一定數(shù)量的Fe2O3微晶后，這些微晶顆粒需要一定時(shí)間去長大、聚集鏈接，這就更進(jìn)一步加固了預(yù)熱球團(tuán)強(qiáng)度。

研究結(jié)果表明，在預(yù)熱溫度為1 000 ℃，預(yù)熱時(shí)間為10 min的條件下，QTJ黏結(jié)劑用量不超過0.5%時(shí)，可以獲得較高強(qiáng)度的預(yù)熱球。

2.3 QTJ黏結(jié)劑球團(tuán)焙燒試驗(yàn)

對添加0.5%QTJ的干球團(tuán)在預(yù)熱溫度為1 000 ℃條件下預(yù)熱10 min，對預(yù)熱球分別進(jìn)行焙燒溫度、焙燒時(shí)間試驗(yàn)，考察焙燒溫度、焙燒時(shí)間對焙燒球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)結(jié)果見圖4、圖5。

圖4 焙燒溫度對焙燒球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度的影響結(jié)果

圖5 焙燒時(shí)間對焙燒球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度的影響結(jié)果

由圖4、圖5可見，焙燒球的抗壓強(qiáng)度隨焙燒溫度升高而升高，焙燒球團(tuán)抗壓強(qiáng)度在焙燒溫度為1 250 ℃時(shí)達(dá)到最大，焙燒溫度繼續(xù)升高，球團(tuán)抗壓強(qiáng)度有下降趨勢；焙燒球抗壓強(qiáng)度隨焙燒時(shí)間的增加先增加后下降；當(dāng)焙燒時(shí)間從8 min延長至12 min時(shí)，焙燒球抗壓強(qiáng)度有較大增幅，繼續(xù)延長焙燒時(shí)間，焙燒球抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)下降趨勢。

對于QTJ黏結(jié)劑球團(tuán)氧化焙燒，由于焙燒溫度、焙燒時(shí)間達(dá)到一定值時(shí)，其抗壓出現(xiàn)較高值，而再繼續(xù)升高溫度，可能預(yù)熱球團(tuán)在較高溫度下氧化焙燒時(shí)其表面會發(fā)生氧化固結(jié)，形成一個(gè)緊密的固結(jié)層，阻礙球團(tuán)內(nèi)部繼續(xù)氧化，從而造成球團(tuán)抗壓強(qiáng)度下降的趨勢。

綜合比較，對配加0.5%QTJ黏結(jié)劑的預(yù)熱球，適宜的焙燒溫度為1 250 ℃，焙燒時(shí)間為12 min。

2.4 QTJ與膨潤土2種黏結(jié)劑球團(tuán)性能比較

上述研究表明，在優(yōu)化條件下采用QTJ作為球團(tuán)試驗(yàn)黏結(jié)劑，可獲得較高強(qiáng)度的氧化球團(tuán)。研究對2種黏結(jié)劑的氧化球團(tuán)性能進(jìn)行綜合比較研究，試驗(yàn)結(jié)果見表6，2種球團(tuán)在相同的預(yù)熱焙燒制度下獲得，2種黏結(jié)劑成品球團(tuán)礦還原性能結(jié)果見表7。

表6 黏結(jié)劑QTJ與膨潤土球團(tuán)性能比較

由表6可知,比較QTJ黏結(jié)劑添加量為0.5%與膨潤土添加量為2.0%的生球球團(tuán)質(zhì)量指標(biāo)，兩者落下強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度基本接近，而QTJ黏結(jié)劑生球熱態(tài)強(qiáng)度爆裂溫度比膨潤土高出15個(gè)百分點(diǎn)左右。盡管膨潤土氧化焙燒球團(tuán)抗壓強(qiáng)度稍高，但QTJ黏結(jié)劑球團(tuán)預(yù)熱球和焙燒球抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到485 N/個(gè)和2832 N/個(gè)，完全滿足球團(tuán)工業(yè)生產(chǎn)的要求。

從產(chǎn)品全鐵品位來看，使用0.5% QTJ黏結(jié)劑的成品球團(tuán)礦比使用2%膨潤土球成品團(tuán)礦的鐵品位提高了約1.12個(gè)百分點(diǎn)。因此，采用QTJ黏結(jié)劑完全代替膨潤土制備氧化球團(tuán)時(shí)，可有效提高球團(tuán)礦的鐵品位。

表7 2種黏結(jié)劑成品球團(tuán)礦還原性能比較 %

由表7可知，2種黏結(jié)劑成品球團(tuán)礦的還原性能基本接近，均可作為優(yōu)質(zhì)的高爐冶煉原料。

3 結(jié) 論

(1)QTJ黏結(jié)劑添加量為0.05%～0.8%時(shí)，隨著用量的增加，所得生球冷態(tài)強(qiáng)度和熱態(tài)強(qiáng)度均不斷提高，尤其是在改善生球熱態(tài)強(qiáng)度方面，QTJ黏結(jié)劑具有顯著的效果。

(2)用QTJ黏結(jié)劑制備鐵精礦氧化球團(tuán)，當(dāng)其添加量為0.5%時(shí)，適宜的預(yù)熱焙燒制度為：預(yù)熱溫度1 000 ℃，預(yù)熱時(shí)間10 min，焙燒溫度1 250 ℃，焙燒時(shí)間12 min。在該試驗(yàn)條件下，獲得了強(qiáng)度為485 N/個(gè)的預(yù)熱球，抗壓強(qiáng)度大于2 800 N/個(gè)的成品球，與添加2%的膨潤土球團(tuán)礦比較，添加0.5%的QTJ黏結(jié)劑成品球團(tuán)礦鐵品位有所提高，但兩者成品球還原性能基本接近。

(3)用QTJ黏結(jié)劑可完全替代無機(jī)黏結(jié)劑膨潤土，制備出質(zhì)量優(yōu)質(zhì)的磁鐵礦氧化球團(tuán)，成品球抗壓強(qiáng)度、還原性能均能滿足目前工業(yè)生產(chǎn)要求，因此其在磁鐵礦氧化球團(tuán)制備中具有良好的前景。

New High Efficient Adhesive Iron Concentrate Oxidized Pellets Experiment

Wu Xia1,2Peng Xiaomin1,2Chen Yuhua1,2

(1.Sinosteel Maanshan Institute of Mining Research Co., Ltd.;2.National Engineering Research Center of Huawei High Efficient Recycling Utilization of Metal Mineral Resources Co., Ltd.)

Magnetite concentrate oxidized pellets was prepared by application developed QTJ adhesive instead of bentonite, high quality oxidized pellet was obtained, meet the strict requirements for blast furnace smelting furnace charge. The results show that when QTJ dosage was 0.5%, high quality ball with compressive strength of more than 18 N/P of pellet, explosion temperature higher than 650 ℃ can be obtained; The preheating temperature of 1 000 ℃, the preheating time is 10 min, roasting temperature 1 250 ℃ for 12 min conditions, compressive strength of quality preheating ball is higher than 480 N/P, roasting ball compressive strength is greater than 2, 800 N/P. Compared with adding 2% bentonite pellet, finished product ball compressive strength lower, but explosion temperature increased; Two kinds of binder pellets reduction performance is basically approximate, thus QTJ adhesive can completely replace bentonite in oxide pellet production and has a good application prospect.

QTJ adhesive， Oxidized pellets， Bentonite

2016-07-11)

吳 霞(1975—)，女，高級工程師，243000 安徽省馬鞍山市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)西塘路666號。