高硅鎂質熔劑性球團焙燒試驗研究

王曉磊，師學峰，胡長慶，王新東，胡啟辰

（1. 華北理工大學冶金與能源學院 河北 唐山 063210；2. 河鋼股份 河北 石家莊050023）

我國鋼鐵工業正向著高效化、清潔化、綠色化、低成本化方向發展[1-3]。在國家大力倡導節能減排、高爐精料號召下[4-5]，擁有良好機械強度及優良冶金性能的鎂質熔劑性球團礦在優化高爐爐料結構的過程中起到了非常重要作用[6-8]，因此要生產高質量的球團礦，必須要摸清影響球團性能的影響規律[9-11]，高強健等[12]研究了MgO 對鐵礦球團低溫還原粉化率、還原性以及還原膨脹率等幾種冶金性能的影響, 結果表明，隨著MgO 含量的提高，鐵礦球團的還原粉化和還原現象都得到抑制，而還原性能呈上升趨勢。李杰等[13]研究發現隨著MgO 含量的提高，軟化開始溫度略微升高，軟化區間逐漸降低，還原膨脹率呈降低趨勢，冶金性能得到明顯改善。王黎光等[14]研究了堿度對鎂質熔劑性球團抗壓強度的影響，并基于孔結構及顯微形貌分析了抗壓強度變化的原因，建立了孔隙率與抗壓強度之間的關系。邢宏偉[15]等研究了熔劑性球團孔結構以及堿度對熔劑性球團性能的影響，采用壓汞試驗法，結合分形理論，通過對試驗數據的分析及球團圖像的處理，利用軟件仿真，得到了球團孔徑分布的多重分形譜擬合曲線。

本文以唐鋼生產所用三種磁鐵礦為原料，通過改變SiO2、堿度及MgO 含量，系統的研究了SiO2、堿度及MgO 含量對鎂質熔劑性球團強度及粘結率的影響規律，為企業的生產實踐提供理論依據。

1 試驗原料

本試驗所用礦粉為唐鋼生產所用鐵精粉，包含PMC 鐵精粉、廟溝礦鐵精粉、硯山3#鐵精粉3 種，三種鐵礦粉全為磁鐵礦，熔劑使用白云石和白灰，粘結劑為膨潤土，具體成分見表1。

表1 原料化學成分/%Table 1 Chemical composition of the raw material

2 試驗方案

試驗設備用于球團焙燒的豎式管式爐， 試驗步驟如下：

（1）焙燒過程及抗壓強度測定：球團焙燒試驗在豎式電爐中進行，高溫吊籃裝入500 g 左右生球，待電爐溫度升至設定溫度，將吊籃放入電爐爐頂，然后使吊籃緩慢下行。干燥預熱約20 min，焙燒約20 min，均熱和冷卻約10 min，全過程共計50 min。焙燒完成的球團礦，在彈簧壓力試驗機上測定抗壓強度（壓力機量程5000 N，感量10 N，壓下速度0.2 mm/s），每組試樣測量60 個球，結果取其平均值。

（2）粘結率(η) 測定：將焙燒后的球團進行分類，篩選出粘結的球團，并對其稱重G 粘，粘結率計算公式：

3 結果分析

3.1 SiO2 對熔劑性球團強度及粘結率的影響

為了研究SiO2含量對生球性能的影響規律，固定膨潤土為1%，通過白云石調整MgO 含量為1.8%，通過白灰調整堿度為1.0。試驗方案見表2。3.1.1 SiO2對抗壓強度試驗結果與分析

表2 試驗方案/%Table 2 Test scheme

表3 試驗結果Table 3 Test results

圖2 SiO2 含量對抗壓強度的影響（1250℃）Fig .2 Effect of SiO2 content on compressive strength

由圖2 可知，在焙燒溫度1250℃，堿度為1.0，MgO 含量為1.8% 時，隨SiO2含量的增加，球團抗壓強度先上升后下降；SiO2含量為5.0% 時，球團抗壓強度達到最大2813 N/ 個球；SiO2含量繼續升高，球團抗壓強度呈下降趨勢，主要是因為SiO2增加后，勢必會增加球團液相含量，而適宜的液相量有利于球團強度的提高，但過量后將會抑制Fe2O3晶粒的長大，并阻礙Fe2O3晶粒連接，生成部分的硅酸鹽體系，從而降低了球團的抗壓強度，尤其是SiO2含量從5.5% 提高到6.0% 時，下降了435 N。

3.1.2 SiO2對粘結現象試驗結果與分析

焙燒溫度定為1250℃，各SiO2含量條件下均有不同程度的粘結現象，且隨著SiO2含量的提高，粘結程度呈增多趨勢。粘結率見表4。

表4 SiO2 含量對粘結率的影響Table 4 Effect of SiO2 content on bonding rate

圖3 SiO2 含量對粘結率的影響Fig. 3 Effect of SiO2 content on Bonding Rate

由圖3 可知當SiO2含量在5.0 以下時粘結率較低，超過5.0 后粘結率上升明顯，分析認為隨著SiO2含量升高，容易生成低熔點液相，同時在球團焙燒過程中，磁鐵礦向赤鐵礦氧化不充分時，FeO 容易與SiO2反應生成低熔點化合物，液相量增加，過多的液相量促使球團相互間發生粘結現象，從而導致球團粘結率呈增加趨勢。

3.2 堿度對熔劑性球團強度及粘結率的影響

通過研究SiO2含量對球團性能影響，在SiO2含量為4.5% ～ 5.0% 時，球團性能較好，下邊將進一步研究SiO2含量為5.0% 時，堿度對球團性能影響規律，固定研山3#為40%、膨潤土為1%，通過PMC、廟溝礦調整SiO2含量為5.0%，通過白云石調整MgO 含量為1.8%，白灰調整堿度為0.6 ～ 1.4。試驗方案見表5。

表5 試驗方案/%Table 5 Test scheme

3.2.1 堿度對抗壓強度試驗結果與分析

表6 抗壓強度與焙燒粘結現象試驗結果與分析Table 6 Test results and analysis of compressive strength and calcination bonding

圖4 堿度對抗壓強度的影響（1250℃）Fig. 4 Effect of alkalinity on compressive strength (1250 ℃)

由圖4可知，在焙燒溫度1250℃，MgO含量1.8%，SiO2含量為5.0% 時，堿度由0.6～1.4，隨著堿度的提高，球團抗壓強度呈現出先升高后降低的趨勢，并在堿度為1.0 時最高，抗壓強度為2813 N。

分析認為隨著堿度的提高，適量液相有助于球團內部顆粒表面張力的提高，以及固相質點的擴散，從而加快了晶體的重結晶速度、降低了球團內部氣孔率，使氣孔分布均勻，球團內部結構更加緊密與完整，從而會提高球團強度。

堿度過大而造成抗壓強度下降的主要原因是：(1) 堿度繼續升高，球團中CaO 含量占比過大，導致鐵礦顆粒分散嚴重，接觸條件變差，減弱氧化作用；(2) 形成液相量過大，阻礙固相顆粒間的直接接觸，不利于赤鐵礦再結晶長大，并且液相沿晶界滲透，會破壞已聚集成的晶體固結，呈圓形大氣孔狀，進而削弱了以氧化固結為主的作用；(3)添加熔劑后焙燒過程中會出現鐵酸鈣體系礦物，尤其是在SiO2較少的情況下，更易生成鐵酸鹽，隨著堿度的繼續提高，過剩的CaO 會使生成的液相量不斷增大，導致球團強度劇烈下降。

3.2.2 堿度對粘結現象試驗結果與分析

焙燒溫度定為1250℃，各堿度條件下均有不同程度的粘結現象，且隨著堿度的提高，粘結程度呈增多趨勢。

粘結率見下表7：

表7 堿度對粘結率的影響Table 7 Effect of alkalinity on bonding ratio

圖4 堿度對粘結現象的影響Fig. 4 Effect of alkalinity on bonding

由圖4 可知，隨著堿度的提高，粘結程度呈增多趨勢。分析可知，一方面，由于球團中SiO2含量較高，隨著堿度提高，更易生成低熔點液相；另一方面，在球團焙燒過程中磁鐵礦向赤鐵礦氧化不充分時，FeO易與SiO2反應生成低熔點化合物，同時隨著堿度提高，低熔點的鐵酸鈣含量也會升高。由于較多的低熔點化合物生成，液相量必然增加，過多的液相量會加重球團相互之間粘連現象，從而提高了球團粘結率。

3.3 MgO 對熔劑性球團強度及粘結率的影響

結合SiO2、堿度對球團性能影響，研究MgO含量對球團性能影響規律，為使球團性能達到最優，固定研山3#為40%、膨潤土為1%，通過PMC、廟溝礦調整SiO2含量為5.0%，通過白灰調整堿度為1.0。試驗方案見表8。

表8 試驗方案/% Table 8 Test scheme

3.3.1 MgO 對抗壓強度試驗結果與分析

表9 抗壓強度測定結果Table 9 Compressive strength measurement result

圖6 MgO 含量對抗壓強度的影響（1250℃）Fig. 6 Effect of MgO content on compressive strength (1250℃)

由圖6 可知，在焙燒溫度1250℃，堿度為1.0，SiO2含量為5.0% 時，隨著MgO 含量的提高，球團抗壓強度呈逐漸降低的趨勢；MgO 含量每升高0.1%，抗壓強度降低69.9 N/ 個球。造成上述結果的原因為Mg2+會擴散進入Fe3O4晶格生成固溶體，降低Fe3O4的再結晶能力，而Fe3O4的存在也會阻礙Fe2O3之間的連晶性能，會進一步降低球團抗壓強度。

3.3.2 MgO 對粘結現象試驗結果與分析粘結率見下表10。

表10 堿度對粘結率的影響Table 10 Effect of alkalinity on bonding ratio

圖7 MgO 含量對粘結率的影響Fig. 7 Effect of MgO Content on Bonding Rate

由圖6 可知，隨著MgO 含量的提高，粘結程度呈降低趨勢，原因是添加MgO 后的熔劑性球團在焙燒過程中可生成Fe2O3-CaO-MgO-SiO2體系，MgO 進入渣相或進人氧化鐵中都能夠提高球團的熔點和改善還原性(MgO 含量的提高會促使生成高熔點渣相，減少低熔點渣相的形成，從而提高了熔化溫度；又因為在加熱還原過程中MgO 與FeO 無限固溶，生成高熔點含鎂浮士體，提高熔滴溫度)，減少液相生成。

4 結 論

（1）在焙燒溫度1250℃，堿度為1.0，MgO含量為1.8% 時，隨SiO2含量的增加，球團抗壓強度先上升后下降；SiO2含量為5.0% 時，球團抗壓強度達到最大2813 N/ 個球；SiO2含量繼續升高，球團抗壓強度呈下降趨勢，粘結率呈不斷上升趨勢。

（2）在焙燒溫度1250℃，SiO2含量為5.0%，MgO 含量為1.8% 時，隨著堿度的提高，球團抗壓強度呈現出先升高后降低的趨勢，并在堿度為1.0時最高，抗壓強度為2813 N；粘結率呈不斷升高趨勢。

（3）在焙燒溫度1250℃，堿度為1.0，SiO2含量為5.0% 時，隨著MgO 含量的提高，球團抗壓強度逐漸降低；MgO 含量每升高0.1%，抗壓強度降低69.9 N/ 個球。粘結率呈不斷下降的趨勢。